Помоги проекту - поделись книгой:
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.
В течение последних лет планеты вокруг двойных звезд перестали быть фантастикой, и теперь мы знаем различные системы такого типа. Поговорим теперь, возможно, о самых фантастических двойных звездах.
VI. Релятивистские двойные звезды
Релятивистские двойные – это системы, где хотя бы один из объектов является очень компактным, и поэтому для описания таких систем нужна теория относительности (собственно, обе: и Частная – так называемая Специальная, – и Общая). По-английски «теория относительности» – theory of relativity. Поэтому компактные объекты и системы с ними называют релятивистскими. Обычно это системы или с нейтронными звездами, или с черными дырами. В будущем мы надеемся открыть и двойные, состоящие сразу из нейтронной звезды и черной дыры.
Двойные системы занимают важное место и в астрофизике обычных звезд. Самое главное, для чего звездные двойные системы понадобились астрономам, – это измерение масс. Поскольку если мы наблюдаем одиночную звезду, то точно измерить ее массу практически невозможно. Значит, нам нужно, чтобы что-то вокруг нее крутилось (и сама она также обращалась вокруг другого тела, точнее, они обе обращались вокруг центра масс). К счастью, есть двойные системы, и там мы можем измерять массы звезд. А потом, когда мы видим одиночную звезду, мы можем сказать: «Она похожа на одну из тех звезд в двойных, для которых мы измеряли массу, поэтому мы думаем, что масса этой одиночной звезды такая-то». Примерно так все это работает, хотя реальность, как обычно, немножечко богаче и сложнее.
Массивные двойные
Итак, образовалась двойная звезда. Почему же сформировалась пара, а не один объект? Сжимающееся облако газа и пыли вращается. Такое облако всегда вращается – в космосе вообще все вращается. Чем сильнее оно сжимается, тем быстрее вращается. И, наконец, центробежная сила способна остановить сжатие. Читатель может справедливо возразить, что никакой центробежной силы нет. Строго говоря, это верно (ведь, скажем, на Землю, вращающуюся вокруг Солнца, действует только сила солнечного притяжения, никакой другой реальной силы нет). Но зато есть закон сохранения момента импульса. Например, именно из-за необходимости преодолевать инерцию вращения нам труднее запустить аппарат к Меркурию, чем к Юпитеру, хотя Меркурий гораздо ближе. Сжимающемуся веществу очень трудно избавиться от вращения, а это необходимо сделать, для того чтобы стать еще компактнее.
По мере сжатия скорость вращения возрастет настолько, что станет невозможным образовать единый более компактный объект. Чтобы этого избежать, можно сжимающийся сгусток вещества разделить на две части. Тогда обе части будут вращаться друг вокруг друга, но каждая из них сможет коллапсировать, схлопываться дальше и в конце концов породит звезду. То есть «излишек» вращения сжимающегося облака мы конвертировали в орбитальное вращение пары объектов. Если деления на две части не хватит, то какой-то из кусочков опять может разделиться надвое, и образуется иерархическая система, состоящая, например, из двойной и одиночной звезды или из двух пар. А в некоторых случаях – даже из трех пар звезд.
Так вот, представим, что у нас образовалась двойная система, и пусть для определенности у нас обе звезды достаточно массивные. Тогда с течением времени одна из них (напомним, что более массивная эволюционирует быстрее своей соседки) закончит свою эволюцию, взорвется и породит нейтронную звезду. Затем вторая тоже закончит свою эволюцию и тоже произведет на свет нейтронную звезду. Таким образом, будет система из двух нейтронных звезд, а до этого – на какой-то стадии эволюции – пара из нейтронной звезды и обычной звезды, которая еще не превратилась в релятивистский объект. Это очень интересные системы, и именно в них мы можем измерять массы компактных объектов: массы черных дыр и нейтронных звезд. Это очень важно, в частности, если мы хотим понять, как наши суперобъекты устроены внутри.
