Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд

• Название: Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
• Автор: Рудольф Киппенхан
• Издательство: Мир
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1990
• ISBN: 5-03-001195-1 (русск) 3-492-10343-X (нем)

Книга астронома из ФРГ посвящена изложению современных взглядов на свойства, строение, происхождение и эволюцию звезд. Не применяя математики и сложной терминологии, автор просто и наглядно объясняет все основные результаты теории звезд, начиная с ее классических разделов и кончая самыми современными данными о пульсарах, рентгеновских звездах и черных дырах.

---

Рентгеновские импульсы очень коротки. У источника Геркулес Х-1 максимум достигается меньше чем за четверть секунды. Нерегулярные изменения интенсивности источника Лебедь Х-1 происходят за сотые доли секунды.

Как уже говорилось в отношении пульсаров, из скорости изменения интенсивности можно сделать вывод о размерах излучающего объекта. Это справедливо и для видимого света, и для радиоизлучения, и равным образом для рентгеновского излучения источников, открытых спутником «Ухуру».

Например, для источника Лебедь Х-1, у которого изменения интенсивности происходят за сотую долю секунды, рентгеновское излучение должно исходить из области, размеры которой не превышают отрезка, проходимого светом за 1/100 секунды. А это меньше 10 000 километров, меньше сотой доли солнечного радиуса. Речь идет, таким образом, об очень малых объектах, которые тем не менее излучают в тысячу раз больше энергии, чем Солнце. Об их малых размерах говорит и резкий характер затмений источника Геркулес Х-1: заходя за звезду, источник сразу пропадает.

Коль скоро рентгеновские источники так малы, можно предположить, что здесь как-то замешаны белые карлики или нейтронные звезды. Это предположение позволяет к тому же объяснить появление рентгеновского излучения. В начале главы мы уже говорили, что для возникновения рентгеновского излучения нужна температура в миллионы градусов. А когда вещество падает на белый карлик или тем более на нейтронную звезду, то оно из-за огромного ускорения силы тяжести попадает на поверхность звезды с такой скоростью, что при его торможении легко может развиваться температура в несколько миллионов градусов. Этим вполне естественно объясняется происхождение рентгеновского излучения. Но откуда берется вещество, которое с огромной скоростью «проливается» на поверхность белого карлика или нейтронной звезды? Связано ли это с тем, что большинство рентгеновских звезд, а возможно и все, входят в состав двойных систем? Если нормальная звезда и белый карлик (нейтронная звезда) образуют двойную систему и нормальная звезда, подобно Солнцу и многим другим звездам, выбрасывает в пространство вещество, то часть этого вещества будет захвачена гравитационным полем спутника. Захваченное вещество будет падать на поверхность спутника и при этом нагреваться до такой степени, что возникнет рентгеновское излучение (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Возникновение рентгеновского излучения в двойной системе. От звезды (красный круг), идет звездный ветер, направление которого показано черными стрелками. Обращающаяся вокруг главной звезды нейтронная звезда (или белый карлик) захватывает часть вещества, и под действием гравитации оно с большой скоростью падает на ее поверхность. При ударе вещество нагревается до такой степени, что начинает испускать рентгеновские лучи.

История рентгеновского источника

Теперь мы можем составить примерную картину рентгеновского источника. Его история могла бы выглядеть следующим образом: две звезды различной массы долгое время обращаются одна относительно другой (рис. 10.10). Более массивная звезда первой израсходует свой водород и готова превратиться в красный гигант. Однако она сбрасывает вещество в пространство или отдает его своему спутнику (а) и превращается в белый карлик (б). Возникает звездная пара, состоящая из звезды главной последовательности и белого карлика. Когда же и звезда главной последовательности израсходует свой водород и раздуется в красный гигант, может случиться, что она заполнит свою полость Роша, и ее компактный спутник начнет отбирать ее массу. Вещество начнет падать на компактный объект и возникнет рентгеновское излучение. Для этого достаточно, чтобы за год на белый карлик «выпадала» одна стомиллионная доля солнечной массы. Можно представить себе и такой случай, когда с поверхности нормальной звезды исходит звездный ветер, который, сталкиваясь с белым карликом, рождает рентгеновское излучение (в).

Рис. 10.10 Два возможных пути эволюции двойной системы, приводящие к образованию рентгеновского источника. Слева: тесная двойная система образована двумя звездами главной последовательности с различной массой. Более массивная первой проявляет признаки истощения запасов водорода. Она могла бы превратиться в красный гигант, но звезда-спутник отбирает у нее такое количество вещества (а), что у нее остается лишь ядро-белый карлик (б) (ср. с рис. 9.6). Теперь, когда от ставшей более массивной правой звезды в ходе эволюции исходит звездный ветер, поток газа, падающий на белый карлик, создает рентгеновское излучение (красные волнистые стрелки) (в) (ср. с рис. 10.9). Справа: двойная система образована звездами различной массы. Более массивная стареет раньше и происходит взрыв сверхновой (г). Оболочка более массивной компоненты разлетается, а на ее месте остается нейтронная звезда (д); звезда, бывшая менее массивной компонентой, становится главной звездой двойной системы. В результате эволюции от главной звезды исходит звездный ветер, часть вещества падает на нейтронную звезду, и создается рентгеновское излучение (е); (ср. с рис. 10.9).

Это напоминает нам историю спутников Миры, о которой здесь уже говорилось. Белый карлик, который обращается вокруг Миры, собирает на себя вещество. Почему же он не является рентгеновским источником? Возможно, он слишком удален от звезды, и на него попадает лишь малая доля уходящего со звезды вещества-достаточно, чтобы излучать в видимой области, но слишком мало, чтобы мы наблюдали его как рентгеновский источник.

Но может случиться и так, что белые карлики вообще не связаны с рентгеновскими источниками. Другими словами, можно представить себе, что в двойной системе произошел взрыв сверхновой (рис. 10.10, г, д) и образовалась нейтронная звезда, как в Крабовидной туманности. Она обращается вокруг второй звезды, которая устояла во время взрыва своей спутницы. Если эта звезда отдает вещество нейтронной звезде-либо в виде звездного ветра, либо из-за того, что она заполнила свою полость Роша, — то газ падает на поверхность нейтронной звезды с еще большей энергией, чем в случае белого карлика; рентгеновское излучение при этом еще интенсивнее (ё).

Так кто же ответствен за излучение рентгеновских звезд: белые карлики или нейтронные звезды? Скоро мы познакомимся с причинами, по которым астрофизики сегодня все больше склоняются в пользу нейтронных звезд. Здесь мы вновь сталкиваемся с проблемой переноса вещества от одной звезды к другой. Предполагается, что вещество не сразу падает на звезду, а подобно тому, как показано на рис. 9.8, образует вращающийся диск, попадая на поверхность звезды (будь то нейтронная звезда или белый карлик) по спиральной траектории. Физические процессы, происходящие в этом диске аккреции, изучались многими учеными. Важный вклад в их понимание был сделан в Москве Я. Б. Зельдовичем (1914–1987) и его учениками.

Как возникают импульсы?

Итак, у нас есть правдоподобное объяснение того, как возникает рентгеновское излучение. Но мы еще не выяснили, почему оно пульсирует.

В случае пульсаров мы считаем, что пульсации обусловлены вращением нейтронной звезды. Подобно большинству небесных тел, наши компактные объекты обладают, скорее всего, магнитным полем, и, как и у Земли, магнитная ось может не совпадать с осью вращения. Движение космического вещества поперек силовых линий затруднено, поэтому на компактный объект вещество будет падать преимущественно в области его магнитных полюсов (рис. 10.11). Рентгеновское же излучение возникает там, куда падает вещество, т. е. вблизи полюсов. А распространяться оно будет в стороны, поскольку в направлении магнитной оси его поглощает падающее вещество. Если компактный объект вращается, то для удаленного наблюдателя рентгеновское излучение будет пропадать всякий раз, когда к нему обращен тот или другой магнитный полюс. В остальное время рентгеновское излучение появляется вновь (рис. 10.11).

Рис. 10.11. Происхождение рентгеновских вспышек. Когда вещество падает на компактный объект, возникает рентгеновское излучение (вверху). Если звезда обладает магнитным полем, подобным по конфигурации земному, то вещество падает на звезду (черный кружок) в основном в области полюсов. Потоки падающего на полюса вещества образуют непроницаемые для рентгеновского излучения «пробки», и излучение уходит от звезды лишь вбок от полюсов (красные волнистые стрелки). Если весь объект вращается, то может оказаться, что удаленный наблюдатель за каждый оборот объекта принимает два коротких импульса рентгеновского излучения (вторая и четвертая фазы в нижней части рисунка). Для простоты ось вращения показана перпендикулярной к магнитной оси.