Как известно, одиночных звезд, как наше Солнце, меньшинство. Чаще они образуют семьи из нескольких (до 7) "сестричек". Особый интерес представляют тесные пары, в которых расстояние между компонентами соизмеримы с суммой их радиусов. В таких парах происходят явления, которые невозможны для одиночных звезд.
В тесных парах нередко происходит обмен веществом. Как же это возможно, ведь мы привыкли, что попасть с одного небесного тела на другое совсем не просто? Рассмотрим понятие эквипотенциальных поверхностей. Это площади равного гравитационного потенциала, другими словами, места, где сила тяжести одинакова. Простейший пример - поверхность Земли. Для одиночного тела эквипотенциальные поверхности - это концентрические сферы, именно поэтому одиночные звезды шарообразные. Но для пары тел они приобретают сложную форму, которую можно сравнить с песочными часами (Рис. 1) - полости Роша, названные так в честь французского астронома Эдуарда Роша. На рисунке отмечено пять особых точек L1-L5. Они называются точками Лагранжа. В них все силы уравновешивают друг друга, и попавшее туда тело может неограниченно долго там оставаться. Для нас сейчас важно вот что. Вещество звезды, попавшее в L1, безо всяких затрат энергии может перейти в полость Роша второго компонента.
Возможны три варианта:
1) Разделенная система - звезды не достигают своих полостей Роша и, соответственно, точки L1.
2) Полуразделенная система - один компонент заполнил свою полость, второй - нет.
3) Контактная система - и так понятно.
Итак, представим разделенную систему. Звезды сидят внутри своих полостей Роша и имеют форму, близкую к шару. Но с течением жизни в них происходят изменения, иногда плавные, иногда очень драматические. Время и характер этих изменений определяются в первую очередь массой звезды. Чем больше масса звезды, тем быстрее она жгет топливо, ярче светит и раньше умирает. Зависимость очень крутая. Красные карлики так экономно расходуют водород, что даже те из них, что образовались 13 миллиардов лет назад, еще очень долго будут влачить свое тусклое и печальное существование. Голубые гиганты максимум через десятки миллионов лет постигает взрыв Сверхновой. Звездные пары не встречаются в космических просторах, они - сестры-двойняшки. Однако из-за разницы в массе большая из них должна состарится раньше. Но не все так просто в тесных двойных.
Пусть у нас будет разделенная двойная звезда с главным компонентом больше десяти солнечных масс. На стадии главной последовательности это голубой гигант. Когда он израсходует свой водород, то начнет распухать и превращаться в красный гигант. Звезда заполнит свою полость Роша и газ через точку L1 пойдет в полость спутника, образуя вокруг него кольцо или диск. Из-за внутреннего трения газ тормозит и оседает на вторую звезду, и она становится все массивные. Первая точка Лагранжа ближе к менее массивному телу, поэтому по мере аккреции полость Роша донора все больше сжимается, тем самым способствуя еще большей потере массы (см. компьютерную симуляцию на последнем видео). Известнейший пример - затменная переменная Бета Лиры (Шелиак). Главный компонент уже похудел до трех солнечных масс, а спутник достиг двенадцати. У спутника больше светимость, но из-за толстого диска газа он более тусклый в видимых лучах. Поскольку полости Роша заполнены, звезды имеют грушевидную форму, и когда в своем орбитальном движении эти "груши" поворачиваются то широким, то узким боком к нам, видимая яркость плавно меняется. Когда звезды шарообразны, затмения наступают и заканчиваются резко, плавных линий нет. Поэтому полуразделенные и контактные пары сразу видно по кривой блеска.
Когда почти вся масса перейдет к спутнику, от бывшего главного компонента остается одно ядро, в котором начинается горение гелия. Когда закончится и гелий, начнет гореть углерод. Температура к этому времени огромна. После того, как все вещество звезды перейдет в железо (которое гореть не может), происходит взрыв Сверхновой II типа. Остается нейтронная звезда или даже черная дыра.
Массивные звезды испускают звездный ветер, который образует диск вокруг нейтронной звезды. Гравитация у нее очень сильная, диск разогревается до миллионов градусов и ярко светит в рентгеновском диапазоне. Известный пример - Лебедь X-1. Это пара из голубого сверхгиганта и черной дыры. (Художественное изображение на рис. 3.)
Со временем вторая звезда тоже заканчивает свой водород и раздувается, образуя общую оболочку вокруг своего ядра и того, что осталось от первой звезды. После ее рассеяния останется опять-таки ядро красного гиганта в паре с нейтронной звездой, и ядро это... Да-да. Снова взрыв Сверхновой. Потеря такой массы неизбежно приводит к распаду двойной звезды, и остатки двух Сверхновых с огромной скоростью разлетаются друг от друга.
Если наша двойная будет до десяти солнечных масс, то явления будут происходить другие, может быть, даже более интересные. Более массивная звезда становится красным гигантом, ее оболочка перетекает в полость Роша спутника и аккрецируется на нем. Затем, когда в ядре начинает гореть гелий, оно расширяется и снова заполняет полость Роша. Снова газ перетекает на спутник, но уже медленно. Известнейший пример - затменная переменная Бета Персея (Алголь). С ее именем связан парадокс Алголя. Старое ядро бывшего главного компонента уже отдало большую часть изначальной массы спутнику, и теперь он более массивный компонент. И более молодой, потому что до исчерпания пополненых запасов водорода ему еще далеко. Но, как я уже говорил, более массивные звезды стареют быстрее. Без обмена веществом такой парадокс был бы невозможен. Еще одно интересное явление в этой системе - своего рода "отражение" энергии молодой и горячей звезды класса B8 от поверхности состарившейся холодной класса K0. Конечно, свет не отражается от газа. Но мощное излучение голубой звезды нагревает поверхность спутника, и "дневная" сторона горячее и ярче, чем обратная. Это тоже хорошо видно по кривой блеска. Сейчас до Алголя 91 световой год, но 7,3 миллиона лет назад он прошел (по разным исследованиям) в 8-10 световых годах от нас. Эх, ну почему не сейчас...
Итак, первый компонент со временем становится белым карликом. Второй впоследствии тоже распухает и образует общую оболочку вокруг двух звезд. После ее рассеяния останется пара белый карлик - субгигант, заполняющий свою полость Роша. Постепенное увеличение субгиганта по мере выгорания, потеря момента на звездный ветер и гравитационные волны поддерживает медленное перетекание вещества на белый карлик. Вот тут и начинается самое интересное. Пары, где один из компонентов - белый карлик, часто являются так называемыми катаклизмическими переменными - Новые звезды, поляры, карликовые новые.
Самые известные из них - Новые звезды. В процессе аккреции газ с богатого водородом компонента собирается на поверхности белого карлика. В нем постепенно начинается реакция синтеза гелия. Яркость возрастает в среднем на 12 звездных величин, то есть в 60000 раз, после чего плавно возвращается к прежнему значению. Затем все повторяется. Новые, которые вспыхивали повторно в историческое время, называют повторными. Они несколько слабее (увеличивают блеск на 10 звездных величин). Но считается, что на самом деле все Новые повторяются, просто редко.
Теперь об иллюстрациях.
1) Полости Роша для звезды Бета Лиры. Рисунок из книги.
2) То же самое, но мои собственные расчеты по современным данным.
3) Пара голубой сверхгигант-черная дыра в представлении художника. Не претендует на достоверность, так, для наглядности.
4) Видео обращения Беты Лиры. Да-да, настоящее видео, а не "в представлении художника". Чтобы Вы могли представить нетривиальность этой задачи, скажу, что угловой размер этого участка неба порядка миллисекунды. Видео построено по данным оптического интерферометра CHARA. Пока это единственный прибор с таким разрешением
5) Мое моделирование полостей Роша для гипотетической пары, в которой соотношение масс изменяется (из-за массообмена) от 1:1 до 20:1.
-
Beta Lyrae (Sheliak)
-
Roche lobes