Перенос массы, взрывы нов, сверхновые типа Ia и источники гравитационных волн в системах с несколькими звёздами
Большинство звёзд во Вселенной не развиваются поодиночке — они живут в двойных или многократных звёздных системах, ориентированных вокруг общего центра масс. Такие конфигурации приводят к широкому спектру необычных астрофизических явлений — начиная с переноса массы, вспышек нов, сверхновых типа Ia и заканчивая источниками гравитационных волн. Взаимодействуя, звёзды могут радикально изменить эволюцию друг друга, вызывая яркие переходные явления или формируя новые конечные состояния (например, необычные типы сверхновых или быстро вращающиеся нейтронные звёзды), которых отдельные звёзды никогда бы не достигли. В этой статье мы обсудим, как формируются двойные системы, как обмен массой вызывает вспышки нов и другие взрывы, как известное происхождение сверхновых типа Ia связано с аккрецией белых карликов, и как компактные двойные системы становятся мощными источниками гравитационных волн.
1. Распространённость и типы двойных звёзд
1.1 Доля двойных систем и их формирование
Обзорные наблюдения показывают, что значительная часть звёзд (особенно массивных) находится в двойных системах. Различные процессы в областях звёздообразования (фрагментация, гравитационное захватывание) могут создавать системы, в которых две (или более) звезды вращаются друг вокруг друга. В зависимости от расстояния в орбите, массового соотношения и начальных эволюционных стадий, впоследствии они могут взаимодействовать, передавая массу или даже сливаясь.
1.2 Классификация взаимодействий
Двойные системы часто классифицируются в зависимости от того, как (и обмениваются ли) они веществом:
- Раздельные (detached) двойные: Внешние слои каждой звезды помещаются в её пустоту Роша, поэтому вначале перенос массы не происходит.
- Полураздельные (semidetached): Одна из звёзд заполняет свою пустоту Роша и передаёт массу компаньону.
- Контактные (contact): Обе звезды заполняют свои пустоты Роша, разделяя общую оболочку.
По мере роста звёзд или расширения их оболочек когда-то отдельная система может стать полураздельной, вызывая эпизоды переноса массы, которые глубоко меняют их эволюционные судьбы [1], [2].
2. Перенос массы в двойных системах
2.1 Пустота Роша и аккреция
В случае полураздельных или контактных систем звезда с наибольшим радиусом или наименьшей плотностью может заполнить свою пустоту Роша, то есть гравитационную поверхность равновесия. Вещество из звезды перетекает через внутреннюю точку Лагранжа (L1), образуя аккреционный диск вокруг другого компаньона (если он компактен — например, белый карлик или нейтронная звезда), или падает прямо на более массивную звезду главной последовательности или гиганта. Этот процесс может:
- Ускорить вращение у компаньона, получающего аккрецию,
- Обнажить звезду, теряющую массу, удаляя её внешние слои,
- Спровоцировать термоядерные взрывы на компактном аккреционном объекте (например, новы, рентгеновские вспышки).
2.2 Эволюционные последствия
Перенос массы может радикально изменить пути эволюции звёзд:
- Звезда, которая могла бы стать красным гигантом, преждевременно теряет оболочку и обнажает горячее гелиевое ядро (например, формирование гелиевой звезды).
- Компаньон, получающий аккрецию, может увеличиться в массе и оказаться на более высокой эволюционной последовательности, чем предсказывают модели одиночных звёзд.
- В крайних случаях обмен массой приводит к фазе общей оболочки, способной слить обе звезды или выбросить большое количество вещества.
Такие взаимодействия позволяют формироваться уникальным исходам (например, двойным белым карликам, предшественникам сверхновых типа Ia или двойным нейтронным звёздам).
3. Взрывы нов
3.1 Механизм классических нов
Классические новы появляются в полураздельных системах, где белый карлик аккрецирует водородсодержащий материал от компаньона (часто главной последовательности или красного карлика). В течение определённого времени на поверхности белого карлика накапливается слой водорода высокой плотности и температуры, пока не начинается термоядерный взрыв (thermonuclear runaway). Взрыв может увеличить светимость системы в тысячи или миллионы раз, выбрасывая вещество с большими скоростями [3].
Основные этапы:
- Аккреция: Белый карлик накапливает водород.
- Достижение термоядерного предела: Формируется критическое соотношение T/ρ.
- Взрыв: Внезапное, быстрое горение поверхностного водорода.
- Выброс: Оболочка горячих газов выбрасывается, вызывая нову.
События нов могут повторяться, если белый карлик продолжает аккрецию, а компаньон остаётся. Некоторые катаклизмические переменные за свою историю переживают множество вспышек нов в течение столетий или десятилетий.
3.2 Наблюдаемые свойства
Новы обычно быстро достигают максимума яркости за несколько дней, сохраняют максимум в течение дней или недель, а затем постепенно тускнеют. Спектральный анализ показывает эмиссионные линии из расширяющейся оболочки выброшенных газов. Классические новы отличаются от:
- Карликовые новы: меньшие вспышки, возникающие из-за нестабильностей в диске,
- Повторяющиеся новы: более частые основные вспышки, связанные с высокой аккрецией.
Оболочки, выброшенные новыми, обогащают окружающую среду переработанными материалами, включая некоторые более тяжёлые изотопы, образовавшиеся в процессе.
4. Сверхновые типа Ia: взрывы белых карликов
4.1 Термоядерная сверхновая
Сверхновая типа Ia отличается отсутствием водородных линий в спектре, но присутствием ярких линий Si II около максимума. Источник энергии — термоядерный взрыв белого карлика, когда он достигает предела Чандрасекара (~1,4 M⊙). В отличие от коллапсных (ядровых) сверхновых, взрыв типа Ia не происходит из-за коллапса железного ядра массивной звезды, а из-за полного «сжигания» углеродно-кислородного белого карлика меньшей звезды [4], [5].
4.2 Двойные предшественники
Существуют две основные схемы происхождения:
- Одиночный дегенерат (Single Degenerate): Белый карлик в тесной двойной системе получает водород или гелий от некомпактного компаньона (например, красного гиганта). При достижении критической массы в ядре начинается неконтролируемый синтез углерода, разрушающий звезду.
- Двойной дегенерат (Double Degenerate): Два белых карлика сливаются, а их суммарная масса превышает предел стабильности.
В обоих случаях фронт детонации или дефлаграции углерода проходит через весь белый карлик, полностью его разрушая. Не остаётся компактного остатка — только расширяющиеся облака пепла.
4.3 Космологическое значение
Сверхновые типа Ia характеризуются достаточно однородной кривой пиковой светимости (при выравнивании определённых параметров), поэтому они стали «стандартными свечами» (англ. standardizable candles) для измерения космических расстояний. Их роль в открытии ускоренного расширения Вселенной (то есть тёмной энергии) подчёркивает, как физика двойных звёзд может проявляться в судьбоносных астрофизических и космологических открытиях.
5. Источники гравитационных волн в системах с несколькими звёздами
5.1 Компактные двойные системы
Нейтронные звёзды или чёрные дыры, образовавшиеся в двойных системах, могут оставаться связанными и в конечном итоге сливаться за миллионы лет, теряя орбитальную энергию через гравитационные волны. Такие компактные двойные системы (NS–NS, BH–BH или NS–BH) – главные источники гравитационных волн (GW). LIGO, Virgo и KAGRA уже зафиксировали десятки слияний двойных чёрных дыр и несколько случаев двойных нейтронных звёзд (например, GW170817). Эти системы происходят из массивных звёзд, тесно связанных двойных систем, прошедших обмен массой или общую оболочку [6], [7].
5.2 Итоги слияний
- Слияния NS–NS вызывают формирование тяжёлых элементов r-процесса килоновой вспышкой, в которой образуется золото и другие драгоценные металлы.
- Слияния BH–BH – чисто гравитационные волновые явления, часто без электромагнитного аналога (если только не остаётся вещество вокруг).
- Слияния NS–BH могут излучать как гравитационные волны, так и электромагнитные сигналы, если часть нейтронной звезды разрушается приливными силами.
5.3 Открытия наблюдений
Открытие GW150914 (слияние BH–BH) в 2015 г. и последующие открытия открыли новую эру многократной астрофизики. Слияние NS–NS GW170817 (2017 г.) выявило прямую связь с r-процессом нуклеосинтеза. По мере совершенствования детекторов количество обнаружений будет расти, улучшится точность локализации, возможно, будут зафиксированы необычные тройные или четверные взаимодействия звёзд, если они дадут узнаваемый волновой сигнал.
6. Необычные двойные системы и другие явления
6.1 Нейтронные звёзды с аккрецией (рентгеновские двойные)
Когда нейтронная звезда в близкой двойной системе притягивает вещество от компаньона (через зону Роша или звёздный ветер), образуются рентгеновские двойные системы (например, Hercules X-1, Cen X-3). Очень сильная гравитация около нейтронной звезды генерирует яркое рентгеновское излучение из аккреционного диска или у магнитных полюсов. Некоторые системы характеризуются пульсирующим излучением, если нейтронная звезда имеет сильное магнитное поле – это рентгеновские пульсары.
6.2 Микроквазары и формирование струй
Если компактный объект является чёрной дырой, аккреция от компаньона может создавать струи типа AGN – «микроквазары». Эти струи видны в радиодиапазоне и рентгеновском диапазоне, действуя как уменьшенный аналог квазаров с сверхмассивными чёрными дырами.
6.3 Катаклизмические переменные
Различные типы полуразделённых двойных систем с белым карликом в совокупности называются катаклизмическими переменными: новы, карликовые новы, повторяющиеся новы, полярные (сильные магнитные поля, направляющие аккрецию). Они характеризуются вспышками, резкими скачками блеска и разнообразием наблюдаемых свойств, охватывая диапазон от умеренных (вспышки нов) до очень ярких (предшественники сверхновых типа Ia).
