Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск



Главная / Картинка дня версия для печати