Измерение масс компактных объектов – ключевой момент, если мы хотим доказать существование черных дыр. Впервые об этих объектах как возможной интерпретации наблюдаемых источников начали говорить в конце 60-х – начале 70-х годов ХХ века. Тогда начали открывать системы, состоящие из релятивистского объекта и нормальной звезды, вещество которой перетекает на компактного соседа, и при этом выделяется очень много энергии, поскольку вещество разгоняется гравитацией до очень большой скорости. Скажем, если оно падает в черную дыру – то до скорости света (по определению). На нейтронную звезду вещество падает с немножко меньшей скоростью, но тем не менее, останавливаясь на поверхности нейтронной звезды, оно имеет большую кинетическую энергию, вся эта энергия выделяется, и у нас возникает очень яркий источник.
В каком диапазоне будет излучать наш источник? Мы знаем, что холодные звезды имеют температуру поверхности около 3000 K и светят красным светом. Солнце со своими 6000 K – желтая звезда. Более горячие Сириус и Вега – белые. Чем горячее звезда – тем дальше максимум в спектре ее излучения сдвигается в сторону коротких волн. Чем короче волна – тем больше средняя энергия испускаемых фотонов. Если источник излучает много энергии с маленькой площади, то каждый из фотонов, которые уносят энергию, сам будет иметь большую энергию. (Это похоже на описанную выше ситуацию, когда вам надо унести крупную сумму в небольшом чемодане – конечно, вы возьмете самые крупные купюры!) В случае нейтронных звезд и черных дыр в двойных системах это оказываются рентгеновские фотоны, соответствующие температуре вещества в миллионы градусов.
Спектры черного тела для разных температур. Видно, что с ростом температуры максимум сдвигается в сторону более коротких волн.
В 60-е годы ХХ века возникла рентгеновская астрономия. А в начале 1970-х одно за другим последовали открытия новых удивительных источников. Оказалось, что зачастую мы видим двойные системы, где вещество течет с обычной звезды на компактный объект. В такой ситуации мы можем измерить массу компактного объекта, и она для некоторых из них оказалась большой. Что это означает с точки зрения физики? Например, если у нас есть компактный объект с массой 3, 4, 5, или 10 солнечных масс, то мы не можем сделать его из обычного вещества. Нам приходится предположить, что в этой системе находится черная дыра, поскольку нейтронные звезды не могут быть столь массивными – для них существует некий верхний предел. Мы не знаем его точно, но это где-то 2–3 солнечные массы, и, когда релятивистская звезда достигает этого предела, она схлопывается в черную дыру. Таким образом, компактные объекты, обладающие достаточно большой массой, не могут избежать превращения в черные дыры. Это не относится к обычным звездам, которые могут иметь массу и 100, и 120 солнечных масс, – у них внутри есть источник энергии, и давление внутри вещества предотвращает схлопывание в черную дыру. Но в случае рентгеновских двойных мы уверены, что второй компонент не является обычной звездой.
Релятивистская двойная система с аккрецией. Вещество перетекает с обычной звезды на компактный объект, разгоняясь до больших скоростей гравитацией. Часть вещества может выбрасываться в виде двух струй – джетов – в направлениях, перпендикулярных диску.
Измерение масс и радиусов в двойных системах
Многие методы измерения масс и радиусов так или иначе связаны с двойными системами, особенно если речь идет об одновременном измерении этих параметров. Начнем с того, что массы обычных звезд мы умеем точно определять только в двойных. Наблюдения позволяют определить орбитальный период и амплитуду лучевых скоростей для каждой звезды. После этого остается один неизвестный параметр – угол, под которым мы видим плоскость орбиты. Его можно определить, например, если в системе происходят затмения.
Тогда мы сразу получим массы обеих звезд в системе. Это работает и для систем с нейтронными звездами. Чаще всего сам компактный объект мы не видим. Однако если речь идет о радиопульсаре, то наблюдения изменений его периода позволяют определить орбитальную скорость в проекции на луч зрения. А если нейтронная звезда является рентгеновским источником, то мы можем наблюдать в оптическом диапазоне аккреционный диск, что также дает возможность измерить орбитальную скорость.
Иногда наблюдения диска в рентгеновском диапазоне позволяют обозначить верхний предел размера нейтронной звезды. Это связано с тем, что в рентгеновском диапазоне есть известная спектральная линия – линия железа. Когда ее испускает вещество аккреционного диска, то мы можем определить, на каком расстоянии от центра нейтронной звезды это произошло. Дело в том, что звезда настолько массивна и компактна, что в диске становится заметным один из эффектов Общей теории относительности – гравитационное красное смещение. Чем оно больше – тем ближе к гравитирующему центру (а стало быть, и к поверхности нейтронной звезды) подошел диск. В результате спектральная линия перестает быть узкой. У нее, как говорят астрономы, «отрастает красное плечо». Определение максимального смещения линии для данного источника дает радиус внутренней границы диска. А он, конечно же, не может быть меньше радиуса звезды. Часто такие оценки оказываются полезными и дают возможность отбросить уравнения состояния, предсказывающие слишком большие объекты.
Схематичное изображение линии железа (6,4 кэВ) с красным плечом. Из-за того, что часть излучения приходит от внутренних областей диска, свет приходит к нам покрасневшим.
Радиус нейтронной звезды можно также оценить, если видно тепловое излучение поверхности. Спектр такого излучения – достаточно универсальный (он зависит от состава атмосферы компактного объекта, но часто это удается правильно учесть), и на основании наблюдений можно довольно точно определить температуру. Если мы знаем светимость источника, то по известной температуре можем немедленно вычислить площадь излучающей поверхности. Если излучение не переменное, то, скорее всего, светит вся поверхность, а не какое-то горячее пятно. В случае нейтронной звезды по данным о светимости и температуре мы получим ее радиус. Это будет тот радиус, который виден удаленному наблюдателю. Он больше используемого на диаграмме «Масса – радиус» радиуса «по экватору». Чтобы получить значение и для него, надо знать гравитационную массу объекта.
Для продвижения в изучении свойств вещества компактных объектов лучше всего одновременно измерить и массу, и радиус. Обычно для этого нужно применить хотя бы два метода, так как из-за эффектов Общей теории относительности из наблюдений обычно определяется комбинация массы и радиуса. Например, рассмотрим измерения гравитационного красного смещения. Это похоже на получение значения радиуса внутренней границы диска, но теперь источник излучения находится прямо на поверхности. Красное смещение характеризует компактность объекта: насколько он мал при данной массе или насколько массивен при данном радиусе. Такое наблюдение позволило бы измерить отношение массы и радиуса (того, который отсчитывает «по экватору»), что дало бы прямую линию на диаграмме «Масса – радиус». К сожалению, в спектрах излучения поверхности нейтронных звезд нет подходящих линий. Один раз казалось, что удалось измерить красное смещение, но, увы, это была ложная тревога. Но даже если бы нам удалось измерить гравитационное красное смещение, был бы необходим второй метод, чтобы на линии на диаграмме «Масса – радиус» мы могли бы выделить короткий отрезок, а лучше – точку.
Один из классов тесных двойных систем с нейтронными звездами – барстеры – дает возможность добавить еще один метод. В этих источниках вещество, перетекающее с нормальной звезды, накапливается на поверхности нейтронной, пока не происходит термоядерный взрыв. В результате оболочка начинает расширяться. Затем вещество возвращается обратно. Но это не быстрое падение, потому что вещество поддерживается мощным потоком излучения. Вещество как бы парит над поверхностью. В это время светимость равна критической. Ее называют эддингтоновской в честь Артура Эддингтона, который первым рассмотрел такую ситуацию.
Здесь важно, что свет оказывает давление. Гравитация стремится уронить вещество на поверхность, а излучение стремится сбросить вещество. Анализ равновесия между гравитацией и излучением в итоге позволяет определить комбинацию массы и радиуса, так как эддингтоновская светимость, удерживающая вещество, зависит от массы притягивающего объекта.
Наконец, большие надежды связывают с анализом профилей импульсов рентгеновских пульсаров. Для решения этой задачи планируют даже запустить несколько космических проектов. Один из них называется NICER. Эта система рентгеновских телескопов будет установлена на МКС. Другой проект, гораздо более крупный, пока лишь планируется. Это европейский спутник LOFT.
Изображение установки NICER. Прибор будет установлен на Международной космической станции. Одна из главных задач – изучение нейтронных звезд в двойных системах с целью определения их масс и радиусов. Это позволит решить вопрос о состоянии вещества в их недрах.
Идея подхода состоит в том, что тщательное моделирование формы импульсов позволяет одновременно определить массу и радиус. Дело снова в эффектах Общей теории относительности. Нейтронные звезды настолько сильно искажают пространство вокруг себя, что мы всегда видим их затылок. По крайней мере частично. Световые лучи двигаются по прямой, только если они испущены перпендикулярно поверхности (т. е. точно по радиусу). Но элемент поверхности светит во все стороны, поэтому часть лучей покидает поверхность под углом к ней. Их траектория будет изогнутой, и это может привести к тому, что часть лучей обогнет нейтронную звезду. В итоге частично мы будем видеть излучение от обратной стороны компактного объекта. Чем компактнее нейтронная звезда – тем больше эффект.
Если звезда достаточно большая (при той же массе), то эффект мал. Это приводит к тому, что у таких звезд могут быть узкие импульсы и пульсации будут сильными. У массивных звезд с небольшими радиусами мы всегда видим достаточную часть обратной стороны, чтобы импульсы расплывались. Детальный анализ нескольких десятков объектов должен позволить достаточно точно определить комбинацию массы и радиуса и внести ясность в вопрос об уравнении состояния нейтронных звезд. Цена вопроса – Нобелевская премия.
Двойные с черными дырами
Двойные системы дали уникальную возможность изучать черные дыры. Мы, конечно же, не видим саму дыру, мы наблюдаем то вещество, которое течет в нее. Обычно вещество образует диск вокруг черной дыры, и мы видим излучение, приходящее из внутренних частей диска, которые отстоят от горизонта черной дыры всего на пару ее радиусов (может, и меньше, если дыра быстро вращается). И это пока единственный хороший способ что-то узнавать об этих удивительных объектах.
Главный аргумент в пользу существования черных дыр связан именно с релятивистскими двойными системами. Существуют так называемые новые звезды. На самом деле, как мы уже говорили, они старые, но свое название получили благодаря тому, что могут быстро увеличить свой блеск и
Кривая блеска рентгеновского барстера. Вещество накапливается на поверхности нейтронной звезды, пока не происходит термоядерный взрыв.
Если мы отбросим версию черной дыры и представим себе, что там есть какая-то поверхность, то вспышки должны происходить (при условии, что радиус нашего альтернативного объекта не отличается от радиуса черной дыры всего лишь на несколько процентов). Поэтому существование таких двойных систем, похожих на системы с барстерами, – с перетеканием вещества, но без вспышек – один из самых надежных аргументов в пользу существования черных дыр.
Мы думаем, что в ближайшие годы прямое доказательство существования черных дыр будет получено, и именно благодаря двойным системам. Если у нас в систему вначале входило две очень массивные звезды, каждая из которых прожила свою жизнь и породила черную дыру, то потом такая система, теряя орбитальный момент за счет испускания гравитационных волн, может проэволюционировать до слияния черных дыр. Это приведет к появлению гравитационно-волнового всплеска, и детекторы текущего поколения смогут их зарегистрировать. А поэтому общественность ждет, что в 2017–2018 годах наконец-то будут напрямую зарегистрированы гравитационные волны от слияния компактных объектов, и одновременно доказано существование черных дыр. Дело в том, что по форме сигнала мы сможем сказать, взаимодействуют ли друг с другом горизонты черных дыр, или сливаются объекты, имеющие твердые поверхности (правда, тут все равно есть тонкость, так как если представить себе гипотетическую альтернативу черным дырам, где радиус поверхности на ничтожно малую величину превосходит радиус горизонта, то дать окончательный ответ все равно будет нельзя или по крайней мере очень трудно). Если не будут обнаружены вспышки, связанные с последними мгновениями хокинговского испарения черных дыр, то на долгое время гравитационно-волновые данные будут самым прямым и надежным доказательством существования черных дыр.
Результаты численного расчета сигнала от слияния черных дыр. После объединения двух компактных объектов в один наступает фаза «звона», определяемая поведением горизонта образовавшейся черной дыры.
Ультрамощные рентгеновские источники
Двойные системы могут быть достаточно разнообразными, и один из типов рентгеновских источников, связанных с двойными системами настолько необычен, что пришлось придумывать новый тип черных дыр.
Рентгеновские источники излучают, когда вещество с одной звезды перетекает на компактный объект и происходит выделение энергии. Казалось бы, чем больше перетекает вещества – тем больше поток излучения. Но в реальной ситуации существует некоторый предел светимости.
Все хорошо помнят, что свет может оказывать давление, этот факт был открыт в самом конце XIX века и сейчас является хорошо понятным феноменом. Решающие эксперименты провел в Москве на физическом факультете Университета профессор Петр Лебедев.
Есть много примеров того, как давление света влияет на хорошо известные нам объекты. Например, искусственные спутники немножечко «сдувает» излучением Солнца. Но Солнце – довольно слабый источник, тем более если мы говорим о спутниках, двигающихся в десятках и сотнях миллионов километров от него. При более сильном излучении эффект, разумеется, заметнее. А теперь представим себе такую картину: перед нами поверхность нейтронной звезды, и мы откуда-то сверху кидаем на нее вещество. Каждый выпавший килограмм вещества приводит к выделению энергии больше, чем при типичном атомном взрыве. Чем больше вещества падает, тем больше выделяется энергии и тем больше излучение будет давить на падающий поток вещества. В итоге установится какое-то равновесие: мы можем продолжать кидать вещество, но светимость, начиная с какого-то момента, не будет возрастать, а часть вещества будет просто уноситься потоком излучения. То есть возникнет какая-то предельная величина, характеризующая исходящее излучение. Это уже встречавшаяся нам эддингтоновская светимость.
Эддингтоновская светимость зависит от того, насколько сильно свет взаимодействует с веществом. Фотоны взаимодействуют с электронами, а гравитация с большей силой тащит вниз тяжелые протоны и нейтроны. Поэтому предельные значения для водородной плазмы, где на один электрон приходится одна тяжелая частица, и для гелиевой плазмы, где на электрон приходится уже две тяжелые частицы, будут разными. Но состав вещества при аккреции не сильно разнится в разных источниках. Поэтому самая главная зависимость эддингтоновской светимости – это зависимость от массы объекта, на который идет аккреция. У нас устанавливается баланс между давлением света и гравитацией. Чем больше масса – тем сильнее гравитация. Чем сильнее гравитация – тем больше предельная светимость. То есть только очень массивные объекты могут в спокойном состоянии (без взрыва) иметь высокую светимость.
Для нейтронных звезд эддингтоновская светимость оказывается равной примерно 100 000 светимостей Солнца. Если у нас есть черная дыра, которая образовалась из обычной звезды, то предел может чуть-чуть подрасти – раз в 10, в редких случаях в десятки раз. У нейтронных звезд полное энерговыделение может превосходить эддингтоновское, из-за сложной формы излучающей области, благодаря влиянию сильного магнитного поля. Но и здесь предел повышается менее чем сто раз даже в самых предельных случаях. То есть все равно очень трудно представить, как может существовать рентгеновский источник, основанный на компактном объекте звездной массы, со светимостью в несколько миллионов или даже десятков миллионов светимостей Солнца. А мы их видим…
В нашей Галактике таких источников нет, но как только появились хорошие рентгеновские телескопы, способные различать отдельные источники в какой-нибудь «далекой-далекой галактике» (первым таким прибором была обсерватория имени Эйнштейна), астрономы начали обнаруживать объекты с ненормально высокой светимостью. Существенно, что речь не идет об источниках в центрах галактик, которые могут быть связаны со сверхмассивными черными дырами. Также астрономы постарались максимально исключить ситуации, когда мы не можем разглядеть все в деталях, и принимаем группу из нескольких объектов за один источник. Ну и, разумеется, как могли, наблюдатели отбросили вероятные фоновые источники, например далекие квазары, случайно проецирующиеся на какую-нибудь гораздо более близкую галактику.
Самая простая возможность для объяснения аномально мощных источников, которую немедленно предложили астрофизики, это гипотеза, что там находится черная дыра, масса которой не 5, 7 или 10 солнечных масс (то, чего мы ожидаем от стандартной звездной эволюции), а сотни или даже тысячи масс Солнца. Это помогло бы ответить на многие вопросы и объяснить свойства этих ультрамощных (ultraluminous), как их называют из-за их большой светимости (т. е. мощности), источников. Проблема только в том, что непонятно, как такие черные дыры появляются в природе, и это до сих пор остается предметом очень активной дискуссии. То ли действительно есть какой-то способ создавать черные дыры промежуточных масс (промежуточных между звездными черными дырами и сверхмассивными черными дырами, которые находятся в центрах галактик), или же все-таки ультрамощные источники можно объяснить еще более тривиальным способом, допустив, что излучение испускается не симметрично, а направленно, как у прожектора. И тогда, если прожектор смотрит прямо на нас, мы видим очень яркий источник, думаем, что у него огромная светимость, предполагая, что он одинаково светит во все стороны, а светит он на самом деле в основном в нашем направлении.
Каждый год появляются новые интересные данные по ультрамощным источникам. Сейчас складывается картина, в которой эти объекты представляют собой смесь, ассорти. Есть очень веские аргументы в пользу того, что самые мощные из известных источников (например, источник HLX-1 в галактике ESO 243–49) действительно содержат очень массивные черные дыры с массами от нескольких сотен до 10 000 солнечных. С другой стороны, надежные оценки масс аккреторов в нескольких ультрамощных источниках свидетельствуют о типичных звездных массах черных дыр. Один источник, ко всеобщему удивлению, вообще оказался аккрецирующей нейтронной звездой! В 2014 году это замечательное открытие сделали Маттео Бакетти (Matteo Bachetti) и его соавторы, проводившие наблюдения на рентгеновском спутнике NuSTAR. Источник Х-2 в известной близкой галактике М82 оказался рентгеновским пульсаром с периодом чуть более одной секунды. Черные дыры пульсарами быть не могут, так что это точно нейтронная звезда. Наверняка ультрамощные источники еще не раз удивят астрономов. Например, высказываются гипотезы, что некоторые из них могут быть связаны с магнитарами.
Фотография галактики ESO 243–49 с гипермощным (hyper luminous) источником HLX-1. Местоположение источника отмечено кружком.
Вращение звезд и магнитары
Для появления некоторых интересных типов объектов нужно, чтобы звезда очень быстро вращалась. Пожалуй, есть два основных класса объектов, которые, как думают, образуются из очень быстро вращающихся ядер звезд: магнитары и источники длинных гамма-всплесков. Магнитары – это нейтронные звезды, которые характеризуются очень мощным магнитным полем. Чтобы создалось такое магнитное поле, т. е. чтобы были токи, которые его поддерживают, нужен какой-то механизм. Дело в том, что простого сохранения магнитного потока, скорее всего, недостаточно для возникновения магнитарных полей. Сейчас известно несколько массивных звезд с большими магнитными полями на поверхности. Но в состав магнитара входят только поля, пронизывающие ядро звезды. Хенк Спруит показал, что поля в ядре не хватит для того, чтобы объяснить параметры магнитаров. Значит, нужна дополнительная генерация.
Мы умеем генерировать электрические токи динамо-механизмами. При этих процессах энергия движения вещества (в том числе вращения) переходит в энергию электрического поля, а стало быть – в энергию магнитного поля. Соответственно, в динамо что-то должно крутиться.
Чтобы заработал эффективный динамо-механизм, ядро звезды, которая превратится в нейтронную звезду, должно очень быстро вращаться. Но здесь есть проблема. Массивные звезды имеют очень мощный звездный ветер, а мощность звездного ветра приводит к тому, что звезда замедляет свое вращение. Кроме того, расширение звезд (например, на стадии красного гиганта) также приводит к их торможению, что может сказываться и на вращении ядра. И потому мы ожидали бы, что большая часть массивных звезд к концу своей жизни вращаются очень медленно. Если внешние слои хорошо «зацеплены» за внутренние (например, благодаря магнитному полю), то у таких звезд и ядра должны медленно вращаться. Поэтому будут образовываться нейтронные звезды с не слишком быстрым вращением. «Не слишком» – по меркам нейтронных звезд, это может быть оборот за несколько сотых долей секунды, но нам хочется, чтобы она делала оборот за одну тысячную секунды – именно тогда мы сможем накрутить большое магнитное поле. Значит, ядро звезды надо дополнительно раскрутить.
Где можно раскрутить звезду? Опять-таки только в двойной системе! Если звезда входит в двойную, то возникает сразу несколько возможностей для того, чтобы звезда стала вращаться быстрее. Во-первых, звезда может раскрутиться, если на нее перетекает вещество с соседки. Во-вторых, в очень тесных системах звезды могут раскрутить друг друга приливным взаимодействием. Наконец, звезды могут просто слиться. Тогда получившаяся в итоге звезда будет обладать очень быстрым вращением. Поэтому вероятно, что основной канал образования магнитаров – это эволюция в двойных. Наши расчеты, проведенные в 2005 году вместе с Михаилом Прохоровым, а в 2009-м – с Алексеем Богомазовым, показали, что заметная часть магнитаров может рождаться в двойных системах, где хотя бы одна из звезд прошла стадию раскрутки.
Сейчас есть наблюдательные свидетельства в пользу такой модели. В 2009 году появилась статья Бена Дэвиса и его коллег, в которой они, описывая наблюдения одного из магнитаров – источника мягких повторяющихся гамма-всплесков SGR 1900+14, – начали обсуждать версию, что объект возник в двойной системе. А в 2014 году в работе Джейсона Кларка с соавторами были представлены убедительные аргументы в пользу того, что аномальный рентгеновский пульсар CXOU J1647–45 возник в двойной.
Возможно, что существует набор эволюционных каналов для двойных систем, которые в случае рождения нейтронной звезды приводят к появлению магнитара, а в случае образования черной дыры – к гамма-всплеску.
Гамма-всплески – это самые мощные взрывы во Вселенной. Их полное энерговыделение превосходит некоторые сверхновые. В стандартной на сегодняшний день модели длинных гамма-всплесков для столь неистового энерговыделения необходимо быстрое вращение коллапсирующего ядра звезды. В результате коллапса формируется черная дыра. Если ядро быстро вращается, то вокруг дыры сформируется толстый быстро вращающийся диск вещества. В такой системе, как показывают расчеты, можно сформировать ультрарелятивистский выброс и направленный поток излучения. Если он попадает на Землю, то мы регистрируем гамма-всплеск. Заметьте, в таком сценарии опять необходимо быстрое вращение звезды до взрыва, и мы не знаем, как этого достичь, если звезда не находится (или не находилась ранее) в двойной системе. А некоторые гамма-всплески объясняют и магнитарами.
Распределение гамма-всплесков по длительности. Четко выделяются две группы: короткие и длинные. Короткие, как полагают сейчас, связаны со слияниями нейтронных звезд. А длинные – с финальными стадиями жизни массивных звезд.
Двойные радиопульсары
Итак, массивные звезды в основном рождаются в двойных. Примерно в 10 % случаев система не разрушается после взрыва сверхновой. Значит, мы можем увидеть радиопульсар в паре с другой звездой. Но обычные пульсары живут недолго: всего миллион-другой лет – и все. Выключается механизм генерации радиоизлучения. Это происходит в основном из-за замедления темпа вращения. Еще немного может добавить уменьшение магнитного поля. Чтобы пульсар заработал вновь. было бы неплохо снова раскрутить его до очень короткого периода. Но как? Эволюция в тесной двойной системе дает такую возможность.
После возникновения нейтронной звезды в двойной системе второй компаньон продолжает свою жизнь. Как мы уже говорили, вокруг каждой из звезд существует область, контролируемая ею. Этот объем называют полостью Роша. В какой-то момент обычная звезда может заполнить свою полость Роша. Тогда начнется перетекание вещества на нейтронную звезду.
Полости Роша в двойной системе. Звезды могут обмениваться массой через так называемую внутреннюю точку Лагранжа, соединяющую две полости.
Переполнение может произойти в двух случаях: либо сама звезда расширилась – превратилась в красного гиганта, либо система просто стала более тесной – из-за излучения гравитационных волн или из-за магнитного звездного ветра компоненты сближаются, и начинается перетекание.
Поток вещества влияет на нейтронную звезду тремя способами. Во-первых, он раскручивает ее до миллисекундных периодов. Во-вторых, немного подрастает ее масса. Третий эффект довольно неожиданный – уменьшается магнитное поле нейтронной звезды.
Выше мы уже говорили, что поля затухают, если уменьшаются токи, их порождающие. А токи уменьшаются из-за сопротивления, которое возрастает, когда кора нейтронной звезды нагревается. Так вот, аккреция будет греть кору, что приведет к уменьшению магнитного поля. Кроме того, падение большой массы вещества приведет к тому, что старая кора, в которой текут токи, начнет опускаться глубже в недра. Там затухание токов будет происходить быстрее. Результатом снова будет уменьшение магнитного поля.
В итоге получится такой необычный объект: нейтронная звезда с периодом вращения несколько миллисекунд и полем в сотни раз меньше, чем у обычных пульсаров. Такой источник тоже может излучать в радиодиапазоне. Это миллисекундный пульсар.
Особенность подобных объектов в том, что из-за слабого поля они очень медленно тормозят свое вращение. Поэтому живут они долго – миллиарды лет. Соответственно, мы можем обнаружить много таких объектов.
Первый миллисекундный радиопульсар был открыт в 1982 году. Но идея о том, что в двойных системах могут появляться пульсары с низкими полями, была впервые детально разработана более 40 лет назад, в работе 1974 года Бориса Комберга и Геннадия Бисноватого-Когана. Постепенно заполнялись пробелы как в нашем теоретическом понимании природы этих систем, так и в наблюдательных данных. Со временем были открыты рентгеновские миллисекундные пульсары, это произошло в 1998 году. Эти источники – предшественники миллисекундных радиопульсаров. В системе еще идет аккреция на нейтронную звезду. Но если ее прекратить, то начнется генерация радиоизлучения. И совсем недавно удалось это увидеть.
Рентгеновские и радионаблюдения продемонстрировали, что некоторые из нейтронных звезд с миллисекундным вращением, находясь в двойных системах, видны то как рентгеновские пульсары, то как радио, в зависимости от того, сколько вещества перетекает на них со второго компаньона.
Радиопульсары с миллисекундными периодами вращения могут быть и одиночными объектами, если система распалась или второй компонент полностью исчез. Это может произойти как из-за полного перетекания, так и из-за «испарения». Включившийся радиопульсар потихоньку нагревает своего легкого партнера, что приводит к его постепенному испарению. Такие пульсары называют «черными вдовами» – в честь пауков, самки которых убивают и поедают самцов после спаривания.
Диаграмма «Период – производная периода» для радиопульсаров и родственных объектов. В среднем чем выше пульсар на диаграмме (при том же периоде), тем выше его дипольное магнитное поле. Слева внизу расположены миллисекундные пульсары, которые были раскручены в двойных системах.
Поделиться книгой: