На главную страницу Написать нам

Новости премии
СМИ о премии

Литературные новости
Публикации

ЗВЕЗДНЫЕ ПАРЫ: АСТРОФИЗИК СЕРГЕЙ ПОПОВ ОБ ЭВОЛЮЦИИ ДВОЙНЫХ ЗВЕЗД

Сергей Попов / T&P, 14.11.2016

Эволюция двойных

Итак, двойные системы. Звездные пары изучали давно. Однако только в XX веке ученые столкнулись с некоторым парадоксом и поняли, что нужно учитывать обмен вещества между звездами. Есть известная переменная звезда, ее видно невооруженным глазом — Алголь, которую еще называют Дьявольской звездой. Имя звезда получила, видимо, за свою переменность. Ал-гуль — чудовище в арабских и персидских мифах. На европейских картах звездного неба Алголь обычно соответствовала глазу отрубленной головы медузы Горгоны в созвездии Персея, ее хорошо видно на нашем северном небе. То, что это двойная звезда, начали подозревать еще в XVIII веке. Но доказать это и определить свойства каждой из звезд смогли намного позже, в конце XIX века. Затем оказалось, что в системе есть и третья звезда, вращающаяся вокруг тесной пары с периодом почти два земных года. Но нас будет интересовать только затменная пара с орбитальным периодом менее трех дней.
Когда удалось измерить параметры звезд, образующих эту двойную систему, выяснился удивительный факт — эволюционные стадии звезд не соответствовали их массам.
Одна звезда в паре тяжелее, другая легче. Мы знаем, что тяжелые звезды эволюционируют быстрее, т. е. тяжелая звезда при том же возрасте всегда должна выглядеть более «пожилой». Обе звезды в паре образовались, конечно же, одновременно (в шаровых скоплениях, где пространственная плотность звезд очень велика, пара звезд может образоваться в результате захвата; тогда их возрасты будут разными, но к Алголю это не относится). Значит, логично предположить, что постаревшая звезда в паре должна быть массивной. А у Алголя все было наоборот — легкая звезда была более проэволюционировавшей, это очень странно. И понадобилось сообразить, что звезды могут обмениваться массой, причем в больших количествах, так что это сильно влияет на наблюдательные проявления. То есть та звезда, которая сейчас является более легкой, вначале была более тяжелой и эволюционировала быстрее. На определенном этапе своей эволюции, как и полагается всякой приличной звезде, она раздулась, но часть вещества не просто улетела, а перетекла на соседку. Соседка увеличила массу, сама звезда массу уменьшила и стала более легкой в системе, но более проэволюционировавшей.
Это был только первый такой парадокс, связанный с перетеканием вещества в двойных системах. Второй, который тоже легко объяснить, выглядит следующим образом: не слишком тяжелые звезды в конце жизни превращаются в белые карлики. Вначале водород в недрах превращается в гелий. Появляется гелиевое ядро. Если массы у звезды не хватает для запуска следующей реакции, то в результате сброса внешних слоев образуется гелиевый белый карлик. Если массы хватает, то в ядре образуются углерод и кислород — возникает углеродно-кислородный (CO) белый карлик. Если реакция идет дальше, образуется кислородно-неоновомагниевый (O-Ne-Mg) белый карлик.
Все вроде бы логично, и мы действительно видим гелиевые белые карлики. Но они должны сформироваться из самых легких звезд, а эти звезды живут дольше, чем успела просуществовать наша Вселенная. Получается парадокс: мы видим белые карлики, состоящие из гелия, а по времени образоваться они никак не могли, на это понадобился бы еще десяток миллиардов лет. Откуда же они берутся? Они тоже возникают в двойных системах. Пусть первая звезда имеет массу типа солнечной или в несколько раз больше. Такая звезда успевает проэволюционировать за время, равное современному возрасту нашей Галактики. В конце своей жизни такая звезда должна была бы стать CO- или даже O-Ne-Mg белым карликом. Но еще на стадии выгорания водорода в ядре произойдет следующее. Вторая звезда, звезда-соседка, обдирает внешние слои проэволюционировавшей и расширившейся звезды, и остается голое гелиевое ядро. То есть только такая искусственная «обдирка» позволяет делать гелиевые белые карлики достаточно быстро из достаточно массивных звезд. Из одиночных звезд они пока не успели бы образоваться, так что, действительно, эволюция в двойных идет очень своеобразно.


