Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1259
Main Title: Indirect imaging of AM Herculis-stars
Translated Title: Indirekte Abbildungsverfahren angewandt auf AM Herculis-Sterne
Author(s): Staude, Andreas
Advisor(s): Schwope, Axel
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: AM Herculis-Sterne sind enge Doppelsterne, die aus einem weißen Zwerg mit starkem Magnetfeld und einem Hauptreihenstern bestehen. Letzterer verliert Materie an den weißen Zwerg, wobei das Magnetfeld die Materie zu den Magnetpolen leitet, wo die freigesetzte potentielle Energie abgestrahlt wird ­ hauptsächlich als Röntgen- und UV-Strahlung. Diese Doppelsternsysteme sind so klein, daß sie mit derzeitigen Instrumenten nicht räumlich aufgelöst beobachtet werden können. Indirekte bildgebende Verfahren können Informationen rekonstruieren, die in Beobachtungsdaten nur noch als Projektionen in einen Unterraum existieren. Solche tomographischen Verfahren kennt man aus der Medizin, aber sie können auch auf astronomische Daten angewandt werden, wenn eine Reihe von Messungen als Ansichten des selben Systems unter verschiedenen Blickwinkeln interpretiert werden kann. In dieser Arbeit werden zeitaufgelöste Spektren von AM Herculis-Sternen mit tomographischen Methoden analysiert. Spektrallinien mit Ursprung in den verschiedenen Bestandteilen der Systeme sind deutlich sichtbar Doppler- verschoben. Die Doppler-Verschiebung ist abhängig vom Blickwinkel auf die Rotationsachse des Systems und verändert sich mit der Phase des Bahnumlaufs. Mit Zeitreihen von eindimensionalen Daten (Spektren) können zweidimensionale Intensitätskarten in Geschwindigkeitskoordinaten (Doppler-Tomographie) oder Karten des Linienflusses auf der angenommenen Oberfläche des Hauptreihensterns (Roche-Tomographie) aus der Veränderung des Linienprofils errechnet werden. Die Orbitalvariation der Linien mit Ursprung auf dem Hauptreihenstern ist abhängig von wesentlichen Parametern des Systems: dem Bahnneigungswinkel und den Massen der Sterne. Benutzt man eine Maximum-Entropie-Methode zur Erzeugung der Karten, kann die für verschiedene Parameterkombinationen zum Schluß erreichte Entropie dazu benutzt werden, die wahrscheinlichsten Werte zu ermitteln. Beide tomographischen Methoden wurden auf optische Spektren zweier AM-Herculis-Sterne angewandt -­ AM Her selbst und QQ Vul. Für die Roche-Tomographie wurde ein Programm benutzt ("AStRoTom"), das zur Optimierung Evolutionsstrategie verwendet und von mir geschrieben wurde. Für gegebene Systemparameter konnte das Programm Intensitätskarten der Emissions- und Absorptionslinen, die auf den Hauptreihensternen entstehen, erzeugen. Versuche der genaueren Bestimmung der Systemparameter für beide Objekte führten zu keiner Verbesserung der schon veröffentlichten Werte. Wahrscheinlich ist die Qualität der Beobachtungsdaten dafür zu gering. Durch Doppler-Tomographie von Emissionslinien konnten detaillierte Karten der Verteilung des Flusses in den Systemen erzeugt werden. Im Falle von AM Her zeigen die Karten (und auch die Spektren) deutliche Veränderungen von Nacht zu Nacht. Die Art der Strukturen und die Geschwindigkeit ihrer Veränderung können nicht mit dem Standard-Modell des Roche-Volumen- "Überlaufens" erklärt werden. Stattdessen wird ein Modell vorgeschlagen, in dem die Materie an einem anderen Punkt als dem Lagrange-Punkt den Hauptreihenstern verläßt, möglicherweise verbunden mit magnetischer Aktivität. Die Doppler-Karten von QQ Vul zeigen unterschiedliche Orte der Emissionsmaxima für die verschiedenen betrachteten Linien. Die Wasserstofflinien zeigen eine helle Komponente, die auf der röntgenbestrahlten Hemisphäre des Hauptreihensterns ensteht, und einen deutlich erkennbaren Akkretionsstrom. Das Verhalten der Heliumlinien ist komplizierter und kann am besten durch eine zusätzliche Energiequelle für die Anregung der Linien in der Region, in der der frei fallende Materiestrom vom Magnetfeld eingefangen wird, erklärt werden. Besonders im Falle der Linie des ionisierten Heliums kann Bestrahlung als Hauptursache der Anregung ausgeschlossen werden.
AM Herculis stars (or 'polars') are close binaries consisting of a white dwarf with a strong magnetic field and a main sequence star (the 'secondary') which is losing mass to the white dwarf. The magnetic field channels the matter to the magnetic poles, where the released potential energy is radiated away - mainly in X-rays and the UV. The spatial structure of these objects cannot be observed directly, because their apparent size is too small. Indirect imaging methods are capable of restoring information which is only contained in observational data as projections onto a sub-space. These tomographic methods are known from medicine, but can also be applied to astronomical data, when a number of measurements can be regarded as views of the same object under different aspect angles. In this work tomographic methods are applied to time-resolved spectroscopic data of polars. Spectral lines seen in the radiation emitted by the constituents of these systems are notably Doppler-shifted. The Doppler-shift is depending on the viewing angle of the system ('inclination') and is varying with orbital phase. Time-series of one-dimensional data (spectra) can be used to create a two-dimensional map of the intensity distribution in velocity-space (Doppler-tomography), or a map of the line-flux on the assumed surface of the mass-losing star (Roche-tomography) from the line profile changes. The orbital variation of lines originating on the secondary is strongly depending on the main system parameters, inclination and the stars' masses. Using a Maximum-Entropy-Method for the creation of the maps, the final entropy of reconstructions with differing parameter combinations allows to determine the most probable values. Both indirect imaging methods are applied to optical spectra of two polars - AM Her and QQ Vul. For Roche-tomography, AStRoTom, a code invoking Evolution Strategy for the optimisation written by me, was used. For given system parameters, intensity maps of emission and absorption lines arising on the secondaries were calculated. The determination of the system parameters lead to no improvement of previously published values for both, AM Her and QQ Vul. The reasons for this are most probably the too low quality of the input data. Doppler-tomography of the emission lines lead to detailed maps of the line-flux distribution in the systems. For AM Her, the maps (and also the spectra) show strong variations from night to night. The structures seen, and the speed of variation, cannot be explained with the standard model of Roche-lobe overflow. Instead a model is suggested, in which the matter is streaming-off at a different location on the secondary's surface than the L1, probably connected with magnetic activity of the star. The Doppler-maps of QQ Vul show different locations for the emission maxima of the considered lines. The hydrogen lines have a strong component arising on the secondary's X-ray-irradiated hemisphere and a clearly detected accretion stream. The behaviour of the helium lines is more complicated and can best be explained by an additional energy source for excitation of the lines in the region where the ballistically moving matter is captured by the magnetic field of the white dwarf. Especially for the lines of ionised helium, irradiation can be ruled out as the major source of excitation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11758
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1556
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1259
Exam Date: 28-Nov-2005
Issue Date: 16-Dec-2005
Date Available: 16-Dec-2005
DDC Class: 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Akkretion
Doppelsterne
Evolutionsstrategie
Spektroskopie
Tomographie
Accretion
Binary stars
Evolution strategy
Indirect imaging
Spectroscopy
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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