Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Тесные двойные звезды на поздних стадиях эволюции

Голосов: 0

Прогресс в наблюдательных и теоретических исследованиях тесных двойных звезд позволил понять происхождение и эволюцию таких необычных объектов, как звезды Вольфа-Райе, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Тесные двойные системы - естественные лаборатории, в которых происходит движение и взаимодействие компонент. Изучая эти взаимодействия, астрономы могут исследовать основные физические характеристики звезд.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                  HIGHLY EVOLVED CLOSE          ТЕСНЫЕ ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ
                              BINARY STARS
                              A. M. CHEREPASHCHUK
                                                            НА ПОЗДНИХ СТАДИЯХ
                                                            ЭВОЛЮЦИИ
                              The progress in observa-
                              tion and theoretical inves-   Д. е. уЦкЦиДфмд
                              tigations of close binary     еУТНУ‚ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                                                            ЛП. е.З. гУПУМУТУ‚‡
                              stars allows for better
                              understanding of origin
                              and evolution of such                ЗЗЦСЦзаЦ
                              peculiar objects as Wolf–                Доля двойных и кратных звезд в нашей Галакти-
                              Rayet stars, white dwarfs,           ке составляет около 50%. В составе двойных систем
                                                                   встречаются любые комбинации звезд. Астрономы
                              neutron stars, and black             считают большой удачей, когда интересующий их
                              holes. Close binary sys-             объект входит в состав двойной системы, поскольку
                              tems can be viewed as nat-           в этом случае оказывается возможным определить
                                                                   важнейшие характеристики объекта: его массу, ра-
                              ural laboratories where the          диус, температуру, светимость и т.п. Это можно сде-
                              components are moting                лать, изучая движение и взаимодействие звезд –
                              and interacting. Investiga-          компонент двойной системы. Среди двойных звезд
                                                                   выделяют так называемые тесные двойные системы
                              tion of these interactions           (ТДС): системы из двух звезд, в которых на некото-
                              allows astronomers to                ром этапе эволюции происходит обмен веществом
                              study the main physical              между компонентами. Наиболее яркие наблюда-
                                                                   тельные проявления отмечаются у ТДС, находя-
                              characteristics of stars.            щихся на поздних стадиях эволюции, то есть на ста-
                                                                   диях эволюции, следующих после завершения
                              и У„ ВТТ ‚ М‡·О˛‰‡-                  первичного обмена веществом между компонента-
                                                                   ми. Вместе с тем именно характеристики поздних
                              ЪВО¸М˚ı Л ЪВУ ВЪЛ˜ВТНЛı              стадий эволюции ТДС являются наиболее сильным
                              ЛТТОВ‰У‚‡МЛflı ЪВТМ˚ı                 критерием для проверки правильности наших пред-
                              ‰‚УИМ˚ı Б‚ВБ‰ ФУБ‚УОЛО               ставлений об эволюции звезд, поскольку поздние
                                                                   стадии эволюции связаны с образованием таких
                              ФУМflЪ¸ Ф УЛТıУК‰ВМЛВ Л               особенных (пекулярных) объектов, как белые кар-
                              ˝‚УО˛ˆЛ˛ Ъ‡НЛı МВУ-                  лики, звезды Вольфа–Райе (WR), нейтронные звез-
                              ·˚˜М˚ı У·˙ВНЪУ‚, Н‡Н                 ды и черные дыры.
                                                                       Достижения рентгеновской астрономии привели
                              Б‚ВБ‰˚ ЗУО¸Щ‡–к‡ИВ,
                                                                   к открытию новых типов ТДС, в частности рентге-
                              ·ВО˚В Н‡ ОЛНЛ, МВИЪ УМ-              новских двойных систем, состоящих из нормальной
                              М˚В Б‚ВБ‰˚ Л ˜В М˚В                  оптической звезды типа Солнца, которая является
                                                                   донором и поставляет вещество на соседний объект,
                              ‰˚ ˚. нВТМ˚В ‰‚УИМ˚В
                                                                   и релятивистского объекта (нейтронная звезда, чер-
                              ТЛТЪВП˚ – ВТЪВТЪ‚ВММ˚В               ная дыра), находящегося в режиме непрерывающе-
                              О‡·У ‡ЪУ ЛЛ, ‚ НУЪУ ˚ı               гося захвата (аккреции) вещества. Наблюдательные
                                                                   проявления релятивистских объектов в ТДС (для
                              Ф УЛТıУ‰ЛЪ ‰‚ЛКВМЛВ Л
                                                                   которых существенны эффекты общей теории от-
     © уВ ВФ‡˘ЫН Д.е., 1996




                              ‚Б‡ЛПУ‰ВИТЪ‚ЛВ НУПФУ-                носительности А. Эйнштейна) были впервые теоре-
                              МВМЪ. аБЫ˜‡fl ˝ЪЛ ‚Б‡Л-               тически описаны в работах Я.Б. Зельдовича и его
                                                                   учеников в 1966 – 1972 годах. Предсказание мощно-
                              ПУ‰ВИТЪ‚Лfl, ‡ТЪ УМУП˚
                                                                   го рентгеновского излучения от аккрецирующих
                              ПУ„ЫЪ ЛТТОВ‰У‚‡Ъ¸ УТ-                нейтронных звезд и черных дыр (когда на них пада-
                              МУ‚М˚В ЩЛБЛ˜ВТНЛВ ı‡-                ет вещество) было сделано одновременно в 1964 го-
                                                                   ду Я.Б. Зельдовичем и Е.Е. Салпитером (США).
                               ‡НЪВ ЛТЪЛНЛ Б‚ВБ‰.
                                                                       Прорыв в понимании природы и эволюции ре-
                                                                   лятивистских объектов в ТДС произошел после


84                                                                    лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


                           а                                                                                     б

       Рентгеновский пульсар




                                                         Лучевая скорость, отн. ед.
                                                                                                           1




     Аккреционный диск

                                                                                                           2
                               Оптическая звезда



                                                       Интенсивность излучения, отн. ед.



