V. Свойства двойных звезд

Главный параметр

В первом приближении звезда – очень простой объект. И у звезды есть один самый главный параметр – это ее масса. Массы самых легких и самых тяжелых звезд сейчас различаются более чем в тысячу раз. Другие важные параметры, такие как химический состав, вращение и т. д., различаются у звезд не столь радикально, поэтому их вариациями можно пренебречь.

От массы, в первую очередь зависит, сколько звезда будет жить, во что она превратится, какие метаморфозы будет претерпевать на жизненном пути, какой будет ее светимость на разных этапах эволюции и т. д. Самые легкие звезды (в 10–13 раз легче Солнца) живут очень‑очень долго, и реакции в них не идут дальше превращения водорода в гелий. Пока ни одна такая одиночная звезда во Вселенной не окончила свой жизненный путь, но когда‑нибудь они станут гелиевыми белыми карликами. Самые тяжелые (раз в сто тяжелее нашей звезды) живут всего лишь пару миллионов лет и чаще всего превращаются в черные дыры.

В процессе эволюции звезда может увеличивать свой размер в сотни раз, а потом сбрасывать внешние слои и снова уменьшаться. Это сопровождается изменением мощности излучения и температуры. Меняется скорость вращения звезды, ее внутренняя структура и состав. Однако все эти превращения почти полностью предопределены начальной массой.

Если звезда одна, то массу в процессе своей жизни она может только терять. От звезды дует звездный ветер – иногда посильнее, иногда послабее, – и масса уменьшается. Но все эти потери уже предопределены тем, какой была масса в начале. Поэтому было бы здо́рово придумать способ менять (то уменьшать, то увеличивать) массу звезды в течение ее жизни.

Есть один хороший способ это сделать – разместить рядом вторую звезду, причем так близко, что на каких‑нибудь этапах эволюции звездной пары вещество могло бы перетекать с одной звезды на другую (например, когда одна из звезд многократно увеличивает свой размер, превращаясь в красного гиганта). Именно это происходит в двойных системах, поэтому жизнь звезды в двойной системе сразу становится гораздо интереснее. Ее судьба может радикально изменится благодаря взаимодействию со своей соседкой.

Про тройняшек

Если в двойных системах все так непросто устроено – может меняться туда‑сюда главный параметр в жизни звезды, то можно спросить: а что у нас с тройными системами, с системами четырех звезд, пяти и т. д.? Может быть, там эволюция звезд будет еще более причудливой? Оказывается, что нет. Если мы попробуем создать систему из трех и более звезд примерно с равными расстояниями между ними (чтобы они все могли обмениваться веществом), то такие группировки оказываются неустойчивыми.

Если вы достаточно близко друг от друга посадите три звезды, то взаимодействие приведет к тому, что или одна звезда будет выкинута, или две какие‑то сольются, или образуется тесная пара из двух звезд, а третья будет крутиться далеко. Устойчивые орбиты могут существовать, только если исключено сильное взаимодействие между более чем двумя телами. В природе это все происходит естественным образом на стадии формирования звезд. Неустойчивые системы не возникают или очень быстро разрушаются.

То есть, так или иначе, единственным хорошим устойчивым элементом является двойная звезда. Взаимодействие одновременно трех и более звезд невозможно. Поэтому обсуждать тройные или системы более высокой кратности с точки зрения обмена массой не имеет смысла. Хотя есть системы, состоящие даже из шести звезд, но все это пары, вращающиеся друг вокруг друга на расстояниях, значительно больше расстояний между звездами в парах. Это, как говорят, иерархические системы.

Несколько тел в одной динамической системе могут слабо взаимодействовать друг с другом, медленно меняя орбиты. Это явление, получившее название механизма Козаи – Лидова, в 1961 году описал Михаил Лидов для спутников планет, а в 1962‑м японский астроном Йошихиде Козаи отразил в расчетах изменения орбит астероидов. Суть его в том, что орбита легкого тела, вращающегося вокруг тяжелого, меняется под воздействием более далекого относительно легкого объекта. Квазипериодически орбита то вытягивается, то сильно наклоняется. Например, искусственный спутник Земли на изначально сильно наклоненной (пусть и круговой) орбите из‑за влияния Луны может даже упасть на планету, потому что эксцентриситет со временем вырастает! Такая вековая эволюция орбит в кратной звездной системе происходит медленно, но в редких случаях может иметь далекоидущие последствия.

Единственная часто встречающаяся ситуация интенсивного взаимодействия более чем двух звезд – это так называемая перезарядка. В плотных звездных скоплениях (в первую очередь речь идет о шаровых) звезды могут испытывать очень тесные сближения. Тогда, если пара звезд встречает другую пару или близко пролетает одиночная звезда, может произойти смена партнеров. На короткое время все звезды образуют неустойчивую систему, а потом разлетаются. Так, например, могут возникать парадоксальные системы из звезд разных возрастов (в нормальной двойной, конечно же, обе звезды имеют одинаковый возраст). В результате взаимодействия двух пар, например, компаньон одной системы может поменяться местами с компаньоном другой, а одиночная звезда – занять место в паре, выбросив одну из звезд, ранее входивших в двойную. В общем, все как у людей. Но это только краткий эпизод в жизни звездных пар.