7. Химические и динамические последствия
7.1 Химическое обогащение
Двойные системы могут вызывать вспышки нов или сверхновые типа Ia, выбрасывая недавно образовавшиеся изотопы, особенно элементы железной группы из сверхновых типа Ia. Это очень важно для эволюции галактики: считается, что около половины железа в окрестностях Солнца происходит от сверхновых типа Ia, дополняя вклад сверхновых массивных одиночных звезд.
7.2 Стимуляция звездообразования
Ударные волны взрывающихся двойных сверхновых (как и в случае одиночных звезд) могут сжимать близлежащие молекулярные облака, стимулируя новые поколения звезд. Однако особенности сверхновых типа Ia или некоторых сверхновых с обнажённой оболочкой могут вызывать иной химический или радиационный эффект в регионах звездообразования.
7.3 Популяции компактных остатков
Близкая эволюция двойных систем является основным каналом формирования двойных нейтронных звезд или двойных чёрных дыр, слияния которых становятся источниками гравитационных волн. Частота слияний в галактике влияет на обогащение r-процессом (особенно слияния нейтронных звезд) и может значительно изменять звездные популяции в плотных скоплениях.
8. Наблюдения и будущие исследования
8.1 Обзоры большого объема и кампании по временным измерениям
Как наземные, так и космические телескопы (например, Gaia, LSST, TESS) идентифицируют и описывают миллионы двойных систем. Точные измерения радиальной скорости, фотометрические кривые блеска и астрометрические орбиты позволяют обнаруживать признаки обмена массой и оценивать возможных предшественников нов или сверхновых типа Ia.
8.2 Астрономия гравитационных волн
Взаимодействие детекторов LIGO-Virgo-KAGRA и электромагнитных последующих наблюдений принципиально меняет понимание слияний в двойных системах (NS–NS, BH–BH) в реальном времени. Будущие улучшения помогут фиксировать больше таких событий, лучше локализовать их на небе и, возможно, обнаружить необычные взаимодействия троек или четверок звезд, если они создадут специфический гравитационно-волновой сигнал.
8.3 Спектроскопия высокого разрешения и обзоры нов
Обнаружение нов в широкомасштабных временных обзорах позволяет улучшить модели термоядерного горения. Точные изображения остатков нов и спектроскопия могут предоставить данные о выброшенных массах, соотношениях изотопов и указания на структуру белого карлика. В то же время рентгеновские телескопы (Chandra, XMM-Newton, будущие миссии) отслеживают ударные взаимодействия в оболочке нов, связывая теорию выброса массы с моделью аккреции в диске двойных систем.
9. Выводы
Двойные звездные системы открывают широкий мир астрофизических явлений — от небольшого обмена массой до впечатляющих космических фейерверков:
- Перенос массы может обнажать звезды, вызывать поверхностные выбросы или ускорять компактные компаньоны, что приводит к появлению нов или рентгеновских двойных систем.
- Взрывы нов — это термоядерные вспышки на поверхности белого карлика в полурасщепленных системах; при повторении или в крайних случаях этот путь может привести к сверхновой типа Ia, если белый карлик приближается к пределу Чандрасекара.
- Сверхновые типа Ia — термоядерные взрывы белых карликов, служащие важными космическими измерителями расстояний и богатыми источниками элементов железной группы в галактиках.
- Источники гравитационных волн формируются, когда двойные нейтронные звезды или черные дыры спирально сближаются и мощно сливаются. Эти события могут стимулировать r-процесс нуклеосинтеза (особенно в случаях NS–NS) или вызывать только гравитационные волны (BH–BH).
Таким образом, двойные системы определяют многие из самых энергичных событий во Вселенной — сверхновых, нов, слияний гравитационных волн — формируя химический состав галактик, структуру звездных популяций и даже космическую шкалу расстояний. Расширяя возможности наблюдений в электромагнитном и гравитационно-волновом диапазонах, явления, вызванные двойными системами, становятся всё более понятными, раскрывая, как системы из нескольких звезд идут по необычным путям эволюции, которых отдельные звезды никогда бы не достигли.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Эгглтон, П. (2006). Эволюционные процессы в двойных и кратных звездах. Cambridge University Press.
- Баттен, А. Х. (1973). Двойные и кратные звездные системы. Pergamon Press.
- Боде, М. Ф., & Эванс, А. (2008). Классические новы, 2-е издание. Cambridge University Press.
- Хилленбрандт, В., & Нимейер, Дж. С. (2000). «Модели взрыва сверхновых типа Ia.» Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 38, 191–230.
- Уилан, Дж., & Айбен, И. мл. (1973). «Двойные системы и сверхновые типа I.» The Astrophysical Journal, 186, 1007–1014.
- Эбботт, Б. П., и др. (2016). «Наблюдение гравитационных волн от слияния двойной черной дыры.» Physical Review Letters, 116, 061102.
- Пачински, Б. (1976). «Общие оболочечные двойные системы.» В Структура и эволюция близких двойных систем (IAU Symposium 73), Рейдель, 75–80.