Уникальный астрономический объект SS 433

больших размеров (100–1000 [pic]), переходя в класс красных сверхгигантов.

Звезды с массой меньше 0,8 [pic], вообще не успевают проэволюционировать от

стадии главной последовательности за космологическое время (10–13 млрд.

лет). [1]

Век массивных звезд сравнительно короток по космологическим меркам:

звезда с массой больше 10[pic] на главной последовательности пребывает не

дольше 10 млн. лет. После полного исчерпания водорода загорается

накопившийся в недрах гелий, потом углерод и далее во все убыстряющемся

темпе более тяжелые элементы.

При этом продукты горения каждой предыдущей реакции становятся

топливом для последующей: водород ( гелий ( углерод (...( железо. В

некоторый критический момент, когда в недрах звезды накопится достаточно

тяжелых элементов, она теряет свою устойчивость и ее ядро коллапсирует под

действием сил гравитации. В процессе коллапса высвобождается гигантская

энергия (~1052 эрг) – происходит грандиозная вспышка сверхновой.

В среднем в нашей Галактике одна сверхновая вспыхивает примерно раз в

несколько сотен лет. На месте сверхновой может остаться компактный объект –

нейтронная звезда или черная дыра. Массы нейтронных звезд не превосходят

3[pic], а их радиусы – около 10 км. Черные дыры могут иметь любые звездные

массы.

Если начальная масса звезды меньше 10[pic], то эволюция протекает

иначе. На стадии красного гиганта у нее формируется вырожденное гелиевое

или углеродно-кислородное ядро, которое после сброса внешней оболочки (при

этом образуется планетарная туманность) превращается в белый карлик –

звезду, где гравитационным силам сжатия противостоит давление вырожденного

электронного газа.

2.5. Особенности эволюции звезд в паре

Эволюцию двойных систем принято делить на два типа: эволюцию массивных

систем, в которых хотя бы одна из компонент имеет массу (10[pic], и

эволюцию систем малых и умеренных масс. У систем первого типа закономерным

следствием эволюции является вспышка сверхновой звезды, у вторых – вспышка

сверхновой возможна лишь при очень специфических условиях: когда на белый

карлик, образовавшийся в ходе обычной эволюции одной из компонент,

«натекает» вещество со второй звезды. Белый карлик наращивает свою массу

вплоть до того момента, когда уже вырожденный релятивистский электронный

газ не в состоянии противостоять гравитационному сжатию. Этот

фундаментальный предел массы (1,4[pic]) был открыт в 30-х годах нашего века

С. Чандрасекаром и носит его имя. [15]

Рассмотрим, как меняется орбита системы в процессе обмена веществом.

Во многих случаях обмен масс в двойной системе с большой точностью можно

считать консервативным, то есть все вещество, истекающее с одной звезды,

полностью перехватывается соседней и орбитальный момент системы не

изменяется. Из условия сохранения момента следует, что при перетекании

вещества с более массивной компоненты на менее массивную расстояние между

звездами должно уменьшаться. В противном случае – когда вещество истекает с

менее массивной компоненты – расстояние между ними должно увеличиваться.

По ряду причин вещество может не полностью перехватываться соседней

компонентой и часть его покидает систему, унося угловой момент. Тогда

процесс перетекания неконсервативен, угловой момент не сохраняется, В этом

случае расчет эволюции усложняется. По общей теории относительности (ОТО)

орбитальный момент импульса двойной системы должен всегда убывать, вне

зависимости от того, происходит в системе перетекание вещества или нет.

Глава 3. Уникальный объект SS 433

3.1. Загадка SS 433

Об этом удивительном небесном объекте написано уже немало. Речь идет

об источнике в созвездии Орла, занесенном в каталог ярких эмиссионных звезд

Ц. Стефенсона и Н. Сандулека под номером 433. SS 433 – уникальная по своим

свойствам тесная двойная система: несмотря на тщательные поиски, других

подобных источников пока в Галактике не обнаружено. Источник удивителен по

богатству ярких феноменов, физика которых во многом до настоящего времени

окончательно не выяснена. [9]

Внимание к себе он привлек после того, как английскими учеными Д.