                                                                                                       Оптическое излучение




                                                                                                           Рентгеновское
                                                                                                             излучение



                                                                                                         Орбитальный период

   Рис. 1. а – Модель рентгеновской двойной системы с прецессирующим аккреционным диском вокруг реляти-
   вистского объекта; показаны разные фазы прецессии диска. б – Определяемые из наблюдений рентгеновские и
   оптические кривые блеска системы и кривые лучевых скоростей ( 1 – для оптической звезды, 2 – для рентгенов-
   ского пульсара). По этим кривым находят массы оптической и релятивистской звезд и параметры орбиты двой-
   ной системы.

открытия с борта специализированного американ-                                                Схему эволюции звезд в массивной ТДС, изна-
ского спутника “Ухуру” в 1972 – 1976 годах сотен                                           чально состоящей из двух звезд спектральных клас-
компактных рентгеновских источников, которые,                                              сов О–В, можно представить в следующем виде:
как оказалось, представляют собой в большинстве
случаев рентгеновские двойные системы разных                                               OB1+OB2      WR1+ OB 2
                                                                                                                '     взрыв как сверхновой
типов.                                                                                     звезды WR1+ OB 2
                                                                                                          '    релятивистский объект (C)+
                                                                                            + OB 2
                                                                                                 '    C+WR2 (или одиночный объект Лан-
   В данной обзорной статье мы рассмотрим совре-
менные представления об эволюции ТДС на позд-                                                дау–Торна–Житков)      взрыв звезды WR2 как
них стадиях эволюции.                                                                         сверхновой    два релятивистских объекта.
                                                                                                На начальной стадии система состоит из двух
йЕ щЗйгысаа еДллаЗзхп нЦлзхп                                                               массивных горячих О–В звезд главной последова-
СЗйвзхп лалнЦе                                                                             тельности и однородного химического состава.
                                                                                           Пусть масса более массивной звезды OB1 не сильно
   Рассмотрим современный сценарий эволюции                                                превосходит массу менее массивной OB2 . Время
массивных ТДС (суммарная масса M1 + M2 > 30MC ,                                            ядерной эволюции звезды на стадии выгорания во-
MC – масса Солнца), развитый в 1967 – 1983 годах                                           дорода в ядре для звезды с массой 30MC составляет
в работах поляка Б. Пачинского, живущего сейчас                                            3 ⋅ 106 лет. Более массивная звезда OB1 эволюциони-
в США, немцев Р. Киппенхана и А. Вайгерта, рус-                                            рует быстрее, увеличивает свой радиус и первой за-
ских А.В. Тутукова и Л.Р. Юнгельсона, голландца                                            полняет свою полость Роша (см. словарь терминов
Э. Ван ден Хейвела, русских В.Г. Корнилова и                                               в конце статьи). Будем считать, что это заполнение
В.М. Липунова.                                                                             произошло на стадии, когда у звезды OB1 имеется


уЦкЦиДфмд Д.е. нЦлзхЦ СЗйвзхЦ бЗЦбСх зД ийбСзап лнДСаьп щЗйгысаа                                                                                 85


       OB1               Л            OB2                            При условии M1 + M2 = const эта функция имеет ми-
                                                                     нимум, когда M1 = M2 . Поэтому при перетекании
      1 M1                             M2
                                                                     вещества от более массивной звезды OB1 к менее
                                                                     массивной OB2 расстояние между компонентами а
                                                                     уменьшается, что, в свою очередь, усиливает обмен
      2                                                              масс. Подчеркнем, что в случае массивной ТДС
                                                                     первой заполняет свою полость Роша и начинает
                   WR1                                               перетекать на вторую звезду всегда более массивная
                                                                     компонента. Поэтому в массивных ТДС расстояние
      3                                                              а между компонентами системы всегда уменьшается
                                                                     в начале первичного обмена масс, что делает обмен
                                                                     масс самоподдерживающимся и неизбежным. После
                                                                     завершения первичного обмена масс масса первона-
      4
               C                                                     чально менее массивной звезды OB2 увеличивается
                                                       SS433         почти втрое (поэтому далее эта звезда обозначается
                                                                     как OB ' ), и в системе реализуется так называемый
                                                                            2
                                                                     процесс перемены ролей компонент, когда первона-
      5 (a )
                                                                     чально более массивная звезда становится менее
                                                                     массивной компонентой двойной системы.
                                                    Объект              Все ТДС после первичного обмена масс, содер-
      5 (б )
                                                    Ландау–Торна–    жащие сильно проэволюционировавшие объекты
                                                    Житков           (белые карлики, звезды WR, нейтронные звезды,
                             WR2                                     черные дыры), принято называть ТДС на поздних
               C                                                     стадиях эволюции.
      5 (в )                        Cyg X-3                             Рассмотрим основные наблюдательные прояв-
                                                                     ления всех последующих стадий эволюции ТДС.
      5 (г)                                                          Ограничимся случаем массивных ТДС, которые в
                     C C                                             теоретическом плане изучены лучше всего.
          Рис. 2. Сценарий эволюции массивной тесной
          двойной системы. 1 – Разделенная ТДС из двух               бЗЦбСх ЗйгъоД–кДвЦ (WR) З нЦлзхп
          массивных горячих ОВ звезд (М1 > М2); указаны              СЗйвзхп лалнЦеДп л йЗ дйеийзЦзнДеа
          критические полости Роша каждой из компонент и
          внутренняя точка Лагранжа Л (в области их сопри-              После завершения первичного обмена масс в
          косновения). 2 – Первичный обмен масс в системе            массивной ТДС на месте первоначально более мас-
          через внутреннюю точку Лагранжа. 3 – Система
          WR1+ OB ' . 4 – стадия двойной системы С+ OB ' ,           сивной звезды OB1 образуется гелиевый остаток,
                   2                                     2
          содержащей релятивистский объект (С), но без               масса которого существенно меньше массы второй
          аккреции и мощного рентгеновского излучения.               компоненты OB 2 .
                                                                                     '
          5(a) – Рентгеновская двойная система с аккреци-
          онным диском вокруг релятивистского объекта;                  Как показывают расчеты, масса гелиевых остат-
          5(б) – Эволюция с общей оболочкой, приводящая              ков MR (с небольшими водородными оболочками)
          либо к формированию объекта Ландау–Торна–                  удовлетворительно описывается соотношением
          Житков, либо 5(в) к двойной системе C+WR2 типа
          Cyg X-3. Стадия 5(а) может привести также к фор-                                            M 1 1,4
                                                                                     ------- ≈ 0,1  -------  .
                                                                                     MR
          мированию объекта типа SS433 со сверхкритичес-                                   -               -           (2)
          ким аккреционным диском вокруг релятивистско-                              MC             M C
          го объекта, но без общей оболочки. 5(г) – Стадия
          двух релятивистских объектов.                                 Образовавшаяся на месте звезды OB1 гелиевая
                                                                     звезда с тонкой водородной оболочкой имеет эффек-
     инертное гелиевое ядро, где ядерные реакции еще                 тивную температуру, достигающую ∼105 К. Длитель-
     не идут, а водород выгорает в слоевом источнике.                ность этой стадии эволюции ∼3 ⋅ 105 лет. Гелиевые ос-
     Звезда OB1 теряет вещество через внутреннюю точ-                татки с тонкими водородными оболочками обычно
     ку Лагранжа. Это вещество перетекает на звезду OB2              рассматриваются как модели звезд WR. В настоящее
     и присоединяется к ней. Процесс первоначального                 время известно 170 звезд WR в нашей Галактике и
     обмена масс является самоподдерживающимся и                     примерно столько же в других ближайших галакти-
     очень быстрым (соответствующая шкала времени                    ках. Их характерная особенность – наличие мощ-
     тепловая, а не ядерная), в частности, ввиду того, что           ных и широких линий излучения, которые форми-
     расстояние а между компонентами двойной систе-                  руются в протяженной атмосфере, расширяющейся
     мы в консервативном случае меняется по закону                   со скоростями в тысячи километров в секунду, по-
                                                                     видимому, под действием давления излучения (эта
                                   const                             атмосфера также называется звездным ветром). Око-
                              a = --------------.
                                       2       2
                                                               (1)
                                  M1 M2                              ло половины известных звезд WR ярче 10 звездной


