Over niet-conservatieve evolutie van dubbelsterren

Nicki

Mennekens

Dubbelsterren op dieet

Een dubbelster is een astronomisch systeem waarin twee (of meer) sterren aan elkaar gebonden zijn door de zwaartekracht, en dus rond een gemeenschappelijk massacentrum roteren. Dit lijkt op het eerste gezicht een weinig voorkomende situatie, maar recent onderzoek wijst erop dat een kwart tot de helft van alle sterren deel uitmaken van een meervoudig systeem. Indien de planeet Jupiter 75 keer zwaarder geweest zou zijn, was deze eveneens tot ster geëvolueerd en leefden wij dus ook in een dubbelstersysteem. Een typische dubbelster bestaat uit twee sterren die elk een massa hebben van enkele tienden tot enkele tientallen keer de massa van onze zon, die elkaar eens om de enkele tot honderden dagen omwentelen. Volgens de derde wet van Kepler geldt dat hoe korter deze orbitale periode, hoe dichter rond elkaar de sterren draaien.

Uit de theorieën van sterevolutie blijkt dat een ster naar het einde van haar leven toe uitzet. Wanneer het waterstof in de kern, dat door fusie omgezet wordt in helium (het proces waaruit de ster haar energie haalt), opraakt, zal de kern inkrimpen. Als gevolg hiervan zet volgens de wet van actie en reactie de buitenkant uit, en wordt de ster een rode reus. Dit zal binnen een vijftal miljard jaar ook met onze zon gebeuren, waarbij Mercurius opgeslokt en de aarde onbewoonbaar zal worden. Ook in dubbelsterren kan het voorkomen van een rode reus verregaande gevolgen hebben. Uit de sterevolutietheorie blijkt verder namelijk dat zwaardere sterren sneller verouderen dan lichtere, en dus eerder in de rode reuzenfase terechtkomen. Dit omdat ze helderder zijn, en dus sneller hun brandstofvoorraad opgebruiken. In een willekeurige dubbelster is er meestal een toevallig verschil in massa tussen beide componenten. Het gevolg is dat de zwaarste ster als eerste zal opzwellen, terwijl de andere nog in haar gewone volwassen leven verkeert.

In systemen waarbij beide sterren erg dicht rond elkaar draaien (met een orbitale periode van de orde van een paar dagen), is het mogelijk dat hierdoor materie van de rode reus in gebieden terechtkomt waar de aantrekkingskracht van de andere ster groter is dan die van de eigenaar van de materie. Aldus kan een materiestroom, bekend als Roche Lobe Overflow, op gang komen van de rode reus naar de begeleider. Deze kan zo intensief zijn dat na verloop van tijd de materiewinnende ster (gainer) zwaarder wordt als de donor. Deze dubbelsterren staan bekend als Algols, naar het typevoorbeeld van een dergelijk systeem. De naam is Arabisch voor demon, zo genoemd omdat de eerste waarnemers de helderheid van de (in hun ogen enkelvoudige) ster zagen veranderen. Vandaag weten we dat dit het gevolg is van het feit dat het systeem bestaat uit twee sterren, die elkaar vanuit ons standpunt gezien om beurt verduisteren.

Wanneer de overgedragen materie neervalt op het oppervlak van de gainer, heeft dit een opspinning tot gevolg, analoog aan die door water dat invalt op een molenrad. De ster gaat dus sneller en sneller draaien, waardoor de materie aan het oppervlak ten gevolge van de middelpuntvliedende kracht minder sterk gebonden wordt door de zwaartekracht. Een tweede fenomeen is dat het gebied op het oppervlak waar de materie invalt erg heet wordt, en als gevolg zeer lichtkrachtig. Vandaar de naam hot spot die eraan gegeven wordt. Aangezien licht zich voortplant via deeltjes, fotonen genaamd, betekent dit dat er een naar buiten gerichte fotonendruk ontstaat, die eveneens maakt dat materie minder sterk gebonden wordt. Dit is trouwens de reden dat er een maximum bestaat voor hoe zwaar (enkelvoudige) sterren kunnen zijn: zijn ze te zwaar en dus te lichtkrachtig, dan blazen ze zichzelf via deze fotonendruk op. Hiervoor heeft men echter sterren nodig die honderden keren zwaarder zijn dan de zon.

