Tesnye dvoinye sistemy

S.B.Popov

Prezhde chem nachat' obsuzhdenie kakoi-libo problemy sleduet dogovorit'sya o terminah i ponyat' vazhnost' obsuzhdaemogo voprosa. Chto my ponimaem pod tesnymi dvoinymi sistemami (TDS), i pochemu oni udostoilis' nashego s vami vnimaniya? Kriteriem "tesnoty" dvoinoi zvezdnoi sistemy yavlyaetsya ne rasstoyanie mezhdu dvumya komponentami, a stepen' vzaimodeistviya mezhdu nimi. Takzhe i v zhizni, vy mozhete ne znat' vseh svoih sosedei po lestnichnoi kletke i imet' pri etom blizkih druzei na drugom konce goroda, strany ili zemnogo shara. No, vse-taki, chashe nashi blizkie znakomye deistvitel'no zhivut nedaleko ot nas. Vernemsya k zvezdnym sistemam. Naprimer, dva krasnyh karlika s massami v 0.2 solnechnoi, vrashayushihsya na rasstoyanii 1 a.e. drug ot druga, ne yavlyayutsya tesnoi sistemoi, a dve ochen' massivnye zvezdy na takoi zhe orbite budut TDS (obychno rasstoyanie mezhdu komponentami TDS sostavlyaet okolo 10¹² sm, t.e. desyatki radiusov solnca). T.o. dva takih karlika budut zhit' nezavisimo drug ot druga, kak dva Robinzona na raznyh ostrovah, a sverhgiganty budut aktivno vzaimodeistvovat' drug s drugom. Vmesto slova "tesnye" my mozhem v dannom sluchae smelo ispol'zovat' slovo "vzaimodeistvuyushie". Dlya vsyakogo Robinzona ochen' vazhno naiti hot' kakogo-nibud' sobesednika, dazhe dikarya. Srazu stanovitsya ne tak skuchno, ved' prakticheski vsem sovershenno neobhodimo obshenie. Teper' nam ponyatno, chto i zhizn' vzaimodeistvuyushih dvoinyh zvezd gorazdo interesnee zhizni odinokoi zvezdy. No pochemu by ne pogovorit' o troinyh, chetvernyh i t.d. sistemah? Okazyvaetsya, chto sozdat' sistemu, v kotoroi drug s drugom vzaimodeistvovali by tri i bolee zvezd ochen' nelegko: sistema budet dinamicheski neustoichivoi, i "lishnie" zvezdy budut vykinuty iz nee, ili rasstoyanie mezhdu komponentami budet nastol'ko veliko, chto vsyakoe vzaimodeistvie prekratitsya. Itak, my mozhem nachat' razgovor o tesnyh (t.e. vzaimodeistvuyushih) dvoinyh sistemah.