86                                                                      лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


                                                                                                                   ние формируется в ударной волне, образованной в
                                                                                  CQ Cep
                                                                                                                   результате столкновения звездных ветров WR и ОВ
                                                 32MC                                                              компонент. Эффекты столкновения звездных вет-
 Логарифм отношения светимости звезд




                                       6                      V444 Cyg
                                                                                       64MC                        ров компонент в массивных ТДС приводят к некон-
                                                                                                                   сервативности процесса обмена веществом между
                                                                                                                   компонентами, что должно учитываться теорией
                                                                            CV Ser                                 эволюции ТДС.
                                           ных




                                                          10MC                  32MC
                                                                         CX Cep
                                                                           д




                                                                                          ь
                                                                        оро




                                       5                                               ост                         ЗбкхЗ бЗЦбСх WR1 дДд лЗЦкпзйЗйв
                                                                    одн
 к светимости Солнца




                                                                                                     ьн
                                                                                                    16MC               Эволюция гелиевой звезды зависит от массы об-
                                                                                                 тел

                                                                                                                   разующегося у нее углеродно-кислородного ядра.
                                                                сть




                                                                                              ова


                                                                                                                   Для достаточно массивных первичных звезд ОВ с
                                                      ате зд
                                                               о




                                                                     3,9MC
                                                          ль н




                                                                                                          10MC
                                                                                            д
                                                   дов х зве




                                                                                                                   массой более 12MC масса СО-ядра превышает верх-
                                                                                         сле



                                       4
                                                                                                                   ний предел для соответствующих белых карликов
                                                                                                              по
                                            Послиевы




                                                                                                                   (1,4MC), и такие ОВ-звезды в двойных системах мо-
                                                                                                           ая




                                                                               2,1MC                               гут породить нейтронные звезды или черные дыры.
                                                                                                       авн
                                                ле




                                                                                                                   После истощения гелия в ядре звезды WR последо-
                                             ге




                                                                                                    Гл




                                                                                                                   вательно и во все ускоряющемся темпе выгорают
                                                        5,0         4,6          4,2                               углерод, кислород, неон и кремний с последующим
                                                         Логарифм эффективной температуры                          образованием железного ядра, коллапс которого
                                                                                                                   приводит к образованию релятивистского объекта,
                                                                                                                   сопровождаемого, по всей вероятности, взрывом
             Рис. 3. Положение четырех звезд Вольфа–Райе,                                                          сверхновой. Поскольку масса взрывающейся звез-
             являющихся компонентами затменных двойных                                                             ды велика, это должна быть сверхновая II типа (по
             систем, на диаграмме Герцшпрунга–Рессела
             спектр–светимость (по результатам нашей ин-                                                           классификации И.С. Шкловского) с той лишь раз-
             терпретации кривых блеска этих систем). Для                                                           ницей, что из-за отсутствия протяженной водо-
             примера показан один из эволюционных треков                                                           родной оболочки (характерной для массивных
             звезды ОВ в массивной ТДС (по А.В. Тутукову и                                                         сверхгигантов, но не для звезд WR) коэффициент
             Л.Р.Юнгельсону), обусловленный первичным об-
             меном масс.
                                                                                                                   переработки энергии взрыва в излучение очень мал
                                                                                                                   (порядка 0,001, согласно оценкам Имшенника и
                                                                                                                   Надежина).
величины обнаружены как компоненты WR1 + OB 2       '                                                                  В последнее время выявлен новый класс сверх-
систем. Орбитальные периоды этих систем p лежат                                                                    новых, возникновение которых связывают со взры-
в пределах от 1,6 до 2900 дней. Эксцентриситеты ор-                                                                вами звезд WR. В частности, аномально слабая
бит e ≈ 0 для p < 14 суток и e = 0,3 – 0,8 для p > 70                                                              сверхновая, сопровождавшая образование остатка
                                        M WR                                                                       сверхновой Кассиопея А, могла быть вызвана взры-
дней. Отношение масс компонент q = ---------- лежит в
                                            -                                                                      вом звезды WR.
                                        M OB
пределах 0,17 – 2,78.
                                                                                                                   лнДСаь “зЦкЦзнЙЦзйЗлдйв” СЗйвзйв
   Модель звезды WR как обнаженного гелиевого                                                                      лалнЦех л кЦгьнаЗалнлдае йЕцЦднйе
ядра первоначально массивной ОВ звезды под-
тверждается нашими определениями радиусов и                                                                            Рассмотрим теперь эволюцию второй звезды –
температур звезд WR из анализа кривых затмений                                                                     OB2 . После первичного обмена масс в двойной сис-
двойных затменных WR+ОВ систем. Особенно                                                                           теме звезда OB2 захватила (аккрецировала) вещест-
сильное подтверждение модели звезды WR как ге-                                                                     во звезды OB1 (ее водородную оболочку, то есть бо-
лиевого остатка было получено недавно в связи с                                                                    лее 60% массы звезды OB1) и масса звезды OB2
открытием Ван Керквиком с соавторами звезды WR                                                                     возросла, но она остается звездой главной последо-
в составе сильно проэволюционировавшей рентге-                                                                     вательности нормального химического состава с
новской двойной системы Cyg X-3, содержащей                                                                        характерным временем ядерной эволюции около
нейтронную звезду или черную дыру.                                                                                 106 лет. После взрыва звезды WR1 и образования ре-
                                                                                                                   лятивистского объекта формируется система
    Сильное рентгеновское излучение двойных сис-                                                                   C+ OB 2 с релятивистским объектом. При этом
                                                                                                                          '
тем WR1+ OB 2 было предсказано в 1967 – 1976 годах
              '                                                                                                    двойная система не распадается под действием
в работах автора статьи и в работах О.Ф. Прилуцкого                                                                взрыва сверхновой, поскольку взрывается менее
и В.В. Усова. Наблюдения с борта внеатмосферной                                                                    массивная звезда WR1 , а удар оболочки сверхновой
американской обсерватории “Эйнштейн” подтвер-                                                                      о звезду OB 2 не приводит к распаду системы. Ско-
                                                                                                                                 '
дили наше предсказание: было обнаружено значи-                                                                     рость центра масс системы после взрыва сверхно-
тельное (порядка 1033 – 1034 эрг/с) рентгеновское                                                                  вой может превышать 100 км/с, и за время жизни
излучение от WR+ОВ двойных систем. Это излуче-                                                                     звезды OB ' двойная система может удалиться от
                                                                                                                               2




уЦкЦиДфмд Д.е. нЦлзхЦ СЗйвзхЦ бЗЦбСх зД ийбСзап лнДСаьп щЗйгысаа                                                                                                        87


