Путешествие в космос - Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых

Двойные звезды и коллапс

Теперь, кажется, самое время полюбопытствовать, что же происходит со звездой, когда она становится новой.

Когда коллапсирует красный гигант, то при сжатии водорода в наружных слоях возникает вспышка света. Не должна ли эта вспышка света и означать появление новой?

Ведь при взрыве звезды происходит выброс газа и пыли, а разве не такой выброс наблюдался в Новой Персея и Новой Орла?

Фактически нет.

Исследователи предновых звезд (немногие, кому это удалось) показывают, что эти новые не были красными гигантами. Мало того, после того как новая потускнела и вернулась к своему первоначальному состоянию («постновая»), она не стала и белым карликом. В обоих случаях, и до, и после вспышки, такая звезда — это скорее звезда главной последовательности, может быть, чуть ярче и чуть горячее, чем Солнце.

Чтобы решить эту головоломку, давайте вспомним, что большинство звезд — члены двойных систем. А раз так, мы вправе спросить: что происходит, когда один из членов пары подходит к концу своего пребывания в главной последовательности, раздувается до красного гиганта, а затем сжимается в белый карлик, в то время как другой член этой пары остается на главной последовательности?

Оба члена двойной системы почти наверное образовались одновременно, и крупнейший из них должен раньше сойти с главной последовательности и, следовательно, быть одним из двух, кто первым превратится в белый карлик.

Однако белый карлик Сириус В, знакомый нам лучше других, кажется, опровергает такое мнение. Сириуса В уже нет в главной последовательности, хотя по массе он всего в 1,05 раза больше Солнца, а Сириус А, масса которого в 2,5 раза превышает солнечную, все еще значится в этой последовательности. Как объяснить эту аномалию?

Самый разумный вывод состоит в том, что Сириус В сначала действительно был более крупной звездой и потому первым вошел в стадию красного гиганта. Когда он, будучи красным гигантом, кончил коллапсом, значительная часть его массы была выброшена в пространство. В итоге та его часть, которая в конце концов сжалась в белый карлик, оказалась значительно меньше, чем была изначально.

С другой стороны, солидная доля вещества, выброшенного наружу при коллапсе Сириуса В, оказалась, по-видимому, захваченной Сириусом А, отчего последний стал тяжелее, чем был вначале. (Это означает, что долговечность Сириуса А как звезды в главной последовательности была тем самым сильно укорочена.)

Казалось бы, ничто не указывает на то, что в паре Сириусов когда-то образовалась новая. Но дело даже не в этом: идея переноса массы от одного члена пары к другому оказалась заслуживающей самого серьезного внимания. Ключевое открытие в области новых, приведшее к современному пониманию этого феномена, было сделано в 1954 г.

К тому времени постновые звезды весьма тщательно изучались, и одно из открытий свидетельствовало о том, что многие из них как будто мерцают. Они давали быстрые, едва заметные изменения света, совсем непохожие на устойчивое, ровное свечение обычных звезд. Естественно, астрономы искали хоть что-то, что отличало бы постновые от обычных звезд, и это мерцание вселяло какую-то надежду.

Одна из звезд, оказавшихся в поле внимания наблюдателей, была Новая Геркулеса или, точнее, бывшая новой за двадцать лет до того, а потом получившая название DQ Геркулеса.

В 1954 г. американский астроном Мерл Уолкер обнаружил, что к мерцанию звезды еще примешивается определенное потускнение, длящееся один час, за которым следует просветление до исходного уровня. Дальнейшее наблюдение показало, что это потускнение происходит периодически, каждые 4 ч 39 мин. Выходило, что DQ Геркулеса была затменной двойной звездой, каким был Алголь, факт существования которого никто не мог предвидеть.

Причина, по которой этого не заметили раньше, крылась в том, что упомянутые изменения света были так незначительны, а период настолько краток, что никто не был готов к такому быстрому повторению изменений и потому за ним не следили. По сути, когда DQ Геркулеса была признана двойной звездой, она имела самый короткий период, зарегистрированный к тому времени для звезд такого типа.

Это означало, что звезды этой пары вращались вокруг общего центра масс с невероятной скоростью, что, в свою очередь, говорило об их чрезвычайной близости друг к другу. (По самой точной оценке, выполненной в наши дни, центры масс обеих звезд DQ Геркулеса разделяет чуть более полутора миллионов километров (примерно 900 000 миль). Если бы эти звезды были размером с наше Солнце, они бы соприкасались!)

Была ли эта близость простым совпадением?

Неужели тот факт, что DQ Геркулеса была очень тесной парой, не имел никакой связи с тем, что она недавно была новой? Единственное, что можно было сделать, — это исследовать другие постновые.

Не являются ли и они очень тесными парами? Из десяти постновых, изученных Робертом П. Крафтом, коллегой Уолкера, семь имели несомненные признаки большой компактности.

Конечно, такое совпадение, при котором все двойные системы будут видны с ребра, т. е. смотреть в затылок друг другу и затмевать друг друга, очень маловероятно, тем не менее постновые, которые не обнаруживали никаких признаков затмения, при тщательном изучении их спектральных линий оказывались близкими парами. Сверхтесные двойные звезды очень редки, очень редки и новые. Такое множество парных звезд одновременно (и новых, и сверхблизких) не может быть объяснено простым совпадением. Здесь должна быть какая-то связь!

Вскоре был обнаружен еще один факт. Постновые выглядели вполне заурядными звездами в главной последовательности, но тщательное изучение их спектра выявило дополнительное присутствие маленьких, раскаленных добела звезд, которые, судя по всему, должны быть белыми карликами. Другими словами, похоже, что все постновые — это сверхблизкие пары, одна из которых — белый карлик.

Так вот почему в ходе затмения таким незначительным было изменение яркости! Когда белый карлик становится против своего «нормального» компаньона, он практически собой его не заслоняет, и поэтому большого снижения общей яркости сравнительно с той, когда обе звезды сияют свободно, не происходит. Когда компаньон оказывается напротив белого карлика, он полностью заслоняет эту звезду, чья полная яркость, как бы раскалена она ни была, в общем невелика. Следовательно, и в этом случае потеря общей яркости незначительна.

Через соединение в сверхтесной двойной системе белого карлика и звезды главной последовательности астрономы сумели добраться до причин, приводящих к образованию новой.

Сначала сверхтесная пара состоит из двух звезд главной последовательности. Более массивная из них (А) в конце концов становится красным гигантом. По мере того как этот гигант раздается вширь, он становится таким огромным, что начинает касаться своего компаньона (В), который захватывает часть внешних покровов А, делаясь таким образом более массивным, но тем самым менее долговечным. Со временем А кончает коллапсом, сжимаясь в белый карлик, а В продолжает свое теперь укороченное пребывание в главной последовательности.

Довольно скоро (в масштабах жизни звезды) В переходит на ядерное горючее и начинает расширяться. Еще до того, как это расширение примет свои крайние формы и В станет подлинным красным гигантом, его внешние слои окажутся настолько близки к белому карлику А, что часть вещества В начнет «переливаться» в зону гравитационного влияния А. Ранее, когда все шло наоборот, вещество А сталкивалось с поверхностью В, так как обе звезды были нормальными. Теперь вещество В с поверхностью А не сталкивается, потому что А — белый карлик и, конечно же, очень маленький. Но теперь вещество В втягивается в орбиту белого карлика А, образуя диск аккреции.

Такое название он получил вот почему. Вещество перемешивается на орбите благодаря взаимным столкновениям частиц и атомов, так что в результате внутреннего трения часть его теряет энергию и опускается в сторону белого карлика. Эти порции вещества, медленно снижаясь по спирали, как бы накручиваются на маленькую звезду, и белый карлик постепенно растет за счет массы материала, наращиваемого его поверхностью (отсюда и название «аккреция», или «наращивание»).

Несмотря на то что водород в сердцевине В иссяк и В, расширяясь, переходит в стадию красного гиганта, внешние насквозь пористые слои звезды все еще почти сплошь состоят из водорода. И белый карлик А, у которого почти нет собственного водорода даже в наружных слоях, медленно, но верно собирает водород, отбирая его у своего компаньона.

Водород, достигающий поверхности белого карлика, снимается под влиянием большой поверхностной гравитации этой крошечной звезды и, как следствие, нагревается. Водорода поступает все больше и больше, и он начинает нагреваться. Постепенно температура достигает критической точки, при которой начинается водородный ядерный синтез, и поверхность белого карлика нагревается еще сильнее.

Наконец нагревание достигает такого уровня, что ядерная реакция вспыхивает уже и в диске аккреции. При этом возникает колоссальная вспышка света, сопровождаемая многими видами излучений, и верхние слои аккреционного диска выталкиваются за пределы гравитационного поля белого карлика.

Именно эту колоссальную вспышку света мы и видим с Земли как новую звезду, а часть аккреционного диска, отторгнутая при вспышке, — это облако пыли и газа, кольцом расходящееся вокруг постновой.

Процесс ядерного синтеза постепенно затихает, ядерная активность прекращается, и долгий период времени поверхность белого карлика остывает. Затем все начинается сначала, водород, утекая со звезды В, медленно восстанавливает аккреционный диск.

По прошествии какого-то времени происходит новый взрыв. Так новая может взрываться несколько раз, прежде чем звезда В завершит свое расширение и сама будет готова сгуститься в белый карлик. (Известны парные звезды, в которых обе звезды белые карлики, и тогда, если они далеки друг от друга, ни одна из них, пожалуй, никогда не станет новой, потому что в этом случае невозможен переход материи с одной звезды на другую.)

В большинстве случаев первый взрыв новой — самый яркий, в результате о таких новых говорят «девственная новая». Новая Персея, Новая Орла и Новая Лебедя были, вероятно, такими «девственницами».

Второй взрыв может произойти, видимо, не раньше чем через 20 000 лет, и он будет менее ярким. Последующие вспышки все менее и менее значительны. Сам белый карлик способствует интенсивности реакции новой. Белый карлик имеет на поверхности тяжелые ядра — атомы углерода, азота и кислорода, и небольшие их количества могут смешиваться с поступающим водородом. Тяжелые ядра стремятся ускорить выгорание водорода.

Если с водородом смешивается более среднего количества этих тяжелых ядер, то ядерный костер охватывает водородную оболочку особенно быстро, вызывая очень яркую начальную вспышку и следом очень быстрое затухание.

Если углерод, азот и кислород вступают в реакцию сравнительно в малых количествах, то начало реакции идет относительно медленно; последующая вспышка уже не так ярка, а затухание более плавно. Вот почему новые бывают быстрые и медленные.

Итак, условия для образования новой весьма жестки. Неудивительно поэтому, что только немногим звездам галактики удается пройти этот конкурс. Для этого требуется двойная звезда, притом звезда сверхтесная. По сути говоря, наше Солнце тоже не прошло бы такого конкурса. Оно не является частью сверхтесной двойной системы, оно не является частью никакой двойной системы.

С течением времени, может быть через 5 млрд. лет или больше, Солнце истратит весь свой водород, тогда начнется выгорание гелия. С этого момента оно начнет расширяться, превращаясь в красный гигант, и со временем сожмется в белый карлик.

<<<Назад Страница 13 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz