Entwicklung enger Doppelsterne

1. Entwicklung enger Doppelsterne

2. Inhalt Einleitung Einige theoretische Bemerkungen Entwicklung enger Doppelsterne 1 ) Entwicklung der Primärkomponente 2) Entwicklung der Sekundärkomponente

3. Einleitung Mehr als die Hälfte aller Sterne sind in Mehrfachsystemen und Doppelsternen eingebunden - die um ihren gemeinsamen Schwerpunkt kreisen. What is their frequency? It turns out that most stars are mutiple! 48 % of stars are single. 36 % of stars are binary. 12 % of stars are triple. 4 % of stars are in quadruple systems. This has important implications for theories of star formation.

4. Einleitung Cambridge, MA - Common wisdom among astronomers holds that most star systems in the Milky Way are multiple, consisting of two or more stars in orbit around each other. Common wisdom is wrong. A new study by Charles Lada of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) demonstrates that most star systems are made up of single stars. Since planets probably are easier to form around single stars, planets also may be more common than previously suspected.

5. Einleitung In engen Doppelsternen:  Auftreten starker wechselseitiger Gezeitenkräfte  Bestrebung: Synchronisierung der Rotationsperiode & Bahnumlauf Direkte physikalische Wechselwirkung: • Gemeinsame Gashüllen • Gasstrom von einer Komponente zur anderen • Gasstrom nicht direkt auf 2. Komponente – bildet, • wegen Drehimpulserhaltung, rotierende • Akkretionscheibe

6. Einleitung Modellvorstellung

7. Einleitung Ursache für den Massenaustausch  Veränderung der Sternradien, vorallem im Nachhauptreihenstadium Definition: in allen Doppelsternsystemen unabhängig davon, ob sich eventuell im Laufe der späteren Entwicklung das Massenverhältnis umdreht • Massereichere HR-Komponente = Primärkomponente • Masseärmere HR-Komponente = Sekundärkomponente

8. r1 r2 M1 M2 Einige theoretische Gedanken Betrachtung: Äquipotentialfläche eines Doppelsystems, dessen Komponenten anfangs noch getrennt sind: Dann haben wir im Punkt P ein Graviationspotential ΦG ΦG = -G{ + } P M1 M2 r1 r2

9. Einige theoretische Gedanken • Rotation des Systems mit Winkelgeschwindigkeit ω • die Zentrifugalkraft zω2 kann durch ein zusätzliches Potential Φzdargestellt werden: • z = Abstand von der Drehachse • Φz = ­ z2 ·ω2 2 ω z Dreh- achse

10. -G{ + } M1 M2 r1 r2 Einige theoretische Gedanken Auf einer nun resultierenden Potentialfläche Φ = Φz + ΦG = + kann ein Probekörper ohne Arbeitsaufwand bewegt werden. ­ z2 ·ω2 2 (z.B: Meeresoberfläche)

11. Einige theoretische Gedanken Von innen nach außen: Sind in Doppelsternsystemen beide Komponenten zunächst von ihren eigenen geschlossenen Äquipotentialflächen umgeben bis zu einer gemeinsamen Fläche : = Rochefläche o. Rochesche Grenzfläche Weiter außen: alle Flächen umhüllen beide Massen gemeinsam [1848: französische Mathematiker Edouard Roche (1820-1883) erkannte den Zusammenhang bei der Berechnung der Entfernung, bei der ein Satellit (z.B. Mond) durch die Gezeitenkräfte seines Zentralgestirns zerrissen wird.]

12. Einige theoretische Gedanken Von innen nach außen: Sind in Doppelsternsystemen beide Komponenten zunächst von ihren eigenen geschlossenen Äquipotentialflächen umgeben bis zu einer gemeinsamen Fläche : = Rochefläche o. Rochesche Grenzfläche Weiter außen: alle Flächen umhüllen beide Massen gemeinsam [1848: französische Mathematiker Edouard Roche (1820-1883) erkannte den Zusammenhang bei der Berechnung der Entfernung, bei der ein Satellit (z.B. Mond) durch die Gezeitenkräfte seines Zentralgestirns zerrissen wird.] M1 M2 Schwer- punkt

13. Einige theoretische Gedanken Von innen nach außen: Sind in Doppelsternsystemen beide Komponenten zunächst von ihren eigenen geschlossenen Äquipotentialflächen umgeben bis zu einer gemeinsamen Fläche : = Rochefläche o. Rochesche Grenzfläche Weiter außen: alle Flächen umhüllen beide Massen gemeinsam [1848: französische Mathematiker Edouard Roche (1820-1883) erkannte den Zusammenhang bei der Berechnung der Entfernung, bei der ein Satellit (z.B. Mond) durch die Gezeitenkräfte seines Zentralgestirns zerrissen wird.]

