Тесные двойные системы
Прежде чем начать обсуждение какой-либо проблемы следует договориться о терминах и понять важность обсуждаемого вопроса. Что мы понимаем под тесными двойными системами (ТДС), и почему они удостоились нашего с вами внимания? Критерием "тесноты" двойной звездной системы является не расстояние между двумя компонентами, а степень взаимодействия между ними. Также и в жизни, вы можете не знать всех своих соседей по лестничной клетке и иметь при этом близких друзей на другом конце города, страны или земного шара. Но, все-таки, чаще наши близкие знакомые действительно живут недалеко от нас. Вернемся к звездным системам. Например, два красных карлика с массами в 0.2 солнечной, вращающихся на расстоянии 1 а.е. друг от друга, не являются тесной системой, а две очень массивные звезды на такой же орбите будут ТДС (обычно расстояние между компонентами ТДС составляет около 1012 см, т.е. десятки радиусов солнца). Т.о. два таких карлика будут жить независимо друг от друга, как два Робинзона на разных островах, а сверхгиганты будут активно взаимодействовать друг с другом. Вместо слова "тесные" мы можем в данном случае смело использовать слово "взаимодействующие". Для всякого Робинзона очень важно найти хоть какого-нибудь собеседника, даже дикаря. Сразу становится не так скучно, ведь практически всем совершенно необходимо общение. Теперь нам понятно, что и жизнь взаимодействующих двойных звезд гораздо интереснее жизни одинокой звезды. Но почему бы не поговорить о тройных, четверных и т.д. системах? Оказывается, что создать систему, в которой друг с другом взаимодействовали бы три и более звезд очень нелегко: система будет динамически неустойчивой, и "лишние" звезды будут выкинуты из нее, или расстояние между компонентами будет настолько велико, что всякое взаимодействие прекратится. Итак, мы можем начать разговор о тесных (т.е. взаимодействующих) двойных системах.
Вначале немного истории. ТДС стали объектом пристального внимания ученых (и наблюдателей, и теоретиков) лишь во второй половине нашего века, а до этого обсуждались лишь строение и эволюция одиночных звезд. И в первой половине ХХ века благодаря работам М.Шварцшильда, А.Эддингтона, Х.Бете и других ученых эта задача была в общих чертах решена (за открытие циклов термоядерных реакций в 1938-39 гг. Х.Бете в 1967 г. была присуждена Нобелевская премия по физике). Но вот в 50-е гг. на относительно чистом небосклоне астрономии возникло маленькое облачко... Еще в 1669 г. Дж.Монтанари открыл переменность beta Per, звезды, получившей имя Алголь. А в 1782 г. Дж.Гудрайк заметил, что блеск Алголя изменяется не случайно, а периодически. Именно с работ Гудрайка можно начать отсчет истории изучения переменных звезд. Но почему же именно Алголь стал этим облачком? Давайте обратимся к общей картине эволюции одиночной звезды. Эволюция одиночной звезды - это смена источников энергии. Попав на главную последовательность, где звезда проводит большую часть своей жизни (около 90%), она начинает сжигать водород. После исчерпания водорода звезда попадает в область красных гигантов или сверхгигантов. Водородное топливо сменяется гелиевым, далее могут начать свои превращения более тяжелые элементы вплоть до железа. В конце концов, в зависимости от массы, звезда превратится в белый карлик (БК), нейтронную звезду (НЗ) или черную дыру (ЧД). Мы упомянули зависимость звездной судьбы от массы. Чем массивнее звезда, тем ярче она светит, и тем быстрее она эволюционирует. Время жизни Солнца - 10 миллиардов лет, а наиболее массивные звезды проходят свой путь за несколько миллионов лет. Если образуется скопление звезд, то раньше всего уходят с главной последовательности наиболее массивные звезды. И в старых скоплениях вы уже не найдете сверхгигантов, остались только карлики. Но в системе Алголя, как заметили П.П.Паренаго и А.Г.Масевич, все было не так. Более старой выглядела менее массивная звезда! Возник парадокс Алголя. Именно с этого момента можно начать отсчет изучения ТДС. Объяснение было предложено Д.Кроуфордом. Все просто, если предположить, что масса звезды может изменяться. Для одиночной звезды это невозможно: 5 или 10 солнечных масс под ковер не спрячешь! А в ТДС - пожалуйста. Мусор можно не заметать под ковер, а свалить в другой комнате. "Лишнюю" массу звезда может подарить своей соседке, если они достаточно сильно взаимодействуют. Для того чтобы понять, когда же начнется обмен веществом, обратимся к более близкому примеру. Давайте ответим на такой вопрос: где заканчивается Солнечная система? Часто отвечают, что за орбитой Плутона, но это не так. Онa заканчивается там, где притяжение Солнца сравнивается с притяжением других звезд. Вокруг Солнца т.о. сушествует некоторая область, в которой именно его вклад доминирует в гравитационном потенциале. Такая же "область влияния" есть и у каждой звезды в двойной системе. Из-за влияния соседки она имеет теперь уже не круглую форму. Чем больше масса звезды, тем она "влиятельнее", тем больше эта область, называемая полостью Роша. У нас как-бы есть два открытых сообщающихся сосуда. Когда в ходе своей эволюции звезда начинает расширяться, то ее "сосуд" может стать ей тесен, и звезда, как молоко на плите, "побежит". Звезда переполнит полость Роша. Таким образом, за счет обмена веществом после переполнения полости Роша эволюция ТДС сильно отличается от эволюции одиночной звезды. Ведь в процессе эволюции одиночной звезды сохраняется важнейший параметр - масса, а в ТДС компоненты могут обмениваться веществом. В зависимости от параметров возникают различные системы. О некоторых из них мы сейчас и поговорим.
Еще до появления в системе компактного объекта в ней могут происходить очень интересные события. Когда более массивная звезда израсходует практически весь водород, она начнет разбухать и, как тесто в кастрюле, начнет переполнять полость Роша. Газ будет частично захватываться второй звездой, а частично рассется вокруг, образуя общую оболочку. Примером такой системы является известная любителям астрономии звезда beta Lyr. Как раз после окончания этой стадии, когда изначально более тяжелая звезда заметно похудела, наступает стадия Алголя. Но вот, наконец, в системе образовался компактный объект. Нейтронные звезды и черные дыры образуются обычно после вспышки сверхновой. НЗ появляются после взрывов звезд с массой примерно от 10 до 35 масс солнца, ЧД - из звезд с массой больше 35 солнечных масс. Белые карлики образуются без вспышки из менее массивных звезд. Мы познакомимся с несколькими типами ТДС: новыми и новоподобными звездами, симбиотическими звездами, рентгеновскими пульсарами и некоторыми другими. Начнем попорядку и рассмотрим вначале системы с БК. Обычно системы, содержащие БК, проявляют вспышечную активность, в них происходят взрывы, катаклизмы. Поэтому их и назвали катаклизмическими. К ним относятся новые, повторные новые, карликовые новые и некоторые другие типы. Вспышка новой - колоссальное событие. Блеск звезды возрастает примерно на 13 звездных величин (как, например, у DQ Her, вспыхнувшей в 1934 г.). Такие системы состоят из красного карлика и БК. Их орбита чрезвычайно мала (около 1 радиуса Солнца), благодаря чему становится возможным взаимодействие между маломассивными звездами. К повторным новым относят системы с временем повторения вспышек в несколько десятков лет и возрастанием блеска примерно на 7 звездных величин (как у T Северной короны). И, наконец, к карликовым новым (или новым типа U Gem) относят системы с периодичностью вспышек около 100 дней и возрастанием блеска примерно на 5 звездных величин. Как же происходят вспышки? Вещество красного карлика перетекает на БК, создавая водородную оболочку. Некоторое время водород просто накапливается. Но вот наступают условия, при которых возможно термоядерное горение водорода (достаточно высокие плотность и температура). Происходит гигантский взрыв! Этот взрыв космической водородной бомбы мы и наблюдаем как вспышку новой одного из типов. К счастью, эти взрывы никому не приносят вреда и позволяют узнать много нового о физике подобных систем. Когда проводится какая-нибудь классификация, то всегда находятся объекты, с трудом ей поддающиеся. Для них нужно приспособить специальную мусорную корзину (но просто так не выкидывать, там может оказаться самое интересное!). В течении некоторого времени такой корзиной был класс симбиотических звезд. В их спектрах наблюдались и линии, свидетельствующие о высокой температуре, и молекулярные линии, которые могут образовываться лишь при достаточно низкой, по звездным меркам, температуре. Оказалось, что за высокотемпературные линии несет ответственность БК, а за низкотемпературные - красный гигант. К этим системам относятся, например, CH Cyg, в которой происходят мощные вспышки, и удивительный объект MWC 560. В нем наблюдается движение вещества со скоростью до 6000 км/сек. Причем, за достаточно короткое время эта скорость может уменьшится до 0. В природе симбиотических звезд остается еще много загадок. Характерной чертой астрономии второй половины ХХ века является ее всеволновой характер. Наблюдения в разных диапазонах электромагнитного спектра позволили открыть множество уникальных объектов: радиогалактики, квазары, пульсары, струи у молодых звезд и многое другое. Изучение ТДС получило мощную наблюдательную поддержку после начала наблюдений в рентгеновском диапазоне. В 1970 г. был запущен спутник UHURU. С помощью простейших детекторов рентгеновского излучения, установленных у него на борту, были открыты многие двойные рентгеновские системы. Давайте разберемся, благодаря чему возникает феномен рентгеновских двойных. Мы уже говорили о некоторых ТДС, но все они к рентгеновским не относятся. Что же надо заменить, чтобы основная часть энергии уносилась жесткими квантами? Надо заменить компактный объект! Камень, падающий в яму глубиной 10 м, и камень, падающий в шахту глубиной 1000 м, имеют в момент удара очень разную кинетическую энергию. НЗ и ЧД как раз и являются такими глубокими шахтами, в которых вещество разгоняется гравитационным полем до больших скоростей, а затем при торможении высвечивает свою энергию. 1 г вещества, падающий на НЗ или ЧД, дает около 1020 эрг, а при падении на БК "всего лишь" около 1017 эрг. Ясно, что системы с НЗ или ЧД будут мощными источниками. Но почему рентгеновскими? Поясним это. Когда вы идете за небольшими покупками, то удобнее иметь при себе мелкие купюру. Когда же нужно иметь при себе большую сумму, то лучше воспользоваться наиболее крупными купюрами, чтобы не носить чемодан вместо кошелька. Точно также, когда есть много энергии, тело нагрето до высокой температуры, то энергию удобнее излучать более энергичными квантами. Именно поэтому при нагревании кусок металла становится из красного белым, и голубые звезды гораздо горячее желтых. Каждый рентгеновский квант энергии в тысячи раз больше, чем квант видимого света, и в миллиарды раз больше, чем радиоквант. Поэтому при аккреции вещества на НЗ или ЧД мы регистрируем рентгеновское излучение (для появления гамма-излучения температура не достаточно высока). В зависимости от параметров ТДС возникают источники самых разных типов: рентгеновские пульсары и барстеры (вспыхивающие рентгеновские источники), "шумовики". Если при аккреции вещества слишком много, то оно будет выбрасываться из системы в виде двух струй, как у знаменитого объекта SS433. Возможна, кстати, и аккреция на одиночные БК, НЗ или ЧД, когда они находятся в достаточно плотной межзвездной среде. Мы же здесь особое внимание уделим кандидатам в ЧД.
Обнаружить одиночную ЧД практически невозможно. Нужен какой-то тестер. И в 60-е гг. Я.Б.Зельдовичем и Э.Солпитером была высказана идея, что ЧД могут обнаруживать себя при аккреции. Двойные уникальны тем, что в них мы можем определять массы звезд. Известно, что НЗ не могут иметь массу, большую 2-3 масс Солнца. Итак, если в двойной системе мы обнаружим объект с массой большей 3 масс солнца, и он не будет излучать, как обычная звезда, то, значит, мы открыли ЧД. Сейчас открыто несколько таких систем. Но определение массы - очень трудная задача, и до сих пор большинство астрономов называют такие системы кандидатами в ЧД. Кроме известного источника Cyg X-1 к ним относится целый класс рентгеновских новых, объектов, испытывающих мощные рентгеновские вспышки и состоящие из ЧД и маломассивного компаньона. ЧД должны встречаться не только в ТДС, но и в активных ядрах галактик. Причем, и там они могут образовывать двойные системы. При слиянии двух галактик, с ЧД в их центрах, может возникнуть монстр сразу с двумя ЧД. Представьте себе чудовищную систему из двух сверхмассивных ЧД, на которые идет аккреция!
Кроме ТДС, состоящих из ЧД и НЗ (которые еще не открыты, но должны существовать) существуют двойные системы, состоящие из двух НЗ. Это чрезвычайно важные системы и за открытие и исследование первой из них (тейлоровского пульсара) в 1993 г. Дж.Тейлору и Р.Халсу была вручена Нобелевская премия по физике. В таких системах можно проверить множество тонких эффектов общей теории относительности (ОТО). И ОТО с блеском выдержала все испытания. Кроме того, системы из двух НЗ могут иметь отношение к объектам более загадочным, чем сами ЧД. Это источники гамма-всплесков. В ходе своей эволюции НЗ в ТДС будут сближаться, излучая гравитационные волны (что и наблюдается у тейлоровского пульсара). Ясно, что когда-то они должны слиться. Этот процесс должен идти с выделением огромной энергии. За короткий срок ее "не унести" даже рентгеновским квантами. Происходит гамма-всплеск. Так это или нет покажут будущие исследования. Но ТДС еще очень долго в самых разных своих проявлениях будут находиться на переднем крае астрофизики. Для тех, кого эта тема заинтересует более подробно, можно порекомендовать замечательную научно-популярную книжку В.М.Липунова "В мире двойных звезд" и сборник серьезных научных обзоров "Взаимодействующие двойные звезды".
С.Б.Попов
(Переработанная версия
статьи опубликованной в журнале "Звездочет")
|
Публикации с ключевыми словами:
гамма-всплески - Тесные двойные системы - Рентгеновские новые - Эволюция звезд - рентгеновские барстеры - Рентгеновский пульсар - симбиотические системы - карликовая новая - повторные новые - новоподобные звезды - кратные системы - гравитационные волны - двойные звезды - новые звезды
Публикации со словами: гамма-всплески - Тесные двойные системы - Рентгеновские новые - Эволюция звезд - рентгеновские барстеры - Рентгеновский пульсар - симбиотические системы - карликовая новая - повторные новые - новоподобные звезды - кратные системы - гравитационные волны - двойные звезды - новые звезды | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