Новые и сверхновые

Перетекание вещества дает очень необычные объекты. Например, «новые звезды». Напомним, что слово «новая» здесь никак не относится к возрасту звезды. То есть это не молодой, только что возникший объект. Термин появился давно, когда физика этого явления была совершенно непонятной. Да и вообще, астрономия была в зачаточном (по нынешним меркам) состоянии. Астрономы видели, что вдруг на небе вспыхивала звезда там, где раньше ничего не было видно. То есть для них она была новой звездой на небе, наблюдаемом невооруженным глазом. Название появилось в XVI веке благодаря Тихо Браге, наблюдавшему, как на небе «зажглась новая звезда». Ирония состоит в том, что это была не новая, а сверхновая.
Оказалось, что эти звезды не новые, а очень даже старые. Это двойные системы: из белого карлика и обычной звезды. Вещество с обычной звезды стекает на поверхность белого карлика, постепенно накапливаясь на ней, и, когда плотность и температура достигают критических значений, происходит термоядерный взрыв. Внешние слои на белом карлике взрываются, резко увеличивается светимость, мы видим не видимый прежде яркий объект и называем его «новой звездой» (хотя никакая она не новая, и некоторые из них вспыхивают по несколько раз). Если бы не было двойных систем, то не было бы таких объектов.



Посмертные красоты двойных систем

Иногда двойственность, т. е. вхождение звезды в двойную систему, играет важную роль и для обычных сверхновых, но не для самих взрывов, а для того, что мы видим после. Все, наверное, видели очень красивые картинки: изображение сверхновой 1987 года, которая вспыхнула в Большом Магеллановом облаке. Красивые кольца, их несколько штук. В проекции они накладываются друг на друга. Как возникает такая странная система? Звезда, вообще говоря, круглая, казалось бы, она не может порождать очень сложные объекты вокруг себя, должна быть какая-то сферическая симметрия (очень быстрое вращение или сильные магнитные поля потенциально могут дать цилиндрическую симметрию истечения). Чтобы породить такую интересную систему колец, опять-таки понадобилась двойная система.
Жила-была звездная пара. Одна из звезд продвинулась в своей эволюции и заполнила полость Роша. Началось перетекание. В процессе взаимодействия двух звезд вокруг них возникла общая оболочка, которая частично оттекала от двойной. Обладающее цилиндрической симметрией распределение газа вокруг двойной стало зародышем внешних колец. После слияния двух звезд образовался красный гигант. Он превратился в голубого гиганта, сбросив внешнюю оболочку. А оболочка сформировала зародыш внутреннего кольца. Голубой гигант своим ветром уплотнил эту структуру, окончательно формируя три кольца. Наконец, произошел взрыв голубого гиганта, и три кольца озарились ярким свечением. В итоге мы имеем красивую картинку.
Кроме остатков сверхновых, интересные структуры вокруг двойных возникают и в планетарных туманностях. Планетарная туманность — это то, что остается от оболочки красного гиганта, которую он сбрасывает, и потихонечку она рассеивается. Планетарными их назвали просто потому, что несколько веков назад, глядя в телескоп на такие объекты, наблюдатели видели туманный диск, похожий на диск планеты. Но есть и очень красивые планетарные туманности довольно сложной формы, совсем непохожие на диски. Специалисты предполагают, что эти необычные формы часто тоже обязаны двойным системам, которые находятся или находились внутри, и именно наличие двух звезд, вращающихся вокруг общего центра масс, приводит к возникновению такой красивой, необычной структуры, которую одиночная звезда обычно породить не в состоянии. […]


Планеты двойных звезд
В фантастических романах очень любят описывать планеты, имеющие два (или больше) солнца. Оказалось, что и в самом деле в системах двойных звезд могут существовать планеты. Их начали открывать совсем недавно. Основной вклад в обнаружение планет в двойных системах внес спутник «Кеплер».

