Сергей Попов - Суперобъекты. Звезды размером с город
На самом деле народное хозяйство постоянно имеет дело с продуктами взрывов сверхновых Ia. Весь чугун, вся сталь связаны именно с ними. Именно взрывы сверхчандрасекаровских белых карликов являются основными поставщиками железа во Вселенной. А кроме того, это невероятно красиво. У многих фотографии таких объектов красуются на рабочем столе компьютера. Чем не «прикладное значение»?
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.
Фотография колец сверхновой 1987А стала одной из визитных карточек хаббловского телескопа. Для объяснения их формирования нужно предположить, что взорвавшаяся звезда изначально входила в двойную систему.
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.
Планетарная туманность NGC 6302 с явно выраженной осевой, а не центральной симметрией. Такие структуры проще формировать с участием двойных систем.
Размеры двойных
Насколько тесными могут быть двойные системы? Конечно, есть какой-то нижний предел и какой-то верхний. Верхний предел размера системы связан с тем, что вокруг есть другие звезды. Они своим воздействием, приливами, влияют на двойную систему и могут ее разорвать. Поэтому очень широкие двойные системы элементарно неустойчивы – какая-то рядом пролетающая звезда способна увлечь за собой одну из звезд двойной или просто развалить систему. Здесь, кстати, возможны всякие занимательные процессы. Взаимодействие двух двойных может привести к обмену звездами. Динамика взаимодействия нескольких звезд вообще достаточно богата и порождает достаточно необычные объекты. Кроме того, суммарное воздействие галактических объектов – гравитационный потенциал Галактики – оказывает влияние на двойные системы и вносит свой вклад в верхний предел уже на стадии формирования двойной. В итоге практически не возникают двойные с расстоянием между звездами более тысячи миллиардов километров (примерно 0,1 светового года).
Что же у нас с нижним пределом размера двойной системы? Естественно, когда двойная только образовалась, то самый жесткий нижний предел – это просто суммарный радиус звезд. Они не должны слиться сразу по возникновении. Так что новорожденные звезды, даже самые легкие, вряд ли могут оказаться на расстоянии миллиона километров друг от друга. Но в результате эволюции могут возникать и более тесные системы, так как размер звезд может существенно уменьшаться на поздних стадиях.
В ходе своей эволюции звезды могут расширяться, и опять-таки важно, чтобы одна не оказалась внутри другой. Ведь это означает, что они сольются, т. е. двойная система не выжила, образовался единый объект. С другой стороны, в процессе своей эволюции звезды могут очень здорово съезжаться. Например, если одна из звезд расширилась и образовалась большая оболочка вокруг двойной, то звезды внутри этой оболочки будут очень сильно сближаться, и это позволяет образовывать очень интересные системы. Самая тесная на сегодняшний день двойная состоит из белых карликов. Они делают оборот друг вокруг друга всего лишь за пять минут (орбитальная скорость превосходит миллион километров в час)! Естественно, система должна была очень сильно съехаться, потому что вначале такую компактную двойную систему невозможно было создать: одна нормальная звезда прямо налезала бы на другую.
Интересным примером результата сближения звезд являются так называемые объекты Торна – Житков. Их придумали в далеком 1975 году Кип Торн и Анна Житков. По сути это чем-то напоминает гипотетический объект из старой работы Ландау, опубликованной в 1938 году: компактный объект ядерной плотности внутри обычной звезды. Торн и Житков не только детально рассмотрели свойства таких объектов, но и обсудили возможный механизм формирования.
Пример эволюционной последовательности в двойной системе. Система из двух звезд с массами 12 и 9 солнечных проходит длинную цепочку превращений. На одной из стадий, после взрыва сверхновой, наблюдается молодой радиопульсар в двойной системе. Затем возникает рентгеновский пульсар. На предпоследней стадии возникает объект Торна – Житков, а затем происходит коллапс в черную дыру.
Такие необычные «звери» возникают в тесных двойных системах, которые пережили первый взрыв сверхновой. Когда вторая звезда превращается в красного гиганта, компоненты пары начинают сближаться. В результате нейтронная звезда может быть поглощена гигантом. Удивительно, но такие объекты трудно распознать, и пока нет ни одного стопроцентно достоверного объекта Торна – Житков. Дело в том, что толстая «шуба» красного гиганта скрывает то, что происходит в недрах. Астрономы пытаются распознать объекты Торна – Житков по аномалиям химического состава во внешних слоях раздувшихся звезд. На момент написания книги лучшим кандидатом считается звезда HV 2112. Аномалии всех ранее появлявшихся кандидатов удалось объяснить процессами в недрах проэволюционировавших звезд (в первую очередь тем самым s-процессом, о котором мы упоминали в начале книги).
На рисунке показана эволюция двойной системы, приводящая к образованию объекта Торна – Житков. Все начинается с двух звезд с массами 9 и 12 масс Солнца. Более массивная звезда эволюционирует быстрее и заполняет свою полость Роша. Часть вещества перетекает на соседку (теперь та становится более массивной), а часть рассеивается вокруг. При этом орбита становится более тесной. Звезда, изначально бывшая более массивной, взрывается, порождая нейтронную звезду. Вначале она находится на стадии радиопульсара. Затем вторая звезда эволюционирует, расширяется, превращаясь в красного гиганта, и начинает перетекать на нейтронную. Возникает рентгеновский пульсар. Часть вещества не успевает попасть на компактный объект. Возникает так называемая общая оболочка, уносящая момент импульса (орбитальный момент системы). На этой стадии система также становится более тесной. В результате нейтронная звезда попадает внутрь гиганта. Возникает объект Торна – Житков.
Есть несколько способов заставить звезды в двойной системе сближаться. Кроме образования общей оболочки, это может быть связано с так называемыми магнитными звездными ветрами. Исходящий от звезды ветер частиц захвачен ее магнитным полем. И пользуясь полем как рычагом, звездный ветер может очень эффективно отводить от системы орбитальный момент, т. е., попросту говоря, тормозить вращение двойной. Такой механизм работает для систем с красными карликами. На определенном этапе, когда двойная уже стала очень тесной, звезды сближаются из-за излучения гравитационных волн. Гравитационные волны уносят момент импульса, система становится более компактной. Именно благодаря им могут сливаться друг с другом белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.
