Двойни звездни системи и необичайни явления

Двойната двойна система се състои от две звезди, свързани чрез гравитацията и обикалящи около общ център на масата. Две светлинни точки, които само изглеждат близо една до друга на небето, не са непременно физическа двойка. В тройните и системите с по-висока кратност има повече спътници.

Компаньоните са особено често срещани при масивните звезди, докато много системи от звезди с ниска маса са единични. Когато се посочва какъвто и да е „дял на двойните системи“, трябва да се определи какво се брои: броят на системите с компаньони се различава от броя на единичните звезди, принадлежащи към системи с повече от две звезди.[1]

Много двойни системи се образуват при фрагментацията на газа, от който се формират звездите; понякога това става в диск. По-късните сближавания могат да преобразуват системите. Две първоначално несвързани звезди не могат да станат трайна двойка само чрез изолирано, чисто гравитационно сближаване на две тела: енергията трябва да бъде отстранена или пренесена чрез взаимодействие с газ, приливни сили или взаимодействие с допълнителни тела.[1]

Разстоянието определя дали двойката ще взаимодейства

Компонентите на широките двойки могат да обменят малки количества материя. В по-тясна двойка разширяващите се външни слоеве на звезда могат да достигнат критична граница, наречена нейната кухина на Рош. Обзорните изследвания на масивни звезди от тип O показват, че взаимодействието е съществена част от еволюцията им, а не рядък краен резултат.[2]

Тези термини описват геометрията и взаимодействието на звездите. С еволюцията на звездите и орбитите им системата може да преминава от една конфигурация в друга.[3], [4]

В обичайния модел с кръгова орбита и синхронно въртене кухината на Рош е триизмерна граница, определена от ефективния потенциал в отправна система, въртяща се заедно с орбитата. В това описание гравитацията се съчетава с центробежен член. Тази граница не е твърда обвивка около звездата.[5]

Двете кухини се допират в точка L₁, вътрешната точка на Лагранж, която е седлова точка на този потенциал. Когато външните слоеве на звездата донор достигнат тази област, газът може да потече към звездата компаньон. Коя звезда препълва своята кухина зависи от съотношението между радиуса ѝ и размера на собствената ѝ кухина, а не само от това коя звезда изглежда по-голяма.[5]

Прииждащият газ също пренася ъглов момент. Той може да обикаля в диск около акретора, да се сблъска директно със звездата или да бъде отклонен от силно магнитно поле. Затова диск често се образува, но не винаги. Част от материята може да напусне системата, вместо да стане част от спътника.[6], [7]

Загубата на обвивката може да разкрие горещото звездно ядро. Акрецията може да ускори въртенето на звездата, която получава материя, и да промени по-нататъшната ѝ еволюция. Дали тя също внася нов водород в ядрото и доколко звездата изглежда подмладена, зависи от реакцията на вътрешността ѝ.[8]

Загубата на маса променя размера на звездата донор, а промените в масата и орбиталния ъглов момент променят формата на нейната лоб на Рош. Ако тези промени позволяват на звездата донор да достигне равновесие, преносът на материя може да продължи контролирано. Но ако преливането на лоба се засилва по-бързо, взаимодействието може да стане нестабилно.[9]

Спътникът може да се озове вътре в обвивката

По време на етапа на обща обвивка спътникът и ядрото на звездата донор обикалят вътре в разширена газова обвивка. Съпротивлението и гравитационните моменти предават орбитална енергия и ъглов момент на газа, а двете тела в обвивката могат спираловидно да се приближават едно към друго.[10]

Колко ефективно се изхвърля обвивката, остава една от най-големите неизвестни. В контактна двойна система със слети външни слоеве на звездите не е задължително да протича толкова бързо обгръщане и спираловидно сближаване.[10], [3]

Сливането може да бъде разкрито от светлината

Преди изригването през 2008 г. V1309 Scorpii показваше променлива яркост на контактна двойна система и скъсяващ се орбитален период. Наблюденията дават убедителни доказателства, че червеният ѝ изблик е бил съпроводен от сливане на звезди. Такива ярки червени нови се различават физически от повърхностните експлозии на белите джуджета, наречени класически нови.[11]

Така наречената класическа нова започва, когато бялото джудже натрупа нов газ от своя спътник, обикновено богат на водород. Свиването и нагряването в основата на натрупания слой могат да запалят неконтролируемо ускоряващо се ядрено горене. Нагрятата обвивка се разширява и материята се изхвърля; самото бяло джудже остава цяло.[12]

Ако акрецията се възобнови, с времето може да настъпи още една нова. Повтарящи се нови се наричат системите, в които е наблюдавано повече от едно такова избухване. Времето между избухванията зависи от масата на бялото джудже, топлинното му състояние и притока на гориво. Нова, наблюдавана само веднъж, не е непременно еднократно събитие.[12]

Нова звезда джудже избухва на друго място

При нова звезда джудже акреционният диск преминава от по-хладно към по-горещо състояние и обратно; тези състояния са свързани с йонизацията на водорода. Увеличава се скоростта, с която дискът пренася и излъчва енергията от акрецията. За това избухване не е необходим термоядрен взрив в бялото джудже.[7]

Много взаимодействащи двойни системи с бяло джудже се наричат катаклизмични променливи. Те включват дискови избухвания и силно магнитни системи, в които потокът материя се насочва към магнитните полюси.[7]

Типичната свръхнова от тип Ia е термоядрен взрив на бяло джудже от въглерод и кислород. Неконтролируемо ускоряващото се горене бързо освобождава достатъчно енергия, за да разруши звездата. В спектъра ѝ около максималната яркост обикновено няма водород, а се вижда характерен признак на еднократно йонизиран силиций. „Тип Ia“ е по-конкретна категория от по-широкия „тип I“ без водород.[13]

Горенето може да се запали по повече от един начин

Донорът може да бъде недегенерирала звезда – това е групата сценарии с една дегенерирала звезда – или друго бяло джудже – това е групата сценарии с две дегенерирали звезди. Тези категории описват звездата компаньон, докато „двойна детонация“ описва процеса на запалване. Категориите се припокриват. Двойка бели джуджета не избухва сама по себе си само защото общата им маса надхвърля определена граница.[13]

Защо тези експлозии имат значение далеч отвъд собствената им галактика

Свръхновите от тип Ia изхвърлят ядра на елементи от желязната група, а радиоактивният разпад помага да се поддържа променливото им сияние.[14] Максималната им яркост не е еднаква. Връзката между пиковата светимост и скоростта на избледняване, заедно с корекциите за цвят и други фактори, позволява да се използват като стандартизируеми свещи за определяне на разстояния.[17]

Сравненията между далечни и близки свръхнови през 1998–1999 г. предоставиха доказателства, че разширяването на Вселената се ускорява. Полезността им зависи от прецизното калибриране и контрола върху влиянието на праха, разликите между популациите и систематичните грешки при наблюденията.[18], [19]

Когато акретиращото тяло е неутронна звезда или черна дупка, падащата материя може да освободи много гравитационна енергия. Звездата компаньон може да подава материя за тази акреция чрез преливане през лоба на Рош или чрез звезден вятър. Получената рентгенова двойна система позволява да се изследва остатъкът чрез наблюдение на заобикалящата го среда.[20]

Неутронната звезда има материална повърхност, върху която може да се натрупва гориво. Черната дупка има хоризонт на събитията; излъчването и излизащите струи се създават от процеси извън хоризонта на събитията. Затова сходно изглеждащото изсветляване не означава непременно един и същ механизъм за генериране на енергия.[21], [20]

Компактните обекти в орбита излъчват гравитационни вълни, които отнасят орбитална енергия и ъглов момент. Компонентите на достатъчно тясна двойка се приближават спираловидно една към друга и в крайна сметка създават сигнал, чиято честота нараства с приближаването на сливането. На компонентите на двойка, обикалящи на голямо разстояние една от друга, може да им е необходимо много повече време от сегашната възраст на Вселената, за да достигнат този етап.[23]

Двойката може да се образува по няколко начина

Две звезди, образувани заедно, могат да обменят материя и да останат свързана двойка въпреки загубата на маса и импулсните тласъци, свързани с образуването на остатъците. Сближаванията в плътни купове също могат да съберат остатъци в двойка или да доведат до размяна на партньори. Трето тяло може да промени ексцентрицитета на орбитата на вътрешната двойна система и да предизвика сливането на компонентите ѝ. Приносът на тези механизми за образуване все още се изследва.[24]

В предишната статия „ Нуклеосинтеза: елементи, по-тежки от желязото“ се разглежда какво се случва с тази новообразувана материя.

Повечето двойни системи не могат да се наблюдават като две ясно отделени звезди, които обменят газ. Изследователите комбинират данни за промените в яркостта, спектрите, положенията и прецизните измервания на времето, за да възстановят картината на системата. Нито един метод на наблюдение не разкрива всички свойства.

Съчетаването на данни за затъмненията с радиалните скорости на двете звезди позволява масите и радиусите им да се определят с изключителна точност. Такива измервания дават възможност да се проверят звездните модели, използвани в тази глава.[31], [7], [12]

Закономерностите в популациите помагат да се проверят невидимите етапи на еволюцията

Краткотрайната обща обвивка се наблюдава трудно пряко, но възможните потомци на този етап остават. Изследователите сравняват популациите от тесни двойни системи и сливания с модели, в които се променят ефективността на преноса на маса, изхвърлянето на обвивката и импулсите на скоростта, придавани на остатъците. Различни еволюционни пътища могат да завършат по сходен начин, затова съвпадението с една система все още не потвърждава универсален път.[10], [24]

LISA се разработва с цел да разшири гравитационно-вълновата астрономия до милихерцовия честотен диапазон, в който ще могат да се наблюдават и много от компактните двойни системи в нашата Галактика. Наблюдението на системите, докато компонентите им все още обикалят един около друг, и съчетаването на данните за гравитационните им вълни и светлината ще помогнат да се свържат оцелелите двойни системи със сливанията и експлозиите, до които те могат да доведат в крайна сметка.[28], [32]

Спътниците променят и веществата, които звездите връщат в космоса. Загубата на външните слоеве, звездните ветрове, новите, термоядрените свръхнови и богатият на неутрони материал, изхвърлян при сливания, разпръскват различни вещества в различни периоди. Еволюцията на двойните системи свързва съдбата на отделните звезди с химичната история на галактиките.[13], [12], [26]