Heartbeat stars - gwiazdy pulsujące w rytmie serca ?

[Rybi]

Spotkałem się ostatnio z bardzo interesującym pojęciem nowej klasy gwiazd zmiennych "heartbeat stars" (HB stars) odkrytych przez satelitę Kepler.

Może ktoś z Szanownych Forumowiczów znajdzie bardziej eleganckie tłumaczenie tego pojęcia ?
Gwiazdy zmienne, których krzywa blasku przypomina bicie ludzkiego serce ? 
Gwiazdy zmienne typu HB (HeartBeat) ?
Gwiazdy pulsujące podobnie do serca ?
... ?

 

Wizja artystyczna "heartbeat star" wzięta z [5].

 

W języku polskim znalazłem wzmiankę o tych gwiazdach np. na portalu Urania (szczegóły [3]), gdzie użyto określenia gwiazdy zmienne pulsujące w rytmie serca, czyli których jasność zmienia się jakoś tak: 

Przykładowe EKG ludzkiego serca wzięte stąd.

 

Ta nazwa sugeruje, że są to pojedyncze gwiazdy. Tymczasem zjawisko dotyczy zjawisk w specyficznych gwiazdowych ciasnych układach podwójnych o okresach orbitalnych < 1 roku i mocno rozciągniętych eliptycznych orbitach (mimośród orbity e > 0,3), w których obserwuje się zmiany jasności przypominające kształtem elektro-kardiogram. Krzywe blasku tych układów podwójnych są zdominowane przez efekty działania sił pływowych oraz wzajemnego odbicia światła od gwiazd, gdy mijają one peryastron. Wtedy obserwuje się ten charakterystyczny "puls serca". 

Jednak gwiazdy zmienne typu HB pulsują przez cały okres orbitalny w wyniku TEO (ang.Tidally Excited Oscillations - drgań wzbudzanych siłami pływowymi). Są to minimalne zmiany jasności o amlitudzie poniżej 1/1000 magnitudo. Częstotliwości drgań TEO odpowiadają dokładnie całkowitym wielokrotnościom częstotliwości okresu orbitalnego. Po raz pierwszy TEO zostało odkryte w 2009r. w układzie podwójnym HD 174884 i następnie potwierdzone w 2012r. dla KOI-54 (=HD 187091) i kilku innych ciasnych układów podwójnych. Zgodnie z teorią (patrz [1]) największe zmiany jasność gwiazd wywołane przez TEO są oczekiwane dla gorących gwiazd o temperaturach efektywnych > 6500K, gdyż takie gwiazdy nie posiadają zewnętrznej strefy konwekcyjnej - co pozwala na rozchodzenie się drgań typu "g" znacznie bliżej powierzchni gwiazdy i generuje większe zaburzenia temperatury powierzchniowej. 

Wzorcową gwiazdą tego typu jest KOI-54. A obecnie jest znanych ponad 170 gwiazd zmiennych tego typu. Większość odkrytych gwiazd typu HB jest gwiazdami o względnie małych masach (typy widmowe A-F). Ale zjawsko HB rozciąga się również na bardziej masywne gwiazdy typów widmowych OB. Najbardziej masywnym znanym układem pulsującym w rytmie serca jest iota Orionis (ι Ori), który składa się ze składnika głównego O9 III i wtórnego B1 III-IV. Więcej informacji o iota Orionis można znaleźć np. pod następującym odnośnikiem AP.

U góry: krzywa blasku gwiazdy pulsującej w rytmie serca KIC 8719324. Amplituda jest wyrażona we względnej skali [ppt], czyli w względne zmiany jasności ∆L/L ~ 1/1000. Puls podobny do "ludzkiego" EKG jest wzbudzany przez podczas przejścia przez peryastron (faza orbitalna = 0) i trwa około 2 dni. Ekstra efektem jest muskające zaćmienie dla tego konkretnego układu podwójnego (ang. grazing eclipse).
Na dole: Transformacja Fouriera całej krzywej blasku KIC 8719324. Ciąg równo-odległych maksimów odpowiada wielokrotnościom orbitalnej częstotliwości. Natomiast maksimum o największej amplitudzie f~2,5 1/dzień jest generowane przez pulsacje wzbudzane siłami pływowymi dokładnie odpowiadające 26-krotności częstotliwości orbitalnej.
 

I jeszcze kilka przykładowych "pulsów serca" obserwowanych w innych układach podwójnych wraz z krzywymi prędkości radialnej:

Cztery gwiazdy zmienne typu HB - obserwowane krzywe blasku (kolor czerwony w [ppm] milionowych częściach strumienia / flux) i krzywe prędkości radialnych. Czarne punkty są obserwowanymi prędkościami radialnymi. Wykresy wzięte z [4].

Zachęcam do zgłębiania tematu "Heartbeat stars"! 
( Zapewnie odezwę się jeszcze po bardziej szczegółowej lekturze - kolejny ciekawy temat np. do Proximy / Uranii?)

