Characteristics of RR Lyrae type stars

Mgr. Marek Skarka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V této práci se zabývám Blažkovým jevem a jeho projevy u hvězd typu RR Lyrae. Valná část práce je věnována studiu odlišností mezi hvězdami typu RRab se stabilními křivkami a hvězdami modulovanými. Za dvěma úvodními kapitolami následují kapitoly prezentující výsledky mé práce. Na základě fotometrických dat napozorovaných během tří let na observatoři Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně bylo zjištěno, že hvězda TV Boo (typ RRc) má značně vyšší metalicitu, než se dříve uvádělo a že pravděpodobně vykazuje dlouhodobé změny světelné křivky, které se podobají čtyřletému cyklu u samotné hvězdy RR Lyrae. Dále byla analyzována data pro TV Boo z přehlídky SuperWASP, která odhalila paralelní modulaci světelné křivky s dvěma komponentami s periodami 9.373 d a 21.5 d. V době publikace těchto výsledků byla TV Boo první známou hvězdou s takovýmto chováním. Protože je obecně nedostatek kvalitních fotometrických dat v různých fotometrických barvách, byl založen projekt Czech RR Lyrae observational project, který funguje ve spolupráci s amatérskými astronomy. Hlavním cílem této přehlídky je získat kvalitní pozorování ve filtrech BVRcIc pro mnoho desítek hvězd a vytvořit tak atlas světelných křivek. Tato data budou dále užitečná pro revizi světelných elementů, k určení parametrů křivek a pro různé statistické studie. Prvními výsledky projektu jsou objevy Blažkova jevu u tří hvězd. Pro zjednodušení práce na hvězdách typu RR Lyrae s Blažkovým jevem byla vytvořena pravidelně aktualizovaná online databáze BlaSGalF. Její první verze z konce roku 2012 obsahovala 242 hvězd s Blažkovým jevem. V současnosti je v ní uvedeno téměř 340 hvězd. Z analýzy dat v této databázi vyplývá, že Blažkův jev postihuje zejména hězdy typu RRab, a že hvězdy typu RRab a RRc mají rozdílné chování modulačních priod v závislosti na pulzační periodě. BlaSGalF také obsahuje 32 hvězd, které vykazují známky vícenásobné modulace, a šest hvězd se změnou Blažkova jevu. Nicméně, hlavní části práce jsou věnovány analýze dat pro jasné hvězdy typu RRab, které mají data dostupná v přehlídkách SuperWASP a ASAS. Bylo individuálně kontrolováno téměř 600 světelných křivek, ze kterých bylo, po vyřazení hvězd se špatně pokrytými či výrazně zašumělými křivkami, vybráno 321 hvězd, jejichž data byla pečlivě vyčištěna a dále analyzována tak, aby byly odhaleny případné projevy Blažkova jevu. Bylo zjištěno, že nejméně 31 % hvězd z tohoto vzorku je modulovaných a že 12 % ze všech těchto hvězd vykazuje vícenásobnou modulaci, což je překvapivě vysoké číslo. Navíc, většina hvězd s paralelním Blažkovým jevem měla poměr modulačních period v poměru malých celých čísel. Konečně bylo také ukázáno, že běžně užívané statistiky založené na vzhledu frekvenčního spektra mohou být velmi zavádějící. Ve chvíli, kdy byly identifikovány hvězdy s modulací, bylo možno srovnat parametry světelných křivek a fyzikální vlastnosti určené na základě Fourierových koeficientů stabilních hvězd a hvězd s Blažkovým jevem. Po dalším vyřazení několika hvězd, u kterých nebyla jistota, že jsou stabilní (modulované), obsahoval celkový soubor 268 hvězd. Parametry křivek z přehlídky SuperWASP byly transformovány na parametry z přehlídky ASAS s použitím nových převodních vztahů. Jako rozšíření našeho velmi malého souboru hvězd posloužila dostupná data pro několik tisíc hvězd z galaktické výdutě, Velkého a Malého Magelanova mračna a z kulových hvězdokup. Bylo zjištěno mnoho zajímavých skutečností. Mimo jiné bylo potvrzeno, že modulované hvězdy mají menší celkové světelné změny a delší vzestup z minima do maxima. Dále bylo zjištěno, že ten

Abstract:

to parametr, tzv. rise time RT, může sloužit jako dobrý ukazatel na modulaci, protože mezi hvězdami s RT>0.24 se vyskytují téměř výhradně hvězdy s Blažkovým jevem. Bylo zkonstruováno několik diagramů ukazujících závislosti mezi různými parametry světelných křivek. Například, pokud vyneseme poměr Fourierových amplitud R31 jako funkci R21, je tato závislost silně korelována s metalicitou. Srovnáním Fourierových fází ϕ21 a ϕ31 hvězd galaktického pole a kulových hvězdokup s fázemi hvězd nacházejících se v galaktické výduti a Velkém a Malém Magellanově mračnu, jsme zjistili, že se liší. Kromě toho, že to znamená omezenou platnost známých empirických vztahů pouze pro hvězdy galaktického pole a kulových hvězdokup, také to může poukazovat na rozdílné fyzikální parametry pro hvězdy v těchto hvězdných systémech. Ačkoli naše analýza naznačovala, že hvězdy s Blažkovým jevem mají lehce kratší periody a nižší metalicitu, přesvědčivý důkaz nebyl nalezen. Podobná situace panuje i v případě absolutních hvězdných velikostí ve filtru V - zjistili jsme, že modulované hvězdy jsou asi o 0.03 magnitudy slabší. Přesto, že něco podobného bylo pozorováno v kulové hvězdokupě M5, také tento fakt vyžaduje další nezávislé potvrzení. V rámci naší studie nebyla pozorována jakákoliv závislost hvězd s Blažkovým jevem na barvě (teplotě). Nicméně, po vynesení teploty Tef v závislosti na nezčervenalém barevném indexu (B-V)0 jsme pozorovali zajímavé rozštěpení této závislosti. Krátkoperiodické hvězdy s vysokou metalicitou mají asi o 180 K vyšší teplotu, než ostatní hvězdy. Podobné rozštěpení se také objevuje v grafu, kde je vynesen index (B-V)0 v závislosti na pulzační periodě.

Abstract:

In this thesis I focus on the Blažko effect in RR Lyrae type stars and on its manifestations. A large part of this work is devoted to the examination of differences between modulated and ordinary RR Lyrae stars of the ab type. After two introductory chapters results of studies of RRab stars are presented. After three years of observing the RRc star TV Boo at Masaryk University Observatory in Brno, it was found that this star has a higher metallicity than previously thought and that it could show long term light curve changes similar to the four-year cycle of RR Lyrae itself. Analysis of high density SuperWASP data revealed that TV Boo undergoes parallel modulation with two components with periods of 9.737 d and 21.4 d. At the time of publication it was the first such known object. Due to a lack of precise multicolour observations of RR Lyrae type stars, a new project, called the Czech RR Lyrae stars observation project, was founded in a collaboration with amateur astronomers. The main goal is to obtain precise observations in BVRcIc passbands for many tens of stars, create an atlas of RR Lyrae stars’ light curves, revise their ephemerides, and determine light curve parameters. These data would also be useful in statistical studies. The first results comprising the discovery of the Blažko effect in three stars are presented. For the facilitation of the work on RR Lyrae stars with the Blažko effect an on-line, regularly updated BlaSGalF database was created. In its first hard-copy version from the end of 2012, the list contained 242 stars that show modulation. Currently, almost 340 stars are given in this database. From the analysis of the data in this list it is evident that the vast majority of modulated RR Lyrae stars are of the RRab type, and that modulation periods of RRab and RRc stars depend differently on the basic pulsation period. In addition, BlaSGalF contains 32 stars which show parallel multiple modulation, and six objects with changing Blažko effect. However, the most important parts of the thesis are devoted to the analysis of data for bright RRab Lyrae stars from the ASAS and SuperWASP surveys. Almost six hundred light curves were individually scanned, and after rejection of badly sampled or highly scattered light curves, they were carefully cleaned and analysed to properly identify possible modulation. This was done for 321 stars. It was found that the incidence rate of modulated stars in our sample is at least 31 % and that 12 % of them show parallel modulation. This is a surprisingly high percentage. In addition the majority of these multiple modulated targets show small integer ratio modulation periods. It was also shown that statistics based on the appearance of frequency spectra could be very misleading. Once the modulation was properly identified, it was possible to compare light curve parameters and physical characteristics determined on the basis of Fourier coefficients for modulated and ordinary stars. After an additional rejection of stars in which modulation was not detected with certainty, the sample contained 268 stars. Light curve parameters from the SuperWASP survey were transformed to those from the ASAS using new calibrations. In addition, stars from the Galactic bulge, LMC, SMC and globular clusters were also used to extend our very limited sample. The comparison of Blažko and regular stars yielded many interesting results. We confirmed the previously known fact that modulated stars have smaller total amplitudes and longer rise times. It was found that rise time could serve as a proper indicator of modulation, because over RT =0.24 almost no regular star is observed. We constructed several diagrams showing correlations between various light curve parameters. For example, in the plot where Fourier coefficient R31 is plotted against R21 stars show a strong metallicity correlation. When Fourier phases ϕ21 and ϕ31 of field and globular cluster stars were compared with the parameters of sta

Abstract:

rs in the LMC, SMC and Galactic bulge, it was found that they differ. Except that this means that empirical relations are limited to galactic stars only, this could also point to different physical parameters of stars in LMC, SMC and Galactic bulge. Although we observed a slight preference of Blažko stars for shorter periods and lower metallicity, no conclusive result was obtained regarding this question. Blažko stars were found to be slightly less (about 0.03 mag) faint than ordinary stars. Although similar behaviour was observed in M5, this finding also needs independent confirmation. No colour dependence of modulated stars was noticed in our analysis. Nevertheless, when Tef was plotted versus extinction free index (B-V)0, an interesting split appeared. Short-period stars with high metallicity were found to have about 180 K higher temperature than their low metallicity counterparts. This split was also observed in the (B-V)0 vs. pulsation period diagram.

Keywords

RR Lyr, TV Boo, Blažkův jev, fotometrie, Hertzsprungův-Russelův diagram, ASAS, SuperWASP, Blažko effect, photometry, Hertzsprung-Russel diagram

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 11. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 8. 12. 2014
• Supervisor: doc. RNDr. Miloslav Zejda, Ph.D.
• Reader: Dr. Ádám Sódor, Dr. Katrien Kolenberg

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics