The Search for Substellar Companions to Subdwarf B Stars in Connection with Evolutionary Aspects
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Ronny Bernd Lutz The search for substellar companions to subdwarf B stars in connection with evolutionary aspects Dissertation huhu Cover illustration: Image courtesy of HELAS, the European Helio- and Asteroseismology Network, funded by the European Union under Framework Programme 6; Mark Garlick, artist. The search for substellar companions to subdwarf B stars in connection with evolutionary aspects Dissertation zur Erlangung des mathematisch-naturwissenschaftlichen Doktorgrades ”Doctor rerum naturalium” der Georg-August-Universit¨at G¨ottingen vorgelegt von Ronny Bernd Lutz aus Fu¨rstenhagen G¨ottingen, 2011 huhu Referentin: Dr. Sonja Schuh Korreferent: Prof. Dr. Stefan Dreizler Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 27.09.2011 . Georg-August-Universit¨at G¨ottingen Institut fu¨r Astrophysik International Max Planck Research School on Physical Processes in the Solar System and Beyond Zusammenfassung Die Entstehung und Entwicklung heisser unterleuchtkr¨aftiger B Sterne (im Folgenden sdB Sterne) ist nicht vollst¨andig verstanden. Zwar kann der mo- mentane Entwicklungszustand, also die Position im Hertzsprung-Russell- Diagramm, recht gut charakterisiert und interpretiert werden, jedoch gibt es Unklarheiten bezuglich¨ ihrer vorhergehenden Entwicklung. Da die masse- armen sdB Sterne nicht dort vorzufinden sind, wo man es nach der Stan- dardentwicklung massearmer Sterne erwarten wurde,¨ muss eine Phase oder ein Ereignis in deren Entwicklung stattgefunden haben, welches dieses Ab- weichen von der Standardentwicklung zur Folge hat. Die Literatur ist sich einig, dass diese Phase bzw. dieses Ereignis ein erh¨ohter Massenverlust des sdB Vorg¨angersterns ist, w¨ahrend dieser sich im Roter Riese Stadium befindet. Dies ist Voraussetzung um die Existenz der sdB Sterne zu erkl¨aren, jedoch ist die Ursache des erh¨ohten Massenverlustes nicht eindeutig gekl¨art. Im Falle der sdB Sterne als Teil eines Doppelsternsystems haben sich Szena- rien der Entwicklung enger Doppelsternsysteme unter Berucksichtigung¨ ver- schiedener Phasen von Roche-Lobe-Overflow und einer gemeinsamen Hulle¨ beider Komponenten als erfolgsversprechend durchgesetzt. Hier stehen The- orie und Beobachtung recht gut in Einklang miteinander. Probleme gibt es allerdings bei Einzelsternen, d. h. bei solchen sdB Ster- nen, die nicht Teil eines Doppelsystems sind, und keine stellaren Begleiter aufweisen. Solche einzelnen sdB Sterne sind Gegenstand dieser Arbeit. Eine in der Literatur diskutierte Hypothese besagt, dass selbst substellare Be- gleiter wie Braune Zwerge oder Exoplaneten einen entscheidenden Einfluss auf die Entstehung der Einzel-sdB Sterne haben k¨onnen. Ein Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese Hypothese zu untersuchen. Dies soll durch die Suche nach substellaren Begleitern um Einzel-sdB Sterne geschehen. Ein weiteres Hauptziel dieser Arbeit ist es, den Entwicklungsstatus der hier betrachteten sdB Sterne n¨aher zu bestimmen und deren Entwicklungszeit- vii skalen direkt zu messen. Die konkreten Ziele bezuglich¨ der in dieser Arbeit untersuchten sdB Sterne sind nun die Suche nach