     плоскости Галактики на расстояние до нескольких        свидетельствуют о произошедших в них взрывах
     сотен парсек.                                          сверхновых, а наличие активных испускающих
                                                            (эжектирующих) радиоволны и частицы, но не ак-
         После взрыва сверхновой и образования на мес-
                                                            крецирующих вещество радиопульсаров позволяет
     те звезды WR1 релятивистского объекта последний
                                                            со всей определенностью отнести эти двойные сис-
     не является мощным источником рентгеновского
                                                            темы к классу “нерентгеновских” двойных систем,
     излучения, и в этом смысле он “невидим”. Это свя-
                                                            описанному выше.
     зано с тем обстоятельством, что звезда OB 2 является
                                               '
     звездой главной последовательности и далека от за-
     полнения своей полости Роша, а захват вещества из      лнДСаь кЦзнЙЦзйЗлдйв СЗйвзйв лалнЦех
     звездного ветра этой звезды на релятивистский объ-
                                                                По прошествии порядка миллиона лет после
     ект, по-видимому, недостаточен для образования
                                                            взрыва звезды WR1 как сверхновой звезда OB 2 уве-
                                                                                                        '
     мощного рентгеновского источника. Заметим, одна-
                                                            личит свой радиус, приблизит свою поверхность к
     ко, что если OB 2 звезда быстро вращается, в области
                      '                                     границам полости Роша. Стимулированный при-
     экватора этой звезды образуется мощный звездный
                                                            ливными гравитационными силами звездный ветер,
     ветер, стимулированный вращением. Это может
                                                            особенно интенсивно истекающий через внутрен-
     обеспечивать достаточно интенсивный темп аккре-
                                                            нюю точку Лагранжа, приведет к формированию во-
     ции вещества из экваториального звездного ветра
                                                            круг релятивистского объекта аккреционного дис-
     на релятивистский объект и формирование мощно-
                                                            ка. В системе возникает мощный рентгеновский
     го рентгеновского источника даже в том случае, ес-
                                                            источник со светимостью порядка 1036 – 1038 эрг/с.
     ли звезда OB 2 далека от заполнения своей полости
                    '                                       Многие десятки таких рентгеновских двойных сис-
     Роша. Такая ситуация наблюдается у рентгеновских
                                                            тем с массивными ОВ компонентами открыты в Га-
     двойных систем умеренных масс с оптическими
                                                            лактике, а также в Большом и Малом Магеллано-
     компонентами (то есть наблюдаемыми в оптическом
                                                            вом облаках (ближайших к нам галактиках).
     диапазоне длин волн) – звездами Ве. Активность мо-
                                                            Рентгеновские двойные системы с ОВ сверхгиган-
     лодой нейтронной звезды (быстрое вращение с силь-
                                                            тами состоят из оптической ОВ звезды, близкой к
     ным магнитным полем, выброс ею релятивистских
                                                            заполнению своей полости Роша, и релятивистско-
     частиц и т.п.) может также препятствовать аккреции
                                                            го объекта, находящегося в режиме аккреции веще-
     вещества звезды OB 2. Таких массивных ТДС с неви-
                          '                                 ства, поставляемого ОВ звездой. Большинство та-
     димыми релятивистскими объектами может сущест-
                                                            ких систем было открыто в 70-х годах с помощью
     вовать несколько тысяч в нашей Галактике. Отличи-
                                                            специализированных американских спутников
     тельные особенности таких систем – большие
                                                            “Ухуру” и “Эйнштейн”. Отождествление этих рент-
     пространственные скорости (до сотен км/с) и зна-
                                                            геновских источников с оптическими звездами, ак-
     чительные (до 1 килопарсека) высоты z над галакти-
                                                            тивно проводившееся рядом групп, в том числе в
     ческой плоскостью, которые двойные системы при-
                                                            Государственном астрономическом институте им.
     обретают в результате произошедших в них взрывов
                                                            П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ, позволило деталь-
     сверхновых.
                                                            но исследовать основные характеристики рентге-
        В Галактике наблюдается значительное число          новских двойных систем и определить массы ней-
     таких “убегающих” ОВ звезд с большими простран-        тронных звезд и черных дыр.
     ственными скоростями. По современным представ-
                                                                Известно более десятка массивных рентгенов-
     лениям, по крайней мере некоторые из них могут
                                                            ских двойных с ОВ сверхгигантами, близкими к
     быть ТДС, содержащими релятивистские спутники
                                                            заполнению своих полостей Роша. Рентгеновское
     в неактивной, нерентгеновской стадии. В таких си-
                                                            излучение от таких систем квазистационарно.
     стемах релятивистские спутники могут быть обна-
                                                            Орбитальные периоды сравнительно короткие:
     ружены косвенно, по периодическим изменениям
                                                            р = 1,4 – 9 суток, эксцентриситеты орбит близки к
     лучевых скоростей оптической ОВ звезды. Поиск
                                                            нулю: е = 0 – 0,1. Помимо переменности, связанной
     релятивистских спутников у “убегающих” ОВ звезд
                                                            с орбитальным движением компонент (рентгенов-
     проводился в последние годы рядом групп. При-
                                                            ские и оптические затмения, эффекты эллипсои-
     мерно у десятка “убегающих” ОВ звезд были обна-
                                                            дальности и “отражения” в оптическом диапазоне),
     ружены квазипериодические изменения лучевых
                                                            в таких “стационарных” массивных рентгеновских
     скоростей с амплитудой 10 – 30 км/с и периодами
                                                            двойных системах наблюдается долгопериодичес-
     1 – 100 суток. Во всех случаях строгая периодич-
                                                            кая рентгеновская и оптическая переменность, по-
     ность изменений лучевых скоростей пока не доказа-
                                                            видимому, связанная с эффектами прецессии оси
     на и для этого требуются дальнейшие наблюдения.
                                                            вращения оптической звезды или аккреционного
         В последнее время открыты два радиопульсара в      диска. Рентгеновские источники в таких системах –
     двойных системах с ОВ компонентами: PSR 1259-63        аккрецирующие нейтронные звезды и черные ды-
     (p = 7,8 лет, e = 0,97) и пульсар в Малом Магеллано-   ры. Нейтронные звезды проявляются как рентге-
     вом облаке (р = 52 дня, е = 0,80). Очень большие       новские пульсары с периодами пульсаций 0,7 – 600 с.
     значения эксцентриситетов этих двойных систем          Это связано с тем, что нейтронная звезда быстро


88                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


вращается и имеет сильное (порядка 1012 Гс) маг-       удивительными свойствами, что его по праву назы-
нитное поле, которое канализирует плазму из внут-      вают загадкой века.
ренних частей аккреционного диска на магнитные
полюсы нейтронной звезды. В местах столкновения            Свое название объект SS433 получил по поряд-
плазмы с поверхностью нейтронной звезды образу-        ковому номеру в каталоге Стефенсона и Сандулика,
ются два горячих рентгеновских пятна. Поскольку        содержащем звезды с сильными эмиссионными ли-
ось вращения нейтронной звезды не совпадает с          ниями водорода. Объект ассоциирован с радио- и
осью магнитного поля, наблюдатель видит эффект         рентгеновским источниками и локализован в цент-
маяка: горячие пятна то видны наблюдателю, то эк-      ре пекулярного остатка вспышки сверхновой W50.
ранируются от него телом нейтронной звезды, что и      В 1979 году появилось сенсационное сообщение
приводит к явлению рентгеновского пульсара. Три        группы американских астрофизиков, руководимой
массивные рентгеновские двойные системы с ОВ           Брюсом Маргоном, которые открыли в оптическом
сверхгигантами содержат массивные (масса более         спектре SS433 три системы линий излучения водо-
трех солнечных) рентгеновские источники (Cyg X-1,      рода и нейтрального гелия, две из которых были
LMC X-3 и LMC X-1).                                    смещены относительно своего нормального положе-
                                                       ния на громадную величину, достигающую ±900 Е,
    Существует класс рентгеновских двойных сис-        причем положение этих смещенных линий не оста-
тем, содержащих в качестве оптических компонент        ется постоянным: они перемещаются по спектру в
быстровращающиеся звезды Ве умеренных масс             синюю и красную части с периодом около 164 су-
(6 – 20MC) главной последовательности. Это так на-     ток. Эта уникальная особенность SS433 совместима
зываемые массивные рентгеновские транзиентные          с представлением о том, что движущиеся эмиссион-
источники. Оптические звезды здесь не заполняют        ные линии в его спектре формируются в двух проти-
свои полости Роша. Орбитальные периоды велики:         воположно направленных коллимированых (угол
p = 10 – 1000 суток, эксцентриситеты орбит значи-      расходимости меньше 1°) выбросах газа (джетах),
тельны: e = 0,2 – 0,8. Рентгеновские источники –       которые вырываются из внутренних частей аккре-
аккрецирующие нейтронные звезды, в большинст-          ционного диска с релятивистскими скоростями
ве случаев – рентгеновские пульсары с периодами        примерно 80000 км/с (0,27 от скорости света). Ак-
0,07 – 6000 c. Характерная особенность этих систем –   креционный диск и коллимированые выбросы (ко-
вспышки рентгеновского излучения длительностью         торые ему перпендикулярны) прецессируют с перио-
порядка месяца (светимость в максимуме порядка         дом около 164 суток, причем угол между выбросами
1038 – 1039 эрг/с ). Рентгеновские вспышки преиму-     и осью прецессии составляет приблизительно 20°, а
щественно происходят вблизи момента прохожде-          ось прецессии перпендикулярна плоскости орбиты
ния аккрецирующей нейтронной звезды через пе-          двойной системы и наклонена по отношению к лу-
риастр орбиты, где плотность экваториального           чу зрения на угол примерно 79°.
звездного ветра Ве звезды максимальна. Рентгенов-         В настоящее время установлено, что объект
ская светимость в спокойном состоянии у таких си-      SS433 представляет собой массивную рентгенов-
стем порядка 1033 – 1034 эрг/с.                        скую двойную систему с периодом 13,1 суток, состо-
                                                       ящую из нормальной оптической ОВ звезды, пере-
Знйкаузхв йЕеЦз еДлл З лалнЦеЦ                         полняющей свою полость Роша, и релятивистского

