Передача маси, спалахи нових, супернови типу Ia та джерела гравітаційних хвиль у багатозіркових системах
Більшість зірок у Всесвіті не розвиваються поодинці – вони живуть у двійкових або багатократних зоряних системах, орієнтованих навколо спільного центру мас. Такі конфігурації породжують широкий спектр нетипових астрофізичних явищ – від передачі маси, спалахів нових, супернов типу Ia до джерел гравітаційних хвиль. Взаємодіючи, зірки можуть радикально змінювати еволюцію одна одної, викликаючи яскраві транзитні явища або формуючи нові кінцівки (наприклад, нетипові типи супернових або швидкоспінні нейтронні зірки), яких окремі зірки ніколи не досягли б. У цій статті ми розглянемо, як утворюються двійники, як обміни масою викликають спалахи нових та інші вибухи, як походження відомих супернов типу Ia пов’язане з акрецією білих карликів, і як компактні двійники стають потужними джерелами гравітаційних хвиль.
1. Поширеність і типи двійкових зірок
1.1 Частка двійників і їх утворення
Опитування спостережень показують, що значна частина зірок (особливо масивних) знаходиться в двійкових системах. Різні процеси в регіонах формування зірок (розпад, гравітаційне захоплення) можуть створювати системи, в яких дві (або більше) зірки обертаються одна навколо одної. Залежно від відстані в орбіті, співвідношення мас та початкових еволюційних стадій, пізніше вони можуть взаємодіяти, передаючи масу або навіть зливаючись.
1.2 Класифікація взаємодій
Двійники часто класифікуються за тим, як (і чи) вони обмінюються речовиною:
- Відокремлені (detached) подвійні: Зовнішні шари кожної зорі поміщаються в її порожнину Роша, тому на початку переносу маси не відбувається.
- Напіввідокремлені (semidetached): Одна зі зір заповнює свою порожнину Роша і передає масу компаньйону.
- Контактні (contact): Обидві зорі заповнюють свої порожнини Роша, ділячись спільною оболонкою.
У міру росту зірок або розширення їх оболонок колись відокремлена система може стати напіввідокремленою, викликаючи епізоди переносу маси, які глибоко змінюють їх еволюційні долі [1], [2].
2. Перенос маси в подвійних системах
2.1 Порожнина Роша та акреція
У випадку напіввідокремлених або контактних систем зоря з найбільшим радіусом або найменшою щільністю може заповнити свою порожнину Роша, тобто гравітаційний рівноважний поверх. Речовина зі зорі витікає через внутрішню точку Лагранжа (L1), утворюючи акреційний диск навколо іншого компаньйона (якщо він компактний — наприклад, білий карлик або нейтронна зоря), або падає безпосередньо на більш масивну зорю головної послідовності чи гіганта. Цей процес може:
- Прискорити обертання компаньйона, що отримує акрецію,
- Оголити зорю, що втрачає масу, видаливши її зовнішні шари,
- Ініціювати термоядерні вибухи на компактному акреційному об'єкті (наприклад, нові, рентгенівські спалахи).
2.2 Еволюційні наслідки
Перенос маси може радикально змінити еволюційні шляхи зірок:
- Зоря, яка могла стати червоним гігантом, передчасно втрачає оболонку і виявляє гаряче гелієве ядро (наприклад, утворення гелієвої зорі).
- Компаньйон, що отримує акрецію, може збільшитися в масі і опинитися на вищій еволюційній стадії, ніж передбачають моделі поодиноких зірок.
- У крайніх випадках обмін масою веде до фази спільної оболонки, що може з'єднати обидві зорі або викинути велику кількість речовини.
Такі взаємодії дозволяють утворювати унікальні кінцеві стани (наприклад, подвійні білі карлики, попередники наднових типу Ia або подвійні нейтронні зорі).
