Текст книги "Суперобъекты. Звезды размером с город"

Автор книги: Сергей Попов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 15 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Планеты двойных звезд

В фантастических романах очень любят описывать планеты, имеющие два (или больше) солнца. Оказалось, что и в самом деле в системах двойных звезд могут существовать планеты. Их начали открывать совсем недавно. Основной вклад в обнаружение планет в двойных системах внес спутник «Кеплер».

Конфигурации устойчивых орбит планет в двойных системах. Планета может вращаться вокруг всей пары на расстоянии заметно большем, чем размер звездных орбит, или вокруг одной из звезд, находясь вблизи нее.

Говоря о планетах в двойных, мы можем вспомнить о тройных звездах. Устойчивыми оказываются только иерархические системы. Возможны две ситуации, когда планетная орбита оказывается устойчивой. Бывает, что планета вращается очень близко от одной из звезд и вторая звезда лишь несильно возмущает орбиту планеты. Это не так интересно, так как фактически у такой планеты одно солнце (второе будет намного слабее в небе такой планеты). А могут быть планеты, вращающиеся сразу вокруг всей двойной. Первая такая планета была открыта спутником «Кеплер». Ее, естественно, неофициально назвали Татуин, поскольку похожая планета существует в популярном фильме.

Сейчас известно уже несколько десятков планет в двойных звездных системах. Как вокруг какой-нибудь из звезд двойной, так и вокруг всей системы. Но есть и планеты в тройных системах. Одна из них (в системе GJ 667) даже находится в зоне обитаемости и имеет не слишком большую массу. То есть она может относиться к планетам земного типа и иметь на своей поверхности жидкую воду.

В некоторых планетных системах мы можем наблюдать процессы, аналогичные происходящим в тесных двойных системах. Например, если планета подобралась слишком близко к звезде, то та может ее нагревать своим излучением, возмущать своим приливным воздействием. Так же, как в тройных системах, может запускаться механизм Козаи – Лидова, приводящий к квазипериодическим изменениям наклона орбиты и ее вытянутости. Наконец, может даже начаться аккреция, а в конце концов планета может слиться со звездой, что будет сопровождаться яркой вспышкой. Их надеются обнаружить, когда войдет в строй большой обзорный телескоп LSST.

Сам процесс образования планет происходит в диске, окружающем звезду (сейчас мы даже видим диски вокруг молодых двойных звезд). Изучение дисков в астрофизике десятилетиями было в основном связано с исследованием тесных двойных. Поэтому многие методы и решения, разработанные для двойных, – например, решение Шакуры-Сюняева, – интенсивно используется для моделирования формирования планетных систем.

В течение последних лет планеты вокруг двойных звезд перестали быть фантастикой, и теперь мы знаем различные системы такого типа. Поговорим теперь, возможно, о самых фантастических двойных звездах.

VI. Релятивистские двойные звезды

Релятивистские двойные – это системы, где хотя бы один из объектов является очень компактным, и поэтому для описания таких систем нужна теория относительности (собственно, обе: и Частная – так называемая Специальная, – и Общая). По-английски «теория относительности» – theory of relativity. Поэтому компактные объекты и системы с ними называют релятивистскими. Обычно это системы или с нейтронными звездами, или с черными дырами. В будущем мы надеемся открыть и двойные, состоящие сразу из нейтронной звезды и черной дыры.

Двойные системы занимают важное место и в астрофизике обычных звезд. Самое главное, для чего звездные двойные системы понадобились астрономам, – это измерение масс. Поскольку если мы наблюдаем одиночную звезду, то точно измерить ее массу практически невозможно. Значит, нам нужно, чтобы что-то вокруг нее крутилось (и сама она также обращалась вокруг другого тела, точнее, они обе обращались вокруг центра масс). К счастью, есть двойные системы, и там мы можем измерять массы звезд. А потом, когда мы видим одиночную звезду, мы можем сказать: «Она похожа на одну из тех звезд в двойных, для которых мы измеряли массу, поэтому мы думаем, что масса этой одиночной звезды такая-то». Примерно так все это работает, хотя реальность, как обычно, немножечко богаче и сложнее.

Массивные двойные

Итак, образовалась двойная звезда. Почему же сформировалась пара, а не один объект? Сжимающееся облако газа и пыли вращается. Такое облако всегда вращается – в космосе вообще все вращается. Чем сильнее оно сжимается, тем быстрее вращается. И, наконец, центробежная сила способна остановить сжатие. Читатель может справедливо возразить, что никакой центробежной силы нет. Строго говоря, это верно (ведь, скажем, на Землю, вращающуюся вокруг Солнца, действует только сила солнечного притяжения, никакой другой реальной силы нет). Но зато есть закон сохранения момента импульса. Например, именно из-за необходимости преодолевать инерцию вращения нам труднее запустить аппарат к Меркурию, чем к Юпитеру, хотя Меркурий гораздо ближе. Сжимающемуся веществу очень трудно избавиться от вращения, а это необходимо сделать, для того чтобы стать еще компактнее.

По мере сжатия скорость вращения возрастет настолько, что станет невозможным образовать единый более компактный объект. Чтобы этого избежать, можно сжимающийся сгусток вещества разделить на две части. Тогда обе части будут вращаться друг вокруг друга, но каждая из них сможет коллапсировать, схлопываться дальше и в конце концов породит звезду. То есть «излишек» вращения сжимающегося облака мы конвертировали в орбитальное вращение пары объектов. Если деления на две части не хватит, то какой-то из кусочков опять может разделиться надвое, и образуется иерархическая система, состоящая, например, из двойной и одиночной звезды или из двух пар. А в некоторых случаях – даже из трех пар звезд.

Так вот, представим, что у нас образовалась двойная система, и пусть для определенности у нас обе звезды достаточно массивные. Тогда с течением времени одна из них (напомним, что более массивная эволюционирует быстрее своей соседки) закончит свою эволюцию, взорвется и породит нейтронную звезду. Затем вторая тоже закончит свою эволюцию и тоже произведет на свет нейтронную звезду. Таким образом, будет система из двух нейтронных звезд, а до этого – на какой-то стадии эволюции – пара из нейтронной звезды и обычной звезды, которая еще не превратилась в релятивистский объект. Это очень интересные системы, и именно в них мы можем измерять массы компактных объектов: массы черных дыр и нейтронных звезд. Это очень важно, в частности, если мы хотим понять, как наши суперобъекты устроены внутри.

Измерение масс компактных объектов – ключевой момент, если мы хотим доказать существование черных дыр. Впервые об этих объектах как возможной интерпретации наблюдаемых источников начали говорить в конце 60-х – начале 70-х годов ХХ века. Тогда начали открывать системы, состоящие из релятивистского объекта и нормальной звезды, вещество которой перетекает на компактного соседа, и при этом выделяется очень много энергии, поскольку вещество разгоняется гравитацией до очень большой скорости. Скажем, если оно падает в черную дыру – то до скорости света (по определению). На нейтронную звезду вещество падает с немножко меньшей скоростью, но тем не менее, останавливаясь на поверхности нейтронной звезды, оно имеет большую кинетическую энергию, вся эта энергия выделяется, и у нас возникает очень яркий источник.

В каком диапазоне будет излучать наш источник? Мы знаем, что холодные звезды имеют температуру поверхности около 3000 K и светят красным светом. Солнце со своими 6000 K – желтая звезда. Более горячие Сириус и Вега – белые. Чем горячее звезда – тем дальше максимум в спектре ее излучения сдвигается в сторону коротких волн. Чем короче волна – тем больше средняя энергия испускаемых фотонов. Если источник излучает много энергии с маленькой площади, то каждый из фотонов, которые уносят энергию, сам будет иметь большую энергию. (Это похоже на описанную выше ситуацию, когда вам надо унести крупную сумму в небольшом чемодане – конечно, вы возьмете самые крупные купюры!) В случае нейтронных звезд и черных дыр в двойных системах это оказываются рентгеновские фотоны, соответствующие температуре вещества в миллионы градусов.

Спектры черного тела для разных температур. Видно, что с ростом температуры максимум сдвигается в сторону более коротких волн.

В 60-е годы ХХ века возникла рентгеновская астрономия. А в начале 1970-х одно за другим последовали открытия новых удивительных источников. Оказалось, что зачастую мы видим двойные системы, где вещество течет с обычной звезды на компактный объект. В такой ситуации мы можем измерить массу компактного объекта, и она для некоторых из них оказалась большой. Что это означает с точки зрения физики? Например, если у нас есть компактный объект с массой 3, 4, 5, или 10 солнечных масс, то мы не можем сделать его из обычного вещества. Нам приходится предположить, что в этой системе находится черная дыра, поскольку нейтронные звезды не могут быть столь массивными – для них существует некий верхний предел. Мы не знаем его точно, но это где-то 2–3 солнечные массы, и, когда релятивистская звезда достигает этого предела, она схлопывается в черную дыру. Таким образом, компактные объекты, обладающие достаточно большой массой, не могут избежать превращения в черные дыры. Это не относится к обычным звездам, которые могут иметь массу и 100, и 120 солнечных масс, – у них внутри есть источник энергии, и давление внутри вещества предотвращает схлопывание в черную дыру. Но в случае рентгеновских двойных мы уверены, что второй компонент не является обычной звездой.

Релятивистская двойная система с аккрецией. Вещество перетекает с обычной звезды на компактный объект, разгоняясь до больших скоростей гравитацией. Часть вещества может выбрасываться в виде двух струй – джетов – в направлениях, перпендикулярных диску.

Измерение масс и радиусов в двойных системах

Многие методы измерения масс и радиусов так или иначе связаны с двойными системами, особенно если речь идет об одновременном измерении этих параметров. Начнем с того, что массы обычных звезд мы умеем точно определять только в двойных. Наблюдения позволяют определить орбитальный период и амплитуду лучевых скоростей для каждой звезды. После этого остается один неизвестный параметр – угол, под которым мы видим плоскость орбиты. Его можно определить, например, если в системе происходят затмения.

Тогда мы сразу получим массы обеих звезд в системе. Это работает и для систем с нейтронными звездами. Чаще всего сам компактный объект мы не видим. Однако если речь идет о радиопульсаре, то наблюдения изменений его периода позволяют определить орбитальную скорость в проекции на луч зрения. А если нейтронная звезда является рентгеновским источником, то мы можем наблюдать в оптическом диапазоне аккреционный диск, что также дает возможность измерить орбитальную скорость.

Иногда наблюдения диска в рентгеновском диапазоне позволяют обозначить верхний предел размера нейтронной звезды. Это связано с тем, что в рентгеновском диапазоне есть известная спектральная линия – линия железа. Когда ее испускает вещество аккреционного диска, то мы можем определить, на каком расстоянии от центра нейтронной звезды это произошло. Дело в том, что звезда настолько массивна и компактна, что в диске становится заметным один из эффектов Общей теории относительности – гравитационное красное смещение. Чем оно больше – тем ближе к гравитирующему центру (а стало быть, и к поверхности нейтронной звезды) подошел диск. В результате спектральная линия перестает быть узкой. У нее, как говорят астрономы, «отрастает красное плечо». Определение максимального смещения линии для данного источника дает радиус внутренней границы диска. А он, конечно же, не может быть меньше радиуса звезды. Часто такие оценки оказываются полезными и дают возможность отбросить уравнения состояния, предсказывающие слишком большие объекты.

Схематичное изображение линии железа (6,4 кэВ) с красным плечом. Из-за того, что часть излучения приходит от внутренних областей диска, свет приходит к нам покрасневшим.

Радиус нейтронной звезды можно также оценить, если видно тепловое излучение поверхности. Спектр такого излучения – достаточно универсальный (он зависит от состава атмосферы компактного объекта, но часто это удается правильно учесть), и на основании наблюдений можно довольно точно определить температуру. Если мы знаем светимость источника, то по известной температуре можем немедленно вычислить площадь излучающей поверхности. Если излучение не переменное, то, скорее всего, светит вся поверхность, а не какое-то горячее пятно. В случае нейтронной звезды по данным о светимости и температуре мы получим ее радиус. Это будет тот радиус, который виден удаленному наблюдателю. Он больше используемого на диаграмме «Масса – радиус» радиуса «по экватору». Чтобы получить значение и для него, надо знать гравитационную массу объекта.

Для продвижения в изучении свойств вещества компактных объектов лучше всего одновременно измерить и массу, и радиус. Обычно для этого нужно применить хотя бы два метода, так как из-за эффектов Общей теории относительности из наблюдений обычно определяется комбинация массы и радиуса. Например, рассмотрим измерения гравитационного красного смещения. Это похоже на получение значения радиуса внутренней границы диска, но теперь источник излучения находится прямо на поверхности. Красное смещение характеризует компактность объекта: насколько он мал при данной массе или насколько массивен при данном радиусе. Такое наблюдение позволило бы измерить отношение массы и радиуса (того, который отсчитывает «по экватору»), что дало бы прямую линию на диаграмме «Масса – радиус». К сожалению, в спектрах излучения поверхности нейтронных звезд нет подходящих линий. Один раз казалось, что удалось измерить красное смещение, но, увы, это была ложная тревога. Но даже если бы нам удалось измерить гравитационное красное смещение, был бы необходим второй метод, чтобы на линии на диаграмме «Масса – радиус» мы могли бы выделить короткий отрезок, а лучше – точку.

Один из классов тесных двойных систем с нейтронными звездами – барстеры – дает возможность добавить еще один метод. В этих источниках вещество, перетекающее с нормальной звезды, накапливается на поверхности нейтронной, пока не происходит термоядерный взрыв. В результате оболочка начинает расширяться. Затем вещество возвращается обратно. Но это не быстрое падение, потому что вещество поддерживается мощным потоком излучения. Вещество как бы парит над поверхностью. В это время светимость равна критической. Ее называют эддингтоновской в честь Артура Эддингтона, который первым рассмотрел такую ситуацию.

Здесь важно, что свет оказывает давление. Гравитация стремится уронить вещество на поверхность, а излучение стремится сбросить вещество. Анализ равновесия между гравитацией и излучением в итоге позволяет определить комбинацию массы и радиуса, так как эддингтоновская светимость, удерживающая вещество, зависит от массы притягивающего объекта.

Наконец, большие надежды связывают с анализом профилей импульсов рентгеновских пульсаров. Для решения этой задачи планируют даже запустить несколько космических проектов. Один из них называется NICER. Эта система рентгеновских телескопов будет установлена на МКС. Другой проект, гораздо более крупный, пока лишь планируется. Это европейский спутник LOFT.

Изображение установки NICER. Прибор будет установлен на Международной космической станции. Одна из главных задач – изучение нейтронных звезд в двойных системах с целью определения их масс и радиусов. Это позволит решить вопрос о состоянии вещества в их недрах.

Идея подхода состоит в том, что тщательное моделирование формы импульсов позволяет одновременно определить массу и радиус. Дело снова в эффектах Общей теории относительности. Нейтронные звезды настолько сильно искажают пространство вокруг себя, что мы всегда видим их затылок. По крайней мере частично. Световые лучи двигаются по прямой, только если они испущены перпендикулярно поверхности (т. е. точно по радиусу). Но элемент поверхности светит во все стороны, поэтому часть лучей покидает поверхность под углом к ней. Их траектория будет изогнутой, и это может привести к тому, что часть лучей обогнет нейтронную звезду. В итоге частично мы будем видеть излучение от обратной стороны компактного объекта. Чем компактнее нейтронная звезда – тем больше эффект.

Если звезда достаточно большая (при той же массе), то эффект мал. Это приводит к тому, что у таких звезд могут быть узкие импульсы и пульсации будут сильными. У массивных звезд с небольшими радиусами мы всегда видим достаточную часть обратной стороны, чтобы импульсы расплывались. Детальный анализ нескольких десятков объектов должен позволить достаточно точно определить комбинацию массы и радиуса и внести ясность в вопрос об уравнении состояния нейтронных звезд. Цена вопроса – Нобелевская премия.

Двойные с черными дырами

Двойные системы дали уникальную возможность изучать черные дыры. Мы, конечно же, не видим саму дыру, мы наблюдаем то вещество, которое течет в нее. Обычно вещество образует диск вокруг черной дыры, и мы видим излучение, приходящее из внутренних частей диска, которые отстоят от горизонта черной дыры всего на пару ее радиусов (может, и меньше, если дыра быстро вращается). И это пока единственный хороший способ что-то узнавать об этих удивительных объектах.

Главный аргумент в пользу существования черных дыр связан именно с релятивистскими двойными системами. Существуют так называемые новые звезды. На самом деле, как мы уже говорили, они старые, но свое название получили благодаря тому, что могут быстро увеличить свой блеск и вдруг появляются на небе. Это двойные системы. Вещество в них течет с обычной звезды на белого карлика, накапливается и происходит взрыв. Похожую штуку можно сделать и с нейтронной звездой. В этом случае у нас есть двойная система – нейтронная звезда плюс обычная, – и вещество течет с обычной на нейтронную. Оно постепенно накапливается на поверхности, и в какой-то момент происходит термоядерный взрыв, быстро охватывающий всю поверхность. Мы видим такие объекты. Их называют рентгеновскими барстерами (от burst – вспышка), и можно достаточно надежно доказать, что это действительно термоядерный взрыв на поверхности нейтронной звезды. При этом есть системы, крайне похожие на системы с барстерами, но там не происходит никаких вспышек. Единственный способ объяснить такие источники без вспышек – предположить, что компактные объекты, которые входят в эти двойные системы, просто не имеют поверхности. То есть, проще говоря, там черная дыра. Как лошадь барона Мюнхгаузена, в «которую лилось, а из нее выливалось», невозможно напоить, так и дождаться термоядерного взрыва от аккреции на черную дыру невозможно.

Кривая блеска рентгеновского барстера. Вещество накапливается на поверхности нейтронной звезды, пока не происходит термоядерный взрыв.

Если мы отбросим версию черной дыры и представим себе, что там есть какая-то поверхность, то вспышки должны происходить (при условии, что радиус нашего альтернативного объекта не отличается от радиуса черной дыры всего лишь на несколько процентов). Поэтому существование таких двойных систем, похожих на системы с барстерами, – с перетеканием вещества, но без вспышек – один из самых надежных аргументов в пользу существования черных дыр.

Мы думаем, что в ближайшие годы прямое доказательство существования черных дыр будет получено, и именно благодаря двойным системам. Если у нас в систему вначале входило две очень массивные звезды, каждая из которых прожила свою жизнь и породила черную дыру, то потом такая система, теряя орбитальный момент за счет испускания гравитационных волн, может проэволюционировать до слияния черных дыр. Это приведет к появлению гравитационно-волнового всплеска, и детекторы текущего поколения смогут их зарегистрировать. А поэтому общественность ждет, что в 2017–2018 годах наконец-то будут напрямую зарегистрированы гравитационные волны от слияния компактных объектов, и одновременно доказано существование черных дыр. Дело в том, что по форме сигнала мы сможем сказать, взаимодействуют ли друг с другом горизонты черных дыр, или сливаются объекты, имеющие твердые поверхности (правда, тут все равно есть тонкость, так как если представить себе гипотетическую альтернативу черным дырам, где радиус поверхности на ничтожно малую величину превосходит радиус горизонта, то дать окончательный ответ все равно будет нельзя или по крайней мере очень трудно). Если не будут обнаружены вспышки, связанные с последними мгновениями хокинговского испарения черных дыр, то на долгое время гравитационно-волновые данные будут самым прямым и надежным доказательством существования черных дыр.

Результаты численного расчета сигнала от слияния черных дыр. После объединения двух компактных объектов в один наступает фаза «звона», определяемая поведением горизонта образовавшейся черной дыры.