Диплом: Уникальный астрономический объект SS 433

профиль и сильно переменны, что свидетельствует о клочковатой структуре джетов.

Оптическое излучение джетов в линиях возникает на расстоянии примерно 1015

см от центрального источника, где температура плазмы опускается до 104

К. Однако на малых расстояниях внутри орбиты двойной звездной системы

температура вещества джетов достигает сотен млн. К. О наличии такой

высокотемпературной плазмы у основания джетов впервые узнали из анализа

рентгеновских спектров, полученных на ИСЗ «Экзосат» в середине 80-х годов. В

этих спектрах присутствовала линия излучения, принадлежащая ионизованным до

гелиеподобного состояния атомам железа (Fe XXV). В таком состоянии возле ядра

остается только два электрона. Линия возникает в результате перехода электронов

с первого возбужденного уровня на основной. Испускаемые при этом кванты в

лабораторной системе отсчета имеют энергию 6,7 кэВ. Эта линия смещалась по

спектру с тем же периодом 163 дня, как и оптические линии. Более того, совпали

и амплитуды этих смещений. Тем самым кинематическая модель джетов была

подтверждена вплоть до расстояний от источника порядка 1012 см. Еще

более интригующими оказались результаты рентгеновских наблюдений, проведенных

ИСЗ «Гинга» в 1987–1989 гг. Во-первых, в несколько раз возросла полная

рентгеновская светимость компактного источника, а спектр стал жестче.

Во-вторых, как

обнаружил Н. Каваи, структура эмиссионной рентгеновской линии железа

оказалась более, сложной.

В спектре присутствовала широкая линия, положение которой (около 7 кэВ) не

изменялось с фазой прецессионного цикла. Эта компонента принадлежит переходам

между первым возбужденным и основным уровнем уже водородоподобного (Ре XXVI)

железа. Отсутствие заметного смещения с фазой прецессионного цикла говорит о

том, что широкая линия формируется не в джете, а преимущественно в

квазисферической оболочке, не участвующей в релятивистском движении. Кроме

этого, в спектре наблюдалась узкая компонента, энергия которой периодически

изменялась с фазой прецессии, т. е. эта линия рождалась в релятивистском джете

и принадлежала атомам железа, находящимся в более низких стадиях ионизации. По

наблюдениям с ИСЗ «Гинга» впервые были получены кривые блеска рентгеновских

затмений. Эти затмения возникают в результате покрытия оптической звездой

горячих областей квазисферической оболочки и основания джетов. Как следует из

анализа этих затмений, большая часть рентгеновского излучения выходит из

области с размером порядка 0,1 расстояния между компонентами двойной системы.

Длительность рентгеновских затмений позволяет оценить отношение масс в системе

.

3.3. Модель SS 433

Главное, что отличает SS 433 от других систем с перетеканием вещества на

компактный объект, и с чем связаны феномены этого источника – это огромная

скорость поступления вещества в аккреционный диск. При такой скорости

устанавливается режим сверхкритической дисковой аккреции. В чем же здесь

дело?

Как известно, при дифференциальном кеплеровском вращении вещества, которое

устанавливается в аккреционном диске вокруг компактного объекта, за счет

некоторых механизмов вязкости (в основном, турбулентности) происходит выделение

энергии и потеря момента количества движения. В результате этого вещество

оседает на тяготеющий центр. На больших расстояниях от тела с массой М

светимость диска вне радиуса R оказывается равной 3/2 GMM/R, где

G=6,67·10-7 см3с-2г-1 –

гравитационная постоянная, М – скорость аккреции. С приближением к

центру при данном темпе аккреции энерговыделение возрастает. С другой стороны,

оно не может превысить некоторый предел, называемый Эддингтоновским пределом

светимости. Эта светимость для центральной массы порядка солнечной примерно

равна 1038 эрг/с. На расстояниях около 10 км (радиус нейтронной

звезды или последняя устойчивая круговая орбита вокруг черной дыры солнечной

массы) Эддингтоновский предел достигается при темпах аккреции порядка 10-8

/год. [12].

Светимость обычных двойных рентгеновских источников, как правило, меньше

Эддингтоновского предела и соответственно темп аккреции меньше 10-8

/год.

