Tesnye dvoinye zvezdy na pozdnih stadiyah evolyucii

A.M.ChEREPAShUK

Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova

cher@sai.msu.ru

Progress v nablyudatel'nyh i teoreticheskih issledovaniyah tesnyh dvoinyh zvezd pozvolil ponyat' proishozhdenie i evolyuciyu takih neobychnyh ob'ektov, kak zvezdy Vol'fa- Raie, belye karliki, neitronnye zvezdy i chernye dyry. Tesnye dvoinye sistemy - estestvennye laboratorii, v kotoryh proishodit dvizhenie i vzaimodeistvie komponent. Izuchaya eti vzaimodeistviya, astronomy mogut issledovat' osnovnye fizicheskie harakteristiki zvezd.

Vvedenie

Dolya dvoinyh i kratnyh zvezd v nashei Galaktike sostavlyaet okolo 50%. V sostave dvoinyh sistem vstrechayutsya lyubye kombinacii zvezd. Astronomy schitayut bol'shoi udachei, kogda interesuyushii ih ob'ekt vhodit v sostav dvoinoi sistemy, poskol'ku v etom sluchae okazyvaetsya vozmozhnym opredelit' vazhneishie harakteristiki ob'ekta: ego massu, radius, temperaturu, svetimost' i t.p. Eto mozhno sdelat', izuchaya dvizhenie i vzaimodeistvie zvezd - komponent dvoinoi sistemy. Sredi dvoinyh zvezd vydelyayut tak nazyvaemye tesnye dvoinye sistemy (TDS): sistemy iz dvuh zvezd, v kotoryh na nekotorom etape evolyucii proishodit obmen veshestvom mezhdu komponentami. Naibolee yarkie nablyudatel'nye proyavleniya otmechayutsya u TDS, nahodyashihsya na pozdnih stadiyah evolyucii, to est' na stadiyah evolyucii, sleduyushih posle zaversheniya pervichnogo obmena veshestvom mezhdu komponentami. Vmeste s tem imenno harakteristiki pozdnih stadii evolyucii TDS yavlyayutsya naibolee sil'nym kriteriem dlya proverki pravil'nosti nashih predstavlenii ob evolyucii zvezd, poskol'ku pozdnie stadii evolyucii svyazany s obrazovaniem takih osobennyh (pekulyarnyh) ob'ektov, kak belye karliki, zvezdy Vol'fa-Raie (WR), neitronnye zvezdy i chernye dyry.

Dostizheniya rentgenovskoi astronomii priveli k otkrytiyu novyh tipov TDS, v chastnosti rentgenovskih dvoinyh sistem, sostoyashih iz normal'noi opticheskoi zvezdy tipa Solnca, kotoraya yavlyaetsya donorom i postavlyaet veshestvo na sosednii ob'ekt, i relyativistskogo ob'ekta (neitronnaya zvezda, chernaya dyra), nahodyashegosya v rezhime nepreryvayushegosya zahvata (akkrecii) veshestva. Nablyudatel'nye proyavleniya relyativistskih ob'ektov v TDS (dlya kotoryh sushestvenny effekty obshei teorii otnositel'nosti A. Einshteina) byli vpervye teoreticheski opisany v rabotah Ya.B. Zel'dovicha i ego uchenikov v 1966 - 1972 godah. Predskazanie moshnogo rentgenovskogo izlucheniya ot akkreciruyushih neitronnyh zvezd i chernyh dyr (kogda na nih padaet veshestvo) bylo sdelano odnovremenno v 1964 godu Ya.B. Zel'dovichem i E.E. Salpiterom (SShA).

Proryv v ponimanii prirody i evolyucii relyativistskih ob'ektov v TDS proizoshel posle otkrytiya s borta specializirovannogo amerikanskogo sputnika "Uhuru" v 1972 - 1976 godah soten kompaktnyh rentgenovskih istochnikov, kotorye, kak okazalos', predstavlyayut soboi v bol'shinstve sluchaev rentgenovskie dvoinye sistemy raznyh tipov.

Ris. 1.a) - Model' rentgenovskoi dvoinoi sistemy s precessiruyushim akkrecionnym diskom vokrug relyativistskogo ob'ekta; pokazany raznye fazy precessii diska. b) - Opredelyaemye iz nablyudenii rentgenovskie i opticheskie krivye bleska sistemy i krivye luchevyh skorostei (1 - dlya opticheskoi zvezdy, 2 - dlya rentgenovskogo pul'sara). Po etim krivym nahodyat massy opticheskoi i relyativistskoi zvezd i parametry orbity dvoinoi sistemy.

V dannoi obzornoi stat'e my rassmotrim sovremennye predstavleniya ob evolyucii TDS na pozdnih stadiyah evolyucii.

Ob evolyucii massivnyh tesnyh dvoinyh sistem

Rassmotrim sovremennyi scenarii evolyucii massivnyh TDS (summarnaya massa M₁ + M₂ > 30M_C , M_C - massa Solnca), razvityi v 1967 - 1983 godah v rabotah polyaka B. Pachinskogo, zhivushego seichas v SShA, nemcev R. Kippenhana i A. Vaigerta, russkih A.V. Tutukova i L.R. Yungel'sona, gollandca E. Van den Heivela, russkih V.G. Kornilova i V.M. Lipunova.

Shemu evolyucii zvezd v massivnoi TDS, iznachal'no sostoyashei iz dvuh zvezd spektral'nyh klassov O-V, mozhno predstavit' v sleduyushem vide:

OB₁+OB₂ WR₁+ OB₂' vzryv kak sverhnovoi zvezdy WR₁+OB₂' relyativistskii ob'ekt (C)+OB₂ C+WR₂ (ili odinochnyi ob'ekt Landau-Torna-Zhitkov) vzryv zvezdy WR₂ kak sverhnovoi dva relyativistskih ob'ekta.