substellaren Begleitern und die Bestimmung der Entwicklungszeitskalen der Sterne. Um die oben genannten Ziele zu erreichen wurde das EXOTIME Programm ins Leben gerufen, welches funf¨ pulsierende sdB Sterne langfristig mit der Methode der bodengebundenen zeitaufgel¨osten relativen Photometrie beob- achtet. Fur¨ zwei dieser funf¨ sdB Sterne, HS 0444+0458 und HS 0702+6043, wird in dieser Arbeit die Datenaufnahme sowie Reduktion, Auswertung und Interpretation dargestellt. Die fur¨ die Analyse notwendigen Daten setzen sich aus vielen Einzelmessungen zusammen, verteilt uber¨ einen Zeitraum von drei Jahren. Dies beruht auf der angewandten Methode, welche vor- aussetzt dass ein Objekt uber¨ einen m¨oglichst langen Gesamtzeitraum gese- hen so h¨aufig wie m¨oglich beobachtet wird. Der enorme Bedarf an pho- tometrischen Daten l¨asst sich am besten mit koordinierten Kampagnen mehrerer beteiligter Observatorien bew¨altigen, so wie es auch Grundlage im EXOTIME Programm ist. Die im oben genannten Zeitraum angesam- melte Menge an photometrischen Daten summiert sich auf ann¨ahernd 100 Stunden fur¨ den Stern HS 0444+0458 und zirka 850 Stunden fur¨ den Stern HS 0702+6043. Dazu haben insgesamt zw¨olf Observatorien beigetragen. Um sowohl nach substellaren Begleitern zu suchen als auch die Entwick- lungszeitskalen direkt zu messen, wird eine ”Timing-Methode” verwendet. Dabei werden die gemessen Ankunftszeiten der Intensit¨atsmaxima, welche auf der periodischen Helligkeits¨anderung des pulsierenden Sterns beruhen, mit aus einem Modell erwarteten Werten verglichen. Dadurch lassen sich wichtige Aussagen uber¨ das zeitliche Verhalten der Pulsationen machen, welche dann im Sinne der obigen Ziele und Fragestellungen interpretiert werden k¨onnen. Die im Rahmen dieser Arbeit gemessenen Charakteristika der Pulsations- perioden in HS 0444+0458 und HS 0702+6043 lassen wichtige Erkenntnisse bezuglich¨ deren Entwicklungsstatus zu. Beide Objekte befinden sich in einer Phase der globalen Expansion, d.h. die Pulsationsperioden sind nicht kon- stant, sondern nehmen langfristig mit der Zeit zu. Die hier auftretenden Zeitskalen liegen im Bereich einer halben Million Jahre bzw. 1,8 Millionen Jahre fur¨ die zwei st¨arksten Pulsationen in HS 0444+0458 und bei etwa 40 viii Millionen Jahren bzw. 2.2 Millionen Jahren fur¨ die zwei st¨arksten Pulsa- tionen in HS 0702+6043. Ein Vergleich dieser Zeitskalen mit theoretischen Sternentwicklungs-Modellen l¨asst vermuten, dass die beiden untersuchten Sterne wahrscheinlich kurz vor dem Ende ihres Daseins als sdB Stern stehen. Damit h¨atten sie bereits die Phase des Heliumbrennens im Kern beendet und stunden¨ kurz vor ihrer Entwicklung hin zur Abkuhlsequenz¨ Weisser Zwerge. Die in dieser Arbeit gemessenen Entwicklungszeitskalen und Charakteristika der Pulsationen stellen wichtige Bedingungen an theoretische sdB-Modelle der Asteroseismologie und k¨onnen helfen die vorhandenen Modelle zu ver- feinern. Fur¨ die Fragestellungen dieser Arbeit treten als wichtigste Effekte mit Aus- wirkungen auf die stellaren Pulsationen der bereits erw¨ahnte Einfluss der Sternentwicklung sowie der gravitative Einfluss eines hypothetischen Be- gleiters, welcher den sdB Stern umkreist, auf. Das Auftreten von Schwe- bungen als ein weiterer Effekt mit Einfluss auf die gemessenen Eigenschaften der Pulsationen wurde als solcher erkannt und entsprechend von den anderen Effekten getrennt. Die Entdeckung substellarer Begleiter um beide hier untersuchten Sterne stellt ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit dar und l¨asst wichtige Ruckschl¨ usse¨ bezuglich¨ der weiter oben erw¨ahnten Entstehungsszenarien zu. Mit einer Mindestmasse von etwa 30-45 Jupitermassen kreist der Braune Zwerg Kan- didat HS 0444+0458 b in einem Abstand von 0.27 Astronomischen Ein- heiten um seinen Zentralstern HS 0444+0458. Der exoplanetare Kandidat HS 0702+6043 b hat eine Mindestmasse von 5-6 Jupitermassen und befindet sich in einem Abstand von etwa 1.15 Astronomischen Einheiten von seinem Zentralstern HS 0702+6043. Die gemessenen Parameter stehen im Einklang mit Modellen, welche voraussagen, dass diese beiden Objekte in der Lage waren, die Entwicklung ihrer Muttersterne zu beeinflussen. Der Einfluss der Begleiter kann einen erh¨ohten Massenverlust, welcher ben¨otigt wird um die Existenz von sdB Sternen zu erkl¨aren, hervorgerufen haben. Die Hy- pothese des direkten Einflusses substellarer Begleiter auf die Entstehung von Einzel-sdB Sternen wird durch die hohe Detektionsrate gefundener Be- gleiter gest¨arkt. Bei jedem der drei hinreichend untersuchten EXOTIME Objekte HS 2201+2610, HS 0444+0458 und HS 0702+6043 (letztere beide als Gegenstand der vorliegenden Arbeit) kann ein substellarer Begleiter mit ix der ”Timing Methode” nachgewiesen werden. Dies ist eine positive Ten- denz, um jedoch statistisch signifikante Aussagen zu machen, bedarf es einer gr¨osseren Anzahl von Einzel-sdB Sternen die nach substellaren Begleitern untersucht werden. Die hier pr¨asentierten Resultate sollten zu solch einer ausgedehnten Suche motivieren, um letztendlich die Hypothese des Ein- flusses substellarer Begleiter auf die Entstehung von sdB Sternen weiter zu festigen. Diese Arbeit ist folgendermaßen aufgebaut: Das erste Kapitel stellt den momentanen Stand der Forschung bezuglich¨ der sdB Sterne vor und liefert die n¨otigen Hintergrundinformationen, sowohl ex- perimentell als auch theoretisch, um dem Kurs dieser Arbeit zu folgen. An- schliessend werde ich im zweiten Kapitel die grundlegenden Fragestellungen und Zielsetzungen kurz motivieren, welche letztendlich in der Idee zur For- mulierung dieser Arbeit resultierten und auf die Untersuchung von sdB Ster- nen im Hinblick auf substellare Begleiter zielen. Das dritte Kapitel erl¨autert die Zielsetzungen des EXOTIME Projektes und wird die in dieser Arbeit untersuchten Sterne n¨aher charakterisieren. Im Anschluss wird im vierten Kapitel das Archiv der Beobachtungsdaten, welche im Laufe der vergang- enen Jahre fur¨ diese Arbeit aufgenommen wurden, pr¨asentiert. Dabei wird vertieft auf die beteiligten Observatorien und auf die Beobachtungsstrate- gie eingegangen. Im funften¨ Kapitel werden die Beobachtungsmethoden zur Suche nach substellaren Begleitern um sdB Sterne eingehend erl¨autert. Hier soll besonders ein Vergleich der verwendeten ”Timing-Methode” zu ver- schiedenen anderen Detektionsmethoden, welche ebenso auf die Suche nach Exoplaneten abzielen, gezogen werden. Die Ergebnisse der Analyse wer- den ausfuhrlich¨ im sechsten Kapitel dargestellt.