на третьем становится еще меньше, а после нескольких оборотов вокруг своего партнера тело выходит на практически круговую орбиту (рис. 9.1, б). Это типичный результат взаимодействия двух звезд. А куда делась энергия движения этих тел? На бесконечности у малого тела была положительная энергия, теперь же оно попало на связанную орбиту, значит, полная энергия стала отрицательной. Кто же «съел» разницу?
Рис. 9.1. Формирование двойной системы в результате приливного захвата: к массивной звезде подлетает маленькое мягкое тело, прилив его растягивает и тормозит, в результате чего оно становится спутником звезды. Второе, более массивное, тело для простоты нарисовано здесь жестким. На самом деле, разумеется, деформируется и оно, отчего эффект лишь усиливается.
Во-первых, происходит деформация, в ходе которой звезда нагревается. Иногда эффект бывает настолько большим, что от избыточного тепла она разбухает, но потом рассеивает энергию в виде излучения и остывает до исходной температуры. Это хорошо демонстрирует численная модель тесного сближения двух звезд. Момент импульса, в отличие от энергии, в этой консервативной системе, естественно, сохраняется и никуда не рассеивается. Массивное тело поглощает часть орбитального момента импульса маленького тела и сильнее раскручивается. Значит, какая-то часть кинетической энергии малого тела потратилась на увеличение скорости осевого вращения большого тела и своей собственной.
Такой же захват вполне может происходить — и в действительности происходит — при взаимодействии двух планет или двух галактик, и тогда эти объекты будут длительное время кружить вокруг общего центра масс.
Последствия неравноправного партнерства
Рис. 9.2. В системе двух звезд, обращающихся в тесном контакте вокруг общего центра масс, приливное влияние приводит к тому, что менее массивная звезда приобретает заметно асимметричную форму: обратите внимание на разницу между ближним и дальним приливными горбами. Результат гидростатического моделирования. Слева — проекции на меридиональную и экваториальную плоскости. Меньшая звезда целиком заполнила свою полость.
Когда мы говорили о задаче трех тел (глава 3, раздел «Небесная троица»), в которой одно тело легкое, а другие два массивные, я рассказывал про полости Роша, ограничивающие области гравитационного контроля массивных тел (рис. 9.2). При их взаимодействии нередко возникает ситуация, когда одно из тел заполняет свою полость Роша, прижимая к ее границе свою поверхность. В точке соприкосновения полостей (это точка равновесия Лагранжа L1) попавший туда объект становится равноправно принадлежащим обоим телам. Мы наблюдаем довольно много таких тесных двойных звездных систем, у которых одна из звезд в конце жизни расширяется, заполняет свою полость Роша и касается полости Роша соседнего объекта — компактной, но очень массивной звезды (например, нейтронной звезды) с большой полостью Роша. А когда у разреженной звезды своя полость заполнена, куда деваться веществу? Оно «переливается» через край потенциального барьера и начинает течь туда, куда его притягивает (рис. 9.3).
Рис. 9.3. Вещество рыхлой звезды двойной системы заполнило полость Роша и через окрестности точки Лагранжа утекает к компактной звезде-напарнику. Рисунок.
Если бы обе звезды висели в пространстве без вращения, то стекание вещества происходило бы точно по прямой к центру плотного компонента. Но в двойной системе всегда есть орбитальное движение компонентов вокруг общего центра масс, и вещество, сохраняя орбитальный момент импульса, выходит на равновесную орбиту, образуя аккреционный диск вокруг массивного тела. Иногда задают вопрос: почему диск, а не шар? Дело в том, что центробежная сила действует только в плоскости орбиты, а вдоль оси вращения ее нет.
Вспомним, что чем ближе к центру тяготения, тем за более короткое время происходит оборот, т. е. тем выше угловая скорость. Между соседними слоями диска возникает взаимное смещение, а следовательно — трение, в результате чего орбитальный момент переносится наружу. Вещество при этом не остается на круговой орбите, оно тормозится и по спирали движется к центру, понемногу выпадая на поверхность массивного объекта.
Рис. 9.4. Звезда типа «красный гигант», которую засасывает ее соседка — черная дыра. Перетекающее вещество гиганта образует вокруг нее аккреционный диск, из центральной части которого вырываются две струи светящегося газа. Рисунок.
Трение в аккреционном диске производит замечательный эффект, благодаря которому мы и открыли существование черных дыр. Сама дыра абсолютно невидима, потому что не излучает (квантовое испарение — эффект Хокинга — у черных дыр звездной массы чрезвычайно слабо). Но когда черная дыра (или нейтронная звезда) оказывается в составе тесной двойной системы, второй компонент которой раздулся и начал терять свое вещество, трение во вращающемся с огромной скоростью аккреционном диске вокруг черной дыры приводит к разогреву газа до сотен тысяч градусов и испусканию мощного потока ультрафиолетового света и рентгеновских лучей. Первые же обзоры неба в рентгеновских лучах показали нам невероятно мощные источники излучения, связанные с такими системами.
Кроме того, разогрев приводит к расширению газа, часть которого выталкивается из диска. Но куда? Пробиться наружу сквозь диск трудно, а перпендикулярно его поверхности (т. е. параллельно оси вращения) довольно легко, диск сравнительно тонкий. Поэтому из такого аккреционного диска вдоль оси его вращения обычно бьют в пустоту два диаметрально противоположных фонтана — их называют джетами, или струями. В месте, где входящий поток ударяется об аккреционный диск, тоже наблюдается горячая точка. По скорости ее обращения можно довольно точно определить параметры обоих объектов — и звезды, и черной дыры.
С этим явлением связан интересный вопрос: от чего зависит угол раструба струй? Казалось бы, из самых примитивных соображений угол должен быть немалым, порядка радиана, а в действительности иногда он не превышает градуса. Что оказывает фокусирующее действие на эти тонкие струи, астрофизики пока не понимают. Придумано много разных моделей ускорения джетов — тепловые, магнитогидродинамические, но ни одна из них не может полностью объяснить явление.
Наконец, если звезда подлетает к черной дыре издалека, то она не просто деформируется, а вообще теряет связность: приливный эффект просто разрушает ее при сближении с черной дырой (рис. 9.5). Каждый пролет звезды рядом с черной дырой сопровождается срывом большого количества вещества с ее оболочки, и после того, как ее несколько раз таким образом «разденут», от звезды практически ничего не останется. По