Na nachal'noi stadii sistema sostoit iz dvuh massivnyh goryachih O-V zvezd glavnoi posledovatel'nosti i odnorodnogo himicheskogo sostava. Pust' massa bolee massivnoi zvezdy OB₁ ne sil'no prevoshodit massu menee massivnoi OB₂ . Vremya yadernoi evolyucii zvezdy na stadii vygoraniya vodoroda v yadre dlya zvezdy s massoi 30M_C sostavlyaet 3 x 10⁶ let. Bolee massivnaya zvezda OB₁ evolyucioniruet bystree, uvelichivaet svoi radius i pervoi zapolnyaet svoyu polost' Rosha. Budem schitat', chto eto zapolnenie proizoshlo na stadii, kogda u zvezdy OB₁ imeetsya inertnoe gelievoe yadro, gde yadernye reakcii eshe ne idut, a vodorod vygoraet v sloevom istochnike. Zvezda OB₁ teryaet veshestvo cherez vnutrennyuyu tochku Lagranzha.

Ris. 2. Scenarii evolyucii massivnoi tesnoi dvoinoi sistemy.1 - Razdelennaya TDS iz dvuh massivnyh goryachih OV zvezd (M1 > M2); ukazany kriticheskie polosti Rosha kazhdoi iz komponent i vnutrennyaya tochka Lagranzha L (v oblasti ih soprikosnoveniya). 2 - Pervichnyi obmen mass v sisteme cherez vnutrennyuyu tochku Lagranzha. 3 - Sistema WR1+OB2'. 4 - stadiya dvoinoi sistemy S+OB2', soderzhashei relyativistskii ob'ekt (S), no bez akkrecii i moshnogo rentgenovskogo izlucheniya. 5(a) - Rentgenovskaya dvoinaya sistema s akkrecionnym diskom vokrug relyativistskogo ob'ekta; 5(b) - Evolyuciya s obshei obolochkoi, privodyashaya libo k formirovaniyu ob'ekta Landau-Torna-Zhitkov, libo 5(v) k dvoinoi sisteme C+WR2 tipa Cyg X-3. Stadiya 5(a) mozhet privesti takzhe k formirovaniyu ob'ekta tipa SS433 so sverhkriticheskim akkrecionnym diskom vokrug relyativistskogo ob'ekta, no bez obshei obolochki. 5(g) - Stadiya dvuh relyativistskih ob'ektov.

Eto veshestvo peretekaet na zvezdu OB₂ i prisoedinyaetsya k nei. Process pervonachal'nogo obmena mass yavlyaetsya samopodderzhivayushimsya i ochen' bystrym (sootvetstvuyushaya shkala vremeni teplovaya, a ne yadernaya), v chastnosti, vvidu togo, chto rasstoyanie a mezhdu komponentami dvoinoi sistemy v konservativnom sluchae menyaetsya po zakonu

a=const/M12M22

(1)

Pri uslovii M₁ + M₂ = const eta funkciya imeet minimum, kogda M₁ = M₂ . Poetomu pri peretekanii veshestva ot bolee massivnoi zvezdy OB₁ k menee massivnoi OB₂ rasstoyanie mezhdu komponentami a umen'shaetsya, chto, v svoyu ochered', usilivaet obmen mass. Podcherknem, chto v sluchae massivnoi TDS pervoi zapolnyaet svoyu polost' Rosha i nachinaet peretekat' na vtoruyu zvezdu vsegda bolee massivnaya komponenta. Poetomu v massivnyh TDS rasstoyanie a mezhdu komponentami sistemy vsegda umen'shaetsya v nachale pervichnogo obmena mass, chto delaet obmen mass samopodderzhivayushimsya i neizbezhnym. Posle zaversheniya pervichnogo obmena mass massa pervonachal'no menee massivnoi zvezdy OB₂ uvelichivaetsya pochti vtroe (poetomu dalee eta zvezda oboznachaetsya kak OB₂'), i v sisteme realizuetsya tak nazyvaemyi process peremeny rolei komponent, kogda pervonachal'no bolee massivnaya zvezda stanovitsya menee massivnoi komponentoi dvoinoi sistemy.

Vse TDS posle pervichnogo obmena mass, soderzhashie sil'no proevolyucionirovavshie ob'ekty (belye karliki, zvezdy WR, neitronnye zvezdy, chernye dyry), prinyato nazyvat' TDS na pozdnih stadiyah evolyucii.

Rassmotrim osnovnye nablyudatel'nye proyavleniya vseh posleduyushih stadii evolyucii TDS. Ogranichimsya sluchaem massivnyh TDS, kotorye v teoreticheskom plane izucheny luchshe vsego.

Zvezdy Vol'fa-Raie (WR) v tesnyh dvoinyh sistemah s OB komponentami

Posle zaversheniya pervichnogo obmena mass v massivnoi TDS na meste pervonachal'no bolee massivnoi zvezdy OB₁ obrazuetsya gelievyi ostatok, massa kotorogo sushestvenno men'she massy vtoroi komponenty OB₂' .

Kak pokazyvayut raschety, massa gelievyh ostatkov M_R (s nebol'shimi vodorodnymi obolochkami) udovletvoritel'no opisyvaetsya sootnosheniem

MR/MC=0,1(M1/MC)2,4.

(2)

Obrazovavshayasya na meste zvezdy OB₁ gelievaya zvezda s tonkoi vodorodnoi obolochkoi imeet effektivnuyu temperaturu, dostigayushuyu ~10⁵ K. Dlitel'nost' etoi stadii evolyucii ~3 x 10⁵ let. Gelievye ostatki s tonkimi vodorodnymi obolochkami obychno rassmatrivayutsya kak modeli zvezd WR. V nastoyashee vremya izvestno 170 zvezd WR v nashei Galaktike i primerno stol'ko zhe v drugih blizhaishih galaktikah. Ih harakternaya osobennost' - nalichie moshnyh i shirokih linii izlucheniya, kotorye formiruyutsya v protyazhennoi atmosfere, rasshiryayusheisya so skorostyami v tysyachi kilometrov v sekundu, po-vidimomu, pod deistviem davleniya izlucheniya (eta atmosfera takzhe nazyvaetsya zvezdnym vetrom). Okolo poloviny izvestnyh zvezd WR yarche 10 zvezdnoi velichiny obnaruzheny kak komponenty WR₁ +OB₂' sistem. Orbital'nye periody etih sistem p lezhat v predelah ot 1,6 do 2900 dnei. Ekscentrisitety orbit e 0 dlya p < 14 sutok i e = 0,3 - 0,8 dlya p > 70 dnei. Otnoshenie mass komponent q=M_WR/M_OB lezhit v predelah 0,17 - 2,78.

