Плоскі зірки

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 55

Зірки будь-якого розміру — від червоних карликів до блакитних надгігантів — мають приблизно сферичну форму.

І все ж у космосі є багато об’єктів, які цілком відповідають такому екстравагантному титулу. Їхня наукова назва — акреційні диски. Зірки, подібно людям, воліють об’єднуватися в пари — так звані бінарні системи. Це настільки часте явище, що класик американської астрономії Цецилія Пейн-Гапочкін, яка першою довела, що речовина Всесвіту в основному складається з водню, якось пожартувала, що три з двох обраних навдачу зірок входять до складу якоїсь бінарної системи.

Втекти до сусіда

Для визначеності спочатку зупинимося на бінарних системах, що складаються з нормальних (тобто спалюючих водень) зірок головної послідовності, що звертаються навколо єдиного центру інерції. Який типовий механізм перенесення речовини всередині досить тісної зіркової пари? Як правило, обидві зірки породжені однією і тією ж молекулярною хмарою і тому мають однаковий склад, але різні початкові маси. Більш важка зірка першою спалює запаси водню, втрачає стабільність, багаторазово збільшується в розмірі і перетворюється на червоний гігант. При цьому вона може не тільки заповнити свою порожнину Роша, а й вийти за її межі. У такому випадку центр зірки вже не зможе утримати своїм тяжінням речовину оболонки, і зірка почне втрачати речовину. Значна частина цього газу пройде крізь горловину на стику порожнин Роша і потрапить у гравітаційний полон до зірки-компаньйонки. Через вихудіння зірки-донора її порожнина Роша стягуватиметься, через що швидкість витоку речовини з часом збільшиться. Навіть коли зрівняються маси зірок, витік тільки сповільниться, але не припиниться зовсім.

Перенесення речовини знаменує початок складної еволюції зіркової пари. Друга (менш масивна) зірка захоплює матерію сусідки і збільшує свій кутовий момент. Щоб зберегти сумарний момент бінарної системи, зірки зближуються. Пізніше, коли перша зірка стає легше компаньйонки, вони починають розходитися — знову ж таки в силу збереження загального кутового моменту. Однак якщо друга зірка встигне вийти за межі своєї порожнини Роша, вона теж виявиться приречена на втрату плазми.

Ці перетворення загрожують різним наслідкам, і астрономи поки не вміють їх точно моделювати. Однак не підлягає сумніву, що частина викинутої матерії виходить на орбіти, які цілком оточують зіркову пару. Найчастіше ця матерія утворює плоске обертове кільце, яке називається диском екскреції (від лат. excretio — «виділення»). В особливих обставинах зіркова пара може навіть потонути в шароподібній газовій хмарі, породженій плазмою, що пішла в простір. Водночас кожна зірка має шанси обзавестися своїм власним кілечком поменше і поплотніше — акреційним диском (accretio, «приріст»). Можливі і більш екзотичні сценарії (такі як зіткнення і злиття зірок або ж з’їдення сусідки більш великою зіркою), але в такі дебрі ми не станемо навіть заглядати.

Досі йшлося про нормальні зіркові пари, але для запуску акреції цілком достатньо, щоб всього один партнер мав газову оболонку, здатну роздуватися і йти крізь горловину порожнини Роша. Тому аккреція виникає, і коли бінарна система об’єднує звичайну зірку з тілом з виродженої матерії, тобто білим карликом, або нейтронною зіркою, або навіть з чорною дірою (історично акреційні диски вперше виявили при спостереженні білих карликів, що мають в компаньйонах звичайні зірки). Більше того, саме такі акреційні процеси мають найбільш ефектні наслідки. Хороші приклади — вибух наднової типу Ia, обумовлений тривалою аккрецією на поверхню білого карлика, який майже досяг верхньої межі своєї маси, а також виникнення рентгенівського пульсара, викликане аккрецією на сильно спробовану нейтронну зірку. Проте акреційні диски в системах звичайних подвійних зірок більш типові — хоча б тому, що таких пар набагато більше.

Акреційний дискАкреційний

диск — це структура, яка утворюється з речовини, що обертається навколо центрального тіла — молодої зірки або протозірки, білого карлика, нейтронної зірки або чорної діри. Речовина диска під дією гравітації по спіралі падає на центральну зірку, при цьому відбувається розігрів речовини, що породжує електромагнітне випромінювання, довжина хвилі якого залежить від типу зірки. Диски навколо молодих зірок і протозірок випромінюють у довгохвильовому (інфрачервоному) діапазоні, а навколо компактних масивних об’єктів типу нейтронних зірок і чорних дір — у короткохвильовому (рентгенівському). Зображення: «Популярна механіка»

Центрами аккреції можуть виявитися і поодинокі космічні об’єкти. Будь-яке тіло, оточене газовим або газопиловим середовищем, притягує його частинки, і вони можуть або впасти на його поверхню, або формувати акреційний диск (що з успіхом роблять молоді зірки, які нещодавно сформувалися з газопилових хмар). Однак все ж найбільш цікаві феномени спостерігаються в акреційних дисках, що виникли в тісних бінарних системах.

Порожнини Роша

Кожна зірка оточена областю простору, де панує її власне тяжіння, а не гравітація сусідки. Розмір цієї зони, природно, залежить від маси зірки. Якщо такі області перетнути площиною, в якій рухаються обидва світила, вийде щось на зразок вісімки — дві витягнуті в лінію петельки з єдиною загальною точкою на відрізку, що з’єднує зоряні центри (для більшої наочності доведеться зупинити час, адже ця фігура обертається). У цій точці кожна зірка тягне в свою сторону з однаковою силою, і сумарний вектор гравітації виявляється рівним нулю. Її називають першою точкою Лагранжа, хоча взагалі-то двома десятками років раніше її виявив Леонард Ейлер.

Порожнини РошаПолості

Роша розмежовують області гравітаційного впливу кожного з компаньйонів у подвійній зірковій системі. Все, що знаходиться всередині відповідної порожнини, може звертатися тільки навколо «своєї» зірки. Перетікати з однієї порожнини в іншу речовину може тільки через «горловину», що з’єднує порожнини. Зображення: «Популярна механіка»

Просторові бульбашки, про які йдеться, математично описав Едуард Рош, французький астроном і математик XIX століття, і на його честь їх іменують порожнинами Роша. Космічні частинки всередині порожнини Роша можуть обертатися лише навколо тієї зірки, яку ця порожнина охоплює. Ця ж теорія стверджує, що речовина може перетікати між зірками крізь горловину, що з’єднує порожнини, тобто через околиці першої точки Лагранжа. Матерія, яка знаходиться поза порожнинами, може стабільно звертатися навколо зіркової пари в цілому, але її траєкторії не обмежуються шляхами, що охоплюють одну-єдину зірку.

Вся сила в терті

Природа, як відомо, складніша за всяку теорію. Втрачена зіркою-донором матерія може мігрувати не тільки крізь вузьке сопло на стику порожнин Роша, але і більш складним шляхом, проте в будь-якому випадку не покидає орбітальної площини бінарної системи. Акреційні диски виникають тим легше, чим менша відстань між космічними компаньйонами і геометричний розмір тіла, до якого рухаються плазмові потоки. Це легко зрозуміти — члени пари обертаються один навколо одного, і у частинок більше шансів не впасти на малу мету, а вийти на орбіту, що охоплює її. Тому акреція на білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри — найефективніший механізм дискоутворення. Справа це не швидка, річна швидкість транспорту речовини від зірки-донора не перевищує мільярдної частки сонячної маси. Спочатку «приймаюче» тіло обзаводиться свитою у вигляді вузького кільця, а диск формується пізніше.

Частинки всередині нього мають різні швидкості, які, відповідно до третього закону Кеплера, зростають у міру наближення до центрального тіла (саме тому Меркурій звертається навколо Сонця швидше, ніж Земля). У результаті в речовині диска виникає внутрішнє тертя, яке гасить кінетичну енергію частинок і змушує їх рухатися спіральними траєкторіями. Деякі частинки зрештою падають на поверхню притягуючого об’єкта, будь то атмосфера звичайної зірки, тверда кірка зірки нейтронної або горизонт подій чорної діри. Так що диск безперервно втрачає речовину, але в той же час безперервно отримує нову від зірки-донора.

Це ж тертя нагріває речовину диска і перетворює її на джерело електромагнітного випромінювання. Диск стає об’єктом, що світиться — фігурально кажучи, плоскою зіркою. У максимумі температура внутрішньої зони диска може становити десятки мільйонів градусів. Цього достатньо для генерації рентгенівських квантів, що і відбувається в дисках навколо нейтронних зірок і чорних дір зоряної маси. Центральна зона такого диска світить ультрафіолетом, а зовнішня, чия температура зазвичай не перевищує температури сонячної поверхні, випускає промені видимого спектра. Як правило, диски навколо білих карликів не нагріваються більш ніж до 20 000 градусів і їх спектр не простягається далі ультрафіолетової зони. Найхолодніші акреційні диски, що оточують протозірки та молоді зірки, здатні генерувати лише інфрачервоне випромінювання. Таким чином, за шириною спектра випромінювання плоскі зірки не поступаються звичайним.

Ідея фрикційного (обумовленого тертям) нагріву диска виглядає простою і природною, проте це всього лише видимість. Подібний нагрів не можна пояснити простим зіткненням газових молекул — в цьому випадку температури всередині диска будуть багато нижче спостережуваних в дійсності. Поки його механізми зрозумілі лише в загальних рисах, але, як кажуть, диявол ховається в деталях. Одна з дуже популярних нині теорій пояснює генерацію тепла виникненням магнітно-ротаційної нестабільності — турбулентних вихорих потоків, пов’язаних магнітними полями. Чи так це, ще належить з’ясувати.

Живий і світиться

Акреційні диски не перестають дивувати астрономів. Професор Техаського університету Крейг Вілер якось зазначив, що вони живуть своїм власним життям. Акреційний диск здатний змінювати світність, причому у досить широких межах. Це не універсальне правило — деякі диски стабільно випромінюють електромагнітну енергію, а деякі спалахують лише час від часу. Якраз така поведінка характерна для дисків, що оточують компактні об’єкти — білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри.

Найбільш типова (але аж ніяк не єдина) причина таких спалахів полягає в тому, що інтенсивність фрикційного нагріву диска значною мірою залежить від його температури. При нагріванні не вище декількох тисяч градусів речовина диска прозора для інфрачервоного випромінювання і швидко втрачає тепло. У цих умовах тертя досить слабке, частинки диска не особливо гальмуються і в більшості залишаються на стабільних орбітах, що не стягуються до центру аккреції.

Використовуючи

інструмент Large area Telescope (LAT) космічної гамма-обсерваторії Fermi, астрономам 2009 року вперше вдалося довести, що мікроквазари можуть випускати гамма-випромінювання високих енергій, причому за рахунок не аккреції, а більш складного механізму. Більша зірка в подвійній системі Лебідь X-3 — це зірка Вольфа-Райе з температурою поверхні більше 100 000 К. Вона і другий компаньйон (нейтронна зірка або чорна діра) з акреційним диском поводяться навколо загального центру мас з періодом близько п’яти годин. Максимум інтенсивності гамма-випромінювання спостерігається, коли релятивістський компаньйон знаходиться з далекої (відносно Землі) сторони великої зірки, — це означає, що гамма-випромінювання виникає за рахунок зворотного ефекту Комптона — розсіювання ультрафіолетових фотонів зірки на гарячих релятивістських електронах джетів, розігнаних магнітним полем компактного компаньйона. Зображення: «Популярна механіка»

Однак температура диска визначається також його щільністю, яка пов’язана з темпом надходження речовини від зірки-донора. Якщо вона підживлює диск досить щедро, щільність його речовини зростає, диск поступово втрачає прозорість і все краще утримує тепло. Оскільки він при цьому нагрівається, прозорість ще сильніше зменшується, і це знову ж таки підхльостує зростання температури. Речовина стає дуже гарячою, починає яскраво світитися, випромінюючи все більше і більше короткохвильових фотонів. Диск спалахує, подібно змінній зірці, швидко збільшуючи блиск до дозволеного природою максимуму.

А потім знову втручається тертя. Воно стає настільки великим, що гальмує молекули в зовнішній частині акреційного диска. Вони втрачають швидкість і мігрують до центру диска, внаслідок чого периферійна зона стає більш розрідженою і тому прозорою для радіації. Процес повертається в зворотний бік — диск втрачає тепло з зовнішнього краю, охолоджується, робиться прозорішим і, відповідно, охолоджується ще сильніше. Зрештою, температура всього диска знижується настільки, що він знову перетворюється на джерело одного лише інфрачервоного випромінювання, оскільки акреція з зірки-донора не припиняється, диск починає грітися — і цикл повторюється заново.

Природно, що такі цикли різні для різних дисків — все залежить від конкретних умов. Тривалість холодної стадії може змінюватися в широких межах — від тижнів до десятків років. У цій фазі диск практично невидимий, хіба що дуже наполегливо придивлятися до нього за допомогою інфрачервоної апаратури. Тривалість гарячої фази і, відповідно, високої яскравості диска в середньому вдесятеро коротша. Тому в тісній подвійній системі типовий акреційний диск в якомусь сенсі поводиться подібно до електричного конденсатора, який довго збирає енергію і потім швидко розряджається. Цікаво, що навіть якщо зірка-донор постачає речовину з постійною швидкістю, диск все одно періодично блимає і гасне. Як і серце красуні, він схильний якщо не до зради, то до зміни.

Диски і катаклізми

Для ілюстрації багатих можливостей акреційних дисків розглянемо великий клас космічних об’єктів, об’єднаних загальною назвою «катаклізмічні змінні». Це тісні бінарні системи, що складаються з зірки головної послідовності (зазвичай з найлегших, але часом і червоного гіганта) і білого карлика. Вони проявляють себе досить нестабільним випромінюванням (звідси і назва), яке чималою мірою обумовлено наявністю акреційного диска.

Лебідь X-3

Система Лебідь X-3 являє собою пару з гарячої масивної зірки і компактного релятивістського об’єкта (нейтронної зірки або чорної діри), який викидає джети — релятивістські струмені речовини, що випромінює в радіодієстоні. Астрономи називають такі об’єкти мікроквазарами, оскільки за своїми властивостями — випромінювання в дуже широкому діапазоні, швидка зміна блиску і радіовипромінюючі джети — вони нагадують квазари і блазари з дуже масивними чорними дірами в центрі, але в мініатюрі. На ілюстрації — фото, зроблене в гамма-діапазоні космічної гамма-обсерваторією Fermi в області сузір’я Лебедя. Гуртком обведено Лебідь X-3, вперше виявлене в 1966 році як потужне джерело рентгенівського випромінювання. Більш яскраві точки — це пульсари. Зображення: «Популярна механіка»

Практично всі катаклізмічні змінні випускають світло і тепло не тільки з серединних і центральних зон акреційних дисків, але і з області на стику горловини порожнини Роша і зовнішнього краю диска. Її називають гарячою плямою — і є за що. Газові частинки, що приходять від зірки-донора, на цій ділянці стикаються з матерією акреційного диска і сильно її нагрівають. Світність гарячої плями може перевершувати світність внутрішніх зон диска, хоча розмір її значно менший.

Відомо кілька різновидів катаклізмічних змінних. До однієї з них належать класичні нові зірки (або просто нові). У цих системах речовина акреційного диска в достатку падає на поверхню білого карлика зі швидкістю близько тисячі кілометрів на секунду. Понад 90% цієї речовини складається з водню і тому може служити паливом для термоядерних реакцій. Для їх запуску треба, щоб водень розігрівся до критичної температури близько 10 млн градусів. Оскільки ці реакції інтенсивно виділяють енергію, на поверхні білого карлика виникають ударні хвилі, які буквально підривають його зовнішній шар і викидають надгір’ячу плазму в навколишній простір. У цей час світність системи зростає на 3-6 порядків. По завершенні спалаху білий карлик приймається копити на поверхні новий запас водню — пальне для чергового вибуху. Згідно з теорією, класичні нові можуть загорятися з інтервалом у 10000 років, але досі цього ще не спостерігали (що й не дивно — історія астрономії значно коротша).

Аккреція і карликові   Тривимірна

модель аккреції подвійної зірки SS Лебедя, представника одного з підкласів карликових нових. Блиск SS Лебедя зростає на 2-6 зоряних величин на 1-2 дні з періодом від 10 днів до декількох років, механізм цих спалахів пояснюється наслідками переходу речовини в диску з одного стійкого стану (нейтрального) в інше (іонізоване). Зображення: «Популярна механіка»

Інший вид катаклізмічних змінних — повторні нові. Вони збільшують яскравість набагато скромніше, максимум в тисячу разів, зате спалахують кожні 10-100 років. Механізм таких спалахів поки точно не відомий. Є ще карликові нові, світність яких зростає лише десятиразово протягом тижнів або місяців. Не виключено, що це обумовлено фрикційним перегрівом акреційного диска, однак таке пояснення не цілком загальноприйнято.

Окільцювати чорну діру

Найбільші акреційні диски є у надмасивних чорних дір в центрах галактик. Основним джерелом матерії для таких дисків служать гарячі молоді зірки, чиє випромінювання активно викидає в простір плазму з зовнішніх оболонок (це явище називають зоряним вітром). Як розповів «ПМ» професор астрономії Мічиганського університету Джон Міллер, ці диски нагріваються приблизно до таких же температур, що і диски навколо білих карликів, і тому в основному генерують ультрафіолетове випромінювання. Це може здатися дивним, оскільки вага самих дірок становить мільйони і мільярди сонячних мас. Однак справа в наступному: поверхня подібного диска настільки велика, що швидко випромінює тепло — з тієї ж причини чай в блюдечку стине багато швидше, ніж у чашці.

«За останні роки досягнуто значного прогресу у вивченні потоків частинок в акреційних дисках, що оточують чорні діри різного калібру, — говорить професор Міллер. — Внутрішні краї таких дисків можуть настільки наблизитися до кордону чорної діри, що потраплять в області, де вже працює загальна теорія відносності. Спектральний аналіз вихідного звідти випромінювання обіцяє чимало цікавого. Акреційний диск може бути своєрідним індикатором обертання чорної діри. Теорія стверджує, що внутрішній край диска повинен підійти до горизонту подій обертової діри ближче, ніж до горизонту діри тієї ж маси з нульовим кутовим моментом. Вже є прилади, здатні виявити цей ефект і тим самим виявити обертання чорної діри. Цілком можливо, в найближчому майбутньому це вдасться «.