Кларком и П. Мардиным была получена первая спектрограмма с высоким

разрешением в оптическом диапазоне. В 1977 г. Б. Стефенсон и Н. Сандулек

опубликовали список звезд, замечательных тем, что в их спектрах имелись

яркие эмиссионные линии. Дальнейшее изучение показало, что одна из этих

звезд невидимая простым глазом звезда под номером SS 433 в районе созвездия

Орла вблизи центральной плоскости Галактики, выделяется необычайным обилием

эмиссионных линий. В ее спектре имеются яркие эмиссионные линии водорода,

гелия, некоторых других элементов. Но около каждой из этих линий находится

по две дополнительные эмиссионные линии несколько меньшей интенсивности –

одна слева, а другая справа.

Это особенно четко видно в линиях атома водорода (серии Бальмера) –

самых сильных из всех эмиссионных линий SS 433 – см. рис. 11. На рисунке

дополнительные линии, лежащие слева от основной, т е. в сторону голубого

края спектра, отмечены буквой В от слова blue – голубой; будем называть их

голубыми линиями-спутниками. Дополнительные линии, лежащие справа от

основной, т. е. в сторону красного края спектра, отмечены буквой R – от

слова red – красный, будем называть их красными линиями-спутниками. Можно

заметить, что линии-спутники расположены относительно основных в строгом

порядке. Именно на шкале длин волн каждая голубая линия-спутник отстоит от

основной на отрезок, который пропорционален длине волны основной линии:

[pic] (3.1)

Здесь [pic]- разность длин волн голубой линии-спутника и основной

линии; индекс «i» пробегает значения [pic], которыми различаются линии в

спектральной серии, так что приведенное соотношение содержит столько

уравнений, сколько имеется основных линий (на рис. 11. показаны три

основных линии); коэффициент пропорциональности [pic] одинаков и

отрицателен по знаку для всех голубых линий-спутников.

То же и с красными линиями-спутниками:

[pic] (3.2)

Здесь столько уравнений, сколько значений пробегает индекс «i»;

значение [pic] одинаково для всех красных линий-спутников и положительно по

знаку; по абсолютной величине [pic] и [pic] не совпадают между собой:

[pic]>[pic].

Фактически в спектре SS 433 имеются три системы спектральных линий:

одна система на своем стандартном месте на шкале длин волн – это система

основных линий – и две другие системы линий, смещенные относительно

стандартного положения в голубую и красную стороны. Это смещение

представляет собой не просто сдвиг линий с сохранением их относительных

положений (т. е. расстояний между ними на шкале длин волн), а сдвиг с

изменением относительных положений, так как, сдвиг каждой дополнительной

линии от основной тем больше, чем больше длина волны основной линии.

Смещения спектральных линий сами по себе не новость в астрономии.

Более полувека назад пулковский астроном А. А. Белопольский наблюдал

смещение линий в спектрах звезд и по величине и знаку смещения определял

лучевые скорости звезд, т. е. скорости вдоль луча зрения. Смещение линий от

их стандартного положения служат для астрономов безошибочным указанием на

то, что источник излучения движется относительно наблюдателя. Изменение

длин волн и частот излучаемого света, вызываемое относительным движением

источника и приемника света, носит название эффекта Доплера. [22]

Эффект Доплера

Эффект Доплера возможен при любом волновом или периодическом движении.

Он знаком всем по примеру с поездом, когда гудок поезда кажется более

высоким по тону при приближении поезда и низким – при удалении.

Воспринимаемая ухом частота звуковых волн больше при приближении и меньше

при удалении источника звука. То же и с электромагнитными волнами. Хотя

полной аналогии и нет. Дело в том, что звуковые волны распространяются

только в среде, а электромагнитные волны могут распространяться и в

пустоте. Поэтому в акустике различают движения источника и приемника звука

относительно среды, а для электромагнитной волны существенно лишь

относительное движение источника и приемника, т. е. только изменение

расстояния между ними. Кроме того, электромагнитные волны распространяются

в пустоте с максимально возможной скоростью, со скоростью света с, тогда

как скорость звука определяется свойствами среды, по которой он

распространяется. Покажем, как можно получить формулы, описывающие эффект

Доплера для света. Допустим, имеется источник, который посылает нам

короткие импульсы, вспышки света. Эти импульсы регистрируются приемником

света, и мы будем фиксировать моменты испускания и прихода импульсов.