Ris. 3. Polozhenie chetyreh zvezd Vol'fa-Raie, yavlyayushihsya komponentami zatmennyh dvoinyh sistem, na diagramme Gercshprunga-Ressela spektr-svetimost' (po rezul'tatam nashei interpretacii krivyh bleska etih sistem). Dlya primera pokazan odin iz evolyucionnyh trekov zvezdy OV v massivnoi TDS (po A.V. Tutukovu i L.R.Yungel'sonu), obuslovlennyi pervichnym obmenom mass.

Model' zvezdy WR kak obnazhennogo gelievogo yadra pervonachal'no massivnoi OV zvezdy podtverzhdaetsya nashimi opredeleniyami radiusov i temperatur zvezd WR iz analiza krivyh zatmenii dvoinyh zatmennyh WR+OV sistem. Osobenno sil'noe podtverzhdenie modeli zvezdy WR kak gelievogo ostatka bylo polucheno nedavno v svyazi s otkrytiem Van Kerkvikom s soavtorami zvezdy WR v sostave sil'no proevolyucionirovavshei rentgenovskoi dvoinoi sistemy Cyg X-3, soderzhashei neitronnuyu zvezdu ili chernuyu dyru.

Sil'noe rentgenovskoe izluchenie dvoinyh sistem WR₁+OB₂' bylo predskazano v 1967 - 1976 godah v rabotah avtora stat'i i v rabotah O.F. Priluckogo i V.V. Usova. Nablyudeniya s borta vneatmosfernoi amerikanskoi observatorii "Einshtein" podtverdili nashe predskazanie: bylo obnaruzheno znachitel'noe (poryadka 10³³ - 10³⁴ erg/s) rentgenovskoe izluchenie ot WR+OV dvoinyh sistem. Eto izluchenie formiruetsya v udarnoi volne, obrazovannoi v rezul'tate stolknoveniya zvezdnyh vetrov WR i OV komponent. Effekty stolknoveniya zvezdnyh vetrov komponent v massivnyh TDS privodyat k nekonservativnosti processa obmena veshestvom mezhdu komponentami, chto dolzhno uchityvat'sya teoriei evolyucii TDS.

Vzryv zvezdy WR₁ kak sverhnovoi

Evolyuciya gelievoi zvezdy zavisit ot massy obrazuyushegosya u nee uglerodno-kislorodnogo yadra. Dlya dostatochno massivnyh pervichnyh zvezd OV s massoi bolee 12M_C massa SO-yadra prevyshaet verhnii predel dlya sootvetstvuyushih belyh karlikov (1,4M_C), i takie OV-zvezdy v dvoinyh sistemah mogut porodit' neitronnye zvezdy ili chernye dyry. Posle istosheniya geliya v yadre zvezdy WR posledovatel'no i vo vse uskoryayushemsya tempe vygorayut uglerod, kislorod, neon i kremnii s posleduyushim obrazovaniem zheleznogo yadra, kollaps kotorogo privodit k obrazovaniyu relyativistskogo ob'ekta, soprovozhdaemogo, po vsei veroyatnosti, vzryvom sverhnovoi. Poskol'ku massa vzryvayusheisya zvezdy velika, eto dolzhna byt' sverhnovaya II tipa (po klassifikacii I.S. Shklovskogo) s toi lish' raznicei, chto iz-za otsutstviya protyazhennoi vodorodnoi obolochki (harakternoi dlya massivnyh sverhgigantov, no ne dlya zvezd WR) koefficient pererabotki energii vzryva v izluchenie ochen' mal (poryadka 0,001, soglasno ocenkam Imshennika i Nadezhina).

V poslednee vremya vyyavlen novyi klass sverhnovyh, vozniknovenie kotoryh svyazyvayut so vzryvami zvezd WR. V chastnosti, anomal'no slabaya sverhnovaya, soprovozhdavshaya obrazovanie ostatka sverhnovoi Kassiopeya A, mogla byt' vyzvana vzryvom zvezdy WR.

Stadiya "nerentgenovskoi" dvoinoi sistemy s relyativistskim ob'ektom

Rassmotrim teper' evolyuciyu vtoroi zvezdy - OB₂ . Posle pervichnogo obmena mass v dvoinoi sisteme zvezda OB₂ zahvatila (akkrecirovala) veshestvo zvezdy OB₁ (ee vodorodnuyu obolochku, to est' bolee 60% massy zvezdy OB₁) i massa zvezdy OB₂ vozrosla, no ona ostaetsya zvezdoi glavnoi posledovatel'nosti normal'nogo himicheskogo sostava s harakternym vremenem yadernoi evolyucii okolo 10⁶ let. Posle vzryva zvezdy WR₁ i obrazovaniya relyativistskogo ob'ekta formiruetsya sistema C+OB₂' s relyativistskim ob'ektom. Pri etom dvoinaya sistema ne raspadaetsya pod deistviem vzryva sverhnovoi, poskol'ku vzryvaetsya menee massivnaya zvezda WR₁ , a udar obolochki sverhnovoi o zvezdu OB₂' ne privodit k raspadu sistemy. Skorost' centra mass sistemy posle vzryva sverhnovoi mozhet prevyshat' 100 km/s, i za vremya zhizni zvezdy OB₂' dvoinaya sistema mozhet udalit'sya ot ploskosti Galaktiki na rasstoyanie do neskol'kih soten parsek.

Posle vzryva sverhnovoi i obrazovaniya na meste zvezdy WR₁ relyativistskogo ob'ekta poslednii ne yavlyaetsya moshnym istochnikom rentgenovskogo izlucheniya, i v etom smysle on "nevidim". Eto svyazano s tem obstoyatel'stvom, chto zvezda OB₂' yavlyaetsya zvezdoi glavnoi posledovatel'nosti i daleka ot zapolneniya svoei polosti Rosha, a zahvat veshestva iz zvezdnogo vetra etoi zvezdy na relyativistskii ob'ekt, po-vidimomu, nedostatochen dlya obrazovaniya moshnogo rentgenovskogo istochnika. Zametim, odnako, chto esli zvezda OB₂' bystro vrashaetsya, v oblasti ekvatora etoi zvezdy obrazuetsya moshnyi zvezdnyi veter, stimulirovannyi vrasheniem. Eto mozhet obespechivat' dostatochno intensivnyi temp akkrecii veshestva iz ekvatorial'nogo zvezdnogo vetra na relyativistskii ob'ekt i formirovanie moshnogo rentgenovskogo istochnika dazhe v tom sluchae, esli zvezda OB₂' daleka ot zapolneniya svoei polosti Rosha. Takaya situaciya nablyudaetsya u rentgenovskih dvoinyh sistem umerennyh mass s opticheskimi komponentami (to est' nablyudaemymi v opticheskom diapazone dlin voln) - zvezdami Ve. Aktivnost' molodoi neitronnoi zvezdy (bystroe vrashenie s sil'nym magnitnym polem, vybros eyu relyativistskih chastic i t.p.) mozhet takzhe prepyatstvovat' akkrecii veshestva zvezdy OB₂'. Takih massivnyh TDS s nevidimymi relyativistskimi ob'ektami mozhet sushestvovat' neskol'ko tysyach v nashei Galaktike. Otlichitel'nye osobennosti takih sistem - bol'shie prostranstvennye skorosti (do soten km/s) i znachitel'nye (do 1 kiloparseka) vysoty z nad galakticheskoi ploskost'yu, kotorye dvoinye sistemy priobretayut v rezul'tate proizoshedshih v nih vzryvov sverhnovyh.

V Galaktike nablyudaetsya znachitel'noe chislo takih "ubegayushih" OV zvezd s bol'shimi prostranstvennymi skorostyami. Po sovremennym predstavleniyam, po krainei mere nekotorye iz nih mogut byt' TDS, soderzhashimi relyativistskie sputniki v neaktivnoi, nerentgenovskoi stadii. V takih sistemah relyativistskie sputniki mogut byt' obnaruzheny kosvenno, po periodicheskim izmeneniyam luchevyh skorostei opticheskoi OV zvezdy. Poisk relyativistskih sputnikov u "ubegayushih" OV zvezd provodilsya v poslednie gody ryadom grupp. Primerno u desyatka "ubegayushih" OV zvezd byli obnaruzheny kvaziperiodicheskie izmeneniya luchevyh skorostei s amplitudoi 10 - 30 km/s i periodami 1 - 100 sutok. Vo vseh sluchayah strogaya periodichnost' izmenenii luchevyh skorostei poka ne dokazana i dlya etogo trebuyutsya dal'neishie nablyudeniya.

V poslednee vremya otkryty dva radiopul'sara v dvoinyh sistemah s OV komponentami: PSR 1259-63 (p = 7,8 let, e = 0,97) i pul'sar v Malom Magellanovom oblake (r = 52 dnya, e = 0,80). Ochen' bol'shie znacheniya ekscentrisitetov etih dvoinyh sistem svidetel'stvuyut o proizoshedshih v nih vzryvah sverhnovyh, a nalichie aktivnyh ispuskayushih (ezhektiruyushih) radiovolny i chasticy, no ne akkreciruyushih veshestvo radiopul'sarov pozvolyaet so vsei opredelennost'yu otnesti eti dvoinye sistemy k klassu "nerentgenovskih" dvoinyh sistem, opisannomu vyshe.

Stadiya rentgenovskoi dvoinoi sistemy

Po proshestvii poryadka milliona let posle vzryva zvezdy WR₁ kak sverhnovoi zvezda OB₂' uvelichit svoi radius, priblizit svoyu poverhnost' k granicam polosti Rosha. Stimulirovannyi prilivnymi gravitacionnymi silami zvezdnyi veter, osobenno intensivno istekayushii cherez vnutrennyuyu tochku Lagranzha, privedet k formirovaniyu vokrug relyativistskogo ob'ekta akkrecionnogo diska. V sisteme voznikaet moshnyi rentgenovskii istochnik so svetimost'yu poryadka 10³⁶ - 10³⁸ erg/s. Mnogie desyatki takih rentgenovskih dvoinyh sistem s massivnymi OV komponentami otkryty v Galaktike, a takzhe v Bol'shom i Malom Magellanovom oblakah (blizhaishih k nam galaktikah). Rentgenovskie dvoinye sistemy s OV sverhgigantami sostoyat iz opticheskoi OV zvezdy, blizkoi k zapolneniyu svoei polosti Rosha, i relyativistskogo ob'ekta, nahodyashegosya v rezhime akkrecii veshestva, postavlyaemogo OV zvezdoi. Bol'shinstvo takih sistem bylo otkryto v 70-h godah s pomosh'yu specializirovannyh amerikanskih sputnikov "Uhuru" i "Einshtein". Otozhdestvlenie etih rentgenovskih istochnikov s opticheskimi zvezdami, aktivno provodivsheesya ryadom grupp, v tom chisle v Gosudarstvennom astronomicheskom institute im. P.K. Shternberga (GAISh) MGU, pozvolilo detal'no issledovat' osnovnye harakteristiki rentgenovskih dvoinyh sistem i opredelit' massy neitronnyh zvezd i chernyh dyr.

