Уникальный астрономический объект SS 433

типичных полуразделенных систем установлено, что для этого достаточно

нескольких десятков орбитальных периодов. Следовательно, большую часть

времени существования полуразделенных двойных систем картина течения

вещества в них описывается представленной выше моделью.

2.3. Массообмен посредством звездного ветра

Наряду с исследованием перетекания газа через внутреннюю точку

Лагранжа, внимание астрофизиков все больше привлекает другой возможный

механизм обмена веществом в ТДС - посредством звездного ветра. Важность

подобных исследований определяется, в частности, тем, что к системам, где

истекающая звезда не заполняет свою полость Роша и обмен веществом идет

посредством звездного ветра, относятся очень интересные симбиотические и

массивные рентгеновские звезды. Проведенные исследования показали, что

общая картина течения вещества в подобных системах определяется, в первую

очередь, параметрами звездного ветра. Из наблюдений известно, что различные

классы объектов, принадлежащих к ТДС с компонентами, не заполняющими

полость Роша, могут иметь значительно различающиеся режимы истечения

вещества (так, например, в рентгеновских двойных скорости газа в 10-100 раз

больше, чем в так называемых симбиотических звездах).

Основываясь на результатах двумерных газодинамических расчетов,

попытаемся выяснить общие тенденции изменения картины течения в зависимости

от параметров звездного ветра. Это может иметь и практическое значение для

анализа наблюдений. В качестве свободного параметра при расчетах введем

отношение W скорости ветра к орбитальной скорости аккретора, что позволит

использовать полученные результаты при анализе других двойных систем.

Расчеты проведены при фиксированных параметрах двойной системы: масса

первичного - истекающего - компонента [pic] и радиус [pic], что

соответствует объемной степени заполнения полости Роша в 29.6%; масса

вторичного компонента - компактного объекта - [pic], а радиус [pic].

Орбитальный период T = 725 дням, расстояние между центрами компонентов

[pic]. Данные параметры двойной системы являются типичными для

симбиотических звезд. Учитывая, что скорость истекающего газа -

определяющий параметр при формировании структуры течения вещества,

полученные результаты могут быть с определенными оговорками перенесены и на

другие системы.

Анализ полученных результатов показывает, что при больших скоростях

ветра ([pic]>[pic], т.е. W>1) в двойных системах наблюдается коническая

ударная волна, обусловленная прямым потоком вещества от звезды-донора.

Увеличение скорости ветра приводит к уменьшению раствора конуса и смещению

его оси к линии, соединяющей центры звезд.

Уменьшение скорости ветра приводит к заметному усложнению картины

течения, и, в частности, к формированию сложной структуры из ударных волн и

тангенциальных разрывов. В подобных системах при уменьшении скорости ветра

наряду с прямым потоком вещества от звезды-донора существенную роль

начинает играть поток, обусловленный орбитальным движением звезды-аккретора

в газе звездного ветра. Характерная особенность рассчитанной структуры при

малых скоростях ветра (типичных для симбиотических звезд с [pic]< 30-50

км/с и значением параметра W< 1-1.5) - наличие двух отошедших ударных волн:

одна находится перед аккретором на пути орбитального движения, другая -

между компонентами системы (вместо конической ударной волны). В системах со

слабым ветром вещество, падающее на компактный объект, движется по

закручивающейся спирали, причем скорость его существенно превышает скорость

вещества, не вовлеченного в процесс аккреции.

Во всех низкоскоростных (W < 1) вариантах наблюдалось формирование

устойчивого аккреционного диска. Напротив, при высоких граничных значениях

скорости (W > 1) диск образовывался квазипериодически, лишь в определенные

моменты времени, причем при следующем возникновении диска направление

движения газа в нем изменялось на противоположное. Оказалось также, что

увеличение скорости ветра приводит к существенному уменьшению скорости

аккреции, выраженной в долях от темпа истечения вещества от первичного

компонента.

Решение задачи о газодинамике массопереноса во взаимодействующих

двойных системах все еще далеко от завершения, поскольку многообразие

протекающих в системе процессов и сложность их численного моделирования

пока не позволяют разработать единую модель, детально описывающую все

рассматриваемые системы. [3]

2.4. Эволюция одиночной звезды

Самое долгое время своей жизни звезда проводит на стадии, определяемой

процессами термоядерного горения водорода в ее недрах. Время пребывания на

главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рессела очень сильно

зависит от массы звезды: чем она массивнее, тем горячее ее центральные

части, но тем скорее израсходуется водородное топливо в ядре звезды. Так,

звезды с массой порядка солнечной находятся на главной последовательности

несколько миллиардов лет. После того, как водород кончается в ядре, он

начинает гореть в узком слое. При этом одиночная звезда становится очень

больших размеров (100–1000 [pic]), переходя в класс красных сверхгигантов.