Пусть один импульс испущен в момент [pic] и достиг нас в момент [pic],

а следующий за ним испущен в момент [pic] и принят в момент [pic]. В первом

случае свет распространялся в течение времени [pic] и прошел путь [pic]; во

втором случае время распространения [pic] и путь [pic]. Если источник,

покоится относительно нас и расстояние до него не меняется, то, очевидно,

оба пути света равны. Если же источник движется, то пути различны:

приближение источника сокращает путь света, а удаление увеличивает.

Рассмотрим сначала случай приближающегося источника (рис. 12). Если он

движется по направлению к нам со скоростью [pic], то вторая вспышка будет

испущена в точке, которая на отрезок пути [pic] ближе:

[pic]-[pic]=[pic] (3.3)

Перепишем это уравнение в несколько ином виде:

[pic] (3.4)

Представим себе теперь, что мы следим не за отдельными вспышками, а за

непрерывно испускаемыми волнами. Тогда мы можем выбрать моменты испускания

[pic] и [pic] так, чтобы промежуток времени между ними равнялся периоду

испускаемой волны [pic]:[pic]=[pic]. А период принимаемой волны T выразится

через t1 и t2: [pic]=T

Тогда из уравнения (3.4) получаем следующую связь между T и [pic]

[pic] (3.5)

Мы видим, что принимаемый период меньше периода испущенной волны.

Если источник не приближается, а удаляется, в последней формуле нужно,

очевидно, изменить знак перед скоростью на обратный. Это дает возрастание

периода колебаний. При произвольной ориентации движения источника скорость

[pic] в последнем соотношении нужно, как легко видеть, заменить

произведением [pic], где [pic] – угол между направлением движения источника

и направлением распространения волны (т. е. лучом зрения):

[pic] (3.6)

Под величиной [pic] здесь нужно понимать абсолютную величину вектора

скорости, a [pic] -[pic] лучевая скорость, т. е. проекция скорости на луч

зрения.

Полученная формула (3.6) довольно проста, но в действительности она

имеет столь простой смысл лишь тогда, когда скорость движения источника

очень мала по сравнению со скоростью света: [pic]. Если это условие не

выполнено, в игру вступают новые физические явления, релятивистские

эффекты, в которых проявляются свойства относительности времени и

пространства, изучаемые теорией относительности. Очень важно, что при

больших скоростях, сравнимых со скоростью света (а именно с этим случаем мы

и встретимся в источнике SS 433), показания движущихся и покоящихся часов

не совпадают.

В рассуждениях, приведших к формуле (3.6) подразумевалось, что

регистрация моментов времени производится по часам астронома-наблюдателя,

который принимает излучение, приходящее к нему от движущегося источника

света. По этим часам был измерен период принимаемой волны T. По тем же

часам измерялся и период испущенной волны [pic]. Но между этими двумя

измерениями имеется существенная разница. Одно измерение производилось там,

где происходило интересующее нас событие: приход света регистрировался по

часам, находящимся тут же у приемника. Другое же измерение производилось

вдали от места, где происходило событие: моменты испускания света

регистрировались по часам, находящимся не у источника, а у приемника.

Величина [pic] – это период испущенной волны, измеренный по часам

приемника.

Какой период испущенной волны показали бы часы, находящиеся на самом

источнике? Согласно теории относительности движущиеся часы всегда идут

медленнее неподвижных; промежуток времени между какими-то двумя событиями,

измеренный движущимися часами, будет в отношении «релятивистского корня»

[pic] меньше, чем промежуток времени между теми же событиями, измеренный по

покоящимся часам. Поэтому часы, движущиеся вместе с источником света,

покажут меньший период испущенной волны, чем часы покоящегося наблюдателя

[pic] (3.7)

T0 – это и - есть период испущенной волны, измеренный по часам источника.

Время, отсчитываемое по часам, движущимся вместе с данным телом,

называется собственным временем этого тела. Промежуток собственного времени

движущегося тела всегда короче соответствующих промежутков времени,

измeренных по неподвижным часам.

Пользуясь релятивистской формулой (3.7), можно, наконец, записать

окончательную формулу эффекта Доплера, в которой период принимаемых волн T

выражен через собственный период T0 источника:

[pic] (3.8)

От периода легко перейти к длине волны [pic] и частоте [pic]

колебаний:

[pic] (3.9)

[pic] (3.10)

Здесь [pic] и [pic] – длина волны и частота света, измеренные по

собственным часам источника. Когда в лаборатории измеряется период

колебательного процесса, то дли этого используются лабораторные часы,

показывающие, очевидно, собственное время источника колебаний, находящегося

тут же. Поэтому измеряемый в лаборатории период – это период собственного

времени источника. И когда выше мы говорили о частотах и длинах волн

испускаемого атомами света, мы, естественно, имели в виду лабораторные

величины, т. е. величины, измеренные в собственном времени. Им отвечают

«стандартные» положения линий в спектре источника.

Из формулы (3.9) видно, что длина волны в излучении движущегося

источника возрастает и, следовательно, линия в спектре смещается к его

красному концу, как благодаря удалению источника, так и из-за

релятивистского эффекта замедления времени. Уменьшение длины волны и сдвиг

линии в более голубую область спектра связаны с приближением источника, но

результат ослабляется из-за замедления времени; можно видеть, что

замедление, времени способно даже полностью ликвидировать эффект

приближения при определенном соотношении между скоростью [pic] и углом

[pic]. [20, 14]

Смещение линий в спектрах характеризуют уже знакомой нам величиной

[pic], называемой, как это принято, красным смещением ([pic] – стандартная

длина волны, [pic] – смещенная длина волны). Смещение действительно

является красным, когда величина z положительна. Когда величина z

отрицательна, это означает сдвиг в голубую часть спектра. Таким образом, на

основании можно написать

[pic] (3.11)

В спектре объекта SS 433 (V 1343 Орла) наблюдаются три системы

спектральных линий, принадлежащих бальмеровской серии водорода: две системы

движутся по спектру в противофазе с периодом ~ 164 дня и амплитудой до ~

1000?, а третья система линий неподвижна. Установлено, что движущиеся

эмиссионные линии возникают в двух противоположно направленных струях или

выбросах (см. рис), направление которых меняются с периодом 164 дня. На

одной из спектограмм длина волны линии H? смещенной в красную сторону,

оказалась равной 7730?, а смещенной в синюю сторону - 6160?. Определим

скорость выброшенного вещества. [13]

Обычную формулу эффекта Доплера [pic] при очень больших скоростях надо

заменить более сложной, вытекающей из специальной теорией относительности

Эйнштейна:

[pic], (3.12)

z – красное смещение.

Выразив скорость из выражения (3.12), получим:

[pic]. (3.13)

Эта формула удовлетворяет принципу, по которому никакая скорость в

природе не может превысить некоторой предельной, с которой свет

распространяется в вакууме (30000 м/с). [11]

[pic]. (3.14)

Линия водорода серии Бальмера H? - 6563 ?. [7]

Так как длина волны линии H? смещенной в красную сторону, оказалась

равной 7730?, то значение для красного смещения z получим равным –0,178.

То, что величина z отрицательна, это означает смещение линий в голубую

часть спектра. А при длине волны смещенной в синюю сторону - 6160?, z=0,061

и смещена в красную часть спектра. Вследствие эффекта Доплера в первом

случае выбросы будут удаляться от нас, во втором случае приближаться к нам.

Это говорит, что выбросы на самом деле движутся в противоположных

направлениях. Подставляя значения z в формулу (3.13), получим, что выбросы

удаляются от нас и приближаются к нам со скоростями:

[pic].

