Μελέτη συστημάτων σε επαφή με μεγάλη διαφορά μάζας στο στάδιο της συγχώνευσης

Abstract

Eclipsing binary systems of EW type with extreme mass ratio challenge the theoretical models since the latter predict coalescence into a single star. The physical process that triggers the binary to merge is not clear. The widely accepted scenario is Darwin instability (tidal instability) which occurs when the spin angular momentum of the systems is more than one-third of the orbital angular momentum. When the binary mass difference, usually expressed as the mass ratio q=M_2/M_1 becomes lower than a critical value qmin the secondary component can no longer continue to co-rotate synchronously with the primary via the tidal interaction. As a consequence of the secondary’s higher angular velocity, angular momentum is transported rapidly from the orbital motion to the primary’s spin, causing the orbit to shrink and the period to shorten, until the engulfment of the secondary. Models suggest that single stars (FK Com and blue straggler type) could be the result of this coalescence. The critical value of the mass ratio predicted by theoretical models is around 0.05 − 0.10 depending on the adopted approximations. The study of EW systems with extreme mass ratio (Low Mass Ratio, LMR) is of significant importance since it could shed light to the stellar evolution and to the physical processes that are involved. This thesis is focused on the identification and study of a large number of LMR systems. Chapter 1 provides the basic theoretical information about eclipsing binaries in general and their classification based on the Roche lobe geometry. It also includes a more detailed description of the EW type systems, their origin, and their relation to the other types of eclipsing binaries. In addition, the main characteristics of the two unique types of EW are discussed, that is the LMR EW and those with periods under or around the period cut-off of 0.22 days. Chapter 2, is focused on the technical part of this investigation, describing the Fourier analysis and its use on the field of the eclipsing binaries. Next, the main physical parameters composing the EW models are analyzed along with the modeling procedure using the PHOEBE-scripter software. Finally, the two different methods of uncertainty estimation are presented, namely the Monte-Carlo simulations and the parameter kicking. Chapter 3 is focused on the application of the above methods to the Catalina Sky Survey (CSS) and the All Sky Automated Survey-3 (ASAS-3) in order to identify and consequently model the selected systems. Fourier analysis resulted in a sample of 190 LMR candidates with total eclipses. The 92 systems from CSS were modeled using PHOEBE-scripter and their V_CSS light curves and were confirmed as LMR systems. In addition, three systems out of the 92 with periods under or around the period cut-off are further studied using the new BVRI light curves obtained from 2.3m telescope, Aristarchos at Helmos Observatory. Chapter 4 summarizes the results of this investigation and presents the method adopted in order to determine the absolute parameters as well. The lowest q determined is 0.07±0.02 for CSS J075839.9+131355 while 10 out of the 92 systems are characterized by q<0.10. It seems that LMR systems originate from the EW with larger masses, higher effective temperatures, and longer periods while there is no preference for A or W subtypes. An investigation of the instability criteria follows, resulting in ~10 systems, mainly of W-subtype that could be considered as premerger candidates. Finally, the physical parameters of the progenitors of these systems are determined and the results show that the more initial massive systems with initial q~0.45 tend to evolve to LMR.