Звезды с массой меньше 0,8 [pic], вообще не успевают проэволюционировать от

стадии главной последовательности за космологическое время (10–13 млрд.

лет). [1]

Век массивных звезд сравнительно короток по космологическим меркам:

звезда с массой больше 10[pic] на главной последовательности пребывает не

дольше 10 млн. лет. После полного исчерпания водорода загорается

накопившийся в недрах гелий, потом углерод и далее во все убыстряющемся

темпе более тяжелые элементы.

При этом продукты горения каждой предыдущей реакции становятся

топливом для последующей: водород ( гелий ( углерод (...( железо. В

некоторый критический момент, когда в недрах звезды накопится достаточно

тяжелых элементов, она теряет свою устойчивость и ее ядро коллапсирует под

действием сил гравитации. В процессе коллапса высвобождается гигантская

энергия (~1052 эрг) – происходит грандиозная вспышка сверхновой.

В среднем в нашей Галактике одна сверхновая вспыхивает примерно раз в

несколько сотен лет. На месте сверхновой может остаться компактный объект –

нейтронная звезда или черная дыра. Массы нейтронных звезд не превосходят

3[pic], а их радиусы – около 10 км. Черные дыры могут иметь любые звездные

массы.

Если начальная масса звезды меньше 10[pic], то эволюция протекает

иначе. На стадии красного гиганта у нее формируется вырожденное гелиевое

или углеродно-кислородное ядро, которое после сброса внешней оболочки (при

этом образуется планетарная туманность) превращается в белый карлик –

звезду, где гравитационным силам сжатия противостоит давление вырожденного

электронного газа.

2.5. Особенности эволюции звезд в паре

Эволюцию двойных систем принято делить на два типа: эволюцию массивных

систем, в которых хотя бы одна из компонент имеет массу (10[pic], и

эволюцию систем малых и умеренных масс. У систем первого типа закономерным

следствием эволюции является вспышка сверхновой звезды, у вторых – вспышка

сверхновой возможна лишь при очень специфических условиях: когда на белый

карлик, образовавшийся в ходе обычной эволюции одной из компонент,

«натекает» вещество со второй звезды. Белый карлик наращивает свою массу

вплоть до того момента, когда уже вырожденный релятивистский электронный

газ не в состоянии противостоять гравитационному сжатию. Этот

фундаментальный предел массы (1,4[pic]) был открыт в 30-х годах нашего века

С. Чандрасекаром и носит его имя. [15]

Рассмотрим, как меняется орбита системы в процессе обмена веществом.

Во многих случаях обмен масс в двойной системе с большой точностью можно

считать консервативным, то есть все вещество, истекающее с одной звезды,

полностью перехватывается соседней и орбитальный момент системы не

изменяется. Из условия сохранения момента следует, что при перетекании

вещества с более массивной компоненты на менее массивную расстояние между

звездами должно уменьшаться. В противном случае – когда вещество истекает с

менее массивной компоненты – расстояние между ними должно увеличиваться.

По ряду причин вещество может не полностью перехватываться соседней

компонентой и часть его покидает систему, унося угловой момент. Тогда

процесс перетекания неконсервативен, угловой момент не сохраняется, В этом

случае расчет эволюции усложняется. По общей теории относительности (ОТО)

орбитальный момент импульса двойной системы должен всегда убывать, вне

зависимости от того, происходит в системе перетекание вещества или нет.

Глава 3. Уникальный объект SS 433

3.1. Загадка SS 433

Об этом удивительном небесном объекте написано уже немало. Речь идет

об источнике в созвездии Орла, занесенном в каталог ярких эмиссионных звезд

Ц. Стефенсона и Н. Сандулека под номером 433. SS 433 – уникальная по своим

свойствам тесная двойная система: несмотря на тщательные поиски, других

подобных источников пока в Галактике не обнаружено. Источник удивителен по

богатству ярких феноменов, физика которых во многом до настоящего времени

окончательно не выяснена. [9]

Внимание к себе он привлек после того, как английскими учеными Д.

Кларком и П. Мардиным была получена первая спектрограмма с высоким

разрешением в оптическом диапазоне. В 1977 г. Б. Стефенсон и Н. Сандулек

опубликовали список звезд, замечательных тем, что в их спектрах имелись

яркие эмиссионные линии. Дальнейшее изучение показало, что одна из этих

звезд невидимая простым глазом звезда под номером SS 433 в районе созвездия

Орла вблизи центральной плоскости Галактики, выделяется необычайным обилием

эмиссионных линий. В ее спектре имеются яркие эмиссионные линии водорода,

гелия, некоторых других элементов. Но около каждой из этих линий находится

по две дополнительные эмиссионные линии несколько меньшей интенсивности –

одна слева, а другая справа.

Это особенно четко видно в линиях атома водорода (серии Бальмера) –

самых сильных из всех эмиссионных линий SS 433 – см. рис. 11. На рисунке

дополнительные линии, лежащие слева от основной, т е. в сторону голубого

края спектра, отмечены буквой В от слова blue – голубой; будем называть их

голубыми линиями-спутниками. Дополнительные линии, лежащие справа от

основной, т. е. в сторону красного края спектра, отмечены буквой R – от

слова red – красный, будем называть их красными линиями-спутниками. Можно

заметить, что линии-спутники расположены относительно основных в строгом

порядке. Именно на шкале длин волн каждая голубая линия-спутник отстоит от

основной на отрезок, который пропорционален длине волны основной линии:

[pic] (3.1)

Здесь [pic]- разность длин волн голубой линии-спутника и основной

линии; индекс «i» пробегает значения [pic], которыми различаются линии в

спектральной серии, так что приведенное соотношение содержит столько

уравнений, сколько имеется основных линий (на рис. 11. показаны три

основных линии); коэффициент пропорциональности [pic] одинаков и

отрицателен по знаку для всех голубых линий-спутников.

То же и с красными линиями-спутниками:

[pic] (3.2)

Здесь столько уравнений, сколько значений пробегает индекс «i»;

значение [pic] одинаково для всех красных линий-спутников и положительно по

знаку; по абсолютной величине [pic] и [pic] не совпадают между собой:

[pic]>[pic].

Фактически в спектре SS 433 имеются три системы спектральных линий:

одна система на своем стандартном месте на шкале длин волн – это система

основных линий – и две другие системы линий, смещенные относительно

стандартного положения в голубую и красную стороны. Это смещение

представляет собой не просто сдвиг линий с сохранением их относительных

положений (т. е. расстояний между ними на шкале длин волн), а сдвиг с

изменением относительных положений, так как, сдвиг каждой дополнительной

линии от основной тем больше, чем больше длина волны основной линии.

Смещения спектральных линий сами по себе не новость в астрономии.

Более полувека назад пулковский астроном А. А. Белопольский наблюдал

смещение линий в спектрах звезд и по величине и знаку смещения определял

лучевые скорости звезд, т. е. скорости вдоль луча зрения. Смещение линий от

их стандартного положения служат для астрономов безошибочным указанием на

то, что источник излучения движется относительно наблюдателя. Изменение

длин волн и частот излучаемого света, вызываемое относительным движением

источника и приемника света, носит название эффекта Доплера. [22]

Эффект Доплера

Эффект Доплера возможен при любом волновом или периодическом движении.

Он знаком всем по примеру с поездом, когда гудок поезда кажется более

высоким по тону при приближении поезда и низким – при удалении.

Воспринимаемая ухом частота звуковых волн больше при приближении и меньше

при удалении источника звука. То же и с электромагнитными волнами. Хотя

полной аналогии и нет. Дело в том, что звуковые волны распространяются

только в среде, а электромагнитные волны могут распространяться и в

пустоте. Поэтому в акустике различают движения источника и приемника звука

относительно среды, а для электромагнитной волны существенно лишь

относительное движение источника и приемника, т. е. только изменение

расстояния между ними. Кроме того, электромагнитные волны распространяются

в пустоте с максимально возможной скоростью, со скоростью света с, тогда

как скорость звука определяется свойствами среды, по которой он

распространяется. Покажем, как можно получить формулы, описывающие эффект

Доплера для света. Допустим, имеется источник, который посылает нам

короткие импульсы, вспышки света. Эти импульсы регистрируются приемником

света, и мы будем фиксировать моменты испускания и прихода импульсов.

Пусть один импульс испущен в момент [pic] и достиг нас в момент [pic],

а следующий за ним испущен в момент [pic] и принят в момент [pic]. В первом

случае свет распространялся в течение времени [pic] и прошел путь [pic]; во

втором случае время распространения [pic] и путь [pic]. Если источник,

покоится относительно нас и расстояние до него не меняется, то, очевидно,

оба пути света равны. Если же источник движется, то пути различны:

приближение источника сокращает путь света, а удаление увеличивает.

Рассмотрим сначала случай приближающегося источника (рис. 12). Если он

движется по направлению к нам со скоростью [pic], то вторая вспышка будет

испущена в точке, которая на отрезок пути [pic] ближе:

[pic]-[pic]=[pic] (3.3)

Перепишем это уравнение в несколько ином виде:

[pic] (3.4)

Представим себе теперь, что мы следим не за отдельными вспышками, а за

непрерывно испускаемыми волнами. Тогда мы можем выбрать моменты испускания

[pic] и [pic] так, чтобы промежуток времени между ними равнялся периоду

испускаемой волны [pic]:[pic]=[pic]. А период принимаемой волны T выразится

через t1 и t2: [pic]=T

Тогда из уравнения (3.4) получаем следующую связь между T и [pic]

[pic] (3.5)

Мы видим, что принимаемый период меньше периода испущенной волны.

Если источник не приближается, а удаляется, в последней формуле нужно,

очевидно, изменить знак перед скоростью на обратный. Это дает возрастание

периода колебаний. При произвольной ориентации движения источника скорость

[pic] в последнем соотношении нужно, как легко видеть, заменить

произведением [pic], где [pic] – угол между направлением движения источника

и направлением распространения волны (т. е. лучом зрения):

[pic] (3.6)

Под величиной [pic] здесь нужно понимать абсолютную величину вектора

скорости, a [pic] -[pic] лучевая скорость, т. е. проекция скорости на луч

зрения.

Полученная формула (3.6) довольно проста, но в действительности она

имеет столь простой смысл лишь тогда, когда скорость движения источника

очень мала по сравнению со скоростью света: [pic]. Если это условие не

выполнено, в игру вступают новые физические явления, релятивистские

эффекты, в которых проявляются свойства относительности времени и

пространства, изучаемые теорией относительности. Очень важно, что при

больших скоростях, сравнимых со скоростью света (а именно с этим случаем мы

и встретимся в источнике SS 433), показания движущихся и покоящихся часов

не совпадают.

В рассуждениях, приведших к формуле (3.6) подразумевалось, что

регистрация моментов времени производится по часам астронома-наблюдателя,

который принимает излучение, приходящее к нему от движущегося источника

света. По этим часам был измерен период принимаемой волны T. По тем же

часам измерялся и период испущенной волны [pic]. Но между этими двумя

измерениями имеется существенная разница. Одно измерение производилось там,

где происходило интересующее нас событие: приход света регистрировался по

часам, находящимся тут же у приемника. Другое же измерение производилось

вдали от места, где происходило событие: моменты испускания света

регистрировались по часам, находящимся не у источника, а у приемника.

Величина [pic] – это период испущенной волны, измеренный по часам

приемника.

Какой период испущенной волны показали бы часы, находящиеся на самом

источнике? Согласно теории относительности движущиеся часы всегда идут

медленнее неподвижных; промежуток времени между какими-то двумя событиями,

измеренный движущимися часами, будет в отношении «релятивистского корня»

[pic] меньше, чем промежуток времени между теми же событиями, измеренный по

покоящимся часам. Поэтому часы, движущиеся вместе с источником света,

покажут меньший период испущенной волны, чем часы покоящегося наблюдателя

[pic] (3.7)

T0 – это и - есть период испущенной волны, измеренный по часам источника.

Время, отсчитываемое по часам, движущимся вместе с данным телом,

называется собственным временем этого тела. Промежуток собственного времени

движущегося тела всегда короче соответствующих промежутков времени,

измeренных по неподвижным часам.

Пользуясь релятивистской формулой (3.7), можно, наконец, записать

окончательную формулу эффекта Доплера, в которой период принимаемых волн T

выражен через собственный период T0 источника:

[pic] (3.8)

От периода легко перейти к длине волны [pic] и частоте [pic]

колебаний:

[pic] (3.9)

[pic] (3.10)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5