[pic]=-57995 км/с знак « - » еще раз доказывает, что объект движется от

нас, далее его мы не будем учитывать.

Скорость выброшенного вещества для данных смещенных линий в спектре

равна сумме полученных скоростей:

[pic]= [pic]+ [pic]= 57995 + 17779 = 75774 км/с.

Движущиеся линии

Тот факт, что в спектре SS 433 имеются три системы спектральных линий,

означает, что в нем имеются, и три излучающие области: одна из них не

движется относительно нас, а две другие движутся в разные стороны вдоль

луча зрения. Чтобы получить представление о скоростях этих движений,

воспользуемся данными, которые астрономы получили в наблюдениях лета 1978

г., когда началось изучение источника SS 433.

Измеренные тогда значения zВ и zr составляли: zB=-0.02, zR=0.l.

На основании формулы эффекта Доплера (3.11), находим для

приближающейся к нам области

[pic] (3.15)

Это соотношение содержит две неизвестные величины – полную скорость

движения области [pic] и ее проекцию на луч зрения [pic]. Если допустить,

что отношение [pic] мало по сравнению с единицей, то лучевая скорость

[pic]=0;02 с=6000 км/с.

Это довольно большая скорость, если сравнить ее со скоростями движения

звезд в Галактике; последние не превышают нескольких сотен километров в

секунду. В пределах 100 – 300 км/с лежат лучевые скорости звезд, найденные

А. А. Белопольским, а за ним и другими наблюдателями. Для движения звезд

пренебрежение величиной [pic]в знаменателе формулы эффекта Доплера вполне

оправдано. В случае SS 433 речь явно идет о гораздо более быстром движении

излучающей области, чем обычные движения звезд Галактики, Этим и полезна

оценка лучевой скорости; но даваемое ею конкретное значение лучевой

скорости следует все же принимать с осторожностью. В нашем распоряжении нет

никаких независимых данных об угле [pic], и строгим единственным

результатом должно считаться соотношение (3.15), связывающее этот угол со

скоростью [pic]

Для удаляющейся от нас области излучения имеем

[pic] (3.16)

В том же предположении [pic]<<l находим лучевую скорость [pic]=-0,1 с=-

30000 км/с. Лучевая скорость отрицательна, что и соответствует удалению

источника, так как в этом случае [pic] <0. Эта скорость в 100 раз больше

(по абсолютной величине) типичной скорости звезд в Галактике ~300 км/с, что

подтверждает указание на особый, не звездный характер движения излучающих

областей SS 433. Значения обеих лучевых скоростей [pic]и [pic] будут

получены ниже.

Ни в Галактике, ни вне ее никогда не наблюдалось прежде источника,

который излучал бы сразу две системы линий, столь сильно сдвинутых от

стандартных положений. Большие смещения в красную сторону спектра

встречаются у квазаров, самых далеких объектов Вселенной. Во всех же

известных до сих пор случаях смещения в голубую сторону абсолютное значение

z меньше, по крайней мере, в 20-100 раз, чем у SS 433.

Но самое удивительное было обнаружено в наблюдениях осени 1978 – весны

1979 гг. Американский астроном Б. Маргон и его сотрудники, наблюдая SS 433

в сентябре 1978 г., нашли эмиссионные линии-спутники на иных местах, чем за

два месяца до того: они разъехались в разные стороны. Значения |zB| и zR

возросли и продолжали затем возрастать до ноября 1978 г., пока не достигли

максимальных значений |zB|max=0,l; (zR)mах=0,18. Затем началось уменьшение

|zB| и zR, и в течение декабря, пока продолжались наблюдения, линии-

спутники приближались к основным линиям спектра. Когда в марте 1979 г.

наблюдения были продолжены (с декабря до февраля источник не виден),

оказалось, что линии-спутники снова удаляются от основных линий; в конце

апреля был достигнут новый максимум, причем |zB| и zR вновь приняли те же

значения, что при первом максимуме.

Дальнейшие наблюдения (вплоть до последних данных, ставших известными

к лету 1982 г.) подтвердили, что изменения смещений линий-спутников

Страницы: 1, 2, 3, 4