14. Einige theoretische Gedanken Von innen nach außen: Sind in Doppelsternsystemen beide Komonenten zunächst von ihren eigenen geschlossenen Äquipotrentialflächen umgeben bis man zu einer gemeinsamen Fläche kommt: = Rochefläche o. Rochesche Grenzfläche Rochesches Volumen

15. Einige theoretische Gedanken Unterscheidung von Kontaktsysteme … entsprechend der räumlichen Ausfüllung des Rocheschen Volumens Halbgetrenntes System Getrenntes System

16. Grundzüge der Entwicklung • aufbauend auf Ergebnissen für Einzelsterne • Was im Einzelnen geschieht = • f (anfängliche Sternmassen, Abstand, • Massen- & Drehimpulsverlust) • daraus resultiert große Vielfalt möglicher Doppelsternkonfigurationen (erklärt mit den Zoo von Veränderlichen)

17. Grundzüge der Entwicklung Annahme: Massen M1 & M2 beider Komponenten seien nicht identisch (meistens) Dann: • entwickelt sich massenreichere Primärkomponente als erste zu einem Roten Riesen  Vergrößerung von R • wächst R über Rochesche Fläche hinaus  Materiefluß durch den inneren Lagrangepunkt L1 auf Komponente 2 • so entsteht ein System, bei dem die weiterentwickelte Komponente die kleinere Masse hat  fällt aus Masse-Leuchtkraft-Beziehung heraus

18. Grundzüge der Entwicklung • Änderung des Abstandes beider Komponenten als Folge des Massenaustausches: für den Fall:  M1 + M2 = const. &  der gesamte Bahndrehimpuls L bleibt erhalten L = a2 M1 ω + a2 M2 ω = const. ω = Kreisfrequenz des Bahnumlaufes = ai= Abstand der i –ten Komponente vom Schwerpunkt 1 2 2π P = Bahnperiode

19. Grundzüge der Entwicklung • nun Einsetzen in L = … : Schwerpunktsatz M1 a1 = M2 a2 • & 3. Keplersche Gesetz ω2a3 = G (M1 + M2) •  Ergebnis: Abstand a ist proportioanl zu folgender Funktion • des Massenverhältnisses • a  •  beide Sterne befinden sich im minimalen Abstand, wenn q = 1, • d.h. M1 = M2 • Radius der beiden Rocheflächen hängt - zum einen von q ab, • - zum anderen ist er direkt propotional zum Abstand a q = M1 / M2 (1 + q)4 q2

20. Grundzüge der Entwicklung  Für die meisten Systeme beginnt starke Wechselwirkung erst, wenn eine Komponente sich von der Hauptreihe wegentwickelt  Ausnahme: W UMa-Sterne … sind so eng, dass sich ihre Roche-Flächen bereits im Hauptreihenstadium berühren

21. W Ursae Majoris Sternsysteme Das W UMa Sternsystem - gibt der Klasse der Kontaktsysteme innerhalb der Bedeckungs- veränderlichen seinen Namen - zwei sich berührende, sonnenähnliche Sterne (0.8 bzw. 1.14 M8) - mit gemeinsamer äußerer Gashülle - umkreisen sich dreimal am Tag

22. Grundzüge der Entwicklung Wechselwirkung von engen Doppelsternen, wenn eine Komponente sich von HR wegentwickelt: • bereits bevor Stern 1 seine Roche-Fläche ausfüllt: - Aufheizung des kühleren HR-Begleiters, - Inititieren von Oberflächenaktivität (mögliche Ursache für starke Röntgen- & Radioemissionen der RS CVn Veränderlichen (=RS Canum Venaticorum ) • erreicht Stern 1 seine Roche-Fläche: - erst Phase mit großen Massenstrom durch L1 in relativ kurzer Zeit (≈ tHK) bis M1≈ M2 - dann: Phase mit Phase mit langsameren Gasstrom (≈ tn)

23. Grundzüge der Entwicklung Wechselwirkung von engen Doppelsternen, wenn eine Komponente sich von HR wegentwickelt: • bereits bevor Stern 1 seine Roche-Fläche ausfüllt: - Aufheizung des kühleren HR-Begleiters, - Inititieren von Oberflächenaktivität (mögliche Ursache für starke Röntgen- & Radioemissionen der RS CVn Veränderlichen) • erreicht Stern 1 seine Roche-Fläche: - erst Phase mit großen Massenstrom durch L1 in relativ kurzer Zeit (≈ tHK) bis M1≈ M2 - dann: Phase mit Phase mit langsameren Gasstrom (≈ tn) Aus Niel Brandt Astronomievorlesung Pennsylvania State University

24. Grundzüge der Entwicklung Wechselwirkung von engen Doppelsternen, wenn eine Komponente sich von HR wegentwickelt: • erreicht Stern 1 seine Roche-Fläche: 1) erst: Phase mit großen Massenstrom durch L1 in relativ kurzer Zeit (≈ tHK) bis M1≈ M2 2) folgend: Phase mit Phase mit langsameren Gasstrom (≈ tn)  M

25. Grundzüge der Entwicklung Vergleich mit Beobachtungen von Bedeckungsveränderlichen • βLyrae in der ersten Phase

26. Grundzüge der Entwicklung Vergleich mit Beobachtungen von Bedeckungsveränderlichen • βLyrae in der ersten Phase • Algol (βPersei) in der zweiten Phase Mass transfer in binaries John M. Blondin, Marcedes T. Richards, Michael L. Malinowski (North Carolina State University)

27. Grundzüge der Entwicklung Vergleich mit Beobachtungen von Bedeckungsveränderlichen Beide Systeme: gemeinsame Gashülle  das ist ein Hinweis: Stern 2 kann den Gasstrom nicht vollständig aufnehmen  Verlust von M & Drehimpuls ! • βLyrae in der ersten Phase • Algol (βPersei) in der zweiten Phase

28. Grundzüge der Entwicklung Weitere Entwicklung Roter Riese + HR-Stern: • R1 verkleinert sich durch Verlust der H-reichen Hülle oder/und Einsetzen des He-Brennens • Stern 1 zieht sich von Roche-Grenze zurück  Massenstrom versiegt • alle Brennen im Stern 1 beendet  Kontraktion zu WZ oder NS • Ergebnis: relativ weites Doppelsternpaar mit einen HR-Stern als massenreichere Sekundärkomponente & WZ o. NS als Primärkomponente (wenn SN System nicht kaputt macht)

29. Entwicklungsequenz Stern 1 Stern 2 q = M1/M2 = 2 1) 2) 3) 4) 5) Beginn Masse- Verlust bei Stern 1 q = M1/M2 = ½ Ende M bei q = 1/10, letzter Kontakt mit Rochefl.  Kontraktion zu kompakten Stern Rotations- achse Grundzüge der Entwicklung Zeitliche Entwicklung Weitere Entwicklung Roter Riese + HR-Stern: • R1 verkleinert sich durch Verlust der H-reichen Hülle oder/und Einsetzen des He-Brennens • Stern 1 zieht sich von Roche-Grenze zurück  Massenstrom versiegt • alle Brennen im Stern 1 beendet  Kontraktion zu WZ oder NS • Ergebnis: relativ weites Doppelsternpaar mit einen HR-Stern als massenreichere Sekundärkomponente & WZ o. NS als Primärkomponente (wenn SN System nicht kaputt macht)

30. Grundzüge der Entwicklung Auf dem Wege zu diesen Konfigurationen: • Anomalien in den Elementhäufigkeiten an der Sternoberfläche  Folge des H- & He-Brennens in Verbindung mit dem starken Massenausstausch: - OB Sterne mit CNO-Anomalien - Wolf-Rayet-Sterne - Bariumsterne

31. Grundzüge der Entwicklung  da HR-Lebenszeit der Sterne = f (M)  Primärkomponente erreicht zuerst eine Endphase  später: - Sekundärkomponente  zum Roten Riesen, nun mit vertauschten Rollen - da kompakte Primärkomponente tiefes Gravitationspotential  effektives Aufsammeln der überströmenden Materie - ist Stern 1 ein NS:  verschiedene Erscheinungsformen der Röntgendoppelsterne  hält Akkretion lang genug an  Bildung SL

32. Grundzüge der Entwicklung  Erscheinungsformen der Röntgendoppelsterne Primärkomponente ist stets ein NS oder Schwarzes Loch !     Ursache der Röntgenemission: Akkretion der überströmenden Materie auf einen Neutronenstern oder Schwarzen Loch (mit/ohne Scheibe) Röntgenleuchtkraft so hoch (1027-1032 W)  nicht vom WZ möglich Röntgenpulse kurzer Periode  NS Energiequelle für Röntgenemission: freiwerdende potentielle Gravitationsenergie des akkretierenden Gases Lx = Mum L = 1031 W zu produzieren genügt geringer Gasstrom bei MPrimär = 1 M8 & M = 10-8 M8/yr  GM R 

33. Grundzüge der Entwicklung  Erscheinungsformen der Röntgendoppelsterne Massereiche RDS: - Sekundärkomponente: junger OB-Stern mit M > 10 M8 - Lx/Lopt = 10-3…10 - NS hat starkes Magnetfeld  Materiestrom auf die Pole Massearme RDS: - stark im weichen Röntgenbereich strahlend (Lx > 1027W), nicht gepulsed - Teil: Röntgenburster zeigen unregelmäßige Ausbrüche - Objekte zum Milchstraßenzentrum hin konzentriert  alte Objekte: Magnetfeld des NS weitgehend bereits zerfallen (B = 104…6 T), wesentlich schwächer  deshalb Gasstrom in Akkretionsscheibe  

34. Grundzüge der Entwicklung  da HR-Lebenszeit der Sterne = f (M)  Primärkomponente erreicht zuerst eine Endphase  später: - Sekundärkomponente  zum Roten Riesen, nun mit vertauschten Rollen - da kompakte Primärkomponente tiefes Gravitationspotential  effektives Aufsammeln der überströmenden Materie - ist Stern 1 ein NS:  verschiedene Erscheinungsformen der Röntgendoppelsterne  hält Akkretion lang genug an  Bildung SL

35. Cygnus X-1 Optisches Bild • Entdeckt: 1972, kanadischer Astronom: Tom Bolton • Cyg X-1 hat einen blauweißen Riesen (Spektraltyp O9.7) • als Begleiter mit 18 M8, R = 17R8, mv = 8.84mag, • Umlaufzeit beträgt nur 5.6 d • - physikalische Abstand des Doppelsterns nur 20 R8! • - das kompakte Objekt (SL-Kandidat) hat eine Masse • von etwa 5 bis 8 oder 16 Sonnenmassen. X-ray Exosat

36. Grundzüge der Entwicklung  Liste heute bekannter stellarer SL-Kandidaten Entfernung 1.8 kpc 2.0 bis 2.5 kpc 3.0 kpc (NS o. SL) 10.0 kpc (NS o. SL) 12.5 kpc Wirt Begleitsternblauweißer RiesensternBegleitsternWolf-Rayet SternBegleitstern Objekt XTE J1118+480 Cyg X-1 SS 433 Cyg X-3 GRS 1915+105 http://www.mpe.mpg.de/~amueller/astro_co.html

37. XTE J118+480 (Entdeckung 2001)

38.  einSXT (Soft X-ray Transient) = Quelle die • übergehend sehr hell im Bereich der • weichen Röntgenstrahlung leuchtet. •  Entdeckung: während einer Röntgendurch- • musterung, März 2000, RXTE All-Sky Monitor •  sitzt im Galaktischen Halo (Ursa Major) • Entfernung ≈ 1.8 kpc = nächst liegender SL Kandidat • Binärsystem: SL 6.0 - 7.7 M8 + Begleitstern 0.09 - 0.5 M8 • Quelle zeigt quasi-periodische Oszillationen im Bereich von wenigen Hertz,  globalen, räumlichen Schwingungen in der Akkretionsscheibe • Plasmaausströmungen

39. Grundzüge der Entwicklung  da HR-Lebenszeit der Sterne = f (M) Primärkomponente erreicht zuerst eine Endphase  später: - Sekundärkomponente  zum Roten Riesen, nun mit vertauschten Rollen - da kompakte Primärkomponente tiefes Gravitationspotential  effektives Aufsammeln der überströmenden Materie - ist Stern 1 ein NS:  verschiedene Erscheinungsformen der Röntgendoppelsterne  hält Akkretion lang genug an  Bildung SL - ist Stern 2 ein WZ:  Vielfalt kataklysmischer Veränderlicher

40. Kataklysmische Veränderliche CV = cataclysmic variables • enge halbgetrennte Systeme • Primärkomponente: immer Weißer Zwerg • Sekundärkomponente: massearmer Stern: HR-Stern, meistens Roter Riese •  Überströmen von Materie • vom Sekundärstern • auf die Primärkomponente • um Primärstern: Akkretionsscheibe • mit „hot spot“ •  kurze Umlaufperioden: 0.06-0.6 d Modellvorstellung: - kein vorhandenes Teleskop löst diese Systeme auf - passt aber gut zu beobachtbaren Spektren