Однако при характерном для SS 433 темпе втекания вещества в диск (10-5

/год) этот предел достигается на расстояниях в тысячи раз больших радиуса

нейтронной звезды (считаем, что масса центрального объекта близка к солнечной).

Внутрь этого радиуса вещество будет проникать только при таком темпе, который

обеспечивает энерговыделение на уровне критического. Все остальное вещество

должно отбрасываться давлением излучения и оттекать от диска со скоростью,

близкой к параболической на данном расстоянии от центрального тела, образуя

квази сферическую оболочку. В случае SS 433 скорость оказывается порядка 3·10

3 км/с. Кинетическая мощность (т. е. скорость вы носа кинетической

энергии) оттекающего вещества будет порядка Эддингтоновской светимости.

При определенных условиях в центре диска могут возникнуть две противоположно

направленные воронки, которые и направляют релятивистские джеты. Откуда же

возьмутся джеты? Как представляется, небольшой градиент давления вблизи

поверхности центрального источника вполне достаточен, чтобы вещество вырывалось

с параболической скоростью (а это как раз 0,3–0,5 скорости света для нейтронной

звезды). Важно, что из-за действия вязкости скорость оттока вещества на больших

расстояниях от поверхности нейтронной звезды будет практически постоянной (3·10

3 км/с). При этом центральная оболочка со стороны должна выглядеть

совершенно одинаково вне зависимости от того, нейтронная звезда или черная дыра

спрятана в ее недрах. Однако, по мнению авторов, небольшой градиент давления

вполне может создаться на поверхности быстровращающейся нейтронной звезды со

слабым магнитным полем. Именно наличие такой нейтронной звезды объясняет

появление джетов с наблюдаемой скоростью.

Широкая компонента

Оттекающий от центральных частей диска поток неоднороден. Его можно

представить разбитым на сгустки холодной и плотной плазмы, движущейся в более

горячей и разреженной среде (вроде всплывающих облаков). Перемещение этих

«островков» относительно горячей среды разогревает их внешние части. Именно в

этой горячей среде в результате фоторекомбинации и возникает широкая и мощная

линия водородоподобного железа (энергия линии 6,95– 6,97 кэВ). Характерная

температура в области формирования широкой линии порядка 1 кэВ, и высокая

степень ионизации железа при такой температуре поддерживается процессами

фотопоглощения квантов с энергиями 10 кэВ и выше, которые приходят из более

глубоких слоев. Фотоны, испускаемые в линии, несколько раз рассеиваются на

горячих электронах плазмы, что и создает широкую линию. Затем эти фотоны

рассеиваются на более холодных всплывающих островках вещества практически не

меняя своей энергии. При этом они проходят дополнительный путь и выходят из

оболочки много дальше зоны формирования широкой линии. Именно эта эффективная

оболочка с радиусом 0,1 расстояния между компонентами затмевается нормальной

звездой. Анализ показывает, что иногда широкая линия железа также частично

рождается в джете, однако физически это совсем другая линия – это К-линия

низко ионизованного железа с энергией 6,4 кэВ, смещенная до энергии 7 кэВ из-

за эффекта Доплера. Она уширяется при рассеянии на горячих электронах в

джете, который неоднороден и состоит из отдельных более холодных сгустков,

окруженных горячей разреженной плазмой. Добавим, что центральная оболочка и

джет погружены в еще более разреженную корону (или гало), и даже при полном

затмении центральной оболочки и джета мы все-таки наблюдаем остаточное

рентгеновское излучение, рассеянное на электронах не затмевающейся короны.

Нужная концентрация электронов во внешнем гало поддерживается дополнительной

поставкой их при «таянии» всплывающих плотных островков в разреженной плазме

внешней короны.

Непрерывное рентгеновское излучение SS 433, которое наблюдалось с борта ИСЗ

«Гинга», описывается законом тормозного теплового спектра с температурой 30

кэВ. Это излучение в основном выходит из глубоких слоев центральной оболочки.

