Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №07 за 2008 год"
Автор книги: Вокруг Света Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 13 страниц)
Жизнь за чужой счет
У гороховидного цепня нет желудочно-кишечного тракта, поэтому он живет в кишечнике собак, волков и лисиц и всасывает собственной кожей питательные вещества из полупереваренной пищи. На головке паразита растут острые крючья, которые позволяют ему удерживаться внутри хозяина. Фото SPL/EAST NEWS
Примерно треть суммарного биологического разнообразия мира занимают организмы-паразиты. Одни из них живут на поверхности тела и питаются его тканями, другие с помощью хитроумных инструментов проникают внутрь животных и человека, вытягивая питательные соки. Но самые опасные, похожие на бесформенный комок клеток, не имеют никаких органов, но способны управлять поведением организма хозяина, заставляя его отдавать больше своей энергии.
Слово «паразит» своим происхождением обязано вовсе не биологии. Оно пришло из бытового языка Древней Греции, где означало: «обедающий в гостях». Негативный оттенок на него наложили античные комедии , где одним из типичных героев был «нахлебник», «блюдолиз», в общем – отрицательный персонаж. Те, кого биологи считают паразитами, тоже наделены неприятными чертами и «манерами»: они используют тела других организмов в качестве среды обитания или источника пищи и таким образом наносят им вред. Есть паразиты временные , которые выступают в этой роли лишь какой-то отрезок своей жизни, а в остальной период живут независимо. Так ведут себя комары и постельные клопы : насосался – отвалился. А есть паразиты постоянные, неспособные к свободной жизни вне тела хозяина, к примеру черви, которых в просторечии называют глистами. Комаров, клопов и многих других членистоногих кровососов объединяет то, что они нападают снаружи, поэтому их называют эктопаразитами, а тех, кто забирается внутрь – эндопаразитами.
Песчаная блоха большую часть жизни проводит в почве. Но когда приходит время откладывать яйца, самка внедряется в кожу теплокровного животного. Фото SPL/EAST NEWS
До вожделенной внутренней среды каждому из них сначала нужно добраться, и тут не обойтись без специальных «инструментов», под стать хирургическим – твердых и острых. У комаров для этого развился хоботокшприц, выдвигаемый из трубчатого чехла, в который преобразована нижняя губа, у клещей – нечто вроде ножниц с зазубренными наружными краями. Личинки цепней (цекарии), трихомонады, а также некоторые круглые черви на определенных стадиях своего развития для проникновения в тело жертвы выделяют фермент – гиалуронидазу.
Функция этого фермента – снизить вязкость мукополисахаридов, связывающих между собой клетки кожи, из-за чего она расползается. А есть хитрецы, которые для внедрения в тело хозяина используют кусачих переносчиков, например комаров. Так поступают микрофилярии (личинки нематод-нитчаток) и малярийные плазмодии, для которых комар служит и промежуточным хозяином, и транспортным средством, и шприцем для инъекции в следующего хозяина, например человека.
После того как паразит проник внутрь, ему нужно там удержаться, для чего в ход идет другое вооружение: крюки, как у альпинистов, или присоски. Ленточные черви – цепни, длина которых может достигать нескольких метров, прикрепляются к кишечнику хозяина головкой с четырьмя присосками, у некоторых снабженной еще и венчиком крючков. Все это должно держаться очень крепко – ведь на карту поставлена жизнь паразита. Труднее всего приходится внутрикишечным нематодам, у которых нет никаких органов прикрепления. Чтобы противостоять мощным потокам пищи, которые с силой проталкивает кишечник, им приходится без отдыха двигаться против течения. Но если паразит поселяется не на поверхности тела и не в трубчатых органах, а посреди мягких тканей, то органы заякоривания ему не нужны – наоборот, следует быть гладким и слиться с окружающей тканью.