Izvestno bolee desyatka massivnyh rentgenovskih dvoinyh s OV sverhgigantami, blizkimi k zapolneniyu svoih polostei Rosha. Rentgenovskoe izluchenie ot takih sistem kvazistacionarno. Orbital'nye periody sravnitel'no korotkie: r = 1,4 - 9 sutok, ekscentrisitety orbit blizki k nulyu:e = 0 - 0,1. Pomimo peremennosti, svyazannoi s orbital'nym dvizheniem komponent (rentgenovskie i opticheskie zatmeniya, effekty ellipsoidal'nosti i "otrazheniya" v opticheskom diapazone), v takih "stacionarnyh" massivnyh rentgenovskih dvoinyh sistemah nablyudaetsya dolgoperiodicheskaya rentgenovskaya i opticheskaya peremennost', po-vidimomu, svyazannaya s effektami precessii osi vrasheniya opticheskoi zvezdy ili akkrecionnogo diska. Rentgenovskie istochniki v takih sistemah - akkreciruyushie neitronnye zvezdy i chernye dyry. Neitronnye zvezdy proyavlyayutsya kak rentgenovskie pul'sary s periodami pul'sacii 0,7 - 600 s. Eto svyazano s tem, chto neitronnaya zvezda bystro vrashaetsya i imeet sil'noe (poryadka 10¹² Gs) magnitnoe pole, kotoroe kanaliziruet plazmu iz vnutrennih chastei akkrecionnogo diska na magnitnye polyusy neitronnoi zvezdy. V mestah stolknoveniya plazmy s poverhnost'yu neitronnoi zvezdy obrazuyutsya dva goryachih rentgenovskih pyatna. Poskol'ku os' vrasheniya neitronnoi zvezdy ne sovpadaet s os'yu magnitnogo polya, nablyudatel' vidit effekt mayaka: goryachie pyatna to vidny nablyudatelyu, to ekraniruyutsya ot nego telom neitronnoi zvezdy, chto i privodit k yavleniyu rentgenovskogo pul'sara. Tri massivnye rentgenovskie dvoinye sistemy s OV sverhgigantami soderzhat massivnye (massa bolee treh solnechnyh) rentgenovskie istochniki (Cyg X-1, LMC X-3 i LMC X-1).

Sushestvuet klass rentgenovskih dvoinyh sistem, soderzhashih v kachestve opticheskih komponent bystrovrashayushiesya zvezdy Ve umerennyh mass (6 - 20M_C) glavnoi posledovatel'nosti. Eto tak nazyvaemye massivnye rentgenovskie tranzientnye istochniki. Opticheskie zvezdy zdes' ne zapolnyayut svoi polosti Rosha. Orbital'nye periody veliki: p = 10 - 1000 sutok, ekscentrisitety orbit znachitel'ny: e = 0,2 - 0,8. Rentgenovskie istochniki - akkreciruyushie neitronnye zvezdy, v bol'shinstve sluchaev - rentgenovskie pul'sary s periodami 0,07 - 6000 c. Harakternaya osobennost' etih sistem - vspyshki rentgenovskogo izlucheniya dlitel'nost'yu poryadka mesyaca (svetimost' v maksimume poryadka 10³⁸ - 10³⁹ erg/s ). Rentgenovskie vspyshki preimushestvenno proishodyat vblizi momenta prohozhdeniya akkreciruyushei neitronnoi zvezdy cherez periastr orbity, gde plotnost' ekvatorial'nogo zvezdnogo vetra Ve zvezdy maksimal'na. Rentgenovskaya svetimost' v spokoinom sostoyanii u takih sistem poryadka 10³³ - 10³⁴ erg/s.

Vtorichnyi obmen mass v sisteme

Stadiya rentgenovskoi dvoinoi sistemy prodolzhaetsya ochen' nedolgo: poryadka 10³ - 10⁴ let. Kogda zvezda OB₂' okonchatel'no zapolnit svoyu polost' Rosha, istechenie veshestva cherez vnutrennyuyu tochku Lagranzha budet proishodit' v tempe, sootvetstvuyushem vremeni teplovoi relaksacii zvezdy i dostigayushem dlya massivnyh zvezd 0,0001 - 0,001 solnechnyh mass v god. V etom sluchae rentgenovskoe izluchenie polnost'yu pogloshaetsya v opticheski tolstom akkrecionnom diske i realizuetsya sverhkriticheskii rezhim akkrecii, kogda sila davleniya radiacii prevoshodit silu gravitacionnogo prityazheniya v diske. Na meste rentgenovskogo istochnika nablyudaetsya opticheski yarkii akkrecionnyi disk, iz kotorogo pod deistviem davleniya radiacii proishodit moshnoe istechenie veshestva. Rentgenovskaya dvoinaya sistema v etom sluchae po svoim nablyudatel'nym proyavleniyam chrezvychaino pohozha na znamenityi ob'ekt SS433, kotoryi obladaet stol' udivitel'nymi svoistvami, chto ego po pravu nazyvayut zagadkoi veka.

Svoe nazvanie ob'ekt SS433 poluchil po poryadkovomu nomeru v kataloge Stefensona i Sandulika, soderzhashem zvezdy s sil'nymi emissionnymi liniyami vodoroda. Ob'ekt associirovan s radio- i rentgenovskim istochnikami i lokalizovan v centre pekulyarnogo ostatka vspyshki sverhnovoi W50. V 1979 godu poyavilos' sensacionnoe soobshenie gruppy amerikanskih astrofizikov, rukovodimoi Bryusom Margonom, kotorye otkryli v opticheskom spektre SS433 tri sistemy linii izlucheniya vodoroda i neitral'nogo geliya, dve iz kotoryh byli smesheny otnositel'no svoego normal'nogo polozheniya na gromadnuyu velichinu, dostigayushuyu ± 900 A, prichem polozhenie etih smeshennyh linii ne ostaetsya postoyannym: oni peremeshayutsya po spektru v sinyuyu i krasnuyu chasti s periodom okolo 164 sutok. Eta unikal'naya osobennost' SS433 sovmestima s predstavleniem o tom, chto dvizhushiesya emissionnye linii v ego spektre formiruyutsya v dvuh protivopolozhno napravlennyh kollimirovanyh (ugol rashodimosti men'she 1°) vybrosah gaza (dzhetah), kotorye vyryvayutsya iz vnutrennih chastei akkrecionnogo diska s relyativistskimi skorostyami primerno 80 000 km/s (0,27 ot skorosti sveta). Akkrecionnyi disk i kollimirovanye vybrosy (kotorye emu perpendikulyarny) precessiruyut s periodom okolo 164 sutok, prichem ugol mezhdu vybrosami i os'yu precessii sostavlyaet priblizitel'no 20°, a os' precessii perpendikulyarna ploskosti orbity dvoinoi sistemy i naklonena po otnosheniyu k luchu zreniya na ugol primerno 79°.

