Глава 14 Эволюция звезд в тесных двойных системах

Глава 14 Эволюция звезд в тесных двойных системах

В предыдущем параграфе довольно подробно рассматривалась эволюция звезд. Необходимо, однако, сделать важную оговорку: речь шла об эволюции одиночных, изолированных звезд. Как же будет протекать эволюция звезд, образующих двойную (или вообще кратную) систему? Не будет ли при этом одна звезда «мешать» нормальной эволюции своей соседки? Вопрос этот имеет принципиально важное значение прежде всего потому, что кратность — чрезвычайно распространенное явление в звездном мире. Приблизительно половина всех звезд главной последовательности входит в состав кратных систем. Для верхней части этой последовательности, содержащей массивные, горячие звезды спектральных классов О и В, доля звезд, входящих в кратные системы, составляет по крайней мере 70%. Заметим, что у звезд II типа населения (см. § 1) кратность — явление довольно редкое.

Интерес исследователей к эволюции звезд в двойных системах, особенно тесных, стимулируется еще и тем обстоятельством, что некоторые в высшей степени любопытные звезды наблюдаются только в двойных системах. Прежде всего — это новые звезды, вспышки которых уже давно привлекают к себе самое пристальное внимание астрономов. Особый интерес представляют сейчас рентгеновские звезды, о которых речь будет идти в конце этой книги. Похоже на то, что они также всегда встречаются только в тесных двойных системах. Не менее примечателен и тот факт, что некоторые категории космических объектов явно избегают двойных систем. Значит, что-то им там «мешает». Примером таких объектов являются знаменитые пульсары, о которых будет идти речь в четвертой части этой книги.

Основной характеристикой звезды, определяющей весь ее эволюционный путь, является масса. Чем больше масса, тем быстрее эволюционирует звезда, тем быстрее в ее недрах выгорает водород и она переходит в стадию красных гигантов и сверхгигантов. Однако в 1951 г. советские ученые П. П. Паренаго и А. Г. Масевич обратили внимание на то, что у тесных двойных систем компонента с большей светимостью, как правило, обладает меньшей массой. Надо заметить, что в то время теория звездной эволюции (о которой речь шла в § 12) совершенно не была разработана. Ситуация в тесных двойных системах все же представлялась странной: более массивная компонента там находится на главной последовательности, в то время как менее массивная обладает избыточной светимостью, т. е. является «почти гигантом», или «субгигантом». По мере развития теории звездной эволюции стало ясно, что субгиганты — это звезды, уже успевшие продвинуться в своей эволюции настолько, что они покинули главную последовательность. Но тогда возникает вполне закономерный вопрос: почему же звезды с заведомо меньшей массой продвинулись в своей эволюции дальше, чем более массивные звезды? Этот известный в звездной астрономии результат получил название «парадокс Алголя», по имени знаменитой затменной звездной пары, где этот парадокс явно выражен.

В 1955 г. было дано вполне разумное объяснение указанному парадоксу. Звезда высокой светимости в паре обладала большей массой вначале. Однако, исчерпав существенную часть своего ядерного горючего, она стала «раздуваться». При этом довольно значительная часть ее массы «перетекла» на соседнюю компоненту, отчего масса последней стала превышать массу более быстро эволюционирующей звезды. Таким образом, важнейшим процессом, определяющим эволюцию звезд в двойной системе, является обмен массами между ними. Поэтому нельзя рассматривать эволюцию звезд в двойных системах как проходящую с постоянной массой.

Как же происходит процесс обмена материей между компонентами двойной системы? Рассмотрим двойную систему, массы компонент которой M1 и M2, а орбита круговая радиуса a. Тогда из простой теории тяготения следует, что существуют для каждой из компонент такие поверхности, за пределами которых частицы вещества уже не сдерживаются гравитационным притяжением соответствующей звезды. Это объясняется действием на указанные частицы гравитационного притяжения от второй звезды, а также центробежной силы, обусловленной общим вращением системы. Если частицы находятся на самих этих поверхностях, достаточно им сообщить сколь угодно малую скорость, направленную «наружу», и они уйдут из сферы притяжения этой звезды. Если же частицы находятся в области, окружающей точку L1 (рис. 14.1), то они, покидая первую звезду, будут захвачены притяжением ее соседки. Поверхность, обладающая такими свойствами, называется «поверхностью нулевой скорости», или «критической поверхностью Роша», а точка L1, через которую вещество может перетекать из одной звезды в другую,— «внутренней лагранжевой точкой».

Рис. 14.1: Схема поверхности Роша.

Поверхность Роша состоит из двух замкнутых полостей, окружающих обе звезды и имеющих общую точку L1. Радиус каждой из таких полостей может быть представлен приближенной формулой

(14.1)

Формула (14.1) дает вполне удовлетворительную точность для 0,3 < M1/M2 < 20.

Рассмотрим теперь следующую модель эволюции звезд в тесной двойной системе. Пока обе компоненты двойной системы пребывали на главной последовательности, их радиусы были меньше радиусов соответствующих полостей Роша, определяемых формулой (14.1). Когда исчерпается значительная часть водородного горючего в центральной части быстрее эволюционирующей более массивной звезды, радиус последней станет увеличиваться, в то время как радиус второй компоненты останется неизменным. Таким образом, более массивная компонента станет «разбухать», пока ее наружная часть не заполнит свою полость Роша (см. рис. 14.1). После этого расширение главной компоненты прекратится, так как избыточная ее масса, выходящая за пределы полости Роша, начнет «переливаться» во вторую компоненту, масса которой начнет расти.

Скорость потери массы эволюционирующей звездой очень быстро растет по мере роста радиуса этой звезды после достижения им величины радиуса полости Роша. Расчеты показывают, что убыль массы за единицу времени q дается формулой

(14.2)

где величина n зависит от структуры звезды (так называемый «политропный индекс»). Можно принять, что n = 3, и тогда для того, чтобы обмен массами между компонентами двойной системы шел в более или менее приемлемом темпе, необходимо, чтобы было меньше 0,03. Это означает, что на стадии эволюции, когда масса перетекает от одной компоненты ко второй, радиус эволюционирующей звезды должен все время оставаться очень близким к радиусу полости Роша.

В первом приближении можно принять, что в процессе эволюции газ, выброшенный эволюционирующей звездой, не покинет пределы двойной системы, т. е. ее полная масса M = M1 + M2 сохраняется. При таком вполне естественном предположении расстояние между компонентами будет в процессе эволюции меняться согласно формуле

(14.3)

Можно убедиться, что минимальное расстояние между компонентами двойной системы будет тогда, когда в процессе «перекачки» массы от эволюционирующей компоненты к неэволюционирующей массы обеих звезд сравняются.

Рис. 14.2: Теоретическая зависимость радиуса звезды от времени.

Как же будет происходить эволюция в такой системе? Для конкретности рассмотрим, например, случай, когда масса эволюционирующей компоненты равна пяти солнечным массам, а отношение масс компонент равно 2. Теоретическая зависимость радиуса такой звезды (если бы она была одиночной) от времени приведена на рис. 14.2. Можно видеть, что «разбухание» звезды в процессе эволюции проходит три стадии: A) Первая стадия, связанная с выгоранием водорода в центре звезды и медленным увеличением ее радиуса после того как звезда стала уходить с главной последовательности (см. рис. 12.2). B) Быстрое расширение оболочки звезды, связанное со сжатием ее ядра после того, как там выгорел водород. Эта стадия продолжается до тех пор, пока вследствие повышения температуры сжимающегося ядра включится тройная гелиевая реакция, о которой речь шла в § 8. C) Эта стадия наступает после выгорания гелия, когда ядро начнет опять сжиматься и нагреваться, пока не начнутся ядерные реакции на углероде.

Описанная эволюция одиночной звезды будет нарушена тем раньше, чем ближе расположены компоненты друг к другу. Например, если в нашем случае период двойной системы около одного дня, то уже на стадии A звезда заполнит свою полость Роша и начнется обмен массой со второй компонентой. Если период порядка нескольких десятков дней, то это произойдет на стадии B. И, наконец, если период больше трех месяцев — на стадии C. Впрочем, следует заметить, что фаза C, которую достигают в одиночном состоянии далеко не все звезды, исследована очень плохо, и мы здесь этой стадией заниматься не будем.

В последние годы было выполнено довольно много численных расчетов эволюции с обменом масс в двойных системах. Эти расчеты показывают, что следует различать два этапа в таком обмене масс. Вначале скорость перетекания массы от эволюционирующей компоненты ко второй очень велика; существенная часть массы теряется эволюционирующей компонентой за время, близкое к «шкале Кельвина — Гельмгольца» (см. § 3):

(14.4)

где величины со звездочками выражаются в солнечных единицах. Это дает для средней скорости обмена масс значение

(14.5)

По-видимому, в такой стадии «быстрого обмена массами» находятся двойные системы типа знаменитой системы Лиры. К концу этого бурного периода в эволюции двойной системы отношение масс обеих компонент становится обратным. Если вначале, например, эволюционирующая компонента системы была вдвое массивнее второй компоненты, то к концу этого периода она станет вдвое менее массивной.

В дальнейшем эволюция в такой системе пойдет значительно медленнее и скорость перетекания массы сильно уменьшится. Вместе с тем светимость уже ставшей менее массивной, эволюционирующей компоненты изменится мало. Длительность этой фазы эволюции образовавшегося таким образом «субгиганта» примерно такая же, как и длительность эволюции первоначально более массивной звезды, когда она «спокойно» сидела на главной последовательности. Однако по сравнению со звездой той же массы, принадлежащей к главной последовательности, которая получилась после «обмена», субгигант имеет раз в 10 большую светимость.

Мы сейчас описали эволюцию двойной системы на стадии A. Стадия B протекает по-разному у более массивных и у менее массивных звезд. Разница объясняется тем, что, как мы видели в § 12, в процессе эволюции у менее массивных звезд образуется сверхплотное вырожденное ядро. Фаза быстрого обмена массой будет общей для всех звезд, если обмен начинается на стадии B. Затем, однако, наступают различия. У более массивных звезд темп дальнейшей эволюции протекает значительно быстрее. Если первоначальная масса эволюционирующей компоненты превышает три солнечные массы, то после включения в ядре тройной гелиевой реакции расширение звезды останавливается и скорость вытекания массы с ее поверхности резко замедляется и даже прекращается совсем.

Такая звезда, как полагает польский астроном Б. Пачинский, много работавший в этой области, будет похожа на так называемую звезду типа Вольфа — Райе — весьма горячий объект, в спектре которого наблюдаются широкие полосы излучения. Если же масса первичной звезды сравнительно невелика, быстрое расширение ее оболочки на стадии красного гиганта останавливается по другой причине: наступает вырождение в области ядра звезды. И в этом случае скорость вытекания массы резко замедлится. Звезда будет излучать за счет водородных реакций в тонкой оболочке, окружающей ядро (см. § 12). Светимость эволюционирующей звезды будет достаточно велика: раз в 100 больше, чем светимость звезды такой же массы, находящейся на главной последовательности.

Интересно отметить, что к концу этой фазы масса проэволюционировавшей компоненты сильно уменьшается: она может быть в пять и даже в 10 раз меньше массы вторичной компоненты, «вобравшей» в себя существенную часть первоначальной массы своей «соседки». «Наглотавшаяся» соседским веществом вторичная компонента все еще будет оставаться на главной последовательности, причем из-за существенно увеличившейся массы ее светимость может даже превосходить светимость проэволюционировавшей компоненты. Именно такая ситуация наблюдается в тесных двойных системах типа Алголя.

На заключительном этапе, когда в эволюционирующей звезде останется совсем мало массы, ее радиус начнет уменьшаться и она, по-видимому, превращается в белый карлик.

Набросанная выше картина эволюции двойных систем на стадиях A и B подтверждается огромным количеством наблюдений. В частности, эта картина непринужденно объясняет давно известный эмпирический факт, что избыточная светимость эволюционирующей компоненты тем больше, чем меньше отношение масс M1/M2. Интересные проблемы возникают при анализе дальнейшей эволюции вторичной компоненты. Дело осложняется тем, что перетекающий на вторичную компоненту газ несет с собой большой вращательный момент, обусловленный орбитальным движением, теряющей массу эволюционирующей звезды. По этой причине вокруг вторичной компоненты может образоваться быстро вращающийся газовый диск, который как бы «аккумулирует» в себе большую часть избыточного момента (рис. 14.3). В предельном случае, когда существенная часть массы эволюционирующей компоненты и ее орбитального вращательного момента перейдет ко второй компоненте и в окружающий ее быстро вращающийся газовый диск, расстояние между компонентами значительно (в 3—4 раза) уменьшится. При этом можно оценить, что свыше половины массы двойной системы и по крайней мере половина ее вращательного момента будут сосредоточены в газовом диске. Заметим, что наличие плотных газовых дисков и колец в двойных системах доказывается наблюдениями.

Рис. 14.3: Схематическое представление газовых потоков и диска в системе Лиры.

Выше были обрисованы основные тенденции эволюции звезд в тесных двойных системах. Впрочем, следует оговориться, что понятие «тесный» вовсе не означает «геометрическую» близость компонент. «Тесной» мы называем такую систему, у которой эволюционирующая компонента на какой-нибудь фазе заполнит свою полость Роша. Но мы уже видели, что на стадии C (см. рис. 14.1) это может произойти, когда расстояния между компонентами порядка астрономической единицы, а периоды обращения по орбитам исчисляются годами. Поэтому, с точки зрения звездной эволюции, большинство двойных систем являются «тесными». Существенно подчеркнуть, что рассматривавшаяся выше эволюция таких систем носит медленный, спокойный, отнюдь не катастрофический характер.