Ротовой аппарат постельных клопов похож на шприц. Они забирают теплую кровь у птиц, грызунов, людей, чтобы насытиться белком. Фото ALAMY PHOTAS
Общая эволюционная тенденция у многих паразитов ведет к постепенной утрате их исходного облика, упрощению внутреннего строения и превращению в безликую массу. Определить, к какому таксону на самом деле их следует отнести, порой невозможно, не прибегая к таким современным научным ухищрениям, как расшифровка генетического кода, записанного в их ДНК. Так случилось с ортонектидами – микроскопическими паразитами, обитающими в теле морских червей и голотурий. Ортонектида похожа на небольшой покрытый ресничками мешочек из однослойного эпителия и тонкого слоя мышечных клеток, а внутри – гомогенная масса из половых клеток, которые могут выйти из материнского организма при условии, если тот лопнет.
У нее нет ни рта, ни кишечника, ни вообще каких-либо оформленных органов. Столь простое строение наводило зоологов на подозрение, что в лице ортонектид они нашли переходную форму от одноклеточных животных к многоклеточным, прообраз нашего далекого-далекого предка. Так бы и бытовало это заблуждение, если бы на помощь не пришла молекулярная генетика: по строению ДНК определили, что эти простенькие организмы родственны плоским червям, гораздо более продвинутым в эволюционном плане. Сходных с ними миксоспоридий, которые поселяются в мышцах рыб и вызывают их разжижение, долгое время вообще принимали за конгломерат паразитических простейших, так как у них нет не только органов или тканей, но даже и выраженных клеток – только бесформенная многоядерная масса, не разделенная перегородками. Вот до чего дошло упрощение!
Проделки саккулины
Да что там черви: превратиться в бесформенную массу могут даже раки . Описание жизненного цикла рака по имени саккулина (Sacculina carcini) могло бы лечь в основу фильма ужасов. У этого рака, как и у большинства других ракообразных, есть личинки-науплии – микроскопические, с шестью короткими ножками, на них возложена задача широкого расселения, так как личинки, в отличие от взрослых раков, умеют плавать. Выглядят они вполне невинно и мало чем отличаются от науплий других ракообразных. Поначалу они и вправду безобидны. Но через некоторое время личинки саккулины претерпевают превращение – отращивают небольшую хитиновую раковинку. Теперь им положено найти место для будущей жизни, заякориться и превратиться во взрослых раков. Циприсовидные личинки (так их теперь называют) отправляются на поиски – они ищут живого краба, и с той минуты, как одна из них добирается до своей жертвы, краб перестает быть самим собой. Саккулина прикрепляется к его телу, острым шипом прокалывает панцирь, «впрыскивает» свое тело внутрь и превращается в бесформенный комок щупалец-отростков. Теперь она будет жить внутри краба, питаться его жизненными соками и подчинит его поведение собственным интересам. Краб не погибнет, напротив, он будет жить дольше своих собратьев, о чем позаботится завладевший им паразит. Саккулина разрастается, ветвится, направляет выросты к органам размножения краба и уничтожает их, так как ей нужно сберечь его энергию для производства собственного потомства. Кастрация – часто применяемое средство в арсенале паразитов, но далеко не единственное, позволяющее управлять своими хозяевами.
Инфузории балантидии, живущие в кишечнике человека, своими выделениями провоцируют язву (темное пятно в кружочке). Фото SPL/EAST NEWS
Техника «зомбирования»
Замечательных высот в технологии «зомбирования» хозяина достиг ланцетовидный сосальщик (Dicrocoelium dentriticum), личинки которого живут в муравьях, а взрослые стадии – в копытных. Такие личинки умеют управлять поведением муравья: раздражая мозг насекомого, они заставляют его взбираться на кончик травинки и висеть неподвижно, вцепившись жвалами. Так сосальщик увеличивает вероятность быть съеденным скотом вместе со своим промежуточным хозяином. Но в жаркую погоду личинки ослабляют хватку, не в их интересах, чтобы муравей погиб от пересыхания: пусть спустится и охладится у сырой, прохладной почвы.
А что творят со своими хозяевами токсоплазмы (Toxoplasma gondii)! Эти одноклеточные паразиты, у которых в роли промежуточного хозяина выступает мышь, а в роли окончательного – кошка, очень заинтересованы в успехе кошачьей охоты. Токсоплазмы поселяются в мышином мозге, но не где попало, а в том его участке, который отвечает за восприятие запаха кошачьей мочи. Нормальные мыши, почуяв этот запах, убегают, а инфицированных он, наоборот, привлекает. Стоит ли удивляться, что при такой хитроумной стратегии паразит смог широко распространиться по всему свету и даже освоить в качестве среды обитания человека.
Как ни хороши способы маскировки паразитов, они все же остаются телами, чужеродными для хозяина. Контакт с их тканями вызывает у хозяина иммунный ответ, против которого паразит, в свою очередь, вырабатывает противоядия. Хозяина отравляют продукты обмена веществ, выделяемые захватчиком, и он старается от него защититься: вырабатывает специфические антитела, окружает паразита изолирующей капсулой или пытается очиститься механически. Вся эта борьба ослабляет его здоровье. Но что коренным образом отличает жизненную стратегию паразитов от стратегии хищников – это заинтересованность паразита не в смерти, а в долгой жизни своего хозяина. По крайней мере до тех пор, пока паразит не завершит свое развитие и не даст потомство. Влияние двух организмов – паразита и его хозяина – взаимно, и в ходе приспособления друг к другу изменения претерпевают оба. Этот процесс приводит к возникновению слаженных, совместно эволюционирующих комплексов – паразитарных систем. Паразиты есть у подавляющего большинства животных и у многих растений, и утверждение, что большинство современных организмов сформировалось как результат коэволюции с населяющими их паразитами, да и сами они – одна из движущих сил эволюции, не будет преувеличением.
Организм человека посылает клеткимакрофаги (желтые) убить личинку нематоды-нитчатки. Фото SPL/EAST NEWS
Митохондрия – измененная бактерия?
У паразитов, кстати, есть чему поучиться. Бактерии Agrobacterium, из-за которых на листьях растений возникают вздутия-галлы, освоили генную инженерию задолго до того, как она стала известна людям. Внедрившись в растительную клетку, бактерии впрыскивают в ее ядро плазмиду – молекулу ДНК, в которой содержится информация об опинах – веществах, не свойственных самому растению, но необходимых бактериям для размножения. Принимая эту матрицу за свою, растение начинает синтезировать по ней соединения, которые ему вредны, поскольку ведут к разрастанию галла. Это явление получило название горизонтального переноса генов: в отличие от обычного, когда наследственный материал передается от родительских особей к дочерним и гены циркулируют в пределах одного вида, здесь наблюдается перенос их от одного вида к другому. Технология, которую современные ученые используют для создания трансгенных растений, позаимствована у этого паразита: с помощью агробактерий и их плазмид биологам удалось встроить в геном картофеля ген бактерии, опасной для колорадского жука, и тем самым сделать картофель для вредителя несъедобным, внедрить в картофель ген, защищающий его от фитофторы, и многое другое.
Возможно, именно благодаря явлению паразитизма возникло и одно из самых совершенных творений природы – живая клетка. По современным представлениям такие функциональные части клеток, как митохондрии и хлоропласты – это не что иное, как видоизменившиеся бактерии, которые более трех миллиардов лет назад внедрились в протоклетку и обогатили ее новыми возможностями. Те бактерии, которые дали начало митохондриям, своего рода внутриклеточным энергетическим станциям, позволили клеткам-хозяевам существовать в среде, насыщенной кислородом, управлять процессом окисления, прежде для них разрушительным, и использовать образующуюся при этом энергию на собственное благо. Некоторые первичные клетки были заселены бактериями, способными к фотосинтезу, которые впоследствии превратились в хлоропласты. Так появились клетки с растительным типом обмена веществ. Есть предположение, что даже клеточное ядро возникло в результате вселения другого типа бактерии.
