Güneş Benzeri Etkinlik Gösteren Küçük Kütleli Yıldızlar GÜNEġ BENZERĠ ETKĠNLĠK GÖSTEREN KÜÇÜK KÜTLELĠ YILDIZLAR Cafer ĠBANOĞLU1, Ömür ÇAKIRLI1,2, Ahmet DERVĠġOĞLU1 1 Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümü, 35100 İzmir {cafer.ibanoglu,omur.cakirli}@ege.edu.tr; [email protected] 2 Tübitak Ulusal Gözlemevi, Akdeniz Üniversitesi Yerleşkesi,07058 Antalya [email protected] Özet: Nükleer evrim farklılıklarına göre yıldızları üç ana gruba ayırıyoruz. Büyük kütleli yıldızlar: M 9 M olan yıldızlardır. Orta kütleli yıldızlar: 9M M 2,3 M olan yıldızlardır. Küçük kütleli yıldızlar: 0,07M M 2,3 M olan yıldızlardır. Burada tanımlanan kütle sınırları yıldız modelleri oluşturulurken yapılan varsayımlara dayanır. Kütle kaybı ve konvektif fırlatma gibi. Bu çalışmada küçük kütleli yıldızların gözlemlerle bulunan kütle, yarıçap, etkin sıcaklık ve ışıtmalarını inceleyeceğiz. Yıldızların temel öğeleri olan kütle, yarıçap ve etkin sıcaklıklar çift çizgili örten çift yıldızların dikine hız ölçümleri ve ışık eğrilerinin analizinden bulunmuştur. Kütle, yarıçap ve etkin sıcaklıkları ölçülen Güneş‟ten daha küçük kütleli örten çift üyesi 28 yıldızın salt öğeleri benzer kütleli tek yıldızlar ve evrim modelleriyle karşılaştırılmıştır. Çift yıldız üyelerinin yarıçapları aynı kütleli tek yıldızlara göre %5–15 daha büyük iken etkin sıcaklıkları %5 daha düşüktür. Işıtmaları ise hemen hemen aynıdır. Yarıçapların büyük, etkin sıcaklıkların ise düşük olmasının olası nedenleri olarak dönme hızı, ağır elementlerin bolluğu, karışım ölçek uzunluğu ve manyetik etkinlik araştırılmıştır. En olası etkinin Güneş benzeri kuvvetli manyetik etkinlikler olabileceği sonucuna varılmıştır. 1. GiriĢ Kütleleri M 2,3 M olan yıldızların nükleer evrimi birbirine benzer. Bu yıldızlara genel olarak küçük kütleli yıldızlar diyoruz. Güneş kütlesinden daha küçük kütleli yıldızlara da çok küçük kütleli yıldızlar adını veriyoruz. Gökadamız‟daki yıldızların büyük çoğunluğu Güneş‟ten daha küçük kütleli yıldızlardır. Bu orana karşın küçük kütleli yıldızlar üzerine yapılan ayrıntılı çalışma sayısı oldukça azdır. Bunun nedeni onların çok sönük cisimler olması, dolayısıyla gözlemlerinin zor olmasıdır. Küçük kütleli yıldız gözlemleri ve onlar üzerine yapılan çalışma sayısı, yeni ışıkölçüm araştırmaları ve bu sönük cisimlerin tayfsal gözlemlerini yapmayı olanaklı kılan yeni düzeneklerle, büyük bir artış içindedir. Çok küçük kütleli yıldızlar günümüzde Güneş kütlesinin %80‟i kadar olan K0 yıldızlarından başlar ve kahverengi cücelere değin uzanır. Bunları daha az kütleli olan gezegenler izler. Günümüzde gökbilimciler ilgilerini daha çok Güneş sistemi dışındaki gezegenlere (exoplanet) yoğunlaştırdıkları görülmektedir. Küçük kütleli yıldızlar ( M 0,07M ), kahverengi cüceler ( 0,012M M 0,072M ) ve dev gezegenler ( M 13M J) birçok ortak özelliği paylaşırlar ve yapılan modeller de birbirlerine çok yakındır. Küçük kütleli yıldızlar üzerine oluşturulan yıldız yapı modelleri, çok karmaşık bir