Probing flickering variability in cataclysmic variable stars

It don't matter if you're black or white: massaoverdracht tussen sterren

Het is vrij bijzonder dat ons zonnestelsel maar één zon heeft en niet twee: ongeveer 70% van alle sterren in het heelal maakt deel uit van een systeem van twee sterren. Massaoverdracht van de ene ster in zo’n systeem naar de andere is een vaak voorkomend fenomeen. Ondanks de verscheidenheid aan systemen waarin dit gebeurt, wordt er gedacht dat de fysica die de massaoverdracht beheerst universeel is: de natuurwetten maken geen onderscheid tussen een witte dwerg of een zwart gat.

Exotische dubbelsterren en hun schijven

De meeste sterren in het heelal zijn geen eenzame sterren zoals onze zon. Zo'n 70% van alle sterren maakt deel uit van een systeem van twee sterren. De twee componenten van zo een dubbelster ondervinden elkaars zwaartekracht en bewegen hierdoor om elkaar heen. Elk soort ster kan deel uitmaken van een dubbelster. De meest voorkomende dubbelsterren bestaan uit twee doorsnee sterren (zoals onze zon er één is), maar meer exotische combinaties zoals twee zwarte gaten komen ook voor. 

Een subklasse van de dubbelsterren zijn de zogenoemde compacte interagerende dubbelsterren. Dit zijn dubbelsterren die bestaan uit een doorsnee ster en een compact object. Compacte objecten zijn sterren die zowel massiever als kleiner zijn dan een doorsnee ster: hiertoe behoren de witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten. Ze zijn allen het eindstadium van sterevolutie: hoe massiever de ster in het begin van haar leven, hoe compacter haar eindstadium. De zon zal bijvoorbeeld eindigen als een witte dwerg, terwijl meer massieve sterren eindigen als neutronenster of zwart gat na een supernova explosie. De benaming van het specifieke systeem hangt af van het compacte object: in het geval van een witte dwerg spreekt met van een cataclysmische variabele (afgekort CV), van een neutronenster van een X-stralen dubbelster ("X-ray binary", XRB) en van een zwart gat van een actieve galactische kern ("active galactic nucleus", AGN).

Bij deze compacte interagerende dubbelsterren zijn de twee sterren niet de enige componenten van het systeem. Omdat het compacte object zoveel massiever is dan de doorsnee ster, trekt het materie van deze ster aan aan. Die materie valt niet rechtstreeks op het compacte object in, maar cirkelt er omheen. Na een tijdje vormt deze stroom van materie een accretieschijf omheen het compacte object.

Naast deze accretieschijf delen de drie verschillende systemen nog andere eigenschappen, waaronder flickering. Flickering is een vorm van variabiliteit: de ster "flikkert" als het ware. Dit kan gemakkelijk voor ruis worden aanzien, maar in tegenstelling tot ruis (waar helemaal niets bijzonders over kan afgeleid worden) heeft flickering echter verschillende karakteristieke kenmerken. De oorsprong van flickering ligt in de accretieschijf omheen het compacte object. De verschillende andere eigenschappen die de drie soorten systemen delen hebben ook hun oorsprong in de accretieschijf. Al deze gemeenschappelijke eigenschappen leiden tot de hypothese van de universele aard van massaoverdracht. Die stelt dat de natuurwetten die accretieschijven omheen compacte objecten beschrijven onafhankelijk zijn van de massa, grootte en type van het centrale compacte object.

De veelzijdigheid van Kepler

Om deze hypothese te bewijzen, moeten alle verschillende kenmerken van de gemeenschappelijke eigenschappen gedetecteerd worden in de drie soorten systemen. Eén van de kenmerken van flickering is de rms-flux relatie. Dit is een lineaire relatie tussen de variabiliteit van het systeem (dit noemen we rms) en haar gemiddelde helderheid (flux): hoe meer variabiliteit in de lichtcurve, hoe helderder ze is. 

Deze rms-flux relatie is al meerdere keren gedetecteerd geweest in XRBs en AGN. Om ze te kunnen ontdekken in CVs hebben we moeten wachten tot de lancering van NASA's Kepler satelliet. Ook al was het hoofddoel van deze missie het ontdekken van exoplaneten (planeten die omheen een andere ster dan onze zon bewegen), toch zijn er enkele CVs in de missie geslopen. Hierdoor was er eindelijk data van voldoende hoge kwaliteit beschikbaar voor het bestuderen van flickering in CVs. Desondanks was er tot nu toe maar één CV in de Kepler missie met een gedetecteerde rms-flux relatie.

Het doel van deze masterthesis was het detecteren van de rms-flux relatie in alle CVs die Kepler waargenomen heeft. Naast de eerder geanalyseerde CV hebben we nog acht andere systemen gevonden. In twee van deze systemen hebben we de rms-flux relatie gedetecteerd. 

Maar als flickering, en dus ook de rms-flux relatie, een eigenschap is van alle CVs, waarom hebben we ze dan niet in de zes andere systemen gedetecteerd? Ondanks de hoge kwaliteit van de Kepler data, was deze niet hoog genoeg om flickering te kunnen bestuderen in deze zes systemen. De ruis veroorzaakt door de satelliet was toch nog te groot, zodat enige flickering uitgezonden door de CV verborgen wordt: het verschil tussen variabiliteit van de CV en ruis van de satelliet kan niet meer gemaakt worden. We hebben dus de rms-flux relatie gedetecteerd in alle CVs waarvan de datakwaliteit haar detectie toeliet.

Toekomstmuziek

Door dit onderzoek is het aantal CVs met een gedecteerde rms-flux relatie verdrievoudigd. Bovendien bevestigt dit resultaat de hypothese van de universele aard van massaoverdracht: de rms-flux relatie is niet alleen meer een gekende eigenschap van XRBs en AGN, haar detectie wordt nu ook verwacht in CVs. 

Een meevaller voor het CV-onderzoek is het defect gaan van de Kepler satelliet. De satelliet is gelukkig niet verloren: enkel het mechanisme dat ervoor zorgde dat de satelliet één vast deel van de hemel bestudeerde is stuk. De nieuwe K2 missie, die gebruik maakt van dezelfde satelliet, kijkt nu om het seizoen naar een ander deel van de hemel. Hierdoor zullen er gegevens van nieuwe CVs verzameld worden en kan de universele aard van massaoverdracht steeds meer bevestigd worden.