Probing flickering variability in cataclysmic variable stars
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.
[1] H.J. Adèr and G.J. Mellenbergh. Advising on Research Methods: A Consultant’s Companion. Johannes Van Kessel Publishing, 2008.[2] Sangtae Ahn and Jeffrey A Fessler. Standard errors of mean, variance, and standard deviation estimators. University of Michigan: EECS Department, 2003.[3] R. Andrae, T. Schulze-Hartung, and P. Melchior. Dos and don’ts of reduced chi- squared. ArXiv e-prints, December 2010.[4] P. Arevalo and P. Uttley. Investigating a fluctuating-accretion model for the spectral- timing properties of accreting black hole systems. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 367(2):801–814, April 2006.[5] T. Belloni and G. Hasinger. An atlas of aperiodic variability in HMXB. Astronomy and Astrophysics, 230:103–119, April 1990.[6] T. Belloni, D. Psaltis, and M. van der Klis. A Unified Description of the Timing Features of Accreting X-Ray Binaries. Astrophysical Journal, 572:392–406, June 2002.[7] A. Bruch. Long-term photometry of the eclipsing dwarf nova V893 Scorpii: Orbital period, oscillations, and a possible giant planet. ArXiv e-prints, April 2014.[8] P. Cassatella, P. Uttley, J. Wilms, and J. Poutanen. Joint spectral-timing modelling of the hard lags in GX 339-4: constraints on reflection models. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 422:2407–2416, May 2012.[9] Ronald A. Downes, Ronald F. Webbink, Michael M. Shara, Hans Ritter, Ulrich Kolb, and Hilmar W. Duerbeck. A Catalog and Atlas of Cataclysmic Variables: The Living Edition. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 113(784):764–768, June 2001.[10] B. Efron. Bootstrap Methods: Another Look at the Jackknife. The Annals of Statistics, 7(1):1–26, January 1979.[11] J. J. Feldmeier, S. B. Howell, W. Sherry, K. von Braun, M. E. Everett, D. R. Ciardi, P. Harding, J. C. Mihos, C. S. Rudick, T.-H. Lee, R. M. Kutsko, and G. T. van Belle. The Burrell-Optical-Kepler-Survey (BOKS). I. Survey Description and Initial Results. The Astronomical Journal, 142:2, July 2011.[12] J. Frank, A. King, and D. J. Raine. Accretion Power in Astrophysics: Third Edition. Cambridge University Press, January 2002.[13] J. Frank, A. R. King, and D. J. Raine. Accretion power in astrophysics. Cambridge University Press, 1985.[14] Revision 4: Dorothy Fraquelli and Susan E. Thompson. Kepler Archive Manual (KDMC-10008-004). Technical report, Space Telescope Science Institute, April 2012.[15] P. Gandhi. The Flux-Dependent rms Variability of X-Ray Binaries in the Optical. The Astrophysical Journal Letters, 697:L167–L172, June 2009.[16] R. L. Gilliland, W. J. Chaplin, E. W. Dunham, V. S. Argabright, W. J. Borucki, G. Basri, S. T. Bryson, D. L. Buzasi, D. A. Caldwell, Y. P. Elsworth, J. M. Jenkins, D. G. Koch, J. Kolodziejczak, A. Miglio, J. van Cleve, L. M. Walkowicz, and W. F. Welsh. Kepler Mission Stellar and Instrument Noise Properties. The Astrophysical Journal Supplement, 197:6, November 2011.[17] R. L. Gilliland, J. M. Jenkins, W. J. Borucki, S. T. Bryson, D. A. Caldwell, B. D. Clarke, J. L. Dotson, M. R. Haas, J. Hall, T. Klaus, D. Koch, S. McCauliff, E. V. Quintana, J. D. Twicken, and J. E. van Cleve. Initial Characteristics of Kepler Short Cadence Data. The Astrophysical Journal Letters, 713:L160–L163, April 2010.[18] M. R. Haas, N. M. Batalha, S. T. Bryson, D. A. Caldwell, J. L. Dotson, J. Hall, J. M. Jenkins, T. C. Klaus, D. G. Koch, J. Kolodziejczak, C. Middour, M. Smith, C. K. Sobeck, J. Stober, R. S. Thompson, and J. E. Van Cleve. Kepler Science Operations. The Astrophysical Journal Letters, 713:L115–L119, April 2010.[19] C. Hellier. Cataclysmic Variable Stars - How and Why they Vary. Springer, January 2001.[20] S. B. Howell, C. Sobeck, M. Haas, M. Still, T. Barclay, F. Mullally, J. Troeltzsch, S. Aigrain, S. T. Bryson, D. Caldwell, W. J. Chaplin, W. D. Cochran, D. Huber, G. W. Marcy, A. Miglio, J. R. Najita, M. Smith, J. D. Twicken, and J. J. Fortney. The K2 Mission: Characterization and Early results. ArXiv e-prints, February 2014.[21] Steve B. Howell, Mark E. Everett, Sally A. Seebode, Paula Szkody, Martin Still, Matt Wood, Gavin Ramsay, John Cannizzo, and Alan Smale. Spectroscopy of new and poorly known cataclysmic variables in the Kepler field. The Astronomical Journal, 145(4):109, April 2013.[22] Enthought Inc. The Enthought Python Distribution, version 7.3. http://www.enthought.com/epd, 2008–. Last visited on 17/1/2014.[23] A. Ingram and M. van der Klis. An exact analytic treatment of propagating mass ac- cretion rate fluctuations in X-ray binaries. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 434:1476–1485, September 2013.[24] KU Leuven Instituut voor Sterrenkunde. IvS Python repository. http://www.ster.kuleuven.be/~pieterd/python/html/ivs/ivs_index.html. Last visited on 20/10/2013.[25] J. M. Jenkins, D. A. Caldwell, H. Chandrasekaran, J. D. Twicken, S. T. Bryson, E. V. Quintana, B. D. Clarke, J. Li, C. Allen, P. Tenenbaum, H. Wu, T. C. Klaus, C. K. Middour, M. T. Cote, S. McCauliff, F. R. Girouard, J. P. Gunter, B. Wohler, J. Sommers, J. R. Hall, A. K. Uddin, M. S. Wu, P. A. Bhavsar, J. Van Cleve, D. L. Pletcher, J. A. Dotson, M. R. Haas, R. L. Gilliland, D. G. Koch, and W. J. Borucki. Overview of the Kepler Science Processing Pipeline. The Astrophysical Journal Letters, 713:L87–L91, April 2010.[26] Eric Jones, Travis Oliphant, Pearu Peterson, et al. SciPy: Open source scientific tools for Python. http://www.scipy.org/, 2001–. Last visited on 3/6/2014.[27] T. Kato and H. Maehara. Analysis of a Kepler Light Curve of the Novalike Cata- clysmic Variable KIC 8751494. Publications of the Astronomical Society of Japan, 65:76, August 2013.[28] T. Kato and Y. Osaki. Analysis of Three SU UMa-Type Dwarf Novae in the Kepler Field. Publications of the Astronomical Society of Japan, 65:97, October 2013.[29] Taichi Kato. Discovery of a new SU UMa-type dwarf nova V344 Lyrae. Publications of the Astronomical Society of Japan, 45, 1993.[30] C. Knigge. The Evolution of Cataclysmic Variables. In L. Schmidtobreick, M. R. Schreiber, and C. Tappert, editors, Evolution of Compact Binaries, volume 447 of Astronomical Society of the Pacific Conference Series, page 3, September 2011.[31] C. Knigge, I. Baraffe, and J. Patterson. The Evolution of Cataclysmic Variables as Revealed by Their Donor Stars. The Astrophysical Journal Supplement, 194:28, June 2011.[32] O. Kotov, E. Churazov, and M. Gilfanov. On the X-ray time-lags in the black hole candidates. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 327:799–807, November 2001.[33] Y. E. Lyubarskii. Flicker noise in accretion discs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 292:679, December 1997.[34] S. Miyamoto, K. Kimura, S. Kitamoto, T. Dotani, and K. Ebisawa. X-ray variability of GX 339 - 4 in its very high state. Astrophysical Journal, 383:784–807, December 1991.[35] D. Nogami and S. Masuda. Confirmation of the SU UMa nature of V1504 Cyg. Information Bulletin on Variable Stars, 1997.[36] G. Ramsay, S. B. Howell, M. A. Wood, A. Smale, T. Barclay, S. A. Seebode, D. Gelino, M. Still, and J. K. Cannizzo. BOKS 45906: a CV with an orbital period of 56.6 min in the Kepler field? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 438:789–795, February 2014.[37] Gavin Ramsay, John K. Cannizzo, Steve B. Howell, Matt A. Wood, Martin Still, Thomas Barclay, and Alan Smale. Kepler observations of V447 Lyr: an eclipsing U Gem Cataclysmic Variable. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 425(2):1479–1485, September 2012.[38] N. N. Samus, O. V. Durlevich, and et al. General Catalogue of Variable Stars (Samus+ 2007-2013). VizieR Online Data Catalog, 1:2025, January 2009.[39] S. Scaringi. A physical model for the flickering variability in cataclysmic variables. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 438:1233–1241, February 2014.[40] S. Scaringi, P. J. Groot, K. Verbeek, S. Greiss, C. Knigge, and E. Ko ̈rding. Spectro- scopic identifications of blue-Hα-excess sources in the Kepler field of view. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 428:2207–2215, January 2013.[41] S. Scaringi, E. Körding, P. J. Groot, P. Uttley, T. Marsh, C. Knigge, T. Maccarone, and V. S. Dhillon. Discovery of Fourier-dependent time lags in cataclysmic variables. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 431:2535–2541, May 2013.[42] S. Scaringi, E. Körding, P. Uttley, P. J. Groot, C. Knigge, M. Still, and P. Jonker. Broad-band timing properties of the accreting white dwarf MV Lyrae. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 427(4):3396–3405, January 2013.[43] S. Scaringi, E. Körding, P. Uttley, C. Knigge, P. J. Groot, and M. Still. The Universal Nature of Accretion-induced Variability: The RMS-Flux Relation in an Accreting White Dwarf. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, page 7, January 2012.[44] N. I. Shakura and R. A. Sunyaev. Black holes in binary systems. Observational appearance. Astronomy and Astrophysics, 24:337–355, 1973.[45] M. Still, S. B. Howell, M. A. Wood, J. K. Cannizzo, and A. P. Smale. Quiescent Superhumps Detected in the Dwarf Nova V344 Lyrae by Kepler. The Astrophysical Journal Letters, 717:L113–L117, July 2010.[46] Martin Still. K2 - extending kepler’s power to the ecliptic. http://keplerscience.arc.nasa.gov/K2/. Last visited on 5/6/2014.[47] J. Timmer and M. Koenig. On generating power law noise. Astronomy and Astro- physics, 300:707, August 1995.[48] P. Uttley and I. M. McHardy. The flux-dependent amplitude of broadband noise variability in X-ray binaries and active galaxies. Monthly Notices of the Royal As- tronomical Society, 323(2):L26–L30, May 2001.[49] P. Uttley, I. M. McHardy, and S. Vaughan. Non-linear X-ray variability in X-ray binaries and active galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 359(1):345–362, May 2005.[50] Brian A. Vaughan and Michael A. Nowak. X-Ray Variability Coherence: How to Compute It, What It Means, and How It Constrains Models of GX 3394 and Cygnus X-1. The Astrophysical Journal, 474(1):L43–L46, January 1997.[51] S. Vaughan, R. Edelson, R. S. Warwick, and P. Uttley. On characterizing the vari- ability properties of X-ray light curves from active galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 345:1271–1284, November 2003.[52] F. Verbunt. Accretion disks in stellar X-ray sources - A review of the basic theory of accretion disks and its problems. Space Science Reviews, 32:379–404, 1982.[53] B. Warner. Rapid Oscillations in Cataclysmic Variables. The Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 116:115–132, February 2004.[54] B. Warner, P. A. Woudt, and M. L. Pretorius. Dwarf nova oscillations and quasi- periodic oscillations in cataclysmic variables - III. A new kind of dwarf nova oscilla- tion, and further examples of the similarities to X-ray binaries. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 344:1193–1209, October 2003.[55] Brian Warner. Cataclysmic Variable Stars. Cambridge University Press, 2003.[56] Eric W. Weisstein. Spearman rank correlation coeffi- cient. From MathWorld — A Wolfram Web Resource. http://mathworld.wolfram.com/SpearmanRankCorrelationCoefficient.html. Last visited on 26/5/2014.[57] Kurtis A. Williams, Domitilla de Martino, Roberto Silvotti, Ivan Bruni, Patrick Dufour, Thomas S. Riecken, Martin Kronberg, Anjum Mukadam, and G. Handler. Discovery of a nova-like cataclysmic variable in the Kepler mission field. The Astro- nomical Journal, 139(6):2587–2594, June 2010.[58] M.A. Wood, M. D. Still, S. B. Howell, J. K. Cannizzo, and A. P. Smale. V344 Lyrae: A Touchstone SU UMa Cataclysmic Variable in the Kepler Field. The Astrophysical Journal, 741:105, November 2011.[59] Matthew A. Wood, M.D. Still, S.B. Howell, J.K. Cannizzo, A.P. Smale, G. Ramsay, and T. Barclay. 2.5 Years of Kepler Short Cadence Observations of the Cataclysmic Variable V1504 Cyg. American Astronomical Society, 2013.