düzeye ulaşmıştır. Fakat bu yıldızların fiziksel özelliklerini duyarlı bir şekilde elde etmenin zorluğu, kuramsal modellerle gözlemlerin tam olarak karşılaştırılmasında sorunlar doğurmuştur. Yıldız özelliklerini belirlemenin en iyi yolu, ayrık bileşenli örten çift yıldızların ışıkölçüm ve tayfsal gözlemlerinin duyarlı bir şekilde yapılmasıdır. Kütleleri 1 ile 10 M arasında olan yıldızların kuramsal modelleri, kütle ve yarıçapları %1–2 duyarlıkla belirlenen gözlem verileri ile 54 Güneş ve Güneş Benzeri Yıldızlar Sempozyumu - İstanbul karşılaştırılmış ve çok iyi bir uyuşma elde edilmiştir. Güneş‟ten daha küçük kütleli yıldızlar için durum böyle değildir. Son on yıla kadar yalnızca M cüce bileşenli iki örten çift yıldız biliniyordu. Bunlar Castor çoklu dizgesinin üyesi YY Gem (Castor C, Gliese 278C) (Leung ve Schnider, 1978; Torres ve Ribas, 2002) ve CM Dra (Lacy, 1977; Metcalfe ve ark., 1996) dizgeleridir. Yakın zamanda Delfosse ve ark. (1999) CU Cnc‟de tutulmalar olduğunu duyurdu. Bu üç yıldız aynı zamanda anlık parlayan (flare) yıldızlardı. Ribas (2003), CU Cnc‟in fiziksel öğelerini belirledi. Bunlara ek olarak OGLE microlensing projesi ile yeni iki örten çift yıldız bulundu. Bunlar, BW3 V38 (Maceroni ve Rucinski, 1997; Maceroni ve Montalbán, 2004), BW5 V173 (Maceroni ve Rucinski, 1999) dizgeleriydi. Daha sonra TrES-Her0-07621 (Creevey ve ark., 2005) ve GU Boo (Lopez-Morales ve Ribas, 2005) örten çift bileşenlerinin salt öğeleri belirlendi. Ancak bu yıldızlardan GU Boo dışındakiler için gözlemlerin kalitesi her iki bileşenin de kütle, yarıçap gibi temel fiziksel parametrelerini belirleyebilecek kadar iyi değildi. GU Boo dizgesinin ayrıntılı incelenmesi onun YY Gem dizgesiyle neredeyse ikiz olduğunu gösterdi. Burada kütleleri 0,07M ile 1 M arasında olan çok küçük kütleli yıldızların ölçülen kütle, yarıçap, etkin sıcaklık ve ışıtmalarını kuramsal modellerle karşılaştıracağız. 2. Küçük Kütleli Yıldızların Hertzsprung-Russell Diyagramındaki Yerleri Küçük kütleli yıldızların çok sönük olmaları nedeniyle gözlemleri de oldukça zordur. Son yıllarda küçük kütleli bileşenleri olan örten çift yıldızların ışıkölçüm ve tayf gözlemleri artmaya başlamıştır. Ancak bu yıldızların Güneş benzeri manyetik aktivite göstermeleri nedeniyle ışık eğrileri karmaşık bir yapı gösterir. Dolayısıyla kütle, yarıçap ve etkin sıcaklıkları duyarlı olarak belirlenebilen küçük kütleli örten çift yıldız sayısı hala çok azdır. Girişimölçer ve teleskop teknolojilerindeki ilerlemeler görsel çift üyesi küçük kütleli yıldızların açısal çaplarının ölçümüne olanak sağlamıştır. Bu konuda önemli gelişmeler olmasına karşın ulaşılan doğruluk derecesi, modelleri tam olarak karşılayacak kadar yeterli değildir. Küçük kütleli yıldızların temel özellikleri, OGLE örtülme projesi gözlemlerinden elde edilmiştir. Fakat bu hesaplamalar da modellere bağlıdır. Bu yolla bulunan öğeler, çift çizgili tayfsal çift yıldızlardan elde edilenlerden daha düşük duyarlığa sahiptir. Çift çizgili örten çift yıldızlar, anakolun Güneş‟ten sonraki uzantısının belirlenmesi ve küçük kütleli yıldızların evrim modellerinin testi için iyi bir olanak sunarlar. Bu tür çift yıldızlar geçmişte bir çok araştırmacı tarafından çalışılmıştır (Popper, 1997; Clausen ve ark., 1999; Torres ve Ribas 2002; Ribas, 2003). Şekil 1‟de anakol yıldızları için Hertzsprung-Russell diyagramını (HRD) gösteriyoruz. Yatay çizgiler büyük kütleli, orta kütleli ve çok küçük kütleli yıldızları ayırt etmek için çizilmiştir. ġekil 1. Örten çift yıldızlardan bulunan anakol üyesi yıldızların HR diyagramı. Yatay çizgiler büyük, orta ve çok küçük kütleli yıldızları ayırt etmek için çizilmiştir. 55 Güneş Benzeri Etkinlik Gösteren Küçük Kütleli Yıldızlar ġekil 2. Çift çizgili örten çift üyesi çok küçük kütleli anakol yıldızları için Ribas (2005) tarafından elde edilen gözlemsel kütle-yarıçap ilişkisi. Çizgi, Baraffe ve ark. (1998)'nın 300 Myıl‟lık eşzaman eğrisini göstermektedir. 3. Kütle-Yarıçap ĠliĢkisi Yıldızların temel öğeleri olan kütle ve yarıçapın %1–2 duyarlıkla çift çizgili örten çift yıldızların güvenilir ışık ve dikine hız eğrilerinin analizinden bulunduğunu biliyoruz. Ancak, PTI ve VLTI girişimölçerleri ile yakın, çok küçük kütleli yıldızların açısal çapları miliyaysaniyesinin yüzde birkaçı duyarlıkla ölçülebilmiştir. Bilinen trigonometrik ıraksımlar kullanılarak Güneş yarıçapı biriminde çaplar bulunabilmiştir (Lane ve ark., 2001; Segransan ve ark., 2003). Girişimölçer kullanılarak yıldızların kütleleri bulunamaz. Kütle tayini için Delfosse ve ark. (2000) tarafından elde edilen kızılöte K-bandı ışıtması ile kütle arasındaki gözlemsel ilişki kullanılmıştır. Bu yolla bulunan kütle ve yarıçapların yanılgısı %5–20 arasında olup örten çiftlerden bulunan yanılgılarla karşılaştırıldığında oldukça yüksektir. Bu nedenle, Ribas (2005) tarafından çift çizgili örten çift yıldızlar kullanılarak elde edilen kütleyarıçap ilişkisini Şekil 2‟de gösteriyoruz. Model hesaplamaları yarıçapların gözlemsel olarak bulunan değerlerden daha küçük olduğunu göstermektedir. Başka bir deyişle gözlemsel olarak bulunan yarıçaplar kuramsal olarak beklenenden daha büyüktür. Gözlemsel olarak bulunan yarıçaplar kuramsal öngörülerden büyük olmasına karşın sıcaklıkta tam tersi bir durumla karşılaşıyoruz. Aşağıdaki çizelgede Morales ve ark. (2008) tarafından derlenen 43 aktif tek yıldızın ölçülen etkin sıcaklık ve yarıçapları ile kuramsal olarak beklenen değerleri arasındaki farklar verilmiştir. Çizelge 1. Çok küçük kütleli yıldızların gözlemle bulunan etkin sıcaklık ve yarıçaplar ile kuramsal olarak beklenen değerleri arasındaki farklar (Morales ve ark., 2008). Mbol 7-8 8-9 9 - 10 10 - 11 Naktif 13 12 13 5 < Te > (K) -106 -128 -120 -65 60 19 7 16 < R / R > (%) 6,9 7,8 7,5 4,5 3,5 1,2 0,5 1,0 Küçük kütleli yıldızların etkin sıcaklıkları kuramsal olarak öngörülenden %5 daha soğuk görünmektedir. Kuramsal modellerin öngörüleri ile gözlemsel bulgular arasındaki fark, küçük 56 Güneş ve Güneş Benzeri Yıldızlar Sempozyumu - İstanbul kütleli, derin yüzey konveksiyon bölgeli bu yıldızlarda kuvvetli manyetik aktiviteye bağlanmıştır. Çünkü yakın çiftlerde karşılıklı çekim etkileri onları eşzamanlı dönmeye zorlar. Hızlı dönmenin bir sonucu olarak Güneş benzeri manyetik etkiler artar ve yüzeylerinde büyük yıldız lekeleri oluşur. Yıldız bu duruma kendisini uyarlayabilmek için yarıçapını büyütür, dolayısı ile etkin sıcaklığı düşer. Yarıçaplardaki artma düşen sıcaklığın etkisini ortadan kaldırır, başka bir deyişle ışıtmasında fazla bir değişim görülmez. Çift çizgili 28 örten çift yıldızın çok iyi belirlenmiş kütle, yarıçap, etkin sıcaklık, dönme hızı ve yörünge dönemleri çeşitli makalelerden derlenerek Çizelge 2‟de verilmiştir. Çizelgenin son sütununda öğelerin alındığı kaynaklar numaralanmış ve çizelgenin altında bu kaynaklar belirtilmiştir. Çizelge 2. Çift çizgili örten çift üyesi küçük kütleli yıldızların kütle, yarıçap, sıcaklık ve dönme hızları. Son kolonda verinin hangi kaynaktan alındığı belirtilmiştir. Kütle ve yarıçap Güneş biriminde, dönme kms-1, etkin sıcaklık K, dönem ise gün birimindedir. 57 Güneş Benzeri Etkinlik Gösteren Küçük Kütleli Yıldızlar ġekil 3. Çok küçük kütleli yıldızların gözlemle bulunan kütle-yarıçap (a) ve kütle-etkin sıcaklık (b) diyagramları. Karışım ölçek uzunluğunun farklı değerleri için Eggleton (2000) kodu kullanılarak sıfır-yaş anakol yıldızları için elde edilen M-R ve M-Te diyagramları da karşılaştırma için çizgiler şeklinde gösterilmiştir. Çizelge 2‟de verilen yarıçap ve etkin sıcaklıklar yıldızların kütlelerine göre noktalanarak Şekil 3‟te gösterilmiştir. Bu yıldızlar konvektif olduklarından karışım ölçek uzunluğu l / H p ‟nin 0,5 , 1,0 , 2,0 ve 4,0 değerleri için Eggleton (1971) STARS evrim kodu ile sıfır-yaş anakol yıldızları için hesaplanan M-R ve M-Te değerleriyle karşılaştırılmıştır. 0,7M‟den daha küçük kütleli yıldızların M-R diyagramında karışım ölçek uzunluğunun etkisi oldukça küçülmektedir. 0,3M‟den daha küçük kütleli yıldızların yarıçapları kuramsal olarak beklenen ile uyuşurken 0,3–0,7M arasındaki yıldızların ölçülen yarıçapları kuramsal modellere göre genellikle daha büyüktür. Karışım ölçek uzunluğunun etkisi 0,8M‟den daha büyük kütleli yıldızlarda kendisini hissettirmektedir. Karışım ölçek uzunluğu büyüdükçe modeller daha küçük yarıçap fakat daha büyük etkin sıcaklık göstermektedir. Ölçülen etkin sıcaklıklar kuramsal olarak beklenen değerlerden daima daha düşük kalmaktadır. ġekil 4. Bileşenlerin yörünge dönemiyle kendi eksenleri çevresinde döndükleri varsayımı ile V ölçü/Vkritik oranının ölçülen yarıçaplar ile model yarıçapları arasındaki farklara göre noktalanması. 