Výzkumy v ASU AV ČR (72): Rentgenová aktivita polaru AM Herculis

Jako kataklyzmické proměnné souhrnně označujeme dvojhvězdné systémy, v nichž jedna ze složek již prošla většinou svých životních etap od protohvězdy přes pobyt na hlavní posloupnosti po stádium rudého obra, takže na jejím místě najdeme pouze degenerovaný kompaktní zbytek, v tomto případě bílého trpaslíka. Druhá složka je často hvězda výrazně chladnější a menší než naše Slunce. Ta je obvykle ve fázi hlavní posloupnosti. Výhradní část prostoru vymezená této složce je však omezena společným gravitačním působením s jejím kompaktním průvodcem a její hmota  přetéká přes tzv. librační bod na tohoto průvodce. 

Jako polar pak označíme systém, který obsahuje bílého trpaslíka, na němž je magnetické pole tak silné, že přímo zasahuje do přetoku hmoty z jeho chladného průvodce. Extrémně silné magnetické pole s intenzitou přesahující tisíc tesla zabraňuje tvorbě akrečního disku, který by se v systému normálně vytvořil z přenášené hmoty. Hmota tedy proudí podél smyček magnetického pole přímo do polárních oblastí bílého trpaslíka, kde je zdrojem různých zářivých procesů. Tzv. akreční sloupec vyzařuje cyklotronovým procesem zejména v optické a infračervené oblasti spektra. Dopad hmoty ohřívá fotosféru bílého trpaslíka v polárních oblastech, kde formuje velmi horké skvrny, jež jsou zdrojem měkkého rentgenového záření. V akrečním sloupci se objevuje i tzv. brzdné záření, které pozorujeme v oblasti tvrdého rentgenu. Je tedy zřejmé, že podmínky v akreční oblasti zásadním způsobem ovlivňují charakter zaznamenávaného záření. 

V polarech se s časem střídá výskyt tzv. vysokých a nízkých stavů aktivity. Ve vysokém stavu převládá záření, které způsobuje výše zmíněné procesy, zatímco ve stavu nízkém pozorujeme i výrazný vliv záření pocházejícího z bílého trpaslíka a dárcovské hvězdy. Ve vysokém stavu je pozorovaná jasnost systému obvykle o několik magnitud vyšší, jednotlivé vysoké stavy se však od sebe navzájem také odlišují. Naproti tomu nízké stavy jsou si vzájemně mnohem podobnější, což není příliš překvapivé, vezmeme-li v úvahu, že v nízkých stavech jsou přenos hmoty a její akrece (nabalování) na bílého trpaslíka silně redukovány. Ovšem i v nízkých stavech získává bílý trpaslík od dárce hmotu, a to především prostřednictvím hvězdného větru. 

AM Her je tedy prototypem takového systému. Tedy jde o dvojhvězdu složenou z bílého trpaslíka s hmotností 0,78 sluneční hmotnosti a dárcovské hvězdy spektrálního typu M4-5V s hmotností 0,27 MS. Intenzita magnetického pole bílého trpaslíka dosahuje 1250±500 T. Složky kolem sebe obíhají s periodou 0,13 dne. S touto periodou pozorujeme ve vysokém stavu aktivity tzv. orbitální modulaci v optické i rentgenové oblasti spektra, amplituda této modulace se v čase mění, v některých obdobích dokonce rentgenové zákryty vymizí, nejspíše kvůli mírnému posunu akrečního sloupce od rotační osy. Celková zářivost akrečního procesu dosahuje (2,1±0,7)×10²⁶ W, tedy přibližně polovinu svítivosti Slunce. Vysoké a nízké stavy se nepravidelně střídají, jednotlivé epizody trvají někdy dny, někdy stovky dní. Ve vysokých stavech lze pozorovatelsky rozlišit situaci, kdy látka dopadá buď na jeden nebo na oba póly bílého trpaslíka. 

