Глава 9
Когда звезда у звезды крадет массу
Как мы уже знаем, двойные звезды оказались для астрофизиков чрезвычайно благодарным объектом исследований. Двойные звезды позволяют узнать гораздо больше, чем одиночные. Это относится не только к рентгеновским звездам, о которых пойдет речь в следующей главе, но и к обычным звездам, входящим в двойные системы. Некоторое время назад считалось даже, что двойные звезды доказали нам неправильность всех прежних представлений о развитии звезд. Некоторые исследователи двойных систем были убеждены в том, что звезды развиваются совершенно не так, как показывают результаты компьютерного моделирования, проведенного в 50-60-е годы.
Почву для сомнений дал определенный тип двойных звезд, знакомство с которыми началось, когда в 1667 г. астроном из Болоньи Джемиани Монтанари заметил, что вторая по яркости звезда в созвездии Персея какое-то время светила гораздо слабее, чем прежде.
Алголь, Голова дьявола
Птолемей называл эту звезду Головой Медузы, которую Персей (в его честь названо созвездие) держит в руке. Евреи дали ей имя Голова дьявола, а арабы — Рас аль Гуль, что означает «неспокойный дух». К арабскому названию восходит и современное наименование этой звезды: Алголь. Монтанари заметил, что Алголь — переменная звезда, а более чем через сто лет 18-летний англичанин Джон Гудрайк понял, в чем тут дело. В ночь на 12 ноября 1782 года он был поражен тем, что яркость звезды уменьшилась раз в шесть по сравнению с обычной. Следующей ночью Алголь вновь ярко сиял. 28 декабря того же года явление повторилось: в 17.30 Алголь светил слабо, но через три с половиной часа он вновь был ярким. Гудрайк продолжал наблюдения, и вскоре ключ к загадке был найден. Обычно Алголь ярок, но через каждые 69 часов его яркость в течение 3,5 часа убывает более чем в шесть раз, а в следующие 3,5 часа восстанавливается до нормальной.
Гудрайк нашел объяснение, которое и сегодня остается верным. В журнале «Philosophical Transactions» Лондонского Королевского общества одаренный молодой человек (как мы уже знаем, глухонемой от рождения) писал: «Если бы не было еще слишком рано высказывать догадки о причинах этого явления, я мог бы предположить, что едва ли ответственным за него может быть нечто иное, нежели либо прохождение перед звездой крупного небесного тела, обращающегося вокруг Алголя, либо же собственное движение Алголя, в ходе которого к Земле регулярно поворачивается его сторона, покрытая пятнами или чем-то подобным». Но понадобилось еще сто лет, чтобы ему поверили. Сегодня мы знаем, что первое объяснение было верным. Звезда-спутник с периодом обращения 69 часов регулярно проходит перед Алголем и частично затмевает его.
Это явление каждый может наблюдать невооруженным глазом нужно только знать, где находится на небе Алголь. Звезда эта почти всегда яркая, и обычно в ней не обнаруживается ничего особенного. Время от времени, однако, Алголь оказывается столь же слабым, как и находящаяся по соседству слабая звездочка Ро Персея.
Сегодня известно много переменных звезд, которые, подобно Алголю, периодически затмеваются своими спутниками в начале этой книги мы уже упоминали о затменно-переменной звезде Дзета Возничего. Все затменно-переменные представляют собой очень тесные двойные системы и находятся так далеко, что даже в лучший телескоп не удается увидеть каждую из звезд по отдельности. Однако по тому, как протекает затмение, можно много сказать о звездной паре. И го, что удалось узнать о звездах типа Алголя, противоречило, казалось, всему, что считалось известным о развитии звезд.
Сложные взаимодействия в двойных звездах
На вещество звезды, вокруг которой обращается звезда-спутник, действует не только собственная сила тяжести, направленная к центру, но и сила притяжения со стороны второй звезды. Кроме того, существенную роль играет и центробежная сила, обусловленная собственным вращением звезды.
Поэтому сила притяжения звезды, вблизи которой находится другая звезда, изменяется в ее окрестности весьма сложным образом. К счастью, еще в середине прошлого века работавший в Монпелье французский математик Эдуард Рош нашел ряд упрощений, которыми и поныне пользуются астрофизики.
У одиночной звезды все окружающее вещество под действием силы притяжения звезды устремляется к ее центру. В двойной же звездной системе в любой точке пространства действует также сила притяжения второй звезды, направленная к ее центру. В области, где эти силы действуют в противоположных направлениях (вдоль линии, соединяющей центры звезд), силы притяжения двух звезд могут полностью или частично компенсировать друг друга (рис. 9.1). Обозначим наши звезды цифрами 1 и 2. Поскольку сила притяжения быстро убывает с увеличением расстояния до гравитирующей массы, в непосредственной близости к звезде 1 преобладает ее сила притяжения, а вблизи звезды 2 верх берет притяжение второй звезды. Для каждой из звезд поэтому можно определить так называемый «разрешенный» объем, из которого весь находящийся в нем газ будет только притягиваться к этой звезде. Внутри этого объема, который часто называют полостью Роша, преобладает сила притяжения соответствующей звезды. При сечении полостей Роша плоскостью, проходящей через обе звезды, получится кривая, показанная штриховой линией на рис. 9.1. При расчетах полостей Роша учитываются и центробежные силы, действующие на газ, вовлеченный в собственное вращение звезды. Вещество, находящееся за пределами полостей Роша обеих звезд, может выбрасываться центробежными силами из системы или притягиваться к любой из звезд. Но, попав в полость Роша, вещество должно упасть на соответствующую звезду. Размеры полостей Роша зависят от массы каждой из звезд и расстояния между ними и для хорошо известных двойных звезд легко рассчитываются.
Рис. 9.1. Силы в тесной двойной системе. Обе звезды показаны черными точками. Стрелки указывают направление, в котором на частицу газа действует сила в данной точке. Вблизи каждой звезды преобладает сила тяжести (стрелки направлены к звезде). На линии, соединяющей центры звезд, имеется точка, где силы тяжести уравновешиваются. Поскольку обе звезды обращаются одна относительно другой (положение оси вращения и направление вращения указаны вверху), на большом удалении от оси (справа и слева на рисунке) преобладает центробежная сила, стремящаяся выбросить вещество в пространство. У каждой звезды имеется некоторый максимальный возможный объем. Когда звезда, расширяясь, выйдет за пределы области, показанной красной штриховой линией, часть ее оболочки перейдет к другой звезде. Максимальный возможный объем звезды в двойной системе называется полостью Роша.
Наблюдая двойные звезды, часто обнаруживают системы, в которых каждая из звезд намного меньше своей полости Роша (рис. 9.2, а). На поверхности каждой звезды преобладает ее собственная сила тяжести, направленная к центру. Грубо говоря, ни одна из звезд «не замечает», что у нее есть спутник. Не удивительно поэтому, что звезды в подобной системе ее называют разделенной двойной — ничем не отличаются от одиночных звезд. Чаще всего обе они принадлежат к главной последовательности и представляют собой звезды, существующие за счет водородного термоядерного синтеза и израсходовавшие еще небольшую часть своего «топлива».
Рис. 9.2. а — разделенная двойная система. Каждая из звезд заметно меньше своего объема Роша, показанного черной штриховой линией; б — полуразделенная двойная система. Левая звезда полностью заполнила свой объем Роша.
Но существуют и такие двойные, у которых одна компонента существенно меньше своей полости Роша, а другая уже заполнила свой предельный объем; такие системы называют полуразделенными (рис. 9.2, б) к этому типу относится и Алголь. Вот здесь начинаются сложности.
Парадоксы Алголя и Сириуса
Более массивная компонента полуразделенной двойной системы меньше своей полости Роша и является нормальной звездой главной последовательности. Совершенно иначе обстоит дело с менее массивной компонентой: она уже достигла пределов полости Роша и на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (Г-Р) находится справа от главной последовательности, заметно сместившись от нее в сторону красных гигантов (рис. 9.3). И в то время как более массивная компонента еще не израсходовала свой запас водорода — ведь она находится на главной последовательности, — у менее массивной, по-видимому, водород в центре уже выгорел, и поэтому она переходит в область красных гигантов.
Рис. 9.3. В полуразделенной двойной системе более массивная компонента (красная точка) еще находится на главной последовательности, а менее массивная (красный кружок) уже ушла с главной последовательности. Не противоречит ли это теории, согласно которой более массивная компонента должна первой покинуть главную последовательность?