58 Güneş ve Güneş Benzeri Yıldızlar Sempozyumu - İstanbul 4. Dönme-Yarıçap ĠliĢkisi Dönen yıldızların küresel yapılarının bozulduğunu ve eliptik bir biçim aldıklarını biliyoruz. Küçük kütleli yıldızlardan oluşan örten çiftlerin yörünge dönemleri genellikle kısadır. En uzun yörünge dönemli yıldız 8,43 gün ile T-Lyr1-17236, en kısa dönemli olan ise 0,20 gün ile OGLE BW3 V38 örten çiftidir. Bileşenlerin kendi eksenleri çevresinde yörünge dönemiyle döndükleri varsayımıyla yarıçaplardaki değişmeyi hesaplaya-biliriz. Bu varsayım ile hesaplanan dönme hızlarının kritik hızlara oranını (Völç/Vkrit) düşey eksen, ölçülen yarıçaplar ile model hesaplarıyla bulunan yarıçaplar arasındaki farkları (aynı kütleli sıfır-yaş anakol yıldızının yarıçapı cinsinden) Şekil 4‟te gösteriyoruz. Bu şekil, dönme hızlarıyla yarıçaplarda ölçülen farklar arasında açık bir bağlılık olmadığını göstermektedir. 5. Ağır Element Bolluğunun Etkisi Ağır elementlerin bolluğunun yıldızların yarıçap ve etkin sıcaklıklarını değiştirdiği bilinmektedir. Ağır element bolluğu fazla olan yıldızların yarıçapları büyümekte, etkin sıcaklıkları ise düşmektedir. Bu değişim yarıçapa çok az yansırken etkin sıcaklığı önemli oranda artırmakta, dolayısı ile ışıtmayı daha da fazla yükseltmektedir. Küçük kütleli tek yıldızların ölçülen yarıçapları ile ZAMS yarıçapları arasındaki farklar Fe / H değerlerine göre noktalanarak Şekil 6‟da gösterilmiştir. Ağır element bolluğunun yarıçaplardaki artışı açıklamada yetersiz kaldığı görülmektedir. ġekil 5. Gözlenen ve kuramsal yarıçaplar arasındaki farkların metal bolluğuna göre değişimi. Şekil Demory ve ark.(2009)‟ndan alınmıştır. 6. GüneĢ Benzeri Manyetik Etkinlik Küçük kütleli yıldızların Güneş benzeri manyetik etkinlik gösterdiği bilinmektedir. Özellikle yörünge dönemi kısa olan ve küçük kütleli yıldızlardan oluşan örten çift yıldızların ışık eğrilerinde bozulmalar olduğu bilinmektedir Bu bozulmalar yakınlık etkileriyle temsil edilemez. Parlaklık değişimi yanında tayflarında Ca II H ve K ile Hα salma çizgileri olarak görülür. Bu belirteçler bizi Güneş benzeri manyetik etkinliklere götürür. Manyetik etkinlik nedeniyle bileşenlerin yüzeylerindeki koyu lekeler yıldızların yüzey parlaklıklarının tekdüze dağılımını engeller. Erkenin kolay çıkamadığı bölgeler genellikle karanlık bölgeler şeklinde görülür. Yıldız ısı dengesini koruyabilmek için yarıçapını büyütmek, etkin sıcaklığını düşürmek zorunda kalır. Dolayısı ile manyetik etkin bir yıldız kütlesine göre beklenenden daha büyük yarıçaplı bir yıldız olarak görünür. Güneş‟ten daha küçük kütleli yıldızlar bir 59 Güneş Benzeri Etkinlik Gösteren Küçük Kütleli Yıldızlar yakın çiftin üyesi ise kendi eksenleri çevresindeki dönme hızı genellikle yörünge hızına eşittir. Dolayısı ile bu yıldızlar tek yıldızlara göre daha hızlı dönerler. Bu hızlı dönme manyetik etkinliği büyütür. Gerçekten, küçük kütleli yıldızlardan oluşan yakın örten çiftlerin ışık eğrileri bozulma gösterir. Bu bozulmalar yakınlık etkilerinden kaynaklanan bozulmalardan farklıdır. Dahası, bu yıldızların bir bölümü kısa süreli anlık parlamalar da gösterir. Bütün bu belirteçler onların Güneş benzeri etkinlikleri biraz daha büyütülmüş olarak gösterdiğine işaret eder. ġekil 6. GU Bootis‟in R ve I bandı ışık eğrileri ve bileşenlerinin yüzey sıcaklığındaki bozulmalar. Şekil