Τα διπλά εκλειπτικά συστήματα σε επαφή (EW) με μεγάλη διαφορά μάζας αποτελούν πρόκληση για τα θεωρητικά μοντέλα καθώς τα τελευταία προβλέπουν τη συγχώνευσή τους σε έναν ταχέως περιστρεφόμενο αστέρα. Ο φυσικός μηχανισμός που πυροδοτεί τη συγχώνευση δεν είναι ξεκάθαρος, σύμφωνα όμως με το πιο διαδεδομένο σενάριο οφείλεται στην αστάθεια Darwin (παλλιροϊκή αστάθεια) που συμβαίνει όταν η στροφορμή λόγω ιδιοπεριστροφής των μελών γίνει μεγαλύτερη από το 1/3 τη τροχιακής στροφορμής του. Ειδικότερα, όταν η διαφορά των μαζών ή όπως συνηθίζεται, ο λόγος των μαζών q=M_2/M_1 γίνει μικρότερος από μία κρίσιμη τιμή qmin, ο μικρής μάζας αστέρας δεν μπορεί πλέον να διατηρήσει τη σύγχρονη περιστροφή με το συνοδό του και η τροχιά τους μικραίνει, καταλήγοντας στη δημιουργία ενός ταχέως περιστρεφόμενου αστέρα τύπου FK Com ή σε έναν αστέρα τύπου Blue Straggler. Η τιμή qmin στην οποία επέρχεται η αστάθεια έχει υπολογιστεί σε 0.05-0.07 ανάλογα τις υποθέσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί. Η μελέτη των EW συστημάτων με πολύ μικρό λόγο μαζών (Low Mass Ratio, LMR) είναι ιδιαίτερα σημαντική, διότι θα μπορούσε να παρέχει πληροφορίες για την αστρική εξέλιξη και για τους φυσικούς μηχανισμούς που εμπλέκονται σε αυτή. Κύριο αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η εύρεση και μελέτη ενός μεγάλου αριθμού LMR συστημάτων. Το πρώτο κεφάλαιο, το οποίο αναφέρεται στο θεωρητικό πλαίσιο, περιλαμβάνει μια σύντομη περιγραφή της ταξινόμησης των διπλών εκλειπτικών συστημάτων, μια πιο αναλυτική περιγραφή των χαρακτηριστικών των EW καθώς και των σεναρίων προέλευσης και κατάληξής τους. Τέλος, γίνεται αναφορά στις δύο ιδιαίτερες κατηγορίες τους εκείνη των LMR συστημάτων (q≤0.25) και εκείνη με τιμή περιόδου γύρω ή κάτω από το όριο των 0.22 ημερών (Ultra Short Period Contact Binaries, USPCB). Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στη περιγραφή της ανάλυσης Fourier χρησιμοποιείται για την ανίχνευση LMR συστημάτων. Παράλληλα, γίνεται μια σύντομη περιγραφή των φυσικών παραμέτρων που συνθέτουν το μοντέλο των EW συστημάτων και περιγράφεται η διαδικασία της μοντελοποιήσης των καμπυλών φωτός με το υπολογιστκό πακέτο PHOEBE-scripter και της εκτίμησης των αβεβαιοτήτων τους με προσομοιώσεις Monte- Carlo και τη μέθοδο parameter kicking. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βάσεις δεδομένων Catalina Sky Survey (CSS) και the All Sky Automated Survey-3 (ASAS-3) που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα καθώς και η επεξεργασία των παρατηρησιακών δεδομένων. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της ανάλυσης Fourier στις δύο επισκοπήσεις τα οποία περιλαμβάνουν 190 υποψήφια LMR συστήματα με ολικές εκλείψεις. Ακολουθεί η φωτομετρική μελέτη των 92 συστημάτων που προέκυψαν από το CSS με βάση τις καμπύλες φωτός τους. Η διαδικασία επιβεβαίωσε ότι όλα τα συστήματα χαρακτηρίζονται από μικρό λόγο μαζών. Τέλος, πραγματοποιείται φωτομετρική μελέτη με μεμονωμένες BVRI παρατηρήσεις από το 2.3 m τηλεσκόπιο Αρίσταρχος του Αστεροσκοπείου του Χελμού, τριών συστημάτων με περιόδους κάτω ή κοντά στο όριο της περιόδου. Το τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζει τη μέθοδο που υιοθετήθηκε για τον προσδιορισμό των απόλυτων παραμέτρων και συνοψίζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης. Από αυτή προκύπτουν 10 συστήματα που χαρακτηρίζονται από q<0.10 ενώ το CSS J075839.9+131355 με q=0.07±0.02 είναι το σύστημα με τη μικρότερη τιμή. Φαίνεται επίσης ότι τα περισσότερα LMR προέρχονται από τα EW με μεγαλύτερη μάζα, ενεργό θερμοκρασία και περιόδο. Επίσης φαίνεται εξίσου πιθανό να είναι Α ή W υποτύπου, ενώ 48 από αυτά χαρακτηρίζονται από μικρό βαθμό πλήρωσης (f≤45%). Ακολουθεί η διερεύνηση δύο κριτηρίων αστάθειας από όπου προκύπτουν ~10 συστήματα τα περισσότερα W υποτύπου, που βρίσκονται κοντά στην αστάθεια. Όσον αφορά τα αποτελέσμετα των παραμέτρων των προγεννητόρων δείχνουν ότι τα μεγαλύτερης μάζας EW συστήματα και με αρχικό λόγο μαζών ~0.45 τείνουν να εξελίσσονται σε LMR.