    Стадия рентгеновской двойной системы про-
должается очень недолго: порядка 103 – 104 лет. Ког-
да звезда OB ' окончательно заполнит свою полость
             2
Роша, истечение вещества через внутреннюю точку                              Прецессирующий
Лагранжа будет происходить в темпе, соответствую-                             аккреционный
щем времени тепловой релаксации звезды и достига-                                 диск
ющем для массивных звезд 0,0001 – 0,001 солнечных
масс в год. В этом случае рентгеновское излучение
полностью поглощается в оптически толстом ак-
креционном диске и реализуется сверхкритический
режим аккреции, когда сила давления радиации             Нормальная
превосходит силу гравитационного притяжения в              звезда                              к Земле
диске. На месте рентгеновского источника наблю-
дается оптически яркий аккреционный диск, из ко-
торого под действием давления радиации происхо-
дит мощное истечение вещества. Рентгеновская              Рис. 4. Модель объекта SS433 как массивной рен-
                                                          теновской двойной системы с прецессирующим
двойная система в этом случае по своим наблюда-           аккреционным диском вокруг релятивистского
тельным проявлениям чрезвычайно похожа на зна-            объекта. Показаны релятивистские джеты, пер-
менитый объект SS433, который обладает столь              пендикулярные плоскости аккреционного диска.



уЦкЦиДфмд Д.е. нЦлзхЦ СЗйвзхЦ бЗЦбСх зД ийбСзап лнДСаьп щЗйгысаа                                            89


     I                                                      объектом (система C+WR2). Выброшенная за преде-
     3                                                      лы двойной системы общая оболочка “ нагребает”
                                                            межзвездный газ и образует кольцевую туманность
     2
                                                            вокруг системы C+WR2 . Подобные кольцевые ту-
     1                                                      манности размером около 1 парсека наблюдаются
     0
                                                            примерно у двух десятков звезд WR.
     0,8        0        0,2      0,4      0,6      0,8        То, что стадия вторичного обмена масс в режиме
                                                 Фаза       с общей оболочкой действительно реализуется в
                                                            природе, доказывается недавним открытием звезды
         Рис. 5. Оптическая кривая блеска SS433, охваты-    WR в очень короткопериодической рентгеновской
         вающая один прецессионный 164-дневный цикл.        двойной системе Cyg X-3. Очень короткий орби-
         Видны затмения аккреционного диска оптической
         звездой с периодом 13,1 суток. Глубина затмений    тальный период (4,8 часа) этой системы свидетель-
         и внезатменный блеск меняются в связи с прецес-    ствует об интенсивной потере массы и углового мо-
         сией аккреционного диска.                          мента, который мог реализоваться на стадии
                                                            двойной системы с общей оболочкой.
     объекта, окруженного толстым аккреционным дис-
     ком, прецессирующим с периодом приблизительно          лнДСаь Знйкйв бЗЦбСх WR З лалнЦеЦ
     164 суток. Таким образом, объект SS433 подобен             Образовавшиеся в результате вторичного обме-
     рентгеновской двойной системе Cyg X-1 или Cen X-3      на масс в ТДС звезды WR2 “второго поколения”
     с той лишь разницей, что оптическая звезда в систе-    должны обладать большими пространственными
     ме SS433 находится на более продвинутой стадии         скоростями и иметь в среднем большие высоты z
     ядерной эволюции, переполняет свою полость Ро-         над галактической плоскостью в силу импульса, по-
     ша и истекает на релятивистский объект в тепловой      лученного двойной системой в результате взрыва
     шкале времени релаксации. Это приводит к явле-         сверхновой. Кроме того, C+WR2 системы могут
     нию сверхкритической аккреции на релятивист-           быть окружены кольцевыми туманностями.
     ский объект. Появление релятивистских сильно               А.В. Тутуков и Л.Р. Юнгельсон, а также Э. Ван
     коллимированых выбросов вещества, вырывающих-          ден Хейвел в 1973 – 1976 годах высказали идею о
     ся из центральных частей толстого аккреционного        том, что звезды WR, окруженные кольцевыми ту-
     диска, является новой и неожиданной особенностью       манностями, могут быть двойными C+WR2 систе-
     сверхкритического режима аккреции. Поскольку           мами, то есть C+ OB ' системами на стадии после
                                                                                   2
     стадия эволюции объекта SS433 очень кратковре-         вторичного обмена масс.
     менна, таких объектов должно быть очень мало в Га-         Интенсивный поиск проявлений двойственнос-
     лактике – порядка единиц.                              ти (периодическая переменность блеска и лучевых
        В системе SS433 реализуется неожиданный для         скоростей) у ряда одиночных звезд WR, имеющих
     теории эволюции массивных ТДС режим вторично-          большие z и окруженных кольцевыми туманностя-
     го обмена масс, когда переполнение звездой OB 2
                                                   '        ми, привел к выделению около десятка звезд WR, у
     своей полости Роша ведет к формированию сверх-         которых можно подозревать наличие релятивист-
     критического аккреционного диска вокруг реляти-        ских спутников. Среди таких звезд WR две с уве-
     вистского объекта, из которого и осуществляется        ренностью могут быть отнесены к классу двойных
     интенсивный унос массы и углового момента за           с “невидимыми” спутниками: HD 50896 (WN5,
     пределы двойной системы.                               p = 3,763 суток, z = −279 парсек, расположена в цен-
         Классическая теория эволюции массивных ТДС         тре кольцевой туманности RCW11) и HD 197406
     предсказывает иной режим вторичного обмена масс –      (WN7, p = 4,327 суток, z = 1032 парсека).
     через формирование общей оболочки. При скоро-              Решающим в пользу присутствия релятивист-
     сти потери массы звездой OB ' через точку Лагранжа
                                  2
                                                            ского спутника было бы обнаружение мощного (по-
     ∼0,0001 – 0,001 солнечных масс в год релятивист-       рядка 1038 эрг/с) рентгеновского излучения от таких
     ский объект из-за наличия так называемого              звезд WR. Однако недавние наблюдения с борта об-
     эддингтоновского предела не может аккрецировать        серватории “Эйнштейн” показали, что рентгенов-
     все вещество, поступающее в аккреционный диск,         ское излучение от таких звезд WR (в том числе и от
     поэтому подавляющая часть вещества (свыше 99%)         упомянутых выше HD 50896 и HD 197406) не пре-
     должна уходить за пределы двойной системы, унося       вышает 1033 эрг/с, что слишком мало для аккреци-
     массу и угловой момент. В этом случае должна           рующих нейтронных звезд или черных дыр. Поэто-
     сформироваться общая оболочка, в которой реля-         му вопрос о природе невидимых спутников в
     тивистский объект интенсивно тормозится. Угло-         данном случае пока остается открытым.
     вой орбитальный момент релятивистского объекта             Недавнее открытие звезды WR в пекулярной ко-
     при этом передается общей оболочке, которая быс-       роткопериодической рентгеновской двойной систе-
     тро теряется. В итоге на месте звезды OB 2 образует-
                                              '             ме Cyg X-3 доказало реальное существование двой-
     ся вторая звезда WR (WR2) в паре с релятивистским      ных систем C+WR2 , образовавшихся в результате