Literatura:

[1] Jim Fuller (2017) "Heartbeat Stars, Tidally Excited Oscillations, and Resonance Locking" - https://arxiv.org/pdf/1706.05054.pdf
[2] K. Hambleton i inni (2013) "Physics of Eclipsing Binaries: Heartbeat Stars and Tidally Induced Pulsations" - https://www.eas-journal.org/articles/eas/abs/2013/06/eas1364039/eas1364039.html
lub wersja do prywatnego użytku - http://clok.uclan.ac.uk/14587/1/14587_ContentServer.pdf

 

[3] Krótki materiał w j. polskim --> (2014) - https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/gwiazdy-pulsujace-rytmie-serca-potwierdzone-nowych-badaniach-2574.html

 

Materiały popularno-naukowe w j.angielskim --> 
[4] https://astrobites.org/2014/08/27/whats-in-a-heartbeat/
[5] https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6659
[6] https://www.iflscience.com/space/astronomers-know-what-makes-heartbeat-stars-flutter/
[7] https://cosmosmagazine.com/space/whirling-dance-of-vibrating-heartbeat-stars
[8] http://keplerlightcurves.blogspot.com/2012/09/three-giant-heartbeats.html
[9] http://time.com/4670863/nasa-spitzer-telescope-star-heartbeat/

 

 

 

 

 

 

 

Edytowane 24 Lutego 2019 przez Rybi

[LibMar]

Może "gwiazdy zmienne w rytmie serca"?

Ciekawa klasa obiektów, choć trudna do rozpoznania z powodu niewielkich zmian blasku. Według VSX, wszystko jest Keplera poza kilkoma wyjątkami, które dotyczą samych jasnych gwiazd. Będzie ciężkie do odnalezienia metodą data mining.

[Rybi]

6 minut temu, LibMar napisał:

Może "gwiazdy zmienne w rytmie serca"?

Ciekawa klasa obiektów, choć trudna do rozpoznania z powodu niewielkich zmian blasku. Według VSX, wszystko jest Keplera poza kilkoma wyjątkami, które dotyczą samych jasnych gwiazd. Będzie ciężkie do odnalezienia metodą data mining.

Są to gwiazdy zmienne w obecnych czasach chyba możliwe do obserwacji tylko z satelitów fotometrycznych ze względu na minimalną amplitudę zmian <0,001 mag

Póki co jestem zwolennikiem nazwy tych obiektów "gwiazdy zmienne pulsujące w rytmie serca" lub w skrócie  "gwiazdy pulsujące w rytmie serca". Słowo "pulsujący" określa co jest bezpośrednim powodem zmian blasku. 

[LibMar]

1 minutę temu, Rybi napisał:

Są to gwiazdy zmienne w obecnych czasach chyba możliwe do obserwacji tylko z satelitów fotometrycznych ze względu na minimalną amplitudę zmian <0,001 mag

Patrząc po dość długim okresie, takie minimum zauważalne przez SWASP to 0.01 magnitudo. W takim razie typ HB pozostanie jednym z tych bardziej egzotycznych typów, choć teoretycznie może być ich mnóstwo

[Rybi]

Może nie będzie tak źle !

Kepler "katował fotometrycznie"  tylko fragment nieba, w którym odkryto ponad sto zmiennych HB o amplitudzie mniejszej od 1/1000 mag. Ale ostatnio "zabójcy supernowych" odkryli ten typ zmienności dla obiektu w Wielkim Obłoku Magellana o bardzo dużej amplitudzie aż 10% (!!!) MACHO 80.7443.1718 (ASASSN-V J052624.38-684705.6). Zobacz https://arxiv.org/abs/1901.00005

Edytowane 24 Lutego 2019 przez Rybi

[Rybi]

Nie wyraziłem się dokładnie.

Tzn. w MACHO 80.7443.1718 obserwuje się zmiany jasności aż ∼40% podczas przejścia przez peryastron (="puls serca") i ∼10% poza tą fazą w wyniku TEO (Tidally Excited Oscillations). Widać to na rys. z poprzedniego postu. Wiadomo, że jedna z gwiazd tego układu jest gwiazdą typu widmowego B. Konieczne są dalsze obserwacje spektroskopowe tego unikalnego obiektu o jasności ∼13,5V.

[Hans]

Bardzo fajny wpis. Mam jednak mieszane odczucia względem samej klasyfikacji. Z jednej strony rozumiem dlaczego naukowcy mają tendencje do tworzenia nowych typów zmienności w klasyfikacjach - jakaś cecha specyficzna odróżnia daną pod-grupę z większego zbioru, więc dostaje swoją klasę. Z drugiej strony, w zaćmieniówkach mamy już EA, EW, EB, EII teraz jeszcze HB...  Nowy typ jest bardzo blisko EII. Ale to co wyciągnąłeś w wątku - TEO - jest dla mnie nowe. Dzięki! Czas pogrzebać po sieci 

 

Pozdrawiam.