V nastoyashee vremya ustanovleno, chto ob'ekt SS433 predstavlyaet soboi massivnuyu rentgenovskuyu dvoinuyu sistemu s periodom 13,1 sutok, sostoyashuyu iz normal'noi opticheskoi OV zvezdy, perepolnyayushei svoyu polost' Rosha, i relyativistskogo ob'ekta, okruzhennogo tolstym akkrecionnym diskom, precessiruyushim s periodom priblizitel'no 164 sutok.

Ris. 4. Model' ob'ekta SS433 kak massivnoi rentenovskoi dvoinoi sistemy s precessiruyushim akkrecionnym diskom vokrug relyativistskogo ob'ekta. Pokazany relyativistskie dzhety, perpendikulyarnye ploskosti akkrecionnogo diska.

Takim obrazom, ob'ekt SS433 podoben rentgenovskoi dvoinoi sisteme Cyg X-1 ili Cen X-3 s toi lish' raznicei, chto opticheskaya zvezda v sisteme SS433 nahoditsya na bolee prodvinutoi stadii yadernoi evolyucii, perepolnyaet svoyu polost' Rosha i istekaet na relyativistskii ob'ekt v teplovoi shkale vremeni relaksacii. Eto privodit k yavleniyu sverhkriticheskoi akkrecii na relyativistskii ob'ekt. Poyavlenie relyativistskih sil'no kollimirovanyh vybrosov veshestva, vyryvayushihsya iz central'nyh chastei tolstogo akkrecionnogo diska, yavlyaetsya novoi i neozhidannoi osobennost'yu sverhkriticheskogo rezhima akkrecii. Poskol'ku stadiya evolyucii ob'ekta SS433 ochen' kratkovremenna, takih ob'ektov dolzhno byt' ochen' malo v Galaktike - poryadka edinic.

Ris. 5. Opticheskaya krivaya bleska SS433, ohvatyvayushaya odin precessionnyi 164-dnevnyi cikl. Vidny zatmeniya akkrecionnogo diska opticheskoi zvezdoi s periodom 13,1 sutok. Glubina zatmenii i vnezatmennyi blesk menyayutsya v svyazi s precessiei akkrecionnogo diska.

V sisteme SS433 realizuetsya neozhidannyi dlya teorii evolyucii massivnyh TDS rezhim vtorichnogo obmena mass, kogda perepolnenie zvezdoi OB₂' svoei polosti Rosha vedet k formirovaniyu sverhkriticheskogo akkrecionnogo diska vokrug relyativistskogo ob'ekta, iz kotorogo i osushestvlyaetsya intensivnyi unos massy i uglovogo momenta za predely dvoinoi sistemy.

Klassicheskaya teoriya evolyucii massivnyh TDS predskazyvaet inoi rezhim vtorichnogo obmena mass - cherez formirovanie obshei obolochki. Pri skorosti poteri massy zvezdoi OB₂' cherez tochku Lagranzha ~ 0,0001 - 0,001 solnechnyh mass v god relyativistskii ob'ekt iz-za nalichiya tak nazyvaemogo eddingtonovskogo predela ne mozhet akkrecirovat' vse veshestvo, postupayushee v akkrecionnyi disk, poetomu podavlyayushaya chast' veshestva (svyshe 99%) dolzhna uhodit' za predely dvoinoi sistemy, unosya massu i uglovoi moment. V etom sluchae dolzhna sformirovat'sya obshaya obolochka, v kotoroi relyativistskii ob'ekt intensivno tormozitsya. Uglovoi orbital'nyi moment relyativistskogo ob'ekta pri etom peredaetsya obshei obolochke, kotoraya bystro teryaetsya. V itoge na meste zvezdy OB₂' obrazuetsya vtoraya zvezda WR (WR₂) v pare s relyativistskim ob'ektom (sistema C+WR₂). Vybroshennaya za predely dvoinoi sistemy obshaya obolochka " nagrebaet" mezhzvezdnyi gaz i obrazuet kol'cevuyu tumannost' vokrug sistemy C+WR₂ . Podobnye kol'cevye tumannosti razmerom okolo 1 parseka nablyudayutsya primerno u dvuh desyatkov zvezd WR.

To, chto stadiya vtorichnogo obmena mass v rezhime s obshei obolochkoi deistvitel'no realizuetsya v prirode, dokazyvaetsya nedavnim otkrytiem zvezdy WR v ochen' korotkoperiodicheskoi rentgenovskoi dvoinoi sisteme Cyg X-3. Ochen' korotkii orbital'nyi period (4,8 chasa) etoi sistemy svidetel'stvuet ob intensivnoi potere massy i uglovogo momenta, kotoryi mog realizovat'sya na stadii dvoinoi sistemy s obshei obolochkoi.

Stadiya vtoroi zvezdy WR v sisteme

Obrazovavshiesya v rezul'tate vtorichnogo obmena mass v TDS zvezdy WR₂ "vtorogo pokoleniya" dolzhny obladat' bol'shimi prostranstvennymi skorostyami i imet' v srednem bol'shie vysoty z nad galakticheskoi ploskost'yu v silu impul'sa, poluchennogo dvoinoi sistemoi v rezul'tate vzryva sverhnovoi. Krome togo, C+WR₂ sistemy mogut byt' okruzheny kol'cevymi tumannostyami.

A.V. Tutukov i L.R. Yungel'son, a takzhe E. Van den Heivel v 1973 - 1976 godah vyskazali ideyu o tom, chto zvezdy WR, okruzhennye kol'cevymi tumannostyami, mogut byt' dvoinymi C+WR₂ sistemami, to est' C+OB₂' sistemami na stadii posle vtorichnogo obmena mass.