90                                                             лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996


вторичного обмена масс в массивных ТДС на ста-        с быстрым осевым вращением. Строго периодичес-
дии с общей оболочкой.                                ки повторяющиеся импульсы радиоизлучения
                                                      пульсара обусловлены переработкой энергии вра-
лнДСаь йСазйузйв бЗЦбСх                               щения нейтронной звезды в направленное радиоиз-
л кЦгьнаЗалнлдае йЕцЦднйе З сЦзнкЦ                    лучение через посредство сильного магнитного по-
                                                      ля. Известные радиопульсары в двойных системах
   Существует еще один путь эволюции массивной
                                                      содержат в качестве спутников нейтронную звезду,
ТДС на стадии после завершения вторичного обме-
                                                      белый карлик, массивную ОВ звезду и даже плане-
на масс. Наиболее тесные двойные C+OB 2 системы
                                        '             ты. Периоды вращения пульсаров в двойных систе-
с нейтронными звездами или черными дырами на
                                                      мах лежат в пределах 0,0016 – 1 секунда и в среднем
стадии с общей оболочкой могут из-за сильного
                                                      значительно короче, чем периоды одиночных пуль-
торможения релятивистского объекта в оболочке
                                                      саров. Это связано с тем, что во время вторичного
образовать одиночные объекты с ядрами, состоя-
                                                      обмена масс в массивной ТДС нейтронная звезда
щими из нейтронной звезды или черной дыры (ре-
                                                      сильно раскручивается, аккумулируя значительную
лятивистский объект в этом случае “падает” в центр
                                                      долю орбитального углового момента двойной сис-
нормальной OB 2 звезды). Подобные объекты (на-
                '                                     темы. Орбитальные периоды двойных радиопульса-
зываемые объектами Ландау–Торна–Житков1) так-
                                                      ров лежат в пределах 0,2 – 1300 суток, эксцентриси-
же должны обладать большими пространственны-
                                                      теты орбит e = 0 – 0,97.
ми скоростями и иметь большие высоты z над
галактической плоскостью, поскольку они образо-
вались в двойной системе, испытавшей взрыв            бДдгыуЦзаЦ
сверхновой.
   Согласно теории, объекты Ландау–Торна–Жит-            Сравнение современных представлений об эво-
ков должны сильно отличаться по наблюдательным        люции ТДС разных типов с данными наблюдений и
проявлениям от звезд WR, например быть полно-         их интерпретации приводит к выводу о том, что те-
стью конвективными красными сверхгигантами.           ория в целом правильно описывает эволюцию ТДС.
Однако для окончательного отождествления объек-       Теория ставит новые наблюдательные задачи по ис-
тов Ландау–Торна–Житков с наблюдаемыми объ-           следованию ТДС на разных стадиях эволюции. В то
ектами требуются дальнейшие усилия как теорети-       же время современные наблюдения ТДС и их ин-
ков, так и наблюдателей.                              терпретация в ряде случаев ставят перед теорией
                                                      новые задачи, стимулирующие ее дальнейшее раз-
ЗбкхЗ бЗЦбСх WR2 дДд лЗЦкпзйЗйв                       витие. Это обеспечивает прогресс наших знаний об
а лнДСаь СЗмп кЦгьнаЗалнлдап йЕцЦднйЗ                 эволюции ТДС и их связи с образованием таких
                                                      экстремальных объектов, как нейтронные звезды и
   Взрыв второй звезды WR (WR2) в двойной систе-      черные дыры.
ме C+WR2 с релятивистским объектом в большин-
стве случаев приводит к распаду двойной системы,         Отметим два достижения в области исследования
поскольку в этом случае взрывается компонента         ТДС на поздних стадиях эволюции, которые прин-
большей массы. Распад системы приводит к образо-      ципиально важны для фундаментальной физики.
ванию двух быстролетящих релятивистских объек-
тов. При специфической асимметрии взрыва сверх-          1. Надежное свидетельство существования гра-
новой система может не распасться, и в этом случае    витационных волн в природе, полученное по дан-
может образоваться двойная система, состоящая из      ным о вековом укорочении орбитального периода
двух релятивистских объектов с пространственной       двойного радиопульсара PSR 1913+16. Эта работа
скоростью центра масс в сотни километров в секун-     удостоена Нобелевской премии.
ду и большим эксцентриситетом орбиты. Пример
такой системы: двойной радиопульсар PSR 1913+16,         2. Надежные определения масс десяти канди-
который демонстрирует укорочение орбитального         датов в черные дыры в рентгеновских двойных си-
периода за счет уноса энергии и углового момента      стемах Cyg X-1, LMC X-1, LMC X-3, A0620-00,
излучением гравитационных волн в строгом коли-        V404 Cyg, XN Mus 1991, QZ Vul, XN Sco 1994, XN
чественном соответствии с предсказаниями общей        Oph 1977, XN Per 1992. Во всех этих случаях масса
теории относительности А. Эйнштейна.                  рентгеновского источника превышает 3 солнечных
                                                      массы, а его радиус меньше радиуса Земли. Замеча-
   В последние годы число открытых двойных ра-        тельно то, что ни один из этих массивных рентге-
диопульсаров достигло 42 (полное число известных      новских источников не является рентгеновским
радиопульсаров около 700). Известно, что радио-       пульсаром.
пульсар представляет собой сильно намагниченную
(магнитное поле порядка 1012 Гс) нейтронную звезду       Таким образом, современные наблюдательные
                                                      данные по релятивистским объектам в тесных двой-
1
  По имени Л.Д. Ландау, К. Торна из Калифорнийского   ных системах согласуются с предсказаниями общей
технологического института и польки Анны Житков.      теории относительности.