Terug naar onze veel lichtere massa overdragende dubbelster. Tijdens korte periodes (zo’n 50.000 jaar van de miljarden jaren levensduur van een ster) van zeer intensieve Roche Lobe Overflow, kunnen de twee besproken manieren waarop materie minder sterk gebonden raakt er samen voor zorgen dat de zwaartekracht volledig gecompenseerd wordt. Dit betekent dat een deel van de overgedragen materie niet aanvaard wordt door de gainer, maar onmiddellijk weggeblazen wordt in de ruimte. Dit scenario staat bekend als de niet-conservatieve evolutie van dubbelsterren. Op deze manier verliest het systeem als geheel massa, in tegenstelling tot in de conservatieve situatie. Daarin kunnen de sterren wel materie aan elkaar doorgeven, maar blijft deze in totaal steeds behouden, op de (meestal verwaarloosbare) via E=mc² als energie uitgestraalde massa na.

Waarnemingen lijken het voorkomen van niet-conservatieve dubbelsterevolutie te bevestigen. Een belangrijk kenmerk van een dubbelster is de verhouding van de massa’s van de twee sterren, meer bepaald de massa van de donor gedeeld door die van de gainer. Vooraleer Roche Lobe Overflow begint is deze verhouding dus groter dan één, terwijl men voor Algols een getal bekomt tussen één (waarbij de sterren juist dezelfde massa hebben) en iets meer dan nul (waarbij de gainer veel zwaarder is geworden dan de donor). Als men naar de waargenomen massaverhoudingen van een hele populatie Algol type dubbelsterren (dus tussen nul en één) kijkt, ziet men dat er veel minder systemen zijn met hoge massaverhoudingen (dus met twee sterren die ongeveer even zwaar zijn) dan men via de conservatieve berekeningen verwacht.

Deze computersimulaties berekenen op basis van de gekende fysica en vertrekkend van de beginvoorwaarden (met als belangrijkste de massa’s van beide sterren en hun orbitale periode) de evolutie van een dubbelstersysteem. Een statistische analyse van deze theoretische resultaten laat dan toe te beredeneren welke massaverhoudingen men zou moeten waarnemen. Het besluit is dat deze voorspeld door conservatieve evolutie niet teruggevonden worden. Aangezien er bij niet-conservatieve evolutie massa uit het systeem verloren gaat, en de donor dus gedurende een korte tijd zeer veel lichter wordt zonder dat de andere al te veel aankomt, blijven beide massa’s langer in elkaars buurt. Als resultaat worden via deze theorie meer systemen voorspeld met hoge massaverhoudingen, wat beter overeen komt met de waarnemingen.

Het verlies van sterrenmateriaal naar de ruimte is zeer belangrijk voor de evolutie van het heelal. Tot nu toe werd aangenomen dat sterren enkel aan het einde van hun leven door een supernova-explosie hun materiaal in grote hoeveelheden teruggeven aan de ruimte. Niet-conservatieve dubbelsterevolutie impliceert echter dat dit ook al tijdens hun leven op grote schaal gebeurt. Zonder sterren die hun door fusie verrijkte elementen afgeven zou het heelal nog steeds uit enkel die elementen bestaan die het net na de oerknal bevatte, namelijk 75 % waterstof en 25 % helium. Dit leidt tot de wetenschappelijk-filosofische conclusie dat alles rondom ons, wijzelf inbegrepen, niets anders dan sterrenstof is...

Bibliografie

· Alonso, M., Finn, E.: in “Fundamental university physics Vol.1: Mechanics and thermodynamics”, Addison-Wesley, 1980.

· Anders, E., Grevesse, N.: "Abundances of the elements - Meteoritic and solar". Geochim. Cosmochim. Acta. 53, 197-214, 1989.

· Banks, T., Sullivan, D., Budding, E.: "RT SCULPTORIS - an important star for low-mass close binary research". Astrophys. Space Sci. 173, 77-92, 1990.

· Batten, A.: in “Algols: proceedings of the 107th Colloquium of the International Astronomical Union held in Sidney, B.C., Canada, August 15-19, 1988”, Kluwer Academic, 1989.

· Beer, M., Dray, L., King, A., Wynn, G.: "An alternative to common envelope evolution". Mon. Not. R. Astron. Soc. 375, 1000-1008, 2007.

· Bisikalo, D., Kaigorodov, P., Boyarchuk, A., Kuznetsov, O.: "The Possible Nature of Dips in the Light Curves of Semi-Detached Binaries with Stationary Disks". Astron. Rep. 49, 701-708, 2005.

· Brancewicz, H., Dworak, T.: "A catalogue of parameters for eclipsing binaries". Acta Astron. 30, 501-524, 1980.

