Výzkumy v ASU AV ČR (232): Periodicky proměnné hvězdy středních hmotností dlouhodobě pozorované družicí TESS

V Hertzsprungově-Russellově (H-R) diagramu lze identifikovat několik oblastí fyzicky proměnných hvězd, tedy hvězd, které se jako tělesa skutečně mění. Důvody jejich proměnnost mohou být různé, mezi ty časté patří například nejrůznější typy pulsací nebo výskyt povrchových struktur, např. skvrn, které jsou příčinou proměnnosti, pokud hvězda rotuje kolem své osy. Fyzickou proměnnost lze velmi výhodně zjišťovat a studovat prostřednictvím změn jasnosti těchto hvězd. Obzvláště bohatým zdrojem informací jsou dlouhodobě fungující vysokokadenční přehlídky, mezi nimiž v poslední době kralují zejména družicové experimenty. 

Pro přístroje jako je CoRoT, Kepler nebo TESS, které měly za cíl dlouhodobě monitorovat světelné změny vybraného vzorku hvězd, bylo primárním úkolem pátrání po extrasolárních planetách tranzitní metodou. V druhé řadě jsou ale stejná měření doslova svatým grálem pro studium proměnnosti těchto hvězd, jejich oscilací a také třeba jejich erupční aktivity. Oblast H-R diagramu, v níž najdeme hvězdy spektrálních typů A až F, tedy s povrchovými teplotami mezi 6 000 a 10 000 K, je obzvláště zajímavá. Je totiž jakousi přechodovou zónou mezi hvězdami rotujícími rychle a pomalu a současně mezi výskytem komplexních magnetických polí generovaných konvekcí a stabilními fosilními poli, které byly hvězdám dány do vínku už při jejich vzniku. 

U hvězd v této spektrální oblasti pozorujeme hned několik typů proměnnosti. Mezi ty nejvýznamnější skupiny patří pulzace typu γ Doradus s pulsačními periodami v délkách hodin až dnů, u nichž je důvodem k pulsacím nestabilita konvekce na dně konvektivní zóny. Najdeme zde také pulsace typu δ Scuti, které jsou vyvolány záklopkovým mechanismem v ionizační zóně jednou ionizovaného hélia. Tyto pulsace mají typicky periody s délkou několika hodin. Podobnými hvězdami, pouze ze starší populace II, jsou hvězdy typu SX Phoenicis a zvukové oscilace jsou pozorovány i u chemicky pekuliárních hvězd se silnými dipólovými magnetickými poli. 

Klasifikace proměnnosti je obvykle prováděna na základě podobných charakteristik světelné křivky (vývoje jasnosti v čase) a podobností ve spektru frekvencí. Většina proběhlých klasifikačních počinů byla prováděna semiautomaticky s vizuální kontrolou, v době bohatých výstupů z přehlídkových projektů se ovšem dostávají ke slovu automatizované algoritmy strojového učení. Bohatý pozorovací materiál pak představuje solidní základ pro hledání správné fyzikální interpretace pozorovaných světelných změn. 

Marek Skarka ze Stelárního oddělení ASU byl v čele rozsáhlého týmu astronomů, který studoval proměnnost hvězd spektrálních typů A-F nalézajících se v oblasti oblohy, která je dlouhodobě pokryta pozorováními družice TESS. TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) je misí NASA vypuštěnou v roce 2018, jejímž cílem je, jak jinak, především hledání extrasolárních planet. Družice skenuje oblohu v tzv. sektorech, který je pod kontinuálním dohledem vždy 27 dní. Poté pozorování přechází do dalšího sektoru atd., až je cca po roce dokončen tzv. cyklus a pozorování sektorů se opakují. Díky této strategii jsou ovšem oblasti ekliptikálních pólů „pod dohledem“ neustále. M. Skarka se svými kolegy se soustředil právě na tuto oblast. 

V okolí severního ekliptikálního pólu bylo v archívu pozorování identifikováno celkově 67 093 hvězd, ovšem jen 5923 z nich prošlo autory stanovenými kvalitativními kritérii. Pro některé vybrané hvězdy se podařilo získat také spektroskopická pozorování pozemními přístroji, a to jak v zahraničí, tak Perkovým dvoumetrovým dalekohledem ASU v Ondřejově. Autoři pak s pomocí semiautomatických metod u hvězd identifikovali typ proměnnosti a sestavili tak bohatě zastoupený katalog. Klasifikace byla založena na vzhledu fázových světelných křivek a výskytu frekvencí ve frekvenčním spektru. Kromě pulsačních typů zmíněných dříve autoři identifikovali také proměnnost související s oběhem v dvojhvězdě, a to jak zákrytové dvojhvězdy, tak tzv. elipsoidální proměnné, které souvisejí s protaženým tvarem hvězd v těsné dvojhvězdě. Autoři identifikovali celkově 11 typů. 

Bylo by krásné, kdyby postupy fungovaly tak, jak si je odborníci představují. V reálném životě jsou ovšem pozorování zatížena nejrůznějšími odchylkami ať už fyzikálního nebo instrumentálního původu, které identifikaci často velmi znesnadňují. V rozsáhlé diskusi se autoři těmto efektům velmi zevrubně věnují, aby ukázali, s jakými potížemi se potýkali a jaké tedy musí neodmyslitelně potkat i jejich následovníky. Poukažme jen na dva z problémů ze zmíněných v článku. Jen na základě světelné křivky nelze jednoznačně rozhodnout, zda daná hvězda je rotačně proměnnou nebo zda jsou světelné změny způsobeny elipsoidální proměnností v dvojhvězdném systému. K jednoznačnému rozlišení je zapotřebí s pomocí spektroskopických pozorování získat křivku radiálních rychlostí. Podobně je obtížné jen na základě fotometrických pozorování jednoznačně rozhodnout, zda je proměnnost vyvolána rotací nebo pulsacemi. Opět, spektroskopická pozorování jsou klíčem k rozlousknutí problému. 

Celkově tedy autoři z 5923 hvězd vhodných k bližšímu průzkumu objevili změny jasnosti u 3025 z nich. Z nich pak byli schopni 1813 přímo klasifikovat. Nejvíce zastoupenými byly pulsační typy γ Doradus a δ Scuti. Celkově 34 hvězd ze vzorku byli autoři nuceni označit jako hvězdy s nejistou klasifikací. A nakonec 1212 hvězd bylo označeno jako proměnné bez další klasifikace, protože nepatřily k sledovaným typům. 

Autoři na závěr poznamenávají, že v rámci práce nabízejí vypracované klasifikační schéma včetně použité metodologie. Dodávají, že v rámci stelární komunity by mělo dojít ke sjednocení klasifikačních schémat, aby identifikace proměnnosti byla jednoznačná. Současný „šum“ totiž není výhodný pro navazující studie teoreticky zkoumající identifikovanou proměnnost. 

REFERENCE

M. Skarka, J. Žák a kol., Periodic variable A-F spectral type stars in the northern TESS continuous viewing zone, Astronomy & Astrophysics v tisku, preprint arXiv:2207.12922 

KONTAKT

Mgr. Marek Skarka, Ph.D.
marek.skarka@asu.cas.cz
Stelární oddělení Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Stelární oddělení ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.