Vnachale nemnogo istorii. TDS stali ob'ektom pristal'nogo vnimaniya uchenyh (i nablyudatelei, i teoretikov) lish' vo vtoroi polovine nashego veka, a do etogo obsuzhdalis' lish' stroenie i evolyuciya odinochnyh zvezd. I v pervoi polovine HH veka blagodarya rabotam M.Shvarcshil'da, A.Eddingtona, H.Bete i drugih uchenyh eta zadacha byla v obshih chertah reshena (za otkrytie ciklov termoyadernyh reakcii v 1938-39 gg. H.Bete v 1967 g. byla prisuzhdena Nobelevskaya premiya po fizike). No vot v 50-e gg. na otnositel'no chistom nebosklone astronomii vozniklo malen'koe oblachko... Eshe v 1669 g. Dzh.Montanari otkryl peremennost' beta Per, zvezdy, poluchivshei imya Algol'. A v 1782 g. Dzh.Gudraik zametil, chto blesk Algolya izmenyaetsya ne sluchaino, a periodicheski. Imenno s rabot Gudraika mozhno nachat' otschet istorii izucheniya peremennyh zvezd. No pochemu zhe imenno Algol' stal etim oblachkom? Davaite obratimsya k obshei kartine evolyucii odinochnoi zvezdy. Evolyuciya odinochnoi zvezdy - eto smena istochnikov energii. Popav na glavnuyu posledovatel'nost', gde zvezda provodit bol'shuyu chast' svoei zhizni (okolo 90%), ona nachinaet szhigat' vodorod. Posle ischerpaniya vodoroda zvezda popadaet v oblast' krasnyh gigantov ili sverhgigantov. Vodorodnoe toplivo smenyaetsya gelievym, dalee mogut nachat' svoi prevrasheniya bolee tyazhelye elementy vplot' do zheleza. V konce koncov, v zavisimosti ot massy, zvezda prevratitsya v belyi karlik (BK), neitronnuyu zvezdu (NZ) ili chernuyu dyru (ChD). My upomyanuli zavisimost' zvezdnoi sud'by ot massy. Chem massivnee zvezda, tem yarche ona svetit, i tem bystree ona evolyucioniruet. Vremya zhizni Solnca - 10 milliardov let, a naibolee massivnye zvezdy prohodyat svoi put' za neskol'ko millionov let. Esli obrazuetsya skoplenie zvezd, to ran'she vsego uhodyat s glavnoi posledovatel'nosti naibolee massivnye zvezdy. I v staryh skopleniyah vy uzhe ne naidete sverhgigantov, ostalis' tol'ko karliki. No v sisteme Algolya, kak zametili P.P.Parenago i A.G.Masevich, vse bylo ne tak. Bolee staroi vyglyadela menee massivnaya zvezda! Voznik paradoks Algolya. Imenno s etogo momenta mozhno nachat' otschet izucheniya TDS. Ob'yasnenie bylo predlozheno D.Kroufordom. Vse prosto, esli predpolozhit', chto massa zvezdy mozhet izmenyat'sya. Dlya odinochnoi zvezdy eto nevozmozhno: 5 ili 10 solnechnyh mass pod kover ne spryachesh'! A v TDS - pozhaluista. Musor mozhno ne zametat' pod kover, a svalit' v drugoi komnate. "Lishnyuyu" massu zvezda mozhet podarit' svoei sosedke, esli oni dostatochno sil'no vzaimodeistvuyut. Dlya togo chtoby ponyat', kogda zhe nachnetsya obmen veshestvom, obratimsya k bolee blizkomu primeru. Davaite otvetim na takoi vopros: gde zakanchivaetsya Solnechnaya sistema? Chasto otvechayut, chto za orbitoi Plutona, no eto ne tak. Ona zakanchivaetsya tam, gde prityazhenie Solnca sravnivaetsya s prityazheniem drugih zvezd. Vokrug Solnca t.o. sushestvuet nekotoraya oblast', v kotoroi imenno ego vklad dominiruet v gravitacionnom potenciale. Takaya zhe "oblast' vliyaniya" est' i u kazhdoi zvezdy v dvoinoi sisteme. Iz-za vliyaniya sosedki ona imeet teper' uzhe ne krugluyu formu. Chem bol'she massa zvezdy, tem ona "vliyatel'nee", tem bol'she eta oblast', nazyvaemaya polost'yu Rosha. U nas kak-by est' dva otkrytyh soobshayushihsya sosuda. Kogda v hode svoei evolyucii zvezda nachinaet rasshiryat'sya, to ee "sosud" mozhet stat' ei tesen, i zvezda, kak moloko na plite, "pobezhit". Zvezda perepolnit polost' Rosha. Takim obrazom, za schet obmena veshestvom posle perepolneniya polosti Rosha evolyuciya TDS sil'no otlichaetsya ot evolyucii odinochnoi zvezdy. Ved' v processe evolyucii odinochnoi zvezdy sohranyaetsya vazhneishii parametr - massa, a v TDS komponenty mogut obmenivat'sya veshestvom. V zavisimosti ot parametrov voznikayut razlichnye sistemy. O nekotoryh iz nih my seichas i pogovorim.

