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Text File  |  1995-05-02  |  9KB  |  129 lines

  1.  ----- The following copyright 1991 by Dirk Terrell
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  5.  
  6.  Lecture #12  "A Look at Close Binary Stars  Part 2"
  7.  
  8.    We know from the theory of stellar evolution that stars expand as they 
  9. evolve. Now, a single star can expand as it pleases, but in a binary system 
  10. a star is limited to its Roche lobe. To see this consider what happens as 
  11. the star expands. A battle in the life of every star is that between the 
  12. inward pull of gravity and the outward push of gas pressure. Normally the 
  13. two just balance. But what happens when the star expands to the size of its 
  14. Roche lobe? Everywhere along the surface of the star the pressure is 
  15. balanced by gravity, except at L1 where the effective gravity vanishes. At 
  16. the L1 point we find gas under pressure on one side and essentially a vacuum 
  17. on the other, and the gas expands into the domain of the other star. Any 
  18. attempt by the star to expand beyond its Roche lobe is halted by rapid flow 
  19. through the L1 point. Returning to the bathtub analogy, it is like trying to 
  20. overfill the tub- the water flows out the overflow hole as fast as it comes 
  21. from the spout and stays at the same level.
  22.  
  23.    A system where one star fills its Roche lobe and the other is smaller 
  24. than its lobe is called a semi-detached system. A very famous example of 
  25. such a system is Algol, the Demon Star, in Perseus. Algol is actually a 
  26. triple system, but two of the stars form an eclipsing pair with a period of 
  27. 2.87 days. The primary eclipses are easily seen by naked eye as the system 
  28. drops from magnitude 2.3 to 3.5, as a B8 main sequence star is eclipsed by a 
  29. K subgiant. However, when the much cooler K star is eclipsed by the hotter 
  30. B8 star, only a small part (2-3% in the visible part of the spectrum) of the 
  31. total light of the system is blocked, so that the secondary eclipse is very 
  32. shallow. There are many systems that have deep primary eclipses and shallow 
  33. (sometimes barely even noticeable) secondary eclipses and we refer to these 
  34. systems collectively as the Algols. Algols make up a relatively large class 
  35. of eclipsing binaries not because there are a disproportionately large 
  36. number of them in space, but because their very deep primary eclipses make 
  37. them easy to discover. Inspection of the computer generated pictures shows 
  38. that the Algol secondary is quite distorted while the primary is virtually 
  39. spherical. This means that the primary, although roughly the same size as 
  40. the secondary, must be much smaller than its Roche lobe, because tidal 
  41. distortions are visible only when a star is large compared to the lobe. 
  42. Therefore we conclude that the primary must have a larger Roche lobe than 
  43. the secondary and the only way for this to happen is for the primary to be 
  44. more massive than the secondary. But how can the primary, which is on the 
  45. main sequence, be more massive than the secondary, which has already evolved 
  46. away from the main sequence? Stellar evolution theory tells us that high 
  47. mass stars evolve more quickly than low mass stars. Is stellar evolution 
  48. theory wrong, or is there another explanation to this dilemma (known as the 
  49. Algol paradox)? The resolution of the Algol paradox came from the work of J. 
  50. Crawford, F. Hoyle, D.Morton, B. Paczynski, and others who showed that the 
  51. Algol secondary was once the more massive star in the system. Being the more 
  52. massive star it evolved first and expanded to fill its Roche lobe, 
  53. transfering mass to the star that is now the primary. Mass transfer occured 
  54. rapidly and as time went on the originally less massive primary became the 
  55. more massive star. After the mass ratio reversed, the rate of mass transfer 
  56. slowed considerably and the system found itself in the state we now see.
  57.  
  58.    What happens if both stars fill their Roche lobes? In this situation it 
  59. is possible for both of the stars to be bigger than the lobes and we have an 
  60. overcontact binary. (In this case, the overflow is clogged and the water can 
  61. rise above the level of the overflow hole.) In an overcontact system both 
  62. stars exchange mass and energy through a connecting neck. Most overcontact 
  63. binaries have a thin connecting neck, that is, the components are just a 
  64. little bigger than their Roche lobes, as in the case of the prototype for 
  65. overcontact systems, W UMa. A few of them, such as DK Cyg, are connected by 
  66. a much thicker neck. Notice the nearly equal eclipse depths, which is 
  67. typical of the light curves of W UMa systems.
  68.  
  69.    When he extended the WD model to include non-synchronous rotation, Wilson 
  70. discovered that another type of binary is possible and he called it a double 
  71. contact system. In such a system both components fill their limiting lobes, 
  72. but are not in contact with one another. This situation can occur if one of 
  73. the stars rotates faster than synchronously. Systems where one of the stars 
  74. is rapidly transfering matter to the other (systems that will eventually 
  75. become Algols) provide a means by which one star can fill its Roche lobe and 
  76. the other can rotate faster than synchronously. The matter falls from the L1 
  77. point and may impact the surface of the mass-gaining star and cause the star 
  78. to spin faster, much like squirting water on a pinwheel to make it spin. The 
  79. systems RZ Sct, V356 Sgr, and Beta Lyr are, most likely, double contact 
  80. systems. Notice the lenticular shape of the RZ Sct primary which arises from 
  81. its rapid rotation, nearly seven times faster than the synchronous rate.
  82.  
  83.    Now let us look more carefully at the illustrated light curves. For DK 
  84. Cyg and RS Cha examine the light curves between eclipses. In RS Cha this 
  85. part of the light curve is relatively flat, while for DK Cyg brightness 
  86. variation is evident even when no eclipses are occuring. The system is 
  87. bright when the two stars are seen broadside and  dim when seen along the 
  88. elongated ends. This variation in brightness is caused by the tidal 
  89. distortion of the stars and is called ellipsoidal variation. In some 
  90. systems, such as HDE 226868 (Cygnus X-1), there are no eclipses and the 
  91. brightness variations are due solely to ellipsoidal variation.
  92.  
  93.    Another feature of some light curves is that the secondary eclipse seems 
  94. to be at the top of a hill, such as in Algol and RZ Sct. Known as the 
  95. reflection effect, this feature arises because the side of the secondary 
  96. star which faces the primary star is heated by the radiation of the primary. 
  97. Since one side of the star is hotter than the other, it is brighter and it 
  98. is this hotter and brighter side that we are looking at during secondary 
  99. eclipse. Of course, the secondary also heats up the primary but since Algol 
  100. secondaries are much cooler than the primaries, the effect of the secondary 
  101. on the primary is very small. If the temperatures of the two stars are 
  102. nearly the same, the two stars heat each other by the same amount.
  103.  
  104.    Just as with solar eclipses, binary eclipses can be total, annular, or 
  105. partial. In a total eclipse one star completely covers the other and during 
  106. this time the brightness of the system remains constant. The secondary 
  107. eclipse of DK Cyg is total, as can be seen in the pictures and in the flat 
  108. bottoms of the secondary eclipses. The primary eclipse of DK Cyg is annular 
  109. -- one star is contained within the disk of the other. If the brightness of 
  110. a star were constant across the disk of then annular eclipses would also 
  111. have flat bottoms, but stars exhibit a phenomenon known as limb darkening 
  112. whereby the edge of the disk appears darker than the center because we are 
  113. looking at higher and cooler (thus dimmer) layers of the star. Because of 
  114. limb darkening, annular eclipses have rounded bottoms. In the infrared (top) 
  115. light curve of DK Cyg the primary eclipse has a flat bottom because the limb 
  116. darkening in the infrared is very small, but in the other two the eclipse 
  117. has a round bottom because limb darkening is greater in the visible and 
  118. ultraviolet parts of the spectrum. All of the other systems have partial 
  119. eclipses, but W UMa is very close to having a total primary eclipse.
  120.  
  121.    We have now discussed all of the possible morphological types of binaries 
  122. and seen how their shapes and light curves differ. Eclipsing binaries 
  123. provide us with a very effective way of determining the sizes, shapes, 
  124. temperatures, and other properties of stars, but there are many systems for 
  125. which we do not have adequate light curves. With the recent development of 
  126. quality photometers at modest costs, observations of eclipsing binaries will 
  127. provide yet another way for amateur astronomers to make significant 
  128. contributions to the study of the sky.
  129.