Μελέτη των μακροχρόνιων παρατηρούμενων μεταβολών της τροχιακής περιόδου στα διπλά εκλειπτικά αστρικά συστήματα

Abstract

The way that various physical processes act in binary systems can be disentangled by interpreting their orbital period changes. Especially in the case of eclipsing binary systems, this may happen by analyzing their O-C diagrams, i.e. by monitoring their eclipse timing variations. The present doctoral thesis aims towards the way that specific physical mechanisms -acting individually or combined- modulate the O-C differences and, consequently, fix the morphology of the O-C diagrams. The first goal this study aims to achieve is the derivation of analytical expressions (to be referred as synthetic O-C diagrams) describing the variations of the O-C differences under the action of individual physical processes. Each of these synthetic O-C diagrams actually represents a pure signal that finally becomes observable after its embedment in a white noise background (mainly caused by errors in times of minimum light detection and in solar-type activity). Since the time windows spanned the O-C diagrams are limited, we specify in a second step, the minimum time interval (i.e. number of orbital cycles) over which a pure O-C signal could be observable. To realize this task, we have developed the appropriate methodology via which the minimum required time span (with observations) becomes known in order each examined mechanism to be measurable by means of O-C diagrams analysis. The way that these intervals are modulated by crucial factors such as the noise level, the orbital period and the intensity of the examined mechanisms, is also investigated. Concerning the case of mass loss/exchange, it is revealed that the inferred intervals do not depend on the (reference) period while magnetic braking is proven to be very sensitive on the orbital period and on the braking law adopted for inference. The second goal concerns the extent at which very common presumptions, adopted so far in literature, are reliable (e.g. the parabolic trend as a signature of long-term mechanisms). The proposed approach has also led to useful and simple mathematical relations through which important physical parameters, regarding the involved mechanisms, are rendered known by means of O-C diagrams analysis. Finally, the modulation of O-C diagrams under the combined action of properly parameterized physical mechanisms is examined in the aforementioned way. The conditions, under which the examined processes with opposite direction counterbalance each other, are also presented. Especially in the case of detached binaries, we stress our efforts to elucidate whether or not the impact of wind-driven magnetic braking in period variations is measurable with certainty since it has been a subject of debate for long time. It is revealed that magnetic braking is capable of compensating the effects of mass loss, locking the orbital period invariable in time. Several short-period RS CVn-type binaries (i.e. YY Gem, CV Boo, DU Leo, HS Hya and WZ Oph), where this regime is expected to prevail, are also examined.

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορά τη θεωρητική μελέτη μακροχρόνιων μεταβολών της τροχιακής περιόδου σε διπλά εκλειπτικά αστρικά συστήματα. Η μελέτη αυτή έχει ως σκοπό την ανάπτυξη της μεθοδολογίας εκείνης μέσω της οποίας θα καθίσταται δυνατός ο υπολογισμός του ελάχιστου απαιτούμενου χρονικού εύρους παρατηρήσεων ώστε οι επιπτώσεις της δράσης του εκάστοτε εξεταζόμενου μηχανισμού να είναι μετρήσιμες μέσω της ανάλυσης των αντίστοιχων διαγραμμάτων O-C. Η παρατηρησιακή υποστήριξη της διατριβής στηρίζεται στον προσδιορισμό χρόνων ελαχίστων που έχουν προκύψει μετά από την παρατήρηση διπλών συστημάτων σε μακροχρόνια κλίμακα η οποία αγγίζει ή και ξεπερνά τα 100 χρόνια. Επιβάλλοντας ένα μοντέλο σταθερής περιόδου (γραμμική εφημερίδα) στους διαθέσιμους χρόνους ελαχίστων, η μελέτη των μεταβολών της περιόδου γίνεται με βάση τη χρονική διαμόρφωση των παραγόμενων υπολοίπων. Η ανάλυση των διαγραμμάτων O-C, όπως έχει ιστορικά επικρατήσει ο όρος, έχει αποδειχθεί αξιόπιστο μέσο εξαγωγής συμπερασμάτων σχετικά με το χρονικό ρυθμό μεταβολής της περιόδου ενώ, συμπληρωματικά, χρησιμοποιείται ως μέσο επιβεβαίωσης της παρουσίας συγκεκριμένων φυσικών μηχανισμών που προκαλούν τις μεταβολές της περιόδου. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται είναι πρωτότυπη και είχε δύο βασικούς στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι ο προσδιορισμός των απαιτούμενων συνθηκών (π.χ. στάθμη θορύβου, χρονικό παράθυρο, ένταση φυσικών μηχανισμών) ώστε μια συγκεκριμένη φυσική διαδικασία να καθίσταται ανιχνεύσιμη μέσω της ανάλυσης των διαγραμμάτων O-C. Προσδιορίζονται έτσι αναλυτικές εκφράσεις της τροχιακής περιόδου και των συναρτήσεων εκείνων που οφείλουν να διαμορφώνουν το αντίστοιχο διάγραμμα O-C (συνθετικά διαγράμματα) κάτω από την επίδραση του εκάστοτε μηχανισμού. Κάτω από την επιλογή συγκεκριμένης στάθμης θορύβου, εκτιμώνται τα κρίσιμα απαιτούμενα χρονικά διαστήματα μετά τα οποία ο κάθε μηχανισμός (ξεχωριστά) καθίσταται ανιχνεύσιμος. Ο δεύτερος στόχος αφορά την αξιολόγηση του βαθμού αξιοπιστίας ορισμένων παραδοχών που μέχρι σήμερα υϊοθετούνταν σε πληθώρα αναλύσεων διαγραμμάτων O-C και εύκολα μπορεί να βρει κανείς στην υπάρχουσα βιβλιογραφία (π.χ. η παραβολική τάση ως δείκτης παρουσίας ενός μακροχρόνιου μηχανισμού). Η προτεινόμενη μεθοδολογία οδήγησε σε χρήσιμες και απλές μαθηματικές σχέσεις εκτίμησης φυσικών παραμέτρων των εμπλεκόμενων μηχανισμών με βάση την πληροφορία η οποία έχει προκύψει από την ανάλυση των διαγραμμάτων O-C και εφαρμόστηκε σε επτά αποχωρισμένα διπλά συστήματα. Πέντε από αυτά (YY Gem, CV Boo, DU Leo, HS Hya, WZ Oph) δεν παρουσιάζουν καμία ένδειξη μεταβολής της περιόδου τους, κάτι το οποίο εξηγήθηκε με επιτυχία κάτω από τη συνδυασμένη δράση της απώλειας μάζας και της μαγνητικής πέδησης. Επιπλέον, πραγματοποιηθήκαν ορισμένες παρατηρησιακές και στατιστικές μελέτες με σκοπό τον προσδιορισμό της ακρίβειας του χρόνου ελαχίστου και τους παράγοντες που μπορούν να επιδράσουν και να οδηγήσουν σε πιθανή λανθασμένη εκτίμησή του.