Говоря о планетах в двойных, мы можем вспомнить о тройных звездах. Устойчивыми оказываются только иерархические системы. Возможны две ситуации, когда планетная орбита оказывается устойчивой. Бывает, что планета вращается очень близко от одной из звезд и вторая звезда лишь несильно возмущает орбиту планеты. Это не так интересно, так как фактически у такой планеты одно солнце (второе будет намного слабее в небе такой планеты). А могут быть планеты, вращающиеся сразу вокруг всей двойной. Первая такая планета была открыта спутником «Кеплер». Ее, естественно, неофициально назвали Татуин, поскольку похожая планета существует в популярном фильме.
Сейчас известно уже несколько десятков планет в двойных звездных системах. Как вокруг какой-нибудь из звезд двойной, так и вокруг всей системы. Но есть и планеты в тройных системах. Одна из них (в системе GJ 667) даже находится в зоне обитаемости и имеет не слишком большую массу. То есть она может относиться к планетам земного типа и иметь на своей поверхности жидкую воду.
В некоторых планетных системах мы можем наблюдать процессы, аналогичные происходящим в тесных двойных системах. Например, если планета подобралась слишком близко к звезде, то та может ее нагревать своим излучением, возмущать своим приливным воздействием. Так же, как в тройных системах, может запускаться механизм Козаи–Лидова, приводящий к квазипериодическим изменениям наклона орбиты и ее вытянутости. Наконец, может даже начаться аккреция, а в конце концов планета может слиться со звездой, что будет сопровождаться яркой вспышкой. Их надеются обнаружить, когда войдет в строй большой обзорный телескоп LSST.
Сам процесс образования планет происходит в диске, окружающем звезду (сейчас мы даже видим диски вокруг молодых двойных звезд). Изучение дисков в астрофизике десятилетиями было в основном связано с исследованием тесных двойных. Поэтому многие методы и решения, разработанные для двойных, — например, решение Шакуры-Сюняева, — интенсивно используется для моделирования формирования планетных систем.
Говоря о планетах в двойных, мы можем вспомнить о тройных звездах. Устойчивыми оказываются только иерархические системы. Возможны две ситуации, когда планетная орбита оказывается устойчивой. Бывает, что планета вращается очень близко от одной из звезд и вторая звезда лишь несильно возмущает орбиту планеты. Это не так интересно, так как фактически у такой планеты одно солнце (второе будет намного слабее в небе такой планеты). А могут быть планеты, вращающиеся сразу вокруг всей двойной. Первая такая планета была открыта спутником «Кеплер». Ее, естественно, неофициально назвали Татуин, поскольку похожая планета существует в популярном фильме.
Сейчас известно уже несколько десятков планет в двойных звездных системах. Как вокруг какой-нибудь из звезд двойной, так и вокруг всей системы. Но есть и планеты в тройных системах. Одна из них (в системе GJ 667) даже находится в зоне обитаемости и имеет не слишком большую массу. То есть она может относиться к планетам земного типа и иметь на своей поверхности жидкую воду.
В некоторых планетных системах мы можем наблюдать процессы, аналогичные происходящим в тесных двойных системах. Например, если планета подобралась слишком близко к звезде, то та может ее нагревать своим излучением, возмущать своим приливным воздействием. Так же, как в тройных системах, может запускаться механизм Козаи–Лидова, приводящий к квазипериодическим изменениям наклона орбиты и ее вытянутости. Наконец, может даже начаться аккреция, а в конце концов планета может слиться со звездой, что будет сопровождаться яркой вспышкой. Их надеются обнаружить, когда войдет в строй большой обзорный телескоп LSST.
Сам процесс образования планет происходит в диске, окружающем звезду (сейчас мы даже видим диски вокруг молодых двойных звезд). Изучение дисков в астрофизике десятилетиями было в основном связано с исследованием тесных двойных. Поэтому многие методы и решения, разработанные для двойных, — например, решение Шакуры-Сюняева, — интенсивно используется для моделирования формирования планетных систем.

 

 

 


   
 
 

© «Центр поддержки отечественной словесности»

Rambler's Top100 Rambler's Top100