Lopez-Morales ve Ribas (2005)‟tan alınmıştır. Kaynaklar - Baraffe, I., Chabrier, G., Allad, F., Hauschildt, P. H., 1998, A&A, 337, 403 - Bayless, A. J., Orosz, J. A., 2006, ApJ, 651, 1155 - Beatty, T. G. ve ark., 2007, ApJ, 663, 573 - Becker A. C. ve ark., 2008, MNRAS, 386, 416 - Berger, D.H., Gies, D.R., McAlister, H.A., ve ark. 2006, AJ, 644, 475 - Blake C. H., Torres G., Bloom J. S., Gaudi B. S., 2008, ApJ, 684, 635 - Çakırlı, Ö., Ibanoğlu, C., 2009, NewA, 14, 496 - Çakırlı, Ö., Ibanoğlu, C., 2010, MNRAS, 401, 1141 - Çakırlı, O.,Ibanoglu, C., Dervişoğlu, A., 2010, MNRAS, (baskıda) - Clausen, J. V.; Helt, B. E.; Olsen, E. H., 1999, ASPC, 173, 321C - Creevey, O. L. ve ark., 2005, ApJ, 625, L127 - Delfosse, X., Forveille, T., Mayor, M., Burnet, M., Perrier, C., 1999, A&A, 341, L63 - Delfosse, X., Forveille, T., Segransan, D., ve ark., 2000, AA, 364, 217 - Demory, B.O., Segransan, D., Forveille, T., ve ark., 2009, AA, 505, 205 - Devor, J. ve ark., 2008, ApJ, 687, 1253 - Eggleton, P. P., 1971, MNRAS, 151, 351 - Fernandez, J. M. ve ark., 2009, ApJ, 701, 764 - Hebb, L., Wyse, R. F. G., Gilmore, G., Holtzman J., 2006, AJ, 131, 555 - Henry, T.J., Franz, O.G., Wasserman, L.H., ve ark., 1999, ApJ, 512, 864 - Irwin, J. ve ark., 2009, ApJ, 701, 1436 - Lacy, C. H., 1977, ApJ, 218, 444L - Lane,B., Boden, A.F., Kulkarni, S.R., 2001, ApJ, 551, L81 60 Güneş ve Güneş Benzeri Yıldızlar Sempozyumu - İstanbul - Leung, K.-C., Schneider, D. P. 1978, AJ, 83, 618L - Lopez-Morales M., Ribas I., 2005, ApJ, 631, 1120 - Lopez-Morales, M., Orosz, J. A., Shaw, J. S., Havelka, L., Arevalo, M. J., McIntyre, T., Lazaro C., 2006, arXiv:astro-ph/0610225 - Maceroni, C., Rucinski, S. M. 1997, PASP, 109, 782M - Maceroni, C., Rucinski, S. M. 1999, AJ, 118, 1819M - Maceroni, C., Montalbán, J. 2004, A&A, 426, 577M - Maxted, P. F. L., O‟Donoghue, D., Morales-Rueda, L., Napiwotzki, R., Smalley B., 2007, MNRAS, 376, 919 - Morales, J.C., Ribas, I., Jordi, C., 2008, AA, 478, 507 - Metcalfe, T. S., Mathieu, R. D., Latham, D. W., Torres, G., 1996, ApJ, 456, 356 - Pols, O.R., Tout, C., Eggleton, P.P., Han, Z., 1995, MNRAS, 274, 964 - Popper, D. M., 1997 AJ, 113, 1457P - Reid, I. N., Hawley, S.L., Gizis, J.E., 1995, AJ, 110, 1838 - Ribas I., 2003, A&A, 398, 239 - Ribas, I., 2005, ASPC, 335, 55R - Ribas, I., 2006, ApSS, 304, 89 - Ribas, I., Morales, J.C., Jordi,C., Baraffe, I., Chabrier, G., Gallardo,J., 2008, Mem.S.A.It. 79, 562 - Segransan, D., Kervella, P., Forveille, T, Queloz, D., 2003, AA, 397, L5 - Shkolnik, E., Liu, M. C., Reid, I. N., Hebb, L., Cameron, A. C., Torres, C. A., Wilson, D. M., 2008, ApJ, 682, 1248 - Torres, G., Ribas,I., 2002, ApJ, 567, 1140 - Vitense, E. B., 1992, Introduction to Stellar Astrophysics, Vol.3, Camb. Univ. Pres Young, T. B., Hidas, M. G., Webb J. K., Ashley, M. C. B., Christiansen J. L., Derekas, A., Nutto, C., 2006, MNRAS, 370, 1529 - Vida, K., Olah, K., Kovari, Z., Korhonen, H., Bartus J., Hurta Z., Posztobanyi, K., 2009, A&A, 504, 1021 61