Конечно, непрерывный спектр образуется и в более высоких, т. е. менее

горячих, слоях оболочки, но с меньшей интенсивностью. Часть непрерывного

излучения формируется в джете и в моменты понижения светимости центральной

оболочки доля излучения от джета возрастает. [23]

3.4. Черная дыра или нейтронная звезда?

Одним из нерешенных вопросов на данный момент остается вопрос о природе

компактного объекта в SS 433. Соблазнительно видеть в нем кандидата в черные

дыры, однако сколь нибудь надежных доказательств этому пока нет. Что же мы

знаем о компактной звезде в SS 433? По кривой лучевых скоростей можно

определить функцию масс двойной звездной системы. Значение полуамплитуды

лучевых скоростей, полученные по линии ионизованного гелия Hell (l-4686 А),

имеют большой разброс – от К=195 км/с до К=150 км/с. При этом

разброс в функции масс оказывается еще больше: от f = 10,6

до f = 4,8.

Предполагается, что эта «линия формируется непосредственно вблизи компактного

объекта и тем самым ее лучевая скорость совпадает с лучевой скоростью объекта.

Чтобы получить оценку массы этого тела, надо найти отношение масс в системе.

Это можно сделать из анализа оптических и/или рентгеновских затменных кривых

блеска. Оптические кривые блеска дают оценку q»0,8 – 1, а из анализа

рентгеновских затмений можно сделать заключение о q»0,25. При этом в

первом случае масса компактной звезды заведомо больше 3

. Во втором случае, если амплитуда лучевых скоростей линии гелия порядка 150

км/с, масса компактной звезды будет меньше 3

, так что это вполне может быть нейтронная звезда. Ясно, что для определения

фундаментальных вопросов необходимы высококачественные спектральные оптические

наблюдения «стационарных» эмиссионных линий, положение которых модулируется

орбитальным движением компонент двойной системы.

Сейчас представляется, что существенная доля оптического излучения выходит из

«всплывающих облаков», когда они становятся оптически прозрачными. До этого

момента оптическое излучение было как бы «заперто» в оптически непрозрачных

облаках. Другими словами, два эффекта – увеличение площади расширяющихся

облаков и уменьшение их оптической толщины – дают дополнительный свет из

области с размерами больше полости Роша компактного объекта. При

моделировании оптических кривых блеска учет этих эффектов позволяет уменьшить

относительный размер полости Роша компактной звезды (а следовательно,

отношение масс в системе). [3, 17].

3.5. Прецессия джетов

Остается понять причину 164-дневной прецессии джетов. Поскольку в любой

модели их коллимация осуществляется некоторой воронкой вещества вокруг

центрального тела, прецессировать должна и эта воронка, а, значит, по крайней

мере внутренние части аккреционного диска. Если центральный источник –

вращающаяся черная дыра, ее прецессия автоматически гарантирует прецессию

внутренних частей аккреционного диска. Однако характерные времена этой

прецессии невероятно велики. Если же в центре находится нейтронная звезда без

сильного магнитного поля, то требуется прецессия всего аккреционного диска.

Поскольку мы имеем дело с двойной системой, в которой относительно недавно

произошел взрыв одной из компонент как сверхновой, вероятна несоосность оси

вращения нормальной звезды, и орбитального углового момента. Во время вспышки

сверхновой плоскость орбиты может изменить ориентацию в пространстве, в то

время как угловой момент нормальной звезды свою ориентацию в пространстве

сохраняет; разумеется, через некоторое время из-за приливного взаимодействия

моменты вращения должны стать соосными. В такой ситуации может возникнуть

приливная прецессия нормальной компоненты, вследствие чего весь диск также

будет прецессировать. К образованию наклонного аккреционного диска может

также привести анизотропный прогрев оптической звезды рентгеновским

излучением – подобно тому, как это происходит в двойной рентгеновской системе

Геркулес Х-1 [21]

Итак, что же представляет собой SS 433? Прежде всего, это сверхкритическая

дисковая аккреция на компактный объект (скорее всего, на нейтронную звезду).

В режиме сверхкритической дисковой аккреции возникает квазисферическая

оттекающая структура с двумя каналами вдоль оси симметрии, перпендикулярными

плоскости диска. Дополнительное энерговыделение вблизи поверхности нейтронной

звезды создает градиент давления, под действием которого вещество

выталкивается вдоль этих каналов. Эта картина в целом напоминает два

симметрично расположенных действующих вулкана и выделяемой энергии

достаточно, чтобы придать веществу скорость, равную второй космической для

нейтронной звезды солнечной массы.

Глава 4. Оценка амплитуды эффекта отражения для

рентгеновской звезды звездной системы Her X-1.

В звездных системах часто наблюдается «эффект отражения» одного компонента от

другого. Вследствие движения компонентов двойной системы этот эффект обладает

периодичностью.

Оценим амплитуду эффекта отражения, если известна светимость компактной звезды

, светимость нормальной звезды

, большая полуось двойной системы а и радиус нормальной звезды

.

Рассмотрим тесную двойную звездную систему (ТДС) типа SS 433, одна из компонент

которой – нормальная звезда, а вторая вырожденная (релятивистский объект,

являющийся нейтронной звездой или черной дырой). Как правило, в таких системах

оптическая светимость обычной звезды

значительно меньше рентгеновской светимости релятивисткой компоненты

. Поэтому даже малая часть рентгеновского излучения, попадающая на оптическую

компоненту, вызывает сильный разогрев ее поверхности и дополнительное излучение

нагретой поверхности нормальной звезды в оптическом диапазоне. Данный эффект

является переменным вследствие движения компонентов тесной двойной системы. Это

явление носит название эффекта отражения. Оценим его. [8, 15]

Пусть

-рентгеновская светимость релятивисткой компоненты. На единицу площади

поверхности сферы радиуса а каждую секунду от релятивистского объекта

приходит энергия

(4.1)

Площадь диска нормальной звезды .

Тогда каждую секунду на поверхность нормальной звезды площадью S

приходит от релятивистского объекта энергия:

(4.2)

В результате нагрева поверхности звезды этим излучением, она будет испускать

дополнительное излучение в оптическом диапазоне:

, (4.3)

где - безразмерный коэффициент пропорциональности.

В разные моменты времени наблюдатель будет видеть различную долю нагретой

части поверхности.

Изменение звездной величины и будет являться амплитудой эффекта отражения.

Обозначим ее , или:

, (4.4)

где - энергия,

излучаемая звездой в фазе

, когда нагретой частью поверхности она повернута от наблюдателя;

а - энергия

нормальной звезды, излучаемая в фазе

, когда дополнительно нагретая часть поверхности звезды целиком повернута к

наблюдателю.

. (4.5)

Т. к. , поэтому мы пренебрегаем ей в знаменателе.

. (4.6)

Преобразуем выражение (4.6):

.

В итоге мы пришли к такому виду:

. (4.7)

Будем считать, что и получим итоговую формулу для амплитуды эффекта отражения:

(4.8)

Численную оценку сделаем для рентгеновской двойной системы HZ Her (Her X-1), в

которой =100,

=3·1011 см, а=6·1011 см. [13]

Чтобы произвести численную оценку для рентгеновской двойной системы HZ Her

подставим в полученную формулу (4.8) данные:

Получили, что амплитуда эффекта отражения для рентгеновской звезды звездной

системы Her X-1 ,

что близко к наблюдаемой величине (см. рис. на котором представлены кривые

блеска Her X-1 в фильтрах U, В иV).[13]

Заключение

Данная дипломная работа посвящена уникальной по своим свойствам тесной

двойной системе SS 433. Источник удивителен по богатству ярких феноменов,

физика которых во многом до настоящего времени окончательно не выяснена. SS

433 является оптическим, радио- и рентгеновским источником, с уникальными

спектральными свойствами. В оптическом спектре этой звезды наблюдаются три

серии эмиссионных линий, соответствующих одним и тем же атомным переходам.

Каждая линия серии Бальмера представлена в спектре тремя: «стационарной» и

двумя, смещенными в красную и синюю сторону на несколько ангстрем. Смещенные

компоненты линий движутся по спектру с периодом 164 дня с амплитудой порядка

тысячи ангстрем. «Стационарные» линии также периодически смещаются с гораздо

меньшей амплитудой и периодом 13 дней. Блеск звезды меняется с тем же

периодом.Нерешен вопрос о природе компактного объекта, что он представляет

собой: нейтронную звезду или черную дыру. Существует слишком много

теоретических и наблюдательных данных о SS 433, чтобы можно было бы всех их

описать. Неизбежно и появление новых путей при решении проблемы.

