Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Пример эволюционной последовательности в двойной системе. Система из двух звезд с массами 12 и 9 солнечных проходит длинную цепочку превращений. На одной из стадий, после взрыва сверхновой, наблюдается молодой радиопульсар в двойной системе. Затем возникает рентгеновский пульсар. На предпоследней стадии возникает объект Торна – Житков, а затем происходит коллапс в черную дыру.

Такие необычные «звери» возникают в тесных двойных системах, которые пережили первый взрыв сверхновой. Когда вторая звезда превращается в красного гиганта, компоненты пары начинают сближаться. В результате нейтронная звезда может быть поглощена гигантом. Удивительно, но такие объекты трудно распознать, и пока нет ни одного стопроцентно достоверного объекта Торна – Житков. Дело в том, что толстая «шуба» красного гиганта скрывает то, что происходит в недрах. Астрономы пытаются распознать объекты Торна – Житков по аномалиям химического состава во внешних слоях раздувшихся звезд. На момент написания книги лучшим кандидатом считается звезда HV 2112. Аномалии всех ранее появлявшихся кандидатов удалось объяснить процессами в недрах проэволюционировавших звезд (в первую очередь тем самым s-процессом, о котором мы упоминали в начале книги).

На рисунке показана эволюция двойной системы, приводящая к образованию объекта Торна – Житков. Все начинается с двух звезд с массами 9 и 12 масс Солнца. Более массивная звезда эволюционирует быстрее и заполняет свою полость Роша. Часть вещества перетекает на соседку (теперь та становится более массивной), а часть рассеивается вокруг. При этом орбита становится более тесной. Звезда, изначально бывшая более массивной, взрывается, порождая нейтронную звезду. Вначале она находится на стадии радиопульсара. Затем вторая звезда эволюционирует, расширяется, превращаясь в красного гиганта, и начинает перетекать на нейтронную. Возникает рентгеновский пульсар. Часть вещества не успевает попасть на компактный объект. Возникает так называемая общая оболочка, уносящая момент импульса (орбитальный момент системы). На этой стадии система также становится более тесной. В результате нейтронная звезда попадает внутрь гиганта. Возникает объект Торна – Житков.

Есть несколько способов заставить звезды в двойной системе сближаться. Кроме образования общей оболочки, это может быть связано с так называемыми магнитными звездными ветрами. Исходящий от звезды ветер частиц захвачен ее магнитным полем. И пользуясь полем как рычагом, звездный ветер может очень эффективно отводить от системы орбитальный момент, т. е., попросту говоря, тормозить вращение двойной. Такой механизм работает для систем с красными карликами. На определенном этапе, когда двойная уже стала очень тесной, звезды сближаются из-за излучения гравитационных волн. Гравитационные волны уносят момент импульса, система становится более компактной. Именно благодаря им могут сливаться друг с другом белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.

Еще один очень интересный тип объектов, связанных с двойными системами, – так называемые гиперскоростные звезды. Обычно звезды в окрестностях Солнца перемещаются друг относительно друга с довольно большими по нашим земным меркам скоростями: 10–20 км/с, что соответствует скоростям искусственных спутников или планет вокруг Солнца. В Галактике, в диске, звезды практически везде и всегда движутся относительно своих соседей примерно с такой типичной скоростью. Кроме диска, у Галактики есть другие составляющие, например, галактическое гало. Если в диске звезды движутся примерно в одной плоскости, то звезды гало могут обращаться по любым орбитам. Скорость вращения вокруг центра Галактики на солнечной орбите больше 200 км/с. Поэтому звезды гало могут «просвистывать» сквозь диск примерно с такой же скоростью, и мы видим такие объекты вокруг нас. Но эти объекты все равно связаны с нашей Галактикой, и для их появления не нужен особый механизм. Они так движутся от рождения.

Недавно, уже в XXI веке, стали открывать так называемые гиперскоростные звезды. Их скорости – это 500, 600, 700 или даже 800 км/с. Огромные значения, которые делают звезду уже не связанной с нашей Галактикой! То есть она улетает из нашего звездного острова навсегда. Может улететь в сторону другой галактики и даже войти в ее состав (хотя последнее маловероятно). Может просто остаться совсем одинокой и болтаться в межгалактическом пространстве, с течением времени уже превратившись в белого карлика, нейтронную звезду или черную дыру. Как же они образуются?

Схематическое изображение Галактики. Показаны основные составляющие: диск, балдж и гало. Вся Галактика погружена в гигантское гало темного вещества.

Такие объекты были предсказаны совсем незадолго до их открытия, в 80-е годы прошлого века. Ускорителем этих звезд является центральная черная дыра нашей Галактики. Если двойная система – для одиночных этот механизм не работает – пролетает очень близко от черной дыры, то черная дыра может развалить эту систему своим большим приливным воздействием. Одна звезда станет спутником черной дыры, а вторая приобретет очень большую скорость. И именно из центра Галактики должны лететь гиперскоростные звезды, что в большинстве случаев и наблюдается. Наверное, есть какие-то другие механизмы, не все гиперскоростные звезды (а их известно уже несколько десятков) летят прямо из центра Галактики, но это, безусловно, основной механизм, и он также требует, чтобы в начале у нас была двойная система. Отдельную звезду трудно разогнать черной дырой до таких больших скоростей.

Экзотический механизм разгона одиночек был предложен в 2015 году. Звезда должна подойти к сверхмассивной черной дыре настолько близко, что та практически начинает ее разрушать своими приливными силами. Однако если полного разрушения не произошло, то остаток «покореженной» звезды может приобрести скорость до 1000 км/с. То есть можно разогнать и одиночную звезду, но вряд ли в нашей Галактике нужны более тяжелые черные дыры. С двойными – проще.

Или с тройными. Недавно была обнаружена удивительная гиперскоростная звезда. Наблюдения показали, что летит она из центра Галактики, но вот выглядит слишком массивной. Если мы оценим, сколько звезда должна была добираться из галактического центра до своего современного местоположения, то обнаружим парадокс: столь массивные звезды так долго не живут. Объяснение потребовало вовлечения тройной системы. Промчавшись мимо сверхмассивной черной дыры, система потеряла одну из звезд, а оставшаяся пара ускорилась до уровня гиперскоростных звезд. Но в процессе полета гиперскоростная двойная слилась. Образовавшаяся звезда не только имеет массу, равную сумме масс исходных компонент двойной, но и выглядит более массивной из-за недавнего слияния, разогревшего звезду (похожими свойствами обладают так называемые «голубые бродяги», встречающиеся в основном в плотных скоплениях; эти объекты также выглядят более массивными, яркими и голубыми, чем им положено, из-за взаимодействия с другими звездами).