В системах высокой кратности могут происходить интересные превращения. Например, известна система из радиопульсара с двумя белыми карликами, один из которых образует тесную пару с пульсаром, а второй вращается вдалеке. Некоторые системы из черной дыры и маломассивной звезды при численном моделировании удается сформировать только в сценарии, где история начинается с тройной системы. Рассказывая о гиперскоростных звездах, упомянем сценарий с тройной системой. Однако нигде не происходит одновременного тесного взаимодействия сразу трех звезд, которое длилось бы достаточно долго – дольше, чем пара орбитальных периодов.

Таким образом, сложная эволюция в тройных (и в системах более высокой кратности) возможна, но она разбивается на отдельные этапы, когда во взаимодействии участвуют только два объекта. Поэтому детально изучать надо именно эволюцию двойных звезд.

Схема образования кратной звезды. Изначальное вращение протозвездного облака приводит к делению на несколько компонент.

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‑неоново‑магниевый (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.

Кривая блеска новой звезды. Блеск возрос в десятки тысяч раз (пять звездных величин – именно эти единицы использованы на вертикальной оси, – соответствуют изменению блеска в сто раз). Поэтому раньше казалось, что «новая звезда» вспыхнула на пустом месте, так как до и после вспышки объект был недоступен для телескопов. Теперь мы знаем, что вспышки новых происходят в двойных системах с белыми карликами. Современные инструменты позволяют детально изучать их и между вспышками.

Кроме новых звезд, есть сверхновые. Все обычно сразу вспоминают, что тяжелые звезды в конце своей жизни взрываются, потому что коллапсирует их ядро. Вещество обрушивается внутрь, но если черная дыра сразу не образуется, то происходит «отскок» (bounce). Именно это и приводит в конечном итоге к мощному энерговыделению. Но это только один из типов сверхновой. Есть еще один очень важный класс. Именно он помог космологам обнаружить ускоренное расширение Вселенной. Такие сверхновые, их называют типом Ia, опять‑таки связаны с белыми карликами в двойных системах.

Дело в том, что у белого карлика есть предельная масса. Ее называют пределом Чандрасекара. Она не очень велика – примерно 1,4 массы Солнца в случае реалистичного химического состава тяжелого объекта этого типа. Если его масса превысит этот предел, то он потеряет устойчивость и, как мы теперь знаем, взорвется[10].

Как можно сильно увеличивать массу белого карлика? Естественно, в двойной системе. Есть два пути. Если партнером карлика является нормальная звезда, то при заполнении ею так называемой полости Роша (области пространства вокруг звезды, где все контролируется ее гравитационным полем) вещество начнет перетекать на компактный объект, увеличивая его массу. Это может произойти или из‑за превращения звезды в красного гиганта, или из‑за сближения компонент двойной системы. Вещество течет примерно так же, как в системе с новыми звездами, и потихонечку масса белого карлика может увеличиваться. В итоге она дорастет до предельной, и карлик взорвется, и это будет уже не маленький хлопок, как на новой звезде, а очень мощный взрыв. И это уже навсегда. Повтора не будет. Скорее всего, взрыв сверхновой типа Ia приводит к полному разрушению объекта.

Последние исследования показывают, что такой путь не является основным эволюционным каналом, приводящим к сверхновым Ia. Во‑первых, мы не видим достаточного количества подобных систем, чтобы объяснить большую долю сверхновых Ia. А видеть мы их должны, так как аккреция, даже на белые карлики – очень эффективный источник энергии. Такие системы вносили бы большой вклад в фоновое рентгеновское излучение разных галактик, чего не наблюдается. Во‑вторых, оценки показывают, что в подобных системах может часто запускаться феномен новой. При термоядерном взрыве на поверхности белого карлика (вспышке новой) заметная доля накопленного вещества должна выбрасываться в окружающее пространство. То есть масса карлика будет расти недостаточно быстро. Поэтому сейчас более вероятным считается второй путь.

Достаточно часто возникают тесные двойные системы из двух белых карликов. Хотя бы потому, что маломассивных звезд много и никаких разрушающих двойную систему взрывов при образовании белых карликов не происходит. Со временем белые карлики могут сблизиться друг с другом за счет испускания гравитационных волн. Начнется перетекание вещества, и два объекта сольются. Если суммарная масса двух объектов превосходит чандрасекаровскую, то в результате слияния возникнет сверхкритический белый карлик и произойдет взрыв сверхновой Ia. Правда, здесь тоже есть свои проблемы. Хотя известно большое количество двойных белых карликов, мы видим крайне мало систем, где суммарная масса превосходит критическую. Тем не менее сейчас полагают, что бо́льшая часть сверхновых типа Ia возникает именно в таком сценарии.

Вспышку сверхновой Ia видно на расстоянии миллиардов световых лет, и поэтому мы можем наблюдать такие сверхновые в очень далеких галактиках. Поскольку взрываются примерно одинаковые объекты, можно оценить мощность взрыва. Тогда, зная светимость, можно измерять расстояние до галактики со сверхновой, и тем самым получается использовать двойные системы уже для нужд космологии. Так что если уж не для народного хозяйства, то хотя бы для космологических нужд и получения Нобелевских премий двойные удалось приспособить.

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»?