Есть данные, что кинематическая модель нуждается в некотором исправлении.

Астрономы надеются разгадать загадку SS 433 еще до того, как обнаружится

четвертый, пятый и шестой его периоды.

Двойные звезды весьма часто встречаются в природе, поэтому их изучение

существенно не только для выяснения природы самих звезд, но и для

космогонических проблем происхождения и эволюции звезд.

В работе произведена оценка амплитуды для рентгеновской звезды звездной системы

Her X-1 и получен результат: амплитуда эффекта отражения для рентгеновской

звезды звездной системы Her X-1

, что близко к наблюдаемой величине.

Литература

1. Агекян Т.А. Звезды, галактики, мегагалактика. М.: Наука. 1970. - 256 с.

2. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. - М.:

Наука, 1983. – 560 с.

3. Бисикало Д.В. Как происходит обмен веществом в двойных звездах //

Земля и Вселенная. - 1999. - № 1. – С.3-10.

4. Гуревин Л.Э. Чернин А.Д. Происхождение Галактик и звезд. - М.: Наука,

1983. – 192 с.

5. Гурштейн А.А. Известные тайны неба: книга для учащихся. М.:

Просвещение, 1984. – 272 с.

6. Дагаев М.М., Демин В.Г., Климин И.А. Чаругин В.М. Астраномия: учебное

пособие для студентов физмата. - М.: Просвещение. 1983. - с.384.

7. Дагаев М.М. Задачник – практикум по курсу общей астрономии. – М.:

Просвещение, 1965. – 146 с.

8. Затменные переменные звезды / Под ред. В. П. Цесевича. – М.: Наука.

Главная редакция физико-математической литературы. 1971. - 350 с.

9. Звезды и звездные системы / Под редакцией Мартынова Д.Я. - М.: Наука,

1981. – 416 с.

10. Каплан С.А. Физика звезд. М.: Наука. 1977. – 208 с.

11. Куликовский П.Г. Справочник задач по астрофизике: Учебное пособие для

вузов. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1986.

- 128 с.

12. ЛипуновВ.М., Сурдин В.Г. Загадка SS 433 // Земля и Вселенная. - 1980. №4.

- С. 20-27.

13. Мартынов Д. Я., Липунов В.М. Сборник задач по астрофизике: Учебное

пособие для вузов. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической

литературы. 1986.-128 с.

14. Мартынов Д. Я. Курс общей астрофизики. 3-е изд. М.: Наука. Главная

редакция физико-математической литературы. 1979. - 640 с.

15. Соболев В.В. Курс теоретической астрофизики. М.: Наука. 1985. – 504 с.

16. Сурдин В.Г. Рождение звезд: Учебно-научная монография. М.: УРСС. 1997. –

208 с.

17. Физика космоса. Маленькая энциклопедия / Под редакцией Р.А. Сюняев. -М.:

Советская энциклопедия. 1986. – 264 с.

18. Черепащук А.М., Лютый В.М. Оптические исследования рентгеновских двойных

систем // Земля и Вселенная. - 1986. - № 5. - С. 18-26.

19. Черепащук А.М. Черные дыры новые данные // Земля и Вселенная. - 1992. -

№3. - С. 23-32.

20. Черепащук А.М. Черные дыры и звезды Вольфа-Райе // Земля и Вселенная. -

1999. - №3. - С. 26-38.

21. Чернин А.Д. Звезда и физика. М.: Наука. 1984. – 160 с.

22. Шакура Н.И., Постнов К.А. Новое об уникальном объекте SS 433 // Земля и

Вселенная. - 1991. № 4. - С. 20-28.

23. . Шакура Н.И., Постнов К.А. Ультратестные двойные звезды // Земля и

Вселенная. 1987. - №3. - С. 24-30.

24. Энциклопедия для детей. Астрономия. М.: Аванта 2003. Т.8.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6