· Budding, E.: "A Catalogue of Classical Evolved Algol-Type Binary Candidate Stars". Bull. d'Inf. Cent. Donnees Stellaires 27, 91-129, 1984.

· Budding, E., Erdem, A., Çiçek, C., Bulut, I., Soydugan, F., Soydugan, E., Bakiş, V., Demircan, O.: "Catalogue of Algol type binary stars". Astron. Astrophys. 417, 263-268, 2004.

· Carroll, B., Ostlie, D.: in “An introduction to modern astrophysics”, Addison-Wesley, 1996.

· Castor, J., Abbott, D., Klein, R.: "Radiation-driven winds in Of stars". Astrophys. J. 195, 157-174, 1975.

· Darwin, G.: "On the precession of a viscous spheroid and on the remote history of the earth". Phil. Trans. Roy. Soc. 170, 447-530, 1879.

· De Greve, J.: "ALGOLS - Wherefrom, whereto, and what in between?". Space Sci. Rev. 50, 127-139, 1989.

· de Jager, C., Nieuwenhuijzen, H., van der Hucht, K.: "Mass loss rates in the Hertzsprung-Russell diagram". Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 72, 259-289, 1988.

· De Loore, C., Van Rensbergen, W.: "Binary Evolution Compared to Observed Algols". Astrophys. Space Sci. 296, 353-356, 2005.

· de Mink, S., Pols, O., Hilditch, R.: "Efficiency of mass transfer in massive close binaries. Tests from double-lined eclipsing binaries in the SMC". Astron. Astrophys. 467, 1181-1196, 2007.

· Dewi, J., Pols, O., Savonije, G., van den Heuvel, E.: "The evolution of naked helium stars with a neutron star companion in close binary systems". Mon. Not. R. Astron. Soc. 331, 1027-1040, 2002.

· Eggleton, P.: "Approximations to the radii of Roche lobes". Astrophys. J. 268, 368-369, 1983.

· Frank, J., King, A., Raine, D.: in “Accretion power in astrophysics”, Cambridge University Press, 1985.

· House, L.: "Ionization Equilibrium of the Elements from H to Fe.". Astrophys. J. Suppl. 8, 307-328, 1964.

· Irwin, J.: "Orbital determinations of eclipsing binaries". Goethe Link Publ. 50, 584-627, 1962.

· Kaitchuck, R.: "Time-resolved spectroscopy of accretion disks in Algols". Space Sci. Rev. 50, 51-61, 1989.

· Kholopov, P., Samus, N., Frolov, M., Goranskij, V., Gorynya, N., Karitskaya, E., Kazarovets, E., Kireeva, N., Kukarkina, N., Kurochkin, N., Medvedeva, G., Pastukhova, E., Perova, N., Rastorguev, A., Shugarov, S.: in “Combined General Catalogue of Variable Stars”, 1998.

· Kopal, Z.: in “Close binary systems”, Chapman and Hall, 1959.

· Kopal, Z.: in “Language of the stars: A discourse on the theory of the light changes of eclipsing variables”, D. Reidel Publishing Co., 1979.

· Kuiper, G.: "Problems of Double-Star Astronomy. I". Publ. Astron. Soc. Pac. 47, 15-42, 1935.

· Kurucz, R.: "Model atmospheres for G, F, A, B and O stars". Astrophys. J. Suppl. 40, 1-340, 1979.

· Lamers, H., Snow, T., Lindholm, D.: "Terminal Velocities and the Bistability of Stellar Winds". Astrophys. J. 455, 269-285, 1995.

· Landau, L., Lifschitz, E.: in “The Classical Theory of Fields”, Pergamon Press, 1971.

· Lang, K.: in “Astrophysical formulae”, Springer, 1999.

· Langer, N.: "Coupled mass and angular momentum loss of massive main sequence stars". Astron. Astrophys. 329, 551-558, 1998.

· Lubow, S., Shu, F.: "Gas dynamics of semidetached binaries". Astrophys. J. 198, 383-405, 1975.

· Lucy, L., Solomon, P.: "Mass Loss by Hot Stars". Astrophys. J. 159, 879-893, 1970.

· Maeder, A., Meynet, G.: "Stellar evolution with rotation. VI. The Eddington and Omega -limits, the rotational mass loss for OB and LBV stars". Astron. Astrophys. 361, 159-166, 2000.

· Mihalas, D.: in “Stellar Atmospheres”, W. H. Freeman & Co., 1978.

· Nelemans, G., Yungelson, L., Portegies Zwart, S.: "Short-period AM CVn systems as optical, X-ray and gravitational-wave sources". Mon. Not. R. Astron. Soc. 349, 181-192, 2004.

· Nelson, C., Eggleton, P.: "A Complete Survey of Case A Binary Evolution with Comparison to Observed Algol-type Systems". Astrophys. J. 552, 664-678, 2001.

· Packet, W.: "On the spin-up of the mass accreting component in a close binary system". Astron. Astrophys. 102, 17-19, 1981.

· Peters, G.: "The Algol-Type Binaries". Astrophys. Space Sci. Lib. 264, 79-92, 2001.

· Peters, G., Polidan, R.: "Eclipse mapping of the hot circumstellar plasma in Algol binaries". Astron. Nachr. 325, 225-228, 2004.

· Peters, G.: "Bipolar Jets, Hot Interaction regions, and Colliding Winds in OB Interacting Binaries". IAU Symp. 240, 119-124, 2007.

· Petrenz, P., Puls, J.: "2-D non-LTE models of radiation driven winds from rotating early-type stars. I. Winds with an optically thin continuum". Astron. Astrophys. 358, 956-992, 2000.

· Popova, E., Tutukov, A., Yungelson, L.: "Study of physical properties of spectroscopic binary stars". Astrophys. Space Sci. 88, 55-80, 1982.

· Porter, J.: "On the rotational velocities of Be and Be-shell stars". Mon. Not. R. Astron. Soc. 280, L31-L35, 1996.

· Pourbaix, D., Tokovinin, A., Batten, A., Fekel, F., Hartkopf, W., Levato, H., Torres, G., Udry, S.: "SB9: The ninth catalogue of spectroscopic binary orbits". Astron. Astrophys. 424, 727-732, 2004.

· Pustylnik, I., Niarchos, P.: "Evidence for a hot spot in the contact binary VW Cephei". Astron. Astrophys. 361, 982-990, 2000.

· Reimers, D.: "Circumstellar absorption lines and mass loss from red giants". Mem. Soc. Roy. Sci. Liège 8, 369-382, 1975.

· Rogers, F., Iglesias, C.: "Radiative atomic Rosseland mean opacity tables". Astrophys. J. Suppl. Ser. 79, 507-568, 1992.

· Rosseland, S.: in “Theoretical astrophysics”, The Clarendon press, 1936.

· Salpeter, E.: "The Luminosity Function and Stellar Evolution.". Astrophys. J. 121, 161-167, 1955.

· Smak, J.: "On the Structure of the Outer Parts of Accretion Disks in Close Binary Systems". Acta Astron. 52, 263-272, 2002.

· Soberman, G., Phinney, E., van den Heuvel, E.: "Stability criteria for mass transfer in binary stellar evolution". Astron. Astrophys. 327, 620-635, 1997.

· Strohmeier, W.: in “Variable stars”, Pergamon Press, 1972.

· Timmermans, F.: in “De voorgeschiedenis van RZ Cas”, Vrije Universiteit Brussel, 2007.

· Vanbeveren, D., Van Rensbergen, W., De Loore, C.: in “The Brightest Binaries”, Kluwer Academic, 1998.

· Van Rensbergen, W.: "Case B binary evolution compared to observed Algols". Astrophys. Space Sci. Lib. 298, 117-126, 2003.

· Van Rensbergen, W., De Loore, C., Jansen, K.: "Evolution of interacting binaries with a B type primary at birth". Astron. Astrophys. 446, 1071-1079, 2006.

· von Zeipel, H.: "The radiative equilibrium of a rotating system of gaseous masses". Mon. Not. R. Astron. Soc. 84, 665-719, 1924.

· Warner, B.: "Observations of Dwarf Novae". IAU Symp. 73, 85-140, 1976.

· Wellstein, S.: in “Präsupernovaentwicklung enger massereicher Doppelsternsysteme”, Universität Potsdam, 2001.

· Wiese, W., Smith, M., Glennon, B.: in “Atomic transition probabilities. Vol.: Hydrogen through Neon. A critical data compilation”, US Department of Commerce, National Buereau of Standards, 1966.

· Witte, M., Savonije, G.: "Tidal evolution of eccentric orbits in massive binary systems. A study of resonance locking". Astron. Astrophys. 350, 129-147, 1999.

· Zahn, J.: "Tidal friction in close binary stars". Astron. Astrophys. 57, 383-394, 1977.