Между тем астрономам уже давно известны классы резко нестационарных звезд, которые всегда входят в состав двойных систем и не наблюдаются как «одиночники». Это новые и новоподобные звезды, а также вспыхивающие звезды типа U Близнецов. Двойные системы, куда входят эти странные объекты, отличаются рядом любопытных особенностей. Прежде всего они, как правило, обладают очень короткими периодами — обычно порядка нескольких часов. Обе компоненты — карликовые звезды, расположенные очень близко друг от друга. Часто спектр таких объектов довольно «поздний», класса К или М, на который накладываются широкие линии излучения, а также непрерывный спектр очень горячей компоненты. Все говорит о том, что «красная» компонента такой системы (карлик!) заполняет свою полость Роша и через «внутреннюю лагранжеву точку» теряет массу, которая перетекает на горячую компоненту двойной системы. Как и в случае «спокойной» эволюции в двойной системе, вокруг этой компоненты образуется быстро вращающийся, достаточно массивный газовый диск, который излучает эмиссионные линии. «Активной» компонентой в такой системе является компактная горячая звезда, окруженная указанным диском, на которую из последнего падает поток вещества. Похоже на то, что эта компонента уже прошла свою эволюцию и когда-то передала значительную часть своего вещества соседней звезде. А теперь «соседка» в порядке «взаимной любезности» «возвращает обратно» проэволюционировавшей звезде взятое у нее много миллионов лет назад вещество.

Отличительным свойством вспышек новых и новоподобных звезд является их повторяемость («рекуррентность»). Интервалы между вспышками у новоподобных звезд около 100 лет. Можно полагать, что у более интенсивно вспыхивавших новых эти интервалы исчисляются сроками порядка нескольких тысяч лет. Повторяемость вспышек новых следует хотя бы из того простого факта, что ежегодное их количество в Галактике порядка нескольких десятков. Следовательно, если бы не было повторяемости, за пару миллиардов лет в Галактике вспыхнули бы как новые все звезды — вывод явно абсурдный. Значит, существует некоторый класс звезд, которые многократно вспыхивают.

Вряд ли следует сомневаться в том, что проэволюционировавшая, горячая компактная звезда представляет собой объект, сходный с белым карликом и весьма бедный водородом (см. § 12). Между тем от заполняющей свою полость Роша красной компоненты на проэволюционировавшую звезду все время падает богатый водородом газ[ 34 ]. Газ этот, после того как он накопится в поверхностном слое горячей звезды в течение сотен и тысяч лет, может стать причиной теплового взрыва, носящего как бы «локальный» характер, т. е. не охватывающего всю структуру звезды как целого. При таком взрыве выбрасывается довольно значительное количество массы, порядка 10-4—10-5 массы Солнца, как это следует из спектральных наблюдений новых звезд. Заметим, что примерно такая же масса «перетечет» на горячую компактную звезду от соседней компоненты за время между двумя вспышками.

В этой чисто качественной картине вспышек новых звезд еще многое не ясно. Прежде всего — что это за ядерные реакции, «питаемые» накапливающимся в поверхностных слоях проэволюционировавшей звезды водородом? На сколько вспышек хватит «ресурсов» двойной системы? На что будет похожа такая система, когда фаза вспышки окончится? Все эти интересные вопросы пока еще только ждут ответа.

Звезды типа U Близнецов характеризуются значительно большей частотой повторяемости вспышек и их меньшей амплитудой (рис. 14.4). Так же как и новые звезды в периодах между вспышками, звезды этого типа — очень компактные горячие объекты низкой светимости.

Примечательно, однако, что при вспышках звезд типа U Близнецов не наблюдается никаких следов выброшенного газа. С другой стороны, в спектрах этих звезд, полученных в «спокойное» время между вспышками, так же как и у новых, наблюдаются линии излучения, указывающие на существование газового диска. Похоже, что механизм быстро чередующихся взрывов у звезд типа U Близнецов совсем не такой, как у новых. Эти звезды еще ждут своих исследователей — наблюдателей и теоретиков.

Рис. 14.4: Кривая блеска звезды SS Лебедя типа U Близнецов.

Таким образом, эволюция в тесных двойных системах может привести к рождению «сиамских близнецов», неких патологических «уродов», которые мы наблюдаем как новые звезды, звезды типа U Близнецов (сиамских?) и пр. В четвертой части этой книги будут обсуждаться еще более удивительные двойные системы. Сказанного достаточно, чтобы заключить, что двойственность звезды есть решающий фактор, определяющий ее эволюцию.

Вопрос о происхождении тесных двойных систем уже давно, еще в конце прошлого века, был предметом многочисленных дискуссий. Конкурировали две гипотезы: а) совместное образование обеих компонент системы из первичного газово-пылевого облака; б) деление одной, первоначально очень быстро вращающейся звезды на две части. Вторая теория, которой некогда придерживались многие выдающиеся математики и механики (например, Пуанкаре), носила довольно формальный характер и сталкивалась со значительными теоретическими трудностями. Поэтому в последние десятилетия практически все астрономы придерживались, казалось бы, вполне естественной гипотезы об одновременном образовании обеих компонент системы. Правда, при этом возникала классическая трудность — как избавиться от слишком быстрого осевого вращения образующихся из диффузной среды звезд? Ведь звезды с массой, меньшей чем у Солнца, согласно наблюдениям, вращаются очень медленно. Предлагалось несколько довольно остроумных гипотез объясняющих это обстоятельство, но ощущение некоторой неопределенности оставалось.

Однако в самое последнее время, точнее, осенью 1982 г. на этом, казалось бы, совершенно «спокойном участке фронта» произошли бурные события. Группа голландских астрономов с помощью скромного телескопа с диаметром зеркала 0,9 м на Европейской обсерватории в Чили провела тщательное фотометрическое исследование звезд, входящих в состав известного скопления Плеяд. Из нескольких сотен звезд, находящихся в этом скоплении, изучались сравнительно яркие объекты поздних спектральных классов G и ранних К. Массы таких звезд лишь немного меньше солнечной (1—0,8 M ), в то время как температуры их поверхностей близки к 5000 К. Совершенно неожиданно было обнаружено, что все эти звезды показывают строго периодические изменения блеска с амплитудой около 0,01 звездной величины и с периодами в пределах от четверти до одних суток. Одновременные спектральные наблюдения некоторых из этих звезд, выполненные на большом 3-метровом рефлекторе Ликской обсерватории, позволили прийти к однозначному выводу, что причиной строго периодических вариаций блеска звезд в Плеядах является их осевое вращение. Одно полушарие звезды, как оказывается, немного более ярко, чем другое, что и объясняет периодические изменения блеска при вращении звезд.

Что же является причиной такого неравномерного распределения яркости по дискам звезд? Первое, что приходит в голову,— искать причину в больших пятнах (вроде солнечных, но побольше), покрывающих поверхности звезд. Однако, как это видно на примере Солнца, пятна возникают более или менее случайно, поэтому строго периодической картины вариаций блеска звезд они не дадут. Между тем кривые блеска звезд в Плеядах остаются неизменными за 1500 звездных оборотов! Кроме того, амплитуда вариаций блеска не связана с величиной звездного магнитного поля, что можно было ожидать, если бы причиной наблюдаемой переменности были бы солнечные пятна. И наконец, было обнаружено, что температура поверхности звезды меняется примерно на 100 К за цикл, между тем как наличие темных пятен привело бы только к эффективному уменьшению излучающей поверхности без изменения ее температуры. Эти звезды вращаются приблизительно в 100 раз быстрее «нормальных» звезд того же самого спектрального класса. Всего удивительнее, что в тех же Плеядах слегка более массивные звезды вращаются «нормально», т. е. значительно более медленно.

Создается впечатление, что звезды рождаются и первое время живут в состоянии очень быстрого вращения, а затем на каком-то этапе эволюции быстро теряют свой вращательный момент, который переходит в орбитальный. Из-за быстрого вращения эти звезды имеют форму сильно сплюснутых трехосных эллипсоидов, и даже, возможно, грушевидных фигур равновесия, привлекавших внимание некоторых теоретиков много десятилетий тому назад.

Эти исследования находятся, конечно, в самой ранней стадии. Очень важно провести аналогичные наблюдения для других скоплений и ассоциаций, в частности, для ассоциации в Орионе. Возраст этой ассоциации примерно в 10 раз меньше, чем Плеяд. Поэтому можно ожидать, что в стадии деления там будут звезды несколько более массивные (и, следовательно, более ранних спектральных классов), чем в Плеядах. И, конечно, возникает интригующая возможность по-новому подойти к проблеме образования Солнечной системы.