Eshe do poyavleniya v sisteme kompaktnogo ob'ekta v nei mogut proishodit' ochen' interesnye sobytiya. Kogda bolee massivnaya zvezda izrashoduet prakticheski ves' vodorod, ona nachnet razbuhat' i, kak testo v kastryule, nachnet perepolnyat' polost' Rosha. Gaz budet chastichno zahvatyvat'sya vtoroi zvezdoi, a chastichno rassetsya vokrug, obrazuya obshuyu obolochku. Primerom takoi sistemy yavlyaetsya izvestnaya lyubitelyam astronomii zvezda beta Lyr. Kak raz posle okonchaniya etoi stadii, kogda iznachal'no bolee tyazhelaya zvezda zametno pohudela, nastupaet stadiya Algolya. No vot, nakonec, v sisteme obrazovalsya kompaktnyi ob'ekt. Neitronnye zvezdy i chernye dyry obrazuyutsya obychno posle vspyshki sverhnovoi. NZ poyavlyayutsya posle vzryvov zvezd s massoi primerno ot 10 do 35 mass solnca, ChD - iz zvezd s massoi bol'she 35 solnechnyh mass. Belye karliki obrazuyutsya bez vspyshki iz menee massivnyh zvezd. My poznakomimsya s neskol'kimi tipami TDS: novymi i novopodobnymi zvezdami, simbioticheskimi zvezdami, rentgenovskimi pul'sarami i nekotorymi drugimi. Nachnem poporyadku i rassmotrim vnachale sistemy s BK. Obychno sistemy, soderzhashie BK, proyavlyayut vspyshechnuyu aktivnost', v nih proishodyat vzryvy, kataklizmy. Poetomu ih i nazvali kataklizmicheskimi. K nim otnosyatsya novye, povtornye novye, karlikovye novye i nekotorye drugie tipy. Vspyshka novoi - kolossal'noe sobytie. Blesk zvezdy vozrastaet primerno na 13 zvezdnyh velichin (kak, naprimer, u DQ Her, vspyhnuvshei v 1934 g.). Takie sistemy sostoyat iz krasnogo karlika i BK. Ih orbita chrezvychaino mala (okolo 1 radiusa Solnca), blagodarya chemu stanovitsya vozmozhnym vzaimodeistvie mezhdu malomassivnymi zvezdami. K povtornym novym otnosyat sistemy s vremenem povtoreniya vspyshek v neskol'ko desyatkov let i vozrastaniem bleska primerno na 7 zvezdnyh velichin (kak u T Severnoi korony). I, nakonec, k karlikovym novym (ili novym tipa U Gem) otnosyat sistemy s periodichnost'yu vspyshek okolo 100 dnei i vozrastaniem bleska primerno na 5 zvezdnyh velichin. Kak zhe proishodyat vspyshki? Veshestvo krasnogo karlika peretekaet na BK, sozdavaya vodorodnuyu obolochku. Nekotoroe vremya vodorod prosto nakaplivaetsya. No vot nastupayut usloviya, pri kotoryh vozmozhno termoyadernoe gorenie vodoroda (dostatochno vysokie plotnost' i temperatura). Proishodit gigantskii vzryv! Etot vzryv kosmicheskoi vodorodnoi bomby my i nablyudaem kak vspyshku novoi odnogo iz tipov. K schast'yu, eti vzryvy nikomu ne prinosyat vreda i pozvolyayut uznat' mnogo novogo o fizike podobnyh sistem. Kogda provoditsya kakaya-nibud' klassifikaciya, to vsegda nahodyatsya ob'ekty, s trudom ei poddayushiesya. Dlya nih nuzhno prisposobit' special'nuyu musornuyu korzinu (no prosto tak ne vykidyvat', tam mozhet okazat'sya samoe interesnoe!). V techenii nekotorogo vremeni takoi korzinoi byl klass simbioticheskih zvezd. V ih spektrah nablyudalis' i linii, svidetel'stvuyushie o vysokoi temperature, i molekulyarnye linii, kotorye mogut obrazovyvat'sya lish' pri dostatochno nizkoi, po zvezdnym merkam, temperature. Okazalos', chto za vysokotemperaturnye linii neset otvetstvennost' BK, a za nizkotemperaturnye - krasnyi gigant. K etim sistemam otnosyatsya, naprimer, CH Cyg, v kotoroi proishodyat moshnye vspyshki, i udivitel'nyi ob'ekt MWC 560. V nem nablyudaetsya dvizhenie veshestva so skorost'yu do 6000 km/sek. Prichem, za dostatochno korotkoe vremya eta skorost' mozhet umen'shitsya do 0. V prirode simbioticheskih zvezd ostaetsya eshe mnogo zagadok. Harakternoi chertoi astronomii vtoroi poloviny HH veka yavlyaetsya ee vsevolnovoi harakter. Nablyudeniya v raznyh diapazonah elektromagnitnogo spektra pozvolili otkryt' mnozhestvo unikal'nyh ob'ektov: radiogalaktiki, kvazary, pul'sary, strui u molodyh zvezd i mnogoe drugoe. Izuchenie TDS poluchilo moshnuyu nablyudatel'nuyu podderzhku posle nachala nablyudenii v rentgenovskom diapazone. V 1970 g. byl zapushen sputnik UHURU. S pomosh'yu prosteishih detektorov rentgenovskogo izlucheniya, ustanovlennyh u nego na bortu, byli otkryty mnogie dvoinye rentgenovskie sistemy. Davaite razberemsya, blagodarya chemu voznikaet fenomen rentgenovskih dvoinyh. My uzhe govorili o nekotoryh TDS, no vse oni k rentgenovskim ne otnosyatsya. Chto zhe nado zamenit', chtoby osnovnaya chast' energii unosilas' zhestkimi kvantami? Nado zamenit' kompaktnyi ob'ekt! Kamen', padayushii v yamu glubinoi 10 m, i kamen', padayushii v shahtu glubinoi 1000 m, imeyut v moment udara ochen' raznuyu kineticheskuyu energiyu. NZ i ChD kak raz i yavlyayutsya takimi glubokimi shahtami, v kotoryh veshestvo razgonyaetsya gravitacionnym polem do bol'shih skorostei, a zatem pri tormozhenii vysvechivaet svoyu energiyu. 1 g veshestva, padayushii na NZ ili ChD, daet okolo 10²⁰ erg, a pri padenii na BK "vsego lish'" okolo 10¹⁷ erg. Yasno, chto sistemy s NZ ili ChD budut moshnymi istochnikami. No pochemu rentgenovskimi? Poyasnim eto. Kogda vy idete za nebol'shimi pokupkami, to udobnee imet' pri sebe melkie kupyuru. Kogda zhe nuzhno imet' pri sebe bol'shuyu summu, to luchshe vospol'zovat'sya naibolee krupnymi kupyurami, chtoby ne nosit' chemodan vmesto koshel'ka. Tochno takzhe, kogda est' mnogo energii, telo nagreto do vysokoi temperatury, to energiyu udobnee izluchat' bolee energichnymi kvantami. Imenno poetomu pri nagrevanii kusok metalla stanovitsya iz krasnogo belym, i golubye zvezdy gorazdo goryachee zheltyh. Kazhdyi rentgenovskii kvant energii v tysyachi raz bol'she, chem kvant vidimogo sveta, i v milliardy raz bol'she, chem radiokvant. Poetomu pri akkrecii veshestva na NZ ili ChD my registriruem rentgenovskoe izluchenie (dlya poyavleniya gamma-izlucheniya temperatura ne dostatochno vysoka). V zavisimosti ot parametrov TDS voznikayut istochniki samyh raznyh tipov: rentgenovskie pul'sary i barstery (vspyhivayushie rentgenovskie istochniki), "shumoviki". Esli pri akkrecii veshestva slishkom mnogo, to ono budet vybrasyvat'sya iz sistemy v vide dvuh strui, kak u znamenitogo ob'ekta SS433. Vozmozhna, kstati, i akkreciya na odinochnye BK, NZ ili ChD, kogda oni nahodyatsya v dostatochno plotnoi mezhzvezdnoi srede. My zhe zdes' osoboe vnimanie udelim kandidatam v ChD.

Obnaruzhit' odinochnuyu ChD prakticheski nevozmozhno. Nuzhen kakoi-to tester. I v 60-e gg. Ya.B.Zel'dovichem i E.Solpiterom byla vyskazana ideya, chto ChD mogut obnaruzhivat' sebya pri akkrecii. Dvoinye unikal'ny tem, chto v nih my mozhem opredelyat' massy zvezd. Izvestno, chto NZ ne mogut imet' massu, bol'shuyu 2-3 mass Solnca. Itak, esli v dvoinoi sisteme my obnaruzhim ob'ekt s massoi bol'shei 3 mass solnca, i on ne budet izluchat', kak obychnaya zvezda, to, znachit, my otkryli ChD. Seichas otkryto neskol'ko takih sistem. No opredelenie massy - ochen' trudnaya zadacha, i do sih por bol'shinstvo astronomov nazyvayut takie sistemy kandidatami v ChD. Krome izvestnogo istochnika Cyg X-1 k nim otnositsya celyi klass rentgenovskih novyh, ob'ektov, ispytyvayushih moshnye rentgenovskie vspyshki i sostoyashie iz ChD i malomassivnogo kompan'ona. ChD dolzhny vstrechat'sya ne tol'ko v TDS, no i v aktivnyh yadrah galaktik. Prichem, i tam oni mogut obrazovyvat' dvoinye sistemy. Pri sliyanii dvuh galaktik, s ChD v ih centrah, mozhet vozniknut' monstr srazu s dvumya ChD. Predstav'te sebe chudovishnuyu sistemu iz dvuh sverhmassivnyh ChD, na kotorye idet akkreciya!

Krome TDS, sostoyashih iz ChD i NZ (kotorye eshe ne otkryty, no dolzhny sushestvovat') sushestvuyut dvoinye sistemy, sostoyashie iz dvuh NZ. Eto chrezvychaino vazhnye sistemy i za otkrytie i issledovanie pervoi iz nih (teilorovskogo pul'sara) v 1993 g. Dzh.Teiloru i R.Halsu byla vruchena Nobelevskaya premiya po fizike. V takih sistemah mozhno proverit' mnozhestvo tonkih effektov obshei teorii otnositel'nosti (OTO). I OTO s bleskom vyderzhala vse ispytaniya. Krome togo, sistemy iz dvuh NZ mogut imet' otnoshenie k ob'ektam bolee zagadochnym, chem sami ChD. Eto istochniki gamma-vspleskov. V hode svoei evolyucii NZ v TDS budut sblizhat'sya, izluchaya gravitacionnye volny (chto i nablyudaetsya u teilorovskogo pul'sara). Yasno, chto kogda-to oni dolzhny slit'sya. Etot process dolzhen idti s vydeleniem ogromnoi energii. Za korotkii srok ee "ne unesti" dazhe rentgenovskim kvantami. Proishodit gamma-vsplesk. Tak eto ili net pokazhut budushie issledovaniya. No TDS eshe ochen' dolgo v samyh raznyh svoih proyavleniyah budut nahodit'sya na perednem krae astrofiziki. Dlya teh, kogo eta tema zainteresuet bolee podrobno, mozhno porekomendovat' zamechatel'nuyu nauchno-populyarnuyu knizhku V.M.Lipunova "V mire dvoinyh zvezd" i sbornik ser'eznyh nauchnyh obzorov "Vzaimodeistvuyushie dvoinye zvezdy".

S.B.Popov
(Pererabotannaya versiya stat'i opublikovannoi v zhurnale "Zvezdochet")

Publikacii s klyuchevymi slovami: gamma-vspleski - Tesnye dvoinye sistemy - Rentgenovskie novye - Evolyuciya zvezd - rentgenovskie barstery - Rentgenovskii pul'sar - simbioticheskie sistemy - karlikovaya novaya - povtornye novye - novopodobnye zvezdy - kratnye sistemy - gravitacionnye volny - dvoinye zvezdy - novye zvezdy Publikacii so slovami: gamma-vspleski - Tesnye dvoinye sistemy - Rentgenovskie novye - Evolyuciya zvezd - rentgenovskie barstery - Rentgenovskii pul'sar - simbioticheskie sistemy - karlikovaya novaya - povtornye novye - novopodobnye zvezdy - kratnye sistemy - gravitacionnye volny - dvoinye zvezdy - novye zvezdy

Sm. takzhe: Sliyanie dvuh chernyh dyr: modelirovanie Poslanie ot gravitacionnoi Vselennoi Pererabotka veshestva v Kassiopee A Rentgenovskie kol'ca vokrug gamma-vspleska Gamma-vsplesk GRB 221009A Simbioticheskaya zvezda R Vodoleya Vzryvy na belom karlike RS Zmeenosca Vse publikacii na tu zhe temu >>