Stellar evolution towards merging in contact binary systems

Abstract

Research on dwarf stars with low mass and temperature is particularly interesting and highly important in understanding stellar evolution in evolved stellar systems in our Solar neighborhood. Their study is carried out with photometric and spectroscopic observations of binary systems, which are in contact and show very short orbital periods. The main purpose of such observations is to determine the physical and geometrical parameters (mass, radius, temperature, luminosity). These binary systems are on the verge of a final coalescence, as a result of continuous mass and angular momentum loss.The basic idea of this study is to investigate the evolutionary state of these stellar systems, something that can be achieved by correlating the physical parameters. This method indicates the mutual evolution of the stars and provides information about the evolutionary mechanisms, which lead to a final coalescence. The topic of this current Ph.D. diploma, will be focused on the photometric and spectroscopic observations of stars with low mass and temperature which are components in contact binaries, also known as LMCBs (Low Mass Contact Binaries).The number of these systems is very limited and today we know very little about stellar systems that are very close to merging. Currently related studies on stellar merging are numerous. However, such a coalescence has been observed only in one system so far (V1309 Sco). This system was a contact binary with a rapidly decreasing orbital period and in 2008 it turned into a single rotating star. In addition to this, there are several peculiar cases of fast rotating stars such as the variables FK Com, HD 199178 & UZ Lib, which can possibly be a result of merging in contact binaries. Optical sky surveys (SWASP, OGLE, ASAS) have discovered several eclipsing systems with very short orbital periods, which are potential targets for investigation in the frame of the proposed program.There are just a few things we currently know about stellar evolution in close eclipsing systems. Until very recently, the mass and angular momentum loss rate was unknown, while there is no contact system with an orbital period less than the initial cut-off limit which is set at 0.22 days. Systems with very short orbital period have the smallest mass and angular momentum among these systems, while it is obvious that continuous reduction of these values will lead towards coalescence between their components. In addition, the link between stellar mergers and Blue Stragglers in open and mainly globular clusters is still unknown.The various evolutionary scenarios, which have already been proposed, have not given solid answers until today, although observations of these kind of objects are constantly increasing. For that particular reason the study of stellar merging candidates is absolutely essential, in understandingthe ultimate state of stellar evolution. In this research, several telescopes will be used in Greece and abroad, in order to perform photometric and spectroscopic observations. The goal of using several telescopes is to cover a statistically large sample of these systems, enough to give robust astrophysical results.

Η έρευνα των νάνων αστέρων χαμηλής θερμοκρασίας και μικρής μάζας έχει ιδιαίτερη σημασία στην κατανόηση της αστρικής εξέλιξης στα γηραιά αστρικά συστήματα της γειτονιάς του Ήλιου. Η μελέτη τους γίνεται μέσω φωτομετρικών και φασματοσκοπικών παρατηρήσεων διπλών αστρικών συστημάτων σε επαφή, τα οποία παρουσιάζουν πολύ μικρές τροχιακές περιόδους. Οι παρατηρήσεις έχουν ως κύριο σκοπό τον ακριβή προσδιορισμό των φυσικών και γεωμετρικών παραμέτρων τους (μάζα, ακτίνα, θερμοκρασία, φωτεινότητα). Τα διπλά συστήματα αυτά βρίσκονται ένα στάδιο πριν την τελική συγχώνευση, έχοντας χάσει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας και της στροφορμής τους. Η βασική ιδέα της μελέτης αυτής είναι να διερευνηθεί η εξελικτική πορεία των διπλών αστρικών συστημάτων, γεγονός που μπορεί να επιτευχθεί μέσω της συσχέτισης των φυσικών τους παραμέτρων. Αυτή η μέθοδος αναδεικνύει την κοινή εξελικτική πορεία και τους μηχανισμούς που οδηγούν στη συγχώνευση. Η προτεινόμενη έρευνα για το διδακτορικό δίπλωμα ειδίκευσης προσανατολίζεται στην φωτομετρική και φασματοσκοπική παρατήρηση αστέρων με χαμηλή μάζα και θερμοκρασία, τα οποία είναι μέλη διπλών αστρικών συστημάτων σε επαφή, γνωστά και ως LMCBs (Low Mass Contact Binaries).Ο αριθμός των συστημάτων αυτών είναι πολύ περιορισμένος και σήμερα γνωρίζουμε ελάχιστα για τα διπλά αστρικά συστήματα που βρίσκονται σε τελικό στάδιο πριν τη συγχώνευση. Οι έρευνες αυτή τη στιγμή πάνω στις αστρικές συγχωνεύσεις είναι πολυάριθμες, ενώ μόνο σε ένα σύστημα έχει παρατηρηθεί τέτοιου είδους συγχώνευση (V1309 Sco). Πρόκειται για ένα διπλό σύστημα σε επαφή, του οποίου η τροχιακή του περίοδος μειωνόταν με γρήγορους ρυθμούς, ενώ το 2008 κατέληξε σε ένα ταχέως περιστρεφόμενο άστρο. Παράλληλα, οι μεταβλητοί αστέρες FK Com, HD 199178 και UZ Lib αποτελούν ιδιάζουσες περιπτώσεις ταχέως περιστρεφόμενων αστέρων, τα οποία πιθανόν να είναι το αποτέλεσμα παρόμοιων μηχανισμών συγχώνευσης διπλών αστρικών συστημάτων. Προγράμματα επισκόπησης του ουρανού (SWASP, OGLE, ASAS) έχουν ανακαλύψει διπλά συστήματα σε επαφή με πολύ μικρές τροχιακές περιόδους, τα οποία είναι υποψήφιοι στόχοι παρατήρησης για το παρόν διδακτορικό.Γνωρίζουμε λίγα για εξέλιξη των διπλών εκλειπτικών συστημάτων. Μέχρι πολύ πρόσφατα ήταν άγνωστος ο ρυθμός απώλειας στροφορμής και μάζας από τα συστήματα, ενώ δεν έχει παρατηρηθεί κανένα διπλό σύστημα σε επαφή με τροχιακή περίοδο μικρότερη των 0.22 ημερών. Τα διπλά συστήματα με μικρή τροχιακή περίοδο έχουν τις μικρότερες μάζες και στροφορμές από όλα τα συστήματα του ίδιου είδους, ενώ γίνεται εμφανές ότι η συνεχής καθοδική πορεία των μεγεθών αυτών οδηγεί στην τελική συγχώνευση των μελών στα συστήματα σε επαφή. Άγνωστη ακόμη παραμένει η σχέση των συστημάτων σε επαφή με τους Blue Stragglers και τους ταχέως περιστρεφόμενους αστέρες που παρατηρούνται σε ανοικτά και κυρίως σφαιρωτά σμήνη.Τα διάφορα εξελικτικά σενάρια που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία δεν έχουν δώσει σαφείς απαντήσεις έως τώρα, ενώ παράλληλα οι παρατηρήσεις σε τέτοιου είδους αντικείμενα αυξάνονται συνεχώς. Για τον λόγο αυτό είναι απολύτως απαραίτητη η μελέτη των υποψήφιων προγεννήτορων για αστρικές συγχωνεύσεις, ευελπιστώντας στην κατανόηση των τελικών σταδίων της αστρικής εξέλιξης. Στην μελέτη αυτή χρησιμοποιούνται τηλεσκόπια που πραγματοποιήσαν φωτομετρικές και φασματοσκοπικές παρατηρήσεις από διάφορες περιοχές της Γης, ώστε να καλυφθεί ένα στατιστικά ικανοποιητικό δείγμα τέτοιων διπλών συστημάτων, ώστε τα αστροφυσικά συμπεράσματα να έχουν μεγάλη βαρύτητα.