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Formation and propagation of jets in symbiotic stars [Elektronische Ressource] / presented by Matthias Stute

128 pages
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.{Phys. Matthias Stuteborn in Munster/W˜ estphalia, GermanyOral examination: October 22nd, 2004Formation and Propagation of Jets inSymbiotic StarsReferees: Professor Dr. Max CamenzindPrivatdozent Dr. Hans Martin SchmidAbstractAlthough jets are ubiquitous phenomena in many difierent astrophysical ob-jects, their formation is relatively unclear. The necessary components seemto be well known and identical in all objects. A more careful investigation ofone certain class of objects should promise new insights also for the mecha-nisms in the other classes. From the observational point of view, one needsobservations with a high spatial resolution and kinematic informations fromregions as near as possible to the jet source. These points make the class ofsymbiotic stars, interacting binaries consisting of a cool red giant (RG) and awhite dwarf (WD), ideal testbeds.In the flrst part of this thesis the propagation of the jet in the unique systemMWC 560, where the jet axis is practically parallel to the line of sight, isinvestigated numerically. This special orientation provides the opportunity toobserve the out o wing gas as line absorption in the source spectrum.
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.{Phys. Matthias Stute
born in Munster/W˜ estphalia, Germany
Oral examination: October 22nd, 2004Formation and Propagation of Jets in
Symbiotic Stars
Referees: Professor Dr. Max Camenzind
Privatdozent Dr. Hans Martin SchmidAbstract
Although jets are ubiquitous phenomena in many difierent astrophysical ob-
jects, their formation is relatively unclear. The necessary components seem
to be well known and identical in all objects. A more careful investigation of
one certain class of objects should promise new insights also for the mecha-
nisms in the other classes. From the observational point of view, one needs
observations with a high spatial resolution and kinematic informations from
regions as near as possible to the jet source. These points make the class of
symbiotic stars, interacting binaries consisting of a cool red giant (RG) and a
white dwarf (WD), ideal testbeds.
In the flrst part of this thesis the propagation of the jet in the unique system
MWC 560, where the jet axis is practically parallel to the line of sight, is
investigated numerically. This special orientation provides the opportunity to
observe the out o wing gas as line absorption in the source spectrum. Therefore
MWC 560 can be used to probe the short term evolution and the propagation
of the gas out o w in jets from WD. We present model results concerning the
structure and emission of the jets and theoretical absorption line proflle which
are compared with observations of MWC 560.
In the second part, we focus on the formation and collimation process of jets
from WD. We mainly investigate the efiect of a solid surface of the central,
accreting object and of the creation of a boundary layer around it.
Zusammenfassung
Obwohl Jets allgegenw˜ artig in vielen verschiedenen astrophysikalischen Ob-
jekten sind, ist ihre Bildung relativ unverstanden. Die notwendigen Kompo-
nenten scheinen gut bekannt und identisch in allen Objekten zu sein. Eine
genauere Untersuchung einer einzigen Klasse von Objekten sollte neue Ein-
sichtigen auch fur˜ die Mechanismen in den anderen liefern. Vom Standpunkt
eines Beobachters, ben˜ otigt man eine hohe r˜aumliche Au ˜osung und kinema-
tische Informationen, m˜ oglichst nahe an der Jetquelle. Dies macht die Klasse
der Symbiotischen Sterne, Bin˜ arsysteme bestehend aus einem Roten Riesen
(RG) und einem Wei…en Zwerg (WZ), zu idealen Prufst˜˜ anden.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Ausbreitung des Jets im einzigartigen Sys-
tem MWC 560, bei dem die Jetachse praktisch parallel zur Sichtlinie liegt,
numerisch untersucht. Diese besondere Ausrichtung erm˜ oglicht die Beobach-
tung des ausstr˜ omenden Gases in Absorptionslinien. MWC 560 kann somit
als Sonde der kurzzeitigen Entwicklung und Ausbreitung von Jets um WZ be-
nutzt werden. Wir zeigen Resultate der Struktur und Emission der Jets und
theoretische Absorptionslinienproflle, die mit Beobachtungen von MWC 560
verglichen werden.
Im zweiten Teil konzentrieren wir uns auf die Bildung und Kollimation der Jets
um WZ. Haupts˜ achlich untersuchen wir den Efiekt einer festen Ober ˜ache des
zentralen, akkretierenden Objekts sowie der Bildung eines Boundary Layers
um dieses.Contents
1 Introduction 11
1.1 What’s all about . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Structure of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Symbiotic Stars and their Jets 15
2.1 Historical remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Classiflcation of Symbiotic Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Theoretical models of Symbiotic Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Jets in Symbiotic Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 The Object R Aquarii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 The Object CH Cygni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.3 The Object MWC 560 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Observations of MWC 560 in detail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.1 Parameters of the binary system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.2 The velocity structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.3 First interpretations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 The Models of propagating Jets 26
3.1 Geometric model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Parameters for the pulsed jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 A model with Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Structure of the jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.1 Adiabatic jet models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Bow shock geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Internal jet structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Radial proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4.2 The model with radiative cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Bow shock evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Internal structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Radial proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Emission of the jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.1 Adiabatic jet models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5.2 The model with radiative cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6 Discussion I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.1 Model calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6.2 Comparison with symbiotic systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Theoretical absorption line proflles 56
4.1 Model calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.1 Absorption proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.2 Model parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Results for difierent model parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
74.2.1 Size of the emission region and system inclination . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.2 The velocity bin size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 The ionization problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Time variability of the absorption line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Jet absorption proflle: comparison with observations . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.1 Jet absorption proflle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.2 Structure and evolution of the high velocity absorptions . . . . . . . . . . . 69
4.5 Discussion II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Large scale simulations 74
5.1 The numerical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2 Validating the cooling treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Jet structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.1 Bow shock geometry and evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.2 Internal jet structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.3 Radial proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 Jet emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.5 The absorption line proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.6 Discussion III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Jet formation in white dwarf systems 87
6.1 Formation of jets by MHD processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.1 Approaching the problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.2 Jet formation scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2 Formation of jets by thermal pressure in SPLASHs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 Estimates and reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.1 The magnetic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.2 The pressure model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.3 The outburst period of pulsed jet formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7 Simulations of Jet Formation 97
7.1 Attempts to reproduce the results of Casse & Keppens (2002) . . . . . . . . . . . . 97
7.1.1 Initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.1.2 Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 Torus simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.1 Initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.2 The efiect of a solid surface onto the jet formation process . . . . . . . . . . 101
The accretion and ejection components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
The jet emission e–ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Structure of the accretion o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.2.3 of the BL ejection component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3 Implications for symbiotic stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8 Discussion and Outlook 110
8.1 What we have done . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.2 we have to do . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
A The numerical codes 113
A.1 NIRVANA C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.2 NIRVANA2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
B Publications 115
List of Figures 117List of Tables 119
Bibliography 121
Danksagung 127