3. Вибухи нових
3.1 Механізм класичних нових
Класичні нові з'являються в напіввідокремлених системах, де білий карлик акумулює водневе речовину від компаньйона (часто головної послідовності або червоного карлика). Протягом певного часу на поверхні білого карлика накопичується шар водню високої щільності та температури, доки не починається термоядерний вибух (thermonuclear runaway). Вибух може збільшити яскравість системи в тисячі чи мільйони разів, викидаючи речовину з великою швидкістю [3].
Основні етапи:
- Акреція: Білий карлик накопичує водень.
- Досягнення термоядерних меж: Формується критичне співвідношення T/ρ.
- Вибух: Раптове, швидке горіння поверхневого водню.
- Викид: Викидається оболонка гарячих газів, спричиняючи нову.
Події нових можуть повторюватися, якщо білий карлик продовжує акрецію, а компаньйонка залишається. Деякі катаклізмічні змінні протягом своєї історії переживають численні спалахи нових протягом століть або десятиліть.
3.2 Спостережувані властивості
Нові зазвичай швидко сяють протягом кількох днів, утримують максимум днів чи тижнів, а потім поступово тьмяніють. Спектральний аналіз показує емісійні лінії з розширюваної оболонки викинутих газів. Класичні нові відрізняються від:
- Карликові нові: менші спалахи, що виникають через нестабільності диска,
- Повторювані нові: частіші основні спалахи, пов’язані з великою акрецією.
Викинуті оболонки нов збагачують навколишнє середовище переробленими матеріалами, включно з деякими важчими ізотопами, утвореними під час процесу.
4. Супернови типу Ia: вибухи білих карликів
4.1 Термоядерна супернова
Супернова типу Ia відрізняється тим, що в її спектрі немає ліній водню, але помітні яскраві лінії Si II поблизу максимуму. Джерело енергії – це термоядерний вибух білого карлика, коли він досягає межі Чандрасекара (~1,4 M⊙). На відміну від колапсуючих (гравітаційних) супернов, вибух типу Ia не виникає через колапс залізного ядра масивної зірки, а через повне «спалення» [4], [5] вуглець-кисневого білого карлика меншої зірки.
4.2 Подвійні попередники
Існують дві основні схеми походження:
- Одинокий дегенерат (Single Degenerate): Білий карлик у близькій подвійній системі отримує водень або гелій від некомпактної компаньйонки (наприклад, червоного гіганта). Досягнувши критичної маси, у ядрі починається неконтрольований синтез вуглецю, що руйнує зірку.
- Подвійний дегенерат (Double Degenerate): Два білі карлики зливаються, а загальна маса перевищує межі стабільності.
В обох випадках фронт детонації або дефлаграції вуглецю проходить через весь карлик, повністю його вибухаючи. Не залишається жодного компактного залишку – лише розширюваний попіл.
4.3 Космологічне значення
Супернови типу Ia мають досить однорідну криву пікового світла (після вирівнювання певних параметрів), тому вони стали «стандартними свічками» (англ. standardizable candles) для вимірювання космічних відстаней. Їхня роль у відкритті прискореного розширення Всесвіту (тобто темної енергії) підкреслює, як фізика подвійних зір може проявлятися у доленосних астрофізичних і космологічних відкриттях.
5. Джерела гравітаційних хвиль у багатозоряних системах
5.1 Компактні подвійні
Нейтронні зірки або чорні діри, що утворилися в подвійних системах, можуть залишатися зв’язаними і з часом зливатися протягом мільйонів років, втрачаючи орбітальну енергію через гравітаційні хвилі. Такі компактні подвійні (NS–NS, BH–BH або NS–BH) є ключовими джерелами гравітаційних хвиль (GW). LIGO, Virgo і KAGRA вже зафіксували десятки злиттів подвійних чорних дір і кілька випадків подвійних нейтронних зірок (наприклад, GW170817). Ці системи походять від масивних зірок, тісно зв’язаних подвійних, які зазнали масообміну або спільної оболонки [6], [7].
5.2 Наслідки злиттів
- NS–NS злиття спричиняють формування важких елементів r-процесу кілоновою вибухом, у якому виробляються золото та інші дорогоцінні метали.
- BH–BH злиття – чисті гравітаційно-хвильові явища, часто без електромагнітного відповідника (якщо навколо не залишиться матерії).
- NS–BH злиття можуть випромінювати як гравітаційні хвилі, так і електромагнітні сигнали, якщо частина нейтронної зірки руйнується припливними силами.
5.3 Відкриття в спостереженнях
2015 р. відкриття GW150914 (злиття BH–BH) та подальші знахідки відкрили нову еру багатоканальної астрофізики. Злиття NS–NS GW170817 (2017 р.) виявило прямий зв’язок із r-процесом нуклеосинтезу. З удосконаленням детекторів кількість спостережень зростатиме, їх точність визначення місця збільшиться, можливо, буде зафіксовано й незвичайні потрійні або чотиригарні зоряні взаємодії, якщо вони матимуть впізнаваний хвильовий підпис.
6. Незвичайні подвійні системи та інші явища
6.1 Нейтронні зірки з акрецією (рентгенівські подвійні)
Коли нейтронна зірка в близькій подвійній системі притягує матерію від компаньйона (через порожнину Роша або зоряний вітер), утворюються рентгенівські подвійні (наприклад, Hercules X-1, Cen X-3). Надзвичайно сильна гравітація поблизу нейтронної зірки генерує яскраве рентгенівське випромінювання з акреційного диска або біля магнітних полюсів. Деякі системи характеризуються пульсуючим випромінюванням, якщо нейтронна зірка має сильне магнітне поле – це рентгенівські пульсари.
6.2 Мікроквазари та формування струменів
Якщо компактний об'єкт є чорною дірою, акреція від компаньйона може створити AGN-подібні струмені – «мікроквазари». Ці струмені видимі в радіо- та рентгенівському діапазонах, діючи як зменшений аналог квазарів із надмасивними чорними дірами.
6.3 Катаклізмічні змінні
Різні типи напіввідокремлених подвійних систем із білим карликом загалом називають катаклізмічними змінними: новими, карликовими новими, повторюваними новими, полярисами (сильні магнітні поля, що спрямовують акрецію). Вони характеризуються спалахами, раптовими стрибками блиску та різноманітністю спостережуваних властивостей, охоплюючи діапазон від помірних (спалахи нових) до дуже яскравих (попередники наднових типу Ia).
7. Хімічні та динамічні наслідки
7.1 Хімічне збагачення
Подвійні системи можуть викликати спалахи нових або наднових типу Ia, викидаючи новоутворені ізотопи, особливо елементи залізної групи з типу Ia. Це дуже важливо для еволюції галактики: вважається, що близько половини заліза в околицях Сонця походить від наднових типу Ia, доповнюючи внесок наднових масивних поодиноких зір.
7.2 Стимулювання зоретворення
Ударні хвилі вибухаючих подвійних наднових (як і у випадку поодиноких зір) можуть стискати сусідні молекулярні хмари, стимулюючи нові покоління зір. Однак особливості наднових типу Ia або деяких наднових із зірваною оболонкою можуть спричиняти інший хімічний або радіаційний вплив на регіони зоретворення.
7.3 Популяції компактних залишків
Близька еволюція подвійних систем є основним каналом формування подвійних нейтронних зір або подвійних чорних дір, злиття яких стають джерелами гравітаційних хвиль. Частота злиттів у галактиці впливає на збагачення r-процесу (особливо злиття нейтронних зір) і може суттєво змінювати зоряні популяції в щільних скупченнях.
8. Спостереження та майбутні дослідження
8.1 Великомасштабні огляди та кампанії часових вимірювань
Як наземні, так і космічні телескопи (наприклад, Gaia, LSST, TESS) ідентифікують та описують мільйони подвійних систем. Прецизійні вимірювання радіальної швидкості, фотометричні криві блиску та астрометричні орбіти дозволяють виявляти ознаки обміну масою та оцінювати потенційних попередників нових або наднових типу Ia.
8.2 Астрономія гравітаційних хвиль
Взаємодія детекторів LIGO-Virgo-KAGRA та електромагнітних подальших спостережень суттєво змінює розуміння злиттів у подвійних системах (NS–NS, BH–BH) у реальному часі. Майбутні покращення допоможуть фіксувати більше таких подій, краще локалізувати їх на небі та, можливо, виявити незвичайні взаємодії трійок або четвірок зірок, якщо вони створять специфічний гравітаційно-хвильовий підпис.
8.3 Високороздільна спектроскопія та огляди нових
Виявлення нових у широкомасштабних оглядах часових проміжків дозволяє вдосконалити моделі термоядерного вибуху нових. Точні зображення залишків нових і спектроскопія можуть надати дані про викинуті маси, ізотопні співвідношення та вказівки на структуру білого карлика. Водночас рентгенівські телескопи (Chandra, XMM-Newton, майбутні місії) відстежують ударні взаємодії в оболонці нових, пов’язуючи теорію викиду маси з моделлю акреції в диску подвійних систем.
9. Висновки
Бінарні зоряні системи відкривають широкий світ астрофізичних явищ — від невеликих масообмінів до вражаючих космічних феєрверків:
- Перенос маси може оголювати зорі, викликати поверхневі спалахи або прискорювати компактні компаньйони, що дає початок новим або рентгенівським бінарним системам.
- Вибухи нових — це термоядерні спалахи на поверхні білого карлика у напіввідокремлених системах; повторювані або в крайніх випадках кілька таких спалахів можуть привести до наднової типу Ia, якщо білий карлик наближається до межі Чандрасекара.
- Наднові типу Ia — термоядерні вибухи білого карлика, які служать важливими космічними мірниками відстаней і багатими джерелами елементів залізної групи в галактиках.
- Джерела гравітаційних хвиль формуються, коли бінарні нейтронні зорі або чорні діри спірально зближуються одна до одної і потужно зливаються. Ці події можуть сприяти r-процесу нуклеосинтезу (особливо у випадках NS–NS) або викликати лише гравітаційні хвилі (BH–BH).
Отже, бінарні системи визначають багато найенергійніших подій у Всесвіті — наднових, нових, злиттів гравітаційних хвиль — формуючи хімічний склад галактик, структуру зоряних популяцій і навіть космічну шкалу відстаней. Розширюючи можливості спостережень у електромагнітному та гравітаційному діапазонах, явища, спричинені бінарними системами, стають дедалі зрозумілішими, відкриваючи, як системи з кількох зірок ідуть незвичними шляхами еволюції, яких окремі зорі ніколи не досягли б.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Eggleton, P. (2006). Еволюційні процеси в бінарних та множинних зорях. Cambridge University Press.
- Batten, A. H. (1973). Бінарні та множинні зоряні системи. Pergamon Press.
- Bode, M. F., & Evans, A. (2008). Класичні нові, 2-ге видання. Cambridge University Press.
- Hillebrandt, W., & Niemeyer, J. C. (2000). “Моделі вибухів наднових типу Ia.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 38, 191–230.
- Whelan, J., & Iben, I. Jr. (1973). “Бінарні системи та наднові типу I.” The Astrophysical Journal, 186, 1007–1014.
- Abbott, B. P., ir kt. (2016). “Спостереження гравітаційних хвиль від злиття бінарної чорної діри.” Physical Review Letters, 116, 061102.
- Paczynski, B. (1976). “Бінарні системи з загальною оболонкою.” У Структура та еволюція близьких бінарних систем (IAU Symposium 73), Reidel, 75–80.