Так что паразитизм имеет не только отрицательные последствия, в какой-то степени, не будь его, не возникло бы все великолепное разнообразие живых организмов на нашей планете и не было бы нас с вами.
Елена Краснова
Звездные взаимоотношения
Одинокая звезда – что одинокий человек. Зато когда они объединяются в пары, их жизнь наполняется событиями. Обмениваясь веществом, звезды могут «омолаживаться», становиться переменными, порождать яркие рентгеновские источники. Некоторые двойные распадаются после феерического взрыва сверхновой. Но порой случаются куда более грандиозные катаклизмы, когда звезды сливаются в последнем смертельном объятии. Одиночкам такой финал недоступен. Рис. вверху SPL/EAST NEWS
Представьте себе красивую спиральную галактику. В ней около тысячи миллиардов звезд. Представьте вторую такую же. Теперь давайте столкнем их. Огромные звездные системы свободно проходят сквозь друг друга, лишь причудливо деформируясь под действием взаимного притяжения. Оказывается, звезды при этом не сталкиваются – слишком далеко друг от друга они расположены. Если сделать модель Галактики, представив Солнце шариком диаметром в один сантиметр, ближайшие звезды окажутся на расстоянии около 300 километров. Так что звезда в своей жизни очень одинока, если только судьба не подарила ей звезду-компаньонку.
Двойные звезды встречаются довольно часто. Причем с увеличением массы шансы звезды обрести соседку возрастают: среди звезд-тяжеловесов свыше половины имеют пару. Но даже среди маломассивных звезд около трети находится в составе двойных.
Как правило, звезды соединяются узами гравитации от рождения. Только в плотных скоплениях иногда случаются гравитационные захваты. Для этого нужно, чтобы сблизились сразу три звезды, и тогда при удачном стечении обстоятельств две из них станут обращаться вокруг друг друга по замкнутой орбите, а третья улетит прочь, унося избыток кинетической энергии. Или же две звезды должны очень тесно сблизиться, чтобы за счет колоссальных гравитационных приливов избавиться от излишка энергии и углового момента, мешающих им стать парой.
Звезды, родившиеся парой, вовсе не обязательно будут похожи, как близнецы. Масса, которая играет определяющую роль в судьбе светила, может сильно различаться у компонентов двойной. Звезды – довольно простые объекты. Обычно для звезды среднего возраста достаточно знать массу, чтобы определить все остальные параметры, например, светимость, размер, температуру. Скажем, при массе вполовину солнечной звезда окажется тусклым красным карликом. Однако на поздних этапах жизни цвет и светимость существенно меняются. Так что пара из звезд разных масс может порой выглядеть очень красиво. Например, у [?] (беты) Лебедя – Альбирео одна компонента системы оранжевая, а другая – голубая (хотя из-за индивидуальных особенностей восприятия некоторые наблюдатели называют иные цвета). Компоненты Альбирео хорошо видны в небольшой телескоп и даже в бинокль, благодаря чему она стала популярным объектом у любителей астрономии .
Впрочем, звезды, составляющие систему Альбирео, лишь на первый взгляд кажутся двойняшками, а при ближайшем рассмотрении оказываются тройняшками. Более яркая оранжевая звезда на самом деле сама является двойной, но заметно это лишь в крупные телескопы.
Существуют системы не только из трех, но и из четырех, пяти, шести и даже семи звезд. Правда, их компоненты все равно норовят разбиться на пары. Например, если посмотреть на яркую звезду [?] (эпсилон) Лиры в небольшой телескоп, мы увидим, что она двойная (некоторые могут видеть эту пару даже невооруженным глазом). Более мощный инструмент покажет, что каждая из звезд этой пары сама является парой. Наконец, детальные исследования говорят, что одна из четырех звезд является очень тесной двойной.
Такая бинарная пространственная организация не случайна. Она позволяет звездной системе жить долго. Даже если попробовать создать тройную звезду, в которой все светила находятся примерно на равном расстоянии от общего центра масс и «вытанцовывают» вокруг него по замысловатым траекториям, такой «танец» скоро прервется – одна из звезд будет навсегда выброшена из системы. Единственный надежный способ добиться устойчивости для системы высокой кратности (то есть состоящей из трех и более звезд) – это создать ее иерархической. Но тогда взаимодействовать и влиять на эволюцию своих ближайших соседей смогут не все звезды, а лишь те, что находятся в самом низу иерархии. Между остальными членами системы расстояния так велики, что заметного воздействия друг на друга они не оказывают и эволюционируют как одиночные звезды.
Краткая биография одиночной звезды
Жизненный путь одиночной звезды – это последовательная смена основного источника энергии. Сначала сжимающаяся протозвезда разогревается за счет выделения гравитационной энергии. Затем начинаются термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий. В этом состоянии звезда проводит большую часть своей жизни. После исчерпания водорода в ядре звезды могут «гореть» и более тяжелые элементы вплоть до железа. Звезда при этом становится красным гигантом или сверхгигантом. В конце концов, потеряв оболочку, она в зависимости от начальной массы превращается в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. Продолжительность жизни звезды также определяется массой: чем звезда массивнее, тем ярче она светит и тем быстрее сжигает запас своего топлива. В течение жизни масса одиночной звезды уменьшается за счет звездного ветра. Чем больше масса – тем сильнее ветер. У Солнца ветер слабый и потеря массы незначительна, а вот у массивных звезд «сдувается» заметная доля вещества. Увеличить массу для одинокой звезды невозможно.
Масса в массах Солнца
Срок жизни, лет
Что остается
0,1 ~1 триллион Еще не успели
проэволюционировать 1 ~10 миллиардов Белый карлик 10 ~50 миллионов Нейтронная звезда 100 ~2 миллиона Черная дыра
Ты – мне, я – тебе
Для астрофизиков наибольший интерес представляют именно тесные двойные системы. Во-первых, взаимодействие может менять массу звезд – главный параметр, определяющий их свойства. Во-вторых, в процессе обмена массой могут возникать необычные яркие источники излучения, что делает жизнь светила разнообразнее и интереснее для изучения.
Рассмотрим две близкие звезды, мысленно нарисуем соединяющую их линию и рассчитаем, где на ней находится центр масс системы. Если точно в нем поместить камешек, он там и останется – силы притяжения со стороны двух звезд в точности уравновесятся. Если же сместить его в сторону одной из звезд, он станет обращаться вокруг нее по орбите. Иначе говоря, каждая из компонент пары окружена своей «областью влияния», а центр масс – критическая точка, которую называют внутренней точкой Лагранжа. Вещество в такой области вращается вокруг одной из звезд пары, то есть контролируется ее гравитационным полем.
Не помещаясь в свою полость Роша, звезда теряет вещество. Часть его образует общую газовую оболочку пары звезд, которая постепенно рассеивается в космосе. Остальное попадает в аккреционный диск вокруг компактной соседки и падает на нее, но часть может выбрасываться в космос струями-джетами, бьющими перпендикулярно диску. EUROPEAN SPACE AGENCE&FRANCESCO RERRARO
Обычно звезды находятся глубоко внутри своих полостей Роша – областей, где доминирует гравитация одной из компонент двойной системы. Каждая из них надежно удерживает свое вещество, мешая ему покинуть поверхность. Пока сохраняется такое положение дел, звезды системы эволюционируют как одиночные. Но на поздних этапах жизни, когда звезда становится красным гигантом, ее размеры увеличиваются в сотни раз. В результате она рискует не поместиться в своей полости Роша, и тогда ее вещество начнет перетекать на другую звезду – так появляется взаимодействующая двойная.
В двойной системе более массивная звезда первой достигает стадии красного гиганта, поскольку чем больше масса, тем быстрее идет эволюция. Однако с началом взаимодействия меньшая звезда пары начинает наращивать массу за счет соседки. Значит, те, кому вроде бы суждено было стать белым карликом, могут окончить свои дни нейтронной звездой или даже черной дырой. С другой стороны, массивные звезды, быстро старея, могут «перебросить» часть вещества на соседку меньшей массы и выглядеть после этого моложе ее. Именно этим объясняется так называемый парадокс Алголя: у этой затменно-двойной звезды в созвездии Персея менее массивная компонента находится на более поздней стадии эволюции, чем более массивная. Наконец, звезды могут даже слиться друг с другом.
Как правило, если звезды начали обмениваться веществом, то «разовой акцией» это не ограничивается. В Государственном астрономическом институте имени Штернберга при МГУ разработана программа под названием «Машина сценариев» ( http://xray.sai.msu.ru/sciwork/scenario . html), предназначенная для расчета судеб двойных звезд. Один из построенных с ее помощью эволюционных треков достаточно типичен и описывает историю двух звезд с массами 12 и 9 солнечных, которые обращаются по орбите, примерно в два с половиной раза превосходящей земную орбиту вокруг Солнца. Более массивная звезда первой заполняет свою полость Роша, и ее вещество начинает перетекать на соседку через внутреннюю точку Лагранжа. Кроме того, часть вещества рассеивается вокруг системы и не участвует в ее дальнейшей эволюции. Когда обмен веществом завершается, первая звезда «худеет» почти в четыре раза, а вторая несколько «поправляется». Кроме того, система стала гораздо компактнее и легче за счет потери вещества. Через несколько миллионов лет компонента, которая вначале была более массивной, взрывается как сверхновая, превращаясь в нейтронную звезду. Но это не значит, что ее судьба теперь окончательно определена, ведь она находится в тесной двойной системе.
Спустя некоторое время наступает черед второй звезды стать красным гигантом. Она тоже заполняет свою полость Роша, и ее вещество начинает перетекать на нейтронную звезду. При этом оно разогревается до миллионов градусов и в галактике загорается яркий рентгеновский источник. Пока происходит перетекание, орбита двойной уменьшается в размерах: во-первых, часть энергии орбитального движения звезд уносит вещество, покидающее систему, во-вторых, к этому приводит выравнивание масс компонент. Последнее легко понять, если учесть, что более тяжелая звезда находится ближе к центру масс системы, а значит скорость ее орбитального движения меньше. Если перенести кусочек ее вещества на более быстро движущуюся соседку, та немного притормозит, а значит, приблизится к центру масс.
Уменьшение орбиты приводит к катастрофическим для системы последствиям: нейтронная звезда попадает внутрь звезды-гиганта. Образуется так называемый объект Торна – Житков. Существование подобных объектов было предсказано в 1977 году Кипом Торном и Анной Житков, однако пока обнаружить их не удается. Окончательным итогом эволюции системы является одиночная черная дыра. И это при том, что по отдельности звезды исходной пары не могли бы породить такой компактный объект.
Если взять массу второй звезды поменьше, скажем, не девять, а две массы Солнца, оставив все прочие параметры без изменения, судьба системы сложится совсем по-другому. Слияния звезд в ней не произойдет. Вместо этого будет несколько стадий обмена веществом, появится яркий рентгеновский источник (и снова вторая звезда будет при этом перетекать на нейтронную звезду, образовавшуюся из первой), но финалом станет не черная дыра, а пара: нейтронная звезда – белый карлик. Можно еще чуть-чуть изменить параметры и снова получить заметные отличия в эволюции. Таким образом, существует огромное разнообразие тесных двойных систем.
Как «взвесить» сладкую парочку
Наблюдая скорости звезд в двойной системе и зная период обращения, можно определить их массы. Все вроде бы легко и просто. Но не тут-то было! Скорости измеряются по эффекту Доплера: когда звезда движется к нам, линии в ее спектре смещаются в синюю сторону, когда от нас – в красную. Иными словами, измеряется не полная скорость звезды, а только ее проекция на луч зрения. Например, если смотреть на систему перпендикулярно плоскости ее орбиты, скорости звезд вдоль луча зрения будут просто равны нулю. Если же на эту систему посмотреть с ребра, будут регистрироваться полные орбитальные скорости. Выходит, для определения реальных орбитальных скоростей нужно еще знать, под каким углом мы рассматриваем двойную систему. К сожалению, определить угол удается далеко не всегда. В таких случаях обычно указываются условные массы, вычисленные в предположении, что орбита наблюдается с ребра, но при этом астрономы всегда помнят, что с учетом угла наклона орбиты к лучу зрения массы почти наверняка окажутся больше. Например, если окажется, что наклон орбиты составляет 45 градусов, то условные массы надо увеличить в 2,8 раза. Точнее всего массы определяются в системах, где происходят взаимные затмения звезд. Размеры звезд малы по сравнению с орбитой, по которой они движутся, и поэтому затмения возможны только при очень малых углах, когда систему видно почти с ребра. В таких редких случаях, особенно когда определены скорости обеих звезд, можно делать точные оценки масс.
Эффективная аккреция
Из всех проявлений тесных звездных пар наиболее известны, пожалуй, рентгеновские двойные. Эта стадия наступает в жизни многих взаимодействующих двойных, когда одна из компонент системы, став нейтронной звездой или черной дырой, захватывает, или, как говорят астрономы, аккрецирует, вещество соседки. Если звезда-донор заполнила свою полость Роша, превратившись в гиганта, то реализуется режим дисковой аккреции, при этом возникают наиболее мощные источники. Из-за того что компоненты двойной системы обращаются вокруг общего центра масс, вещество не может прямо упасть с одной звезды на другую. Перетекая через внутреннюю точку Лагранжа, оно закручивается вокруг компактного объекта мощным аккреционным диском. Интересно, что если звезда-донор достаточно массивна, диск может образоваться даже и без заполнения ею своей полости Роша: с поверхности таких звезд может истекать довольно сильный звездный ветер, который частично перехватывается компактным объектом и подпитывает рентгеновский источник.
Аккреция – это на удивление эффективный процесс получения энергии. Если взять кирпич и бросить его на нейтронную звезду, то при ударе о поверхность выделится столько же энергии, сколько при взрыве мощной ядерной боеголовки. Однако чаще основное энерговыделение происходит в аккреционном диске. Вещество, вращаясь вокруг нейтронной звезды или черной дыры, за счет вязкости разогревается до миллионов градусов. Такой диск испускает в основном рентгеновские лучи, так как чем выше температура вещества, тем более энергичные кванты уносят энергию.
Мир рентгеновских двойных открылся исследователям в 1960-х годах. Первый большой прорыв в изучении неба в рентгеновских лучах был связан с работой американского спутника «Ухуру» (UHURU), с помощью которого на небе удалось открыть свыше трех сотен рентгеновских источников. Большинство из них оказались аккрецирующими двойными системами с нейтронными звездами или черными дырами.
С 1970-х годов в космосе постоянно работают рентгеновские обсерватории. Сейчас на орбите находится сразу несколько крупных рентгеновских телескопов. Это знаменитый американский спутник Chandra, европейский XMM-Newton и один из последних международных проектов INTEGRAL, запущенный в 2002 году, с материалами с которого работают и российские астрономы.
Гравитационные волны и слияние звезд
Двойная система из массивных звезд может породить пару, состоящую из нейтронных звезд или черных дыр. Если расстояние между двумя компактными объектами невелико, финалом эволюции станет их слияние. Происходит это из-за гравитационных волн, которые излучает двойная система. Эти волны, согласно общей теории относительности, испускаются любой двойной системой, однако эффект тем сильнее, чем массивнее объекты и чем ближе они друг к другу. Унося энергию и угловой момент системы, гравитационные волны заставляют звезды сближаться. Уже открыто несколько двойных систем с нейтронными звездамирадиопульсарами, в которых наблюдается сокращение орбиты за счет излучения гравитационных волн. Если эффект от падения кирпича на нейтронную звезду сравним с ядерным взрывом, что же будет, когда столкнутся две нейтронные звезды, каждая массой больше Солнца?! Энергии при этом выделится больше, чем при взрыве сверхновой. Частично ее уносят электромагнитные гамма-кванты, частично – нейтрино, а остальное приходится на гравитационные волны, мощность которых столь велика, что это, пожалуй, единственный шанс непосредственно их зарегистрировать (кстати, слияние черных дыр вообще можно наблюдать только таким способом). Для этого уже построены гравитационные детекторы LIGO и VIRGO. Пока их чувствительности недостаточно, но астрофизики уверены, что после модернизации данные установки будут наблюдать по нескольку слияний звезд в год. Пока же слияния нейтронных звезд, возможно, наблюдаются как короткие гамма-всплески. Более длинные импульсы гаммаизлучения (свыше нескольких секунд) сейчас связывают с коллапсом быстровращающихся ядер очень массивных звезд. А вот секундные вспышки, скорее всего, возникают на финальной стадии «танца» пары нейтронных звезд, когда после все ускоряющегося кружения они соединяются, частично теряя вещество, которое образует быстро вращающийся диск.
Компьютерная модель слияния двух сильно намагниченных нейтронных звезд. DANIEL PRICE, UNIVERSITY OF EXETER, STEPHAN ROSSWOG INTERNATIONAL UNIVERSITY, BREMEN
Процесс слияния занимает несколько миллисекунд, но для его моделирования требуются недели счета на суперкомпьютере. DANIEL PRICE, UNIVERSITY OF EXETER, STEPHAN ROSSWOG INTERNATIONAL UNIVERSITY, BREMEN
Сверхновые как с конвейера
Обычно сверхновые ассоциируются с финальным аккордом в жизни массивной звезды, когда, исчерпав запасы ядерного топлива, она коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. Однако сверхновые бывают разных типов. Один из подклассов, получивший обозначение Ia, имеет иную природу. В отличие от других сверхновых все вспышки типа Ia очень похожи друг на друга. Кажется, что взрываются почти «стандартные» объекты. Современная астрофизика говорит, что это взрывы белых карликов в тесных двойных системах. Эти компактные объекты устойчивы, пока их масса мала. Если же она доросла до некоторого критического значения, называемого пределом Чандрасекара, то белый карлик теряет устойчивость. Происходит взрыв. Предел Чандрасекара составляет примерно 1,4 массы Солнца. Универсальность этой критической массы определяет однородность свойств сверхновых типа Ia. Масса звезд может увеличиваться только во взаимодействующих двойных системах. Не было бы таких систем – не было бы и сверхновых типа Ia, а они между тем очень полезны в астрономическом «хозяйстве». Десять лет назад исследования именно этих вспышек дали первые серьезные аргументы в пользу ускоренного расширения Вселенной. Сейчас NASA планирует запуск специального спутника – SNAP (SuperNova Acceleration Probe), который будет искать далекие сверхновые типа Ia, чтобы уточнить данные о космологическом расширении. Теория взрывов сверхновых еще далека от завершения, хотя современные компьютерные модели позволили достичь некоторого прогресса. Тем не менее, до сих пор неизвестно даже, какие звезды поставляют вещество на белые карлики, которые потом взрываются сверхновыми типа Ia. Например, это могут быть обычные маломассивные звезды, но не исключено, что такие сверхновые возникают в системах из двух белых карликов, когда вещество с одного перетекает на другой (это происходит, когда размеры орбиты сократились за счет излучения гравитационных волн). Последнее слово тут, по всей видимости, за наблюдателями, а не за теоретиками.