Intensivnyi poisk proyavlenii dvoistvennosti (periodicheskaya peremennost' bleska i luchevyh skorostei) u ryada odinochnyh zvezd WR, imeyushih bol'shie z i okruzhennyh kol'cevymi tumannostyami, privel k vydeleniyu okolo desyatka zvezd WR, u kotoryh mozhno podozrevat' nalichie relyativistskih sputnikov. Sredi takih zvezd WR dve s uverennost'yu mogut byt' otneseny k klassu dvoinyh s "nevidimymi" sputnikami: HD 50896 (WN5, p = 3,763 sutok, z = - 279 parsek, raspolozhena v centre kol'cevoi tumannosti RCW11) i HD 197406 (WN7, p = 4,327 sutok, z = 1032 parseka).

Reshayushim v pol'zu prisutstviya relyativistskogo sputnika bylo by obnaruzhenie moshnogo (poryadka 10³⁸ erg/s) rentgenovskogo izlucheniya ot takih zvezd WR. Odnako nedavnie nablyudeniya s borta observatorii "Einshtein" pokazali, chto rentgenovskoe izluchenie ot takih zvezd WR (v tom chisle i ot upomyanutyh vyshe HD 50896 i HD 197406) ne prevyshaet 10³³ erg/s, chto slishkom malo dlya akkreciruyushih neitronnyh zvezd ili chernyh dyr. Poetomu vopros o prirode nevidimyh sputnikov v dannom sluchae poka ostaetsya otkrytym.

Nedavnee otkrytie zvezdy WR v pekulyarnoi korotkoperiodicheskoi rentgenovskoi dvoinoi sisteme Cyg X-3 dokazalo real'noe sushestvovanie dvoinyh sistem C+WR₂ , obrazovavshihsya v rezul'tate vtorichnogo obmena mass v massivnyh TDS na stadii s obshei obolochkoi.

Stadiya odinochnoi zvezdy s relyativistskim ob'ektom v centre

Sushestvuet eshe odin put' evolyucii massivnoi TDS na stadii posle zaversheniya vtorichnogo obmena mass. Naibolee tesnye dvoinye C+OB₂' sistemy s neitronnymi zvezdami ili chernymi dyrami na stadii s obshei obolochkoi mogut iz-za sil'nogo tormozheniya relyativistskogo ob'ekta v obolochke obrazovat' odinochnye ob'ekty s yadrami, sostoyashimi iz neitronnoi zvezdy ili chernoi dyry (relyativistskii ob'ekt v etom sluchae "padaet" v centr normal'noi OB₂' zvezdy). Podobnye ob'ekty (nazyvaemye ob'ektami Landau-Torna-Zhitkov) takzhe dolzhny obladat' bol'shimi prostranstvennymi skorostyami i imet' bol'shie vysoty z nad galakticheskoi ploskost'yu, poskol'ku oni obrazovalis' v dvoinoi sisteme, ispytavshei vzryv sverhnovoi.

Soglasno teorii, ob'ekty Landau-Torna-Zhitkov dolzhny sil'no otlichat'sya po nablyudatel'nym proyavleniyam ot zvezd WR, naprimer byt' polnost'yu konvektivnymi krasnymi sverhgigantami. Odnako dlya okonchatel'nogo otozhdestvleniya ob'ektov Landau-Torna-Zhitkov s nablyudaemymi ob'ektami trebuyutsya dal'neishie usiliya kak teoretikov, tak i nablyudatelei.

Vzryv zvezdy WR₂ kak sverhnovoi i stadiya dvuh relyativistskih ob'ektov

Vzryv vtoroi zvezdy WR (WR) v dvoinoi sisteme C+WR₂ s relyativistskim ob'ektom v bol'shinstve sluchaev privodit k raspadu dvoinoi sistemy, poskol'ku v etom sluchae vzryvaetsya komponenta bol'shei massy. Raspad sistemy privodit k obrazovaniyu dvuh bystroletyashih relyativistskih ob'ektov. Pri specificheskoi asimmetrii vzryva sverhnovoi sistema mozhet ne raspast'sya, i v etom sluchae mozhet obrazovat'sya dvoinaya sistema, sostoyashaya iz dvuh relyativistskih ob'ektov s prostranstvennoi skorost'yu centra mass v sotni kilometrov v sekundu i bol'shim ekscentrisitetom orbity. Primer takoi sistemy: dvoinoi radiopul'sar PSR 1913+16, kotoryi demonstriruet ukorochenie orbital'nogo perioda za schet unosa energii i uglovogo momenta izlucheniem gravitacionnyh voln v strogom kolichestvennom sootvetstvii s predskazaniyami obshei teorii otnositel'nosti A. Einshteina.

V poslednie gody chislo otkrytyh dvoinyh radiopul'sarov dostiglo 42 (polnoe chislo izvestnyh radiopul'sarov okolo 700). Izvestno, chto radiopul'sar predstavlyaet soboi sil'no namagnichennuyu (magnitnoe pole poryadka 10¹² Gs) neitronnuyu zvezdu s bystrym osevym vrasheniem. Strogo periodicheski povtoryayushiesya impul'sy radioizlucheniya pul'sara obuslovleny pererabotkoi energii vrasheniya neitronnoi zvezdy v napravlennoe radioizluchenie cherez posredstvo sil'nogo magnitnogo polya. Izvestnye radiopul'sary v dvoinyh sistemah soderzhat v kachestve sputnikov neitronnuyu zvezdu, belyi karlik, massivnuyu OV zvezdu i dazhe planety. Periody vrasheniya pul'sarov v dvoinyh sistemah lezhat v predelah 0,0016 - 1 sekunda i v srednem znachitel'no koroche, chem periody odinochnyh pul'sarov. Eto svyazano s tem, chto vo vremya vtorichnogo obmena mass v massivnoi TDS neitronnaya zvezda sil'no raskruchivaetsya, akkumuliruya znachitel'nuyu dolyu orbital'nogo uglovogo momenta dvoinoi sistemy. Orbital'nye periody dvoinyh radiopul'sarov lezhat v predelah 0,2 - 1300 sutok, ekscentrisitety orbit e = 0 - 0,97.

Zaklyuchenie

Sravnenie sovremennyh predstavlenii ob evolyucii TDS raznyh tipov s dannymi nablyudenii i ih interpretacii privodit k vyvodu o tom, chto teoriya v celom pravil'no opisyvaet evolyuciyu TDS. Teoriya stavit novye nablyudatel'nye zadachi po issledovaniyu TDS na raznyh stadiyah evolyucii. V to zhe vremya sovremennye nablyudeniya TDS i ih interpretaciya v ryade sluchaev stavyat pered teoriei novye zadachi, stimuliruyushie ee dal'neishee razvitie. Eto obespechivaet progress nashih znanii ob evolyucii TDS i ih svyazi s obrazovaniem takih ekstremal'nyh ob'ektov, kak neitronnye zvezdy i chernye dyry.

Otmetim dva dostizheniya v oblasti issledovaniya TDS na pozdnih stadiyah evolyucii, kotorye principial'no vazhny dlya fundamental'noi fiziki.

1. Nadezhnoe svidetel'stvo sushestvovaniya gravitacionnyh voln v prirode, poluchennoe po dannym o vekovom ukorochenii orbital'nogo perioda dvoinogo radiopul'sara PSR 1913+16. Eta rabota udostoena Nobelevskoi premii.

2. Nadezhnye opredeleniya mass desyati kandidatov v chernye dyry v rentgenovskih dvoinyh sistemah Cyg X-1, LMC X-1, LMC X-3, A0620-00, V404 Cyg, XN Mus 1991, QZ Vul, XN Sco 1994, XN Oph 1977, XN Per 1992. Vo vseh etih sluchayah massa rentgenovskogo istochnika prevyshaet 3 solnechnyh massy, a ego radius men'she radiusa Zemli. Zamechatel'no to, chto ni odin iz etih massivnyh rentgenovskih istochnikov ne yavlyaetsya rentgenovskim pul'sarom.

Takim obrazom, sovremennye nablyudatel'nye dannye po relyativistskim ob'ektam v tesnyh dvoinyh sistemah soglasuyutsya s predskazaniyami obshei teorii otnositel'nosti.

Dopolnenie: poyasneniya special'nyh terminov

Belyi karlik - zvezda, sostoyashaya iz veshestva, svoistva kotorogo opredelyayutsya zakonami ne klassicheskoi, a kvantovoi mehaniki (vyrozhdennyi elektronnyi gaz). Eto konechnaya stadiya evolyucii zvezdy s massoi poryadka solnechnoi. Radius belogo karlika poryadka radiusa Zemli. Plotnost' veshestva - okolo 1 tonny v kubicheskom santimetre.

Neitronnaya zvezda sostoit v osnovnom iz vyrozhdennyh neitronov, upakovannyh do plotnosti atomnogo yadra. Eto konechnaya stadiya evolyucii zvezdy s massoi poryadka neskol'kih solnechnyh. Radius neitronnoi zvezdy poryadka desyati kilometrov. Plotnost' veshestva dostigaet milliarda tonn v kubicheskom santimetre.

Chernaya dyra - ob'ekt, predskazyvaemyi obshei teoriei otnositel'nosti A.Einshteina. Eto ob'ekt, u kotorogo vtoraya kosmicheskaya skorost' ravna skorosti sveta (300 000 km/s), to est' dazhe svet ne mozhet vyrvat'sya iz ee gravitacionnogo polya. Chernaya dyra obrazuetsya na konechnoi stadii evolyucii massivnoi zvezdy. Radius chernoi dyry pri masse desyat' solnechnyh sostavlyaet 30 km.

Obshaya teoriya otnositel'nosti (OTO) A. Einshteina - teoriya, opisyvayushaya svoistva sil'nyh gravitacionnyh polei. V sluchae slabyh gravitacionnyh polei OTO perehodit v teoriyu tyagoteniya N'yutona.

Rentgenovskoe izluchenie - elektromagnitnoe izluchenie s ochen' korotkoi dlinoi volny, poryadka neskol'kih angstrem i men'she. Ono voznikaet pri nagreve veshestva do ochen' vysokih temperatur - bolee milliona kel'vinov.

Polost' Rosha - polost' okolo zvezdy v tesnoi dvoinoi sisteme, gde prityazhenie zvezdy preobladaet. Polosti Rosha vokrug pervoi i vtoroi zvezd v dvoinoi sisteme soprikasayutsya drug s drugom v tochke Lagranzha.

Gravitacionnye volny - peremennoe gravitacionnoe pole, izluchayusheesya v prostranstvo so skorost'yu sveta uskorenno dvizhushimisya telami. Ih sushestvovanie predskazyvaetsya OTO A. Einshteina.

Literatura

[1].	Aslanov A.A.,Kolosov D.E., Lipunova N.A., Hruzina T.S., Cherepashuk A.M. Katalog tesnyh dvoinyh zvezd na pozdnih stadiyah evolyucii. M.: Izd-vo MGU, 1989.
[2].	Cherepashuk A.M. Dvoinye zvezdy i relyativistskaya astrofizika // Priroda. 1987. No 3. S. 3 - 14.
[3].	Cherepashuk A.M. Zvezdy Vol'fa-Raie i rentgenovskie dvoinye // Zemlya i Vselennaya. 1994. No 2. S. 3 - 11.

Publikacii s klyuchevymi slovami: chernye dyry - zvezdy Vol'fa-Raie - neitronnye zvezdy - Tesnye dvoinye sistemy - polost' Rosha - obmen massoi - zakony Keplera - belyi karlik Publikacii so slovami: chernye dyry - zvezdy Vol'fa-Raie - neitronnye zvezdy - Tesnye dvoinye sistemy - polost' Rosha - obmen massoi - zakony Keplera - belyi karlik
Sm. takzhe: Porfirion: samyi dlinnyi dzhet ot chernoi dyry Tumannost' Tyul'pan i chernaya dyra Lebed' X-1 Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Sharpless 308: tumannost' Golova Del'fina Kol'cevaya tumannost' vokrug WR 134 Sliyanie dvuh chernyh dyr: modelirovanie Galaktika, dzhet i znamenitaya chernaya dyra Vse publikacii na tu zhe temu >>