[dja.obserwator]

To fajnie że mamy nowe typy gwiazd zmiennych 

[Rybi]

14 godzin temu, Hans napisał:

 Ale to co wyciągnąłeś w wątku - TEO - jest dla mnie nowe. Dzięki! Czas pogrzebać po sieci 

Polecam aktualnie najbardziej "zrozumiałą dla mnie" publikację z 2008r. J-P. Zahn "TIDAL DISSIPATION IN BINARY SYSTEMS":

https://arxiv.org/pdf/0807.4870.pdf

Póki co nic lepszego nie znalazłem.

 

M.in. jest tam prosto na gruncie mechaniki newtonowskiej wyjaśnione pojęcie TEO:
... Ze względu na właściwości sprężyste gwiazda może drgać w wielu modach: mody akustyczne, wewnętrzne mody grawitacyjne, mody bezwładnościowe, w których odpowiednio siłą sprężystości jest ściśliwość gazu, pływalność w stabilnie rozwarstwionych obszarach i siła Coriolisa dla rotującej gwiazdy. Jeżeli częstotliwość tych drgań jest wystarczająco niska, to takie drgania (mody) mogą być wzbudzane przez okresowe potencjały pływowe. Taka reakcja jest nazywana pływem dynamicznym. ...

 

(... Due to its elastic properties, a star can oscillate in various modes: acoustic modes, internal gravity modes, inertial modes, where the restoring force is respectively the compressibility of the gas, the buoyancy force in stably stratified regions, and the Coriolis force in the rotating star. If their frequency is low enough, these modes can be excited by the periodic tidal potential; the response is called the dynamical tide. ...)

 

Mody grawitacyjne drgań gwiazdy ciągu głównego o masie 5 M⊙ o promieniu 1.88x10exp(11)cm wzbudzane przez potencjał pływowy o częstotliwości σ =0.00002/sek (okres~14 godzin), ξr - zmiany promienia gwiazdy, δp - zaburzenia ciśnienia.

Edytowane 25 Lutego 2019 przez Rybi

[LibMar]

Wygląda na to, że mamy mocnego kandydata na zmienną HB  W maju 2019 roku zgłosiłem obiekt MGAB-V282, o którym przypomniałem sobie dopiero dzisiaj, po spojrzeniu na krzywą blasku przed chwilą zgłoszonej zmiennej PMAK V104, który wygląda bardzo podobnie.

 

 

Między minimum wtórnym a minimum głównym obserwuje się wzrost blasku, który początkowo powiązałem z efektem refleksji. Okazało się, że niesłusznie - tutaj mamy do czynienia z silną ekscentrycznością orbity i takie zachowanie faktycznie wygląda w gwiazdach HB (a wzrost to 0.1 mag!). Potwierdzić może też fakt istnienia większego rozrzutu pomiarowego oraz słabe dopasowanie pomiarów w okolicach zaćmień, czyli te pulsacje o których wspominał @Rybi. W roku 1999 z danych NSVS widać, że minimum wtórne wypada przy fazie 0.63. Z danych ASAS-SN i ZTF obejmujące ostatnie lata, wskazują na 0.66-0.67. To dowodzi o istnieniu także trzeciego obiektu, prawdopodobnie obiegający całość z okresem wielu lat. Co więcej, minimum główne jest bardzo asymetryczne (wejście trwa ponad dwa razy dłużej niż wyjście), w dodatku wejście ma dwa schodki! Pierwszy to prawdopodobnie analogiczny z pierwszego wykresu Rybiego, w pierwszym poście. Aż szkoda, że nie ma danych TESS do tego obiektu (jest zbyt słaby). Dodajmy jeszcze fakt, że dwa główne ciała znacznie różnią się kolorami, co widać po głębokości zaćmień. Gwiazda nie jest tak bardzo słaba do obserwacji fotometrycznych. W filtrze r-band jest jaśniejsza niż 13 mag, a więc z teleskopem 8-calowym spokojnie można uzyskać dobrą jakość danych, nawet +/- 0.02 mag w pomiarach 2-minutowych 

 

 

Co jeszcze ciekawego możemy powiedzieć na temat tego obiektu? Spektroskopowo wykazuje linie emisyjne. A na zdjęciach WISE (w podczerwieni) wyraźnie wykazuje zwiększone świecenie. Taki kolor jest charakterystyczny dla młodych gwiazd, z obłokami pyłu. Być może z TESS by się okazało, że widoczne są spadki blasku wynikające z tego... gdyby nie sąsiednia jaśniejsza gwiazda. Ale generalnie, gwiazda konkret

 

[Rybi]

Walentynki tuż, tuż.

Więc coś specjalnego na tę okazję: wyjątkowa HD 73619 - pierwsza chemicznie osobliwa gwiazda (... układ) pulsująca w rytmie serca !!!

 

Proszę, spójrzcie w Żłóbek - tam gdzie jest apex cordis ...

 

Więcej informacji zaprezentowałem tutaj:

Coś walentynkowego – odkryto pierwszy chemicznie osobliwy układ podwójny gwiazd pulsujących w rytmie serca