41. Kataklysmische Veränderliche CV cataclysmic variables • Abstand a: a = 1.1 {} (M1 + M2)1/3 R8 P orb = binary orbital period • scheinbare Lücke in den Umlaufperioden zwischen 2-3 h (the so-called "period gap") • Leuchtkraft (für alle kompakte Binärsysteme) dominiert durch Akkretion ! L = G M MWZ/RWZ ~ 2.2 (M/10–9 M8 yr–1 ) (MWZ/M8) (RWZ/104 km)–1 L8 • max. Energieausstoß im UV - X-ray  Untersuchung mit UV- & X-ray Satelliten • With the nearest systems at distances of ~ 100 parsecs (320 light years) from Earth, • the space density of CVs is moderately large (a few X 10–5 parsec–3) and the total number in the Galaxy is huge (~ 106). The orbital evolution of these binaries, and hence the mass-transfer rate (Mdot) from the secondary to the white dwarf is driven by magnetic braking of the secondary for long-period systems (Porb > 3 hr) and gravitational radiation for short-period systems (Porb < 3 hr). Porb [h] 2/3 3 [h]

42. Kataklysmische Veränderliche CV cataclysmic variables • Unterscheidung: • non-magnetic Weißer Zwerg ohne Magnetfeld besitzt eine Akkretionsscheibe b) magnetic (Polars) Weißer Zwerg mit Magnetfeld hat keine Akkretionsscheibe

43. Kataklysmische Veränderliche CV cataclysmic variables http://www.aip.de/highlight_archive/schwarz_cv/index.html • Unterscheidung: • non-magnetic Weißer Zwerg ohne Magnetfeld besitzt eine Akkretionsscheibe b) magnetic (Polars) Weißer Zwerg mit Magnetfeld hat keine Akkretionsscheibe Animation of a cataclysmic variable with a magnetic white dwarf (blue circle) accreting onto two poles via extended curtains. The colour coding represents the line-of-sight velocities of the specific parts in the accretion flow (J. Vogel).

44. Kataklysmische Veränderliche Vergleich der 2D-Geschwindigkeitskarten Two Doppler maps of two CVs clearly showing an accretion disk (left) and a magnetic CV (right) dominated by strong emission from the ballistic stream. Schwarz, A.D. Schwope, A. Staude, R.A. Remillard, 2005, A&A 444, 213 http://www.aip.de/highlight_archive/schwarz_cv/index.html

45. Kataklysmische Veränderliche Magnetische CV -Sterne Künsterische Darstellungen http://www.aip.de/highlight_archive/schwarz_cv/index.html

46. Kataklysmische Veränderliche Intermediate Polars http://astro.uni-tuebingen.de/~djkuster/phi/ps/astrotag_CV.pdf

47. Kataklysmische Veränderliche Polars & Intermediate Polars Aus Niel Brandt Astronomievorlesung Pennsylvania State University http://www.astro.psu.edu/users/niel/astro485/lectures/lectures485.html

48. Kataklysmische Veränderliche Non-magnetic cataclysmic variables • Zwei wichtige Strukturen  Teff of the accretion disk ranges from ~ 5000 K at its outer edge to ~ few x 104 K at its inner edge  Abstrahlung hauptsächlich optisch – FUV • Grenzschicht Scheibe-WZ: kleine Ausmaße + große L  Teff (Grenzschicht) » T eff (Scheibe) Akkretionsscheibe, in der bereits die Hälfte von Epot der akkretierenden Materie aufgefangen wird & Grenzschicht zwischewn Akkretionsscheibe und der Oberfläche des WZ, wo Ekin in Eth and Erad umgewandelt wird

49. Kataklysmische Veränderliche Non-magnetic cataclysmic variables   • Ist M hoch (M ~ 10-8 M8/yr):  Grenzschicht ist optisch dick, Teff ~ 105 K (10 eV)  System strahlt hauptsächlich im EUV & soft X-ray band • Ist M niedrig (M ~ 10-11 M8/yr)  Grenzschicht ist optisch dünn, Teff ~ 108 K (10 keV)  System strahlt hauptsächlich im X-ray band  high-velocity (v ~ 3000 km/s) outflows ("winds") mit (M ~ 10-11 M8/yr) Hinweis von: P Cygni profiles of their ultraviolet resonance lines  Oberflächenwind der Akkretionsscheibe verursacht durch Strahlungsdruck und möglicherweise magnetische Kräfte   

50. Kataklysmische Veränderliche Modell für einen non-mag. Kataklysmischen Veränderlichen Lichtkurve und ihre Merkmale Sichtbarkeit heißer Fleck Roter Riese verdeckt Scheibe