V. Šimon z ASU využil pozorování dlouhodobé aktivity tohoto zajímavého objektu jednak z rentgenového přístroje Burst Alert Telescope (BAT) na družici Swift, pracujícího v oblasti tvrdého rentgenového záření, dále z celooblohového monitoru MAXI, jenž je umístěn na japonském modulu Mezinárodní kosmické stanice a je citlivý na měkčí rentgenové záření, a pak bohatou databázi pozorování v optickém oboru z databáze Americké asociace pozorovatelů proměnných hvězd (AAVSO). V. Šimon analyzoval pouze období vysokých stavů aktivity, neboť v nízkých stavech byla rentgenová měření velmi slabá, proto zašumělá, a tedy nevhodná pro smysluplnou analýzu. Výběr vysokých stavů byl zvolen tak, aby byly k dispozici současně obě sady pozorování, tedy jak v rentgenovém, tak v optickém oboru.
AM Her vykazuje ve vysokých stavech aktivity modulaci optického záření s amplitudou i více než jedné magnitudy. Do hry navíc vstupuje rotační modulace bílého trpaslíka, což přispívá k rozptylu  rentgenových dat. Vysoké a nízké stavy aktivity byly tedy rozlišeny na základě optických světelných křivek, z nichž byl odstraněn vliv rychlých změn. Zpracovávána byla tedy tři období vysokých stavů aktivity, přičemž na jeden z nich navazovalo nezvykle dlouhé období pomalého poklesu, jež bylo také cílem výzkumu. 

Pozorování byla porovnávána vůči sobě a vyhodnocena statisticky. Histogramy sestavené pro jednotlivé vysoké stavy pro rentgenová a optická data si v jednom případě byly velmi podobné, ve dvou však vykazovaly významné odlišnosti. Obecně se dá říci, že nárůst optické jasnosti je doprovázen nárůstem jasnosti v rentgenovém oboru, ale tato závislost je poměrně složitá. 

Autor pro další porovnávání intenzit v jednotlivých spektrálních oborech zkonstruoval tzv. tvrdosti, tedy poměry intenzit v jednotlivých oborech. Tyto odvozené veličiny dobře vystihují především vzájemný vztah intenzity emise cyklotronového mechanismu (zachycené v optickém oboru) a intenzity brzdného záření (to dominuje v rentgenových pozorováních z obou monitorů). Ze studia vychází, že zatímco poměr intenzit optického vůči rentgenovému záření je v čase vysoce proměnná, tak tvrdost vypočtená pro obě rentgenová pásma se zdá být v jednotlivých vysokých stavech aktivity poměrně stálá. 

Vývoj zmíněných poměrů vystihuje strukturální změny v akreční oblasti bílého trpaslíka i v širším okolí. Svoji roli hraje nepochybně i proměnná míra akrece (nabalování) hmoty, jež může být ovlivněna například výskytem skvrny ve fotosféře dárcovské hvězdy. Charakter přechodu od vysokého k nízkému stavu aktivity ale hypotézu skvrny jako jediného původce poklesu aktivity v případě AM Her nepotvrzuje, svoji roli bude hrát buď výskyt komplexní aktivní oblasti na chladné hvězdě nebo přímá interakce smyček magnetického pole vyvěrajícího z bílého trpaslíka s fotosférou dárcovské hvězdy. V. Šimon také poukazuje na možnost změn tvaru akrečních dopadových skvrn na povrchu bílého trpaslíka. Jeden z vyšetřovaných vysokých stavů vykazoval neobvykle dlouhou vrcholovou fázi, která svědčí o přítomnosti polostabilní hmotové struktury v těsném okolí dárcovské hvězdy, jakou by mohla být například protuberance. 

Celkově svědčí proměnná aktivita AM Her ve vysokých stavech o neobyčejně komplexní podstatě přetoku hmoty ve zdánlivě jednoduchém systému tvořeném pouhými dvěma objekty. Dlouhodobé změny jsou nejspíše důkazem velkého vlivu magnetického pole na zmíněný přetok, a to jak magnetického pole pocházejícího z bílého trpaslíka, tak lokálních magnetických polí formujících aktivní jevy v atmosféře druhé složky. 

REFERENCE

Šimon, V., Evolution of the optical and hard X-ray activity of AM Her in a season dominated by the high states, Astrophysics and Space Science 361 (2016) article id. 235

KONTAKT

RNDr. Vojtěch Šimon, Ph. D.
Stelární oddělení Astronomického ústavu AV ČR
Email: vojtech.simon@asu.cas.cz

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

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