ТЕСНЫЕ ДВОЙНЫЕ СИСТЕМЫ

Двойственность является весьма типичной характеристикой звездного мира: наблюдательные данные свидетельствуют, что большинство звезд входит в состав двойных систем. Особую важность здесь для нас представляют тесные двойные системы, в которых возможно перетекание вещества с одного компонента системы на другой, когда размеры первого достигают критической поверхности Роша для данного компонента. Последнее обусловливается тем, что входящая в двойную систему звезда в ходе своей эволюции претерпевает некоторое расширение. Возникший обмен веществом между компонентами двойной системы в сильной степени воздействует на дальнейшую их звездную эволюцию, определяемую не только потерей, но и приобретением массы звездой.

Мы не будем здесь подробно останавливаться на понятии полости (или поверхности) Роша, поскольку читатель этой серии достаточно с ним знаком (см, например: Сурдин В. Г. Приливные явления во Вселенной. М., Знание, 1986). Напомним только, что полости Роша компонентов в двойной системе соприкасаются друг с другом в точке, называемой внутренней (первой) точкой Лагранжа L1 (рис. 8). Когда один из компонентов заполнит собой свою полость Роша, перетека-ние вещества к другому компоненту будет происходить как раз через внутреннюю точку Лагранжа. Если оба компонента в ходе звездной эволюции расширятся до пределов своих полостей Роша, то около них может образоваться общая оболочка системы (см. рис. 8).

Размеры полости Роша тем меньше, чем меньше масса компонента и расстояние до другого компонента. При достаточно близком расположении компонентов друг к другу в двойной системе обмен веществом возможен уже при незначительном расширении одного из компонентов при сжатии его центральных районов по мере исчерпания там запасов водорода. И как подобная ситуация не кажется исключительной (в этом случае период обра щения компонентов друг около друга составляет всегo несколько часов), она нередко встречается в астрономической практике (системы типа Алголя) и в свое время ставила в тупик астрономов. Как мы знаем, чем больше масса звезды, тем быстрее она продвигается в своей эволюции, а в таких системах наблюдалась обратная кар

тина: более проэволюционировавшич является компонент с меньшей массой. На самом же деле его масса была больше раньше, однако после перетекания вещества к другому компоненту он ее заметно потерял.

Более характерным случаем для тесных двойных систем является заполнение полости Роша уже при возгорании слоевого источника в одном из компонентов н при превращении этой звезды в красный гигант. Отметим, что на этой стадии эволюции расширение звезды происходит гораздо быстрее, и поэтому темп потери массы ею весьма существен. За довольно небольшой промежуток времени в жизни звезды она потеряет заметную долю своей массы, что вызовет уменьшение размеров полости Роша и приблизит внутреннюю точку Лагранжа к этому компоненту. Естественно, это будет способствовать еще более быстрому перетеканию вещества к другому компоненту, и в конечном счете звезда потеряет всю свою оболочку, а обнажившееся ее ядро после остывания превратится в гелиевый белый карлик с небольшой оболочкой из водорода.

Размеры тесной двойной системы могут быть достаточно велики, так что заполнение полости Роша одним из ее компонентов происходит лишь после образования углеродно-кислородного ядра у одного из компонентов при превращении в сверхгигант с глубокой конвектив-ной оболочкой. В этом случае темп потери массы компонентом будет более значительным, и он со временем превратится в углеродно-кислородный белый карлик. С другой стороны, при небольших размерах тесной двойной системы заполнение полости Роша одним из компонентов может осуществляться несколько раз (например, на стадии системы типа Алголя и при превращении в красный гигант).

До сих пор мы ограничивались рассмотрением того, как эволюционирует в тесной двойной системе звезда, заполняющая собой свою полость Роша. Другой компонент также подвержен необычной эволюции, временной масштаб которой в первую очередь определяется темпом приобретения массы компонентом. Если этот темп невелик (как в случае, например, систем типа Алголя), то при аккреции вещества с выделением тепловой энергии рассматриваемый компонент способен восстанавливать свое тепловое равновесие. Приобретение им массы лишь несколько убыстряет его ядерную эволюцию, в ходе которой он, в свою очередь, также может расшириться до пределов своей полости Роша. И если к этому времени первый компонент уже не заполняет собой свою полость Роша, то начинается перетекание вещества в обратную сторону: к субгиганту в системе типа Алголя или к белому карлику в других случаях.