уЦкЦиДфмд Д.е. нЦлзхЦ СЗйвзхЦ бЗЦбСх зД ийбСзап лнДСаьп щЗйгысаа                                            91


     СйийгзЦзаЦ: ийьлзЦзаь лиЦсаДгъзхп                     нескольких ангстрем и меньше. Оно возникает при
     нЦкеазйЗ                                              нагреве вещества до очень высоких температур –
        Белый карлик – звезда, состоящая из вещества,      более миллиона кельвинов.
     свойства которого определяются законами не клас-         Полость Роша – полость около звезды в тесной
     сической, а квантовой механики (вырожденный           двойной системе, где притяжение звезды преобла-
     электронный газ). Это конечная стадия эволюции        дает. Полости Роша вокруг первой и второй звезд в
     звезды с массой порядка солнечной. Радиус белого      двойной системе соприкасаются друг с другом в
     карлика порядка радиуса Земли. Плотность вещест-      точке Лагранжа.
     ва – около 1 тонны в кубическом сантиметре.              Гравитационные волны – переменное гравитаци-
        Нейтронная звезда состоит в основном из вы-        онное поле, излучающееся в пространство со ско-
     рожденных нейтронов, упакованных до плотности         ростью света ускоренно движущимися телами. Их
     атомного ядра. Это конечная стадия эволюции звез-     существование предсказывается ОТО А. Эйнштейна.
     ды с массой порядка нескольких солнечных. Радиус
     нейтронной звезды порядка десяти километров.          кЦдйеЦзСмЦеДь ганЦкДнмкД
     Плотность вещества достигает миллиарда тонн в            1. Асланов А.А.,Колосов Д.Е., Липунова Н.А., Хрузина Т.С.,
     кубическом сантиметре.                                   Черепащук А.М. Каталог тесных двойных звезд на по-
        Черная дыра – объект, предсказываемый общей           здних стадиях эволюции. М.: Изд-во МГУ, 1989.
     теорией относительности А.Эйнштейна. Это объ-            2. Черепащук А.М. Двойные звезды и релятивистская
     ект, у которого вторая космическая скорость равна        астрофизика // Природа. 1987. № 3. С. 3 – 14.
     скорости света (300 000 км/с), то есть даже свет не      3. Черепащук А.М. Звезды Вольфа–Райе и рентгенов-
                                                              ские двойные // Земля и Вселенная. 1994. № 2. С. 3 – 11.
     может вырваться из ее гравитационного поля. Чер-
     ная дыра образуется на конечной стадии эволюции
     массивной звезды. Радиус черной дыры при массе                                   * * *
     десять солнечных составляет 30 км.                       Анатолий Михайлович Черепащук, доктор фи-
        Общая теория относительности (ОТО) А. Эйн-         зико-математических наук, профессор, директор
     штейна – теория, описывающая свойства сильных         Государственного астрономического института
     гравитационных полей. В случае слабых гравитаци-      им. П.К. Штернберга Московского государствен-
                                                           ного университета им. М.В. Ломоносова, зав. ка-
     онных полей ОТО переходит в теорию тяготения
                                                           федрой астрофизики и звездной астрономии фи-
     Ньютона.
                                                           зического факультета МГУ. Научные интересы:
        Рентгеновское излучение – электромагнитное         физика тесных двойных звезд, обратные задачи
     излучение с очень короткой длиной волны, порядка      астрофизики.




92                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹8, 1996



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика