home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / adult_ed / lectures / lect12a.txt < prev    next >
Text File  |  1995-05-02  |  9KB  |  133 lines

  1.  ----- The following copyright 1991 by Dirk Terrell
  2.  ----- This article may be reproduced or retransmitted
  3.  ----- only if the entire document remains intact 
  4.  ----- including this header
  5.  
  6.  Lecture #12  "A Look at Close Binary Stars  Part 1"
  7.  
  8.    The sun is an typical star in many respects. There is nothing 
  9. particularly special about the sun's size, temperature, mass, or luminosity. 
  10. But there is one area in which the sun differs from the majority of other 
  11. stars and that is in its lack of a stellar companion. In fact, recent 
  12. estimates place the percentage of 'stars' that are multiple systems as high 
  13. as ninety percent. This situation turns out to be rather helpful to 
  14. astrophysics because binary stars are the most accurate source of 
  15. information on physical properties of stars such as mass and radius. 
  16.  
  17.    There are several ways in which we can discover the binary nature of a 
  18. star. The simplest way is to see the two stars orbit one another, usually in 
  19. a period of many years. These are the visual binaries and a typical example 
  20. is 61 Cygni, the first star to have its parallax measured. With binoculars 
  21. the components of 61 Cygni are easily seen as stars of magnitudes 5.2 and 
  22. 6.0. The system is about 11 light years from Earth and the stars orbit each 
  23. other with a period of about 650 years. Unfortunately, the amount of 
  24. information that we can get from visual binaries is limited, mainly because 
  25. these stars must be relatively nearby to be resolved.
  26.  
  27.    Most systems are far enough away so that even the largest telescopes 
  28. cannot resolve the components, but we can still deduce that there is more 
  29. than one star in the system by studying its spectrum. As the two components 
  30. orbit one another, their velocities with respect to observers on Earth 
  31. undergo periodic changes, alternately towards the earth and then away. These 
  32. changes can be detected as the shifting of the spectral lines caused by the 
  33. Doppler effect. If the spectral lines of both stars are visible in the 
  34. spectrum, the system is called a double-lined spectroscopic binary. If only 
  35. one star's lines appear, the system is said to be single-lined. In a 
  36. double-lined system we can determine the minimum masses of the stars but we 
  37. can get the actual masses only if the inclination of the orbit is known.
  38.  
  39.    If the two stars pass in front of one another as seen from Earth then we 
  40. have the relatively uncommon, but extremely useful case of an eclipsing 
  41. binary. With each eclipse, the brightness of the system drops. A plot of the 
  42. brightness of the system versus time is the light curve, and the eclipse 
  43. that causes the greatest drop in brightness is called the primary eclipse. 
  44. Most often the time coordinate is measured as the phase, which is the 
  45. fraction of the orbital period that the stars have completed since the 
  46. middle of the last primary eclipse. For example, if half a cycle has passed, 
  47. the system is at phase 0.5. Eclipses, especially total ones where the light 
  48. of one star is completely blocked, can provide a wealth of information about 
  49. the properties of the stars in a binary system. Most eclipsing systems have 
  50. periods ranging from a few hours to a few days, although some are much 
  51. longer. For example, the rather enigmatic Epsilon Aurigae has a period of 
  52. over 27 years! Here we will look at close binaries- systems where the 
  53. separation of the two components is small and the evolution of each star 
  54. affects the other. 
  55.  
  56.    Light curves come in many different shapes. In order to understand them 
  57. we must first look at the shapes that the stars themselves assume. In early 
  58. attempts to understand light curves it was assumed that the shapes of the 
  59. stars could be modeled as ellipsoids, and in some systems the ellipsoid 
  60. approximation is quite sufficient, but in others it breaks down. A better 
  61. way to model the stars' shapes is known as the Roche model. However, because 
  62. of its mathematical complexity, the application of the Roche model to 
  63. calculating and analyzing light curves did not come until 1971 when Robert 
  64. Wilson and Edward Devinney developed the now widely used Wilson-Devinney 
  65. (WD) method of light curve analysis, and others developed models applicable 
  66. to certain special cases.
  67.  
  68.    The Roche model is based on a few simplifying assumptions about the two 
  69. stars. One is that the stars act gravitationally as point masses. That is, 
  70. each star attracts the other as if all of its mass were concentrated at its 
  71. center. This is not a bad approximation since stars are highly centrally 
  72. condensed. We also assume that the stars' orbits are circular and that the 
  73. stars rotate once every orbital period, just as the moon rotates once every 
  74. time it orbits the earth. Thus we say that the stars have synchronous 
  75. rotation. These assumptions make the mathematics of the problem considerably 
  76. simpler, but they do not apply to all eclipsing binaries. For example, we 
  77. know of some systems that have eccentric (elliptical) orbits and some where 
  78. the components do not have synchronous rotation. In 1979 Wilson modified the 
  79. WD method to include the effects of eccentric orbits and non-synchronous 
  80. rotation, but we will mainly be concerned with systems that satisfy the 
  81. original assumptions.
  82.  
  83.    In the Roche model we expect the surfaces of the stars to lie along 
  84. surfaces of constant potential energy (equipotentials). Anyone who has taken 
  85. a bath should be able to understand the idea of equipotentials. When you 
  86. plug the drain and put water in a tub, it assumes some level based on the 
  87. amount of water. The surface of the water is one of constant potential 
  88. energy. If you add more water to the front of the tub, the water doesn't 
  89. pile up at the front and stay low at the back, it flows quickly so that all 
  90. of the water is at the same level. This level will be higher than it was 
  91. before you added the water, but it will be another surface of constant 
  92. potential energy (higher potential energy than before). Since the surfaces 
  93. of stars are fluids, we expect them also to assume the shape of 
  94. equipotential surfaces. If one part of a star's surface were to find itself 
  95. at a higher potential than the rest of the surface, flows would quickly 
  96. bring all of the surface to the same potential just as the water in a bathtub.
  97.  
  98.    If the stars' surfaces are to coincide with equipotential surfaces, what 
  99. do these equipotential surfaces look like? Near the mass point at the center 
  100. of either star the dominant force acting on a particle is the gravity of 
  101. that star, and we expect the equipotentials to be essentially spherical. 
  102. Farther away, however, the gravity of the other star and the centrifugal 
  103. force (arising from the rotation of the binary as a whole) become 
  104. significant. The result is that the equipotentials around one star are no 
  105. longer spherical, but have a bulge towards the other star, much as the 
  106. oceans of the earth bulge towards the moon because of its gravitational 
  107. attraction. It seems logical that there should be a place where the gravity 
  108. of one star is just balanced by the gravity of the other star and the 
  109. centrifugal force. Indeed such a point (called the inner Lagrangian,or L1, 
  110. point) does exist, located on the line joining the centers of the two stars 
  111. and closer to the less massive star. The equipotential surface for each star 
  112. that includes the L1 point is called that star's Roche lobe. As we shall 
  113. see, the L1 point plays a very important role in the evolution of the binary 
  114. system. 
  115.  
  116.    Adoption of the Roche model leads very naturally to a method of 
  117. classifying binaries based on the degree to which each star fills its Roche 
  118. lobe. If both stars are smaller than their their Roche lobes, the binary is 
  119. called a detached system, and if the stars are much smaller than their 
  120. lobes, they will have spherical shapes. A typical example is RS 
  121. Chamaeleonis, where two A8 IV stars orbit each other in a period of about 
  122. 1.7 days. Figure 1 shows RS Cha at phases 0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.25, 
  123. 0.35, 0.40, 0.45, and 0.50, starting at upper left and moving left to right 
  124. and top to bottom. The circle to the right shows the size of the sun 
  125. compared to the binary. The bottom of the figure shows, from top to bottom, 
  126. the light curves of the system in the infrared, visible, and ultaviolet 
  127. parts of the spectrum. The vertical lines indicate phase 0.0 (left line) and 
  128. phase 0.5 (right line) for the light curves. The horizontal lines indicate 
  129. the 50% brightness level for each light curve, where 100% brightness occurs 
  130. when the system is at phase 0.25, corresponding to the middle picture of RS 
  131. Cha. If the stars are larger, perhaps only slightly smaller than their 
  132. lobes, they will be more distorted as in the case of MR Cygni.
  133.