Интересная ситуация создается, когда оба компонента двойной тесной системы заполняют свои полости Роша: образовавшаяся общая оболочка системы как бы формирует собой единый объект в виде гантели (см. рис. 8). В этом случае возникает существенная потеря массы всей системой, что часто приводит к заключительной системе из двух белых карликов. Надо сказать, что потеря массы системой имеется и на более ранних стадиях эволюции. Звездный ветер, например, может уносить заметную долю массы звезды, особенно при ее превращении в гигант или сверхгигант. Причем эта масса вещества, распространяясь во все стороны от звезды, лишь частично попадает в полость Роша другого компонента. Это весьма усложняет расчеты эволюции тесной двойной системы и затрудняет оценки темпа приобретения массы одним компонентом при перетекании к нему вещества из заполненной полости Роша другим компонентом.

Однако перетекание вещества из полости Роша, заполненной одним из компонентов на стадии превращения в гигант или сверхгигант, вызывает, столь высокий темп аккреции, что это обычно приводит к нарушению теплового равновесия у другого компонента. В результате последний, в свою очередь, начинает расширяться и быстро заполняет свою полость Роша. Естественно, в результате образуется общая оболочка системы, и по прошествии некоторого времени формируется система из двух белых карликов. На рис. 9 в качестве примера представлена схема формирования системы из двух углеродно-кислородных карликов согласно результатам расчета, полученным А. Ибеном (США) и А. В. Тутуко-вым (СССР) для объяснения феномена Сверхновой I типа.

Правда, не следует думать, что рассмотренный финал эволюции тесных двойных систем является единственным вариантом. Во-первых, здесь были представлены пути эволюции лишь для тесных двойных систем с компонентами не очень большой массы (рис. 10), Независимости от начальных условий и от степени потери массы всей системой возможно образование двойных систем с самыми различными компонентами, в том числе и с нейтронной звездой в качестве одного из них (что характерно для феномена барстера). Во-вторых, читатель, наверное, не забыл, что вещество белых карликов находится в вырожденном состоянии. При аккреции на него вещества другого компонента начало горения водорода нарушает тепловое равновесие в оболочке белого карлика и приводит к взрывным процессам (что характерно для феномена Новых). В результате происходит заметная потеря массы двойной системой еще до стадии образования общей оболочки.

Наконец, отметим, что обмен массой между компонентами двойной системы сильно сокращает ее размеры (см. рис. 9). Это обстоятельство приводит на заключительном этапе к формированию столь тесных двойных систем с белыми карликами, что и в них становится возможен обмен массой между компонентами. Как мы увидим в дальнейшем, аккреция вещества в таких системах, особенно в случае углеродно-кислородных белых карликов, вызывает катастрофические последствия для всей системы. Осуществляемая в этих системах аккреция вещества на углеродно-кислородный белый карлик cпособна инициировать термоядерный взрыв всего белого карлика, и в этом взрыве может погибнуть и второй компонент системы. Этим объясняется феномен некоторых Сверхновых, о которых будет сказано подробнее несколько позже.

В заключение этого раздела немного остановимся на том, как проходит перетекание вещества с одного компонента к другому в тесной двойной системе. Попадая в полость Роша другого компонента и двигаясь вокруг него по спирали, частицы вещества образуют так называемый аккреционный диск, формирующийся почти в плоскости орбиты двойной системы (при этом возможны некоторые отклонения в связи с приливными эффектами). Лишь с образованием аккреционного диска начинается аккреция вещества на поверхность звезды, а если темп поступления вещества в полость Роша не очень велик, то, двигаясь также по спирали, частицы вещества могут покидать полость Роша, так и не упав на поверхность звезды. Такие двойные системы с наблюдаемым движением вещества от одного компонента к дру'-гому без аккреции на него действительно встречаются в астрономической практике (системы типа бета Лиры).

В последнем случае перетекание вещества как бы формирует мощный однонаправленный звездный ветер, вызывающий значительную потерю массы системой. Надо сказать, что роль звездного ветра чрезвычайно велика в эволюции компонентов двойной системы и всей ей самой в целом. Причем эта роль не ограничивается только потерью массы двойной системой, но и приводит к другим немаловажным эффектам. Так, например, французский астрофизик Э. Шацман в свое время.показал, что звездный ветер приводит и к весьма существенной потери углового момента двойной системой. Это обстоятельство имеет большое значение для эволюции тесных двойных систем с рентгеновскими барстерами и катак-лизмическими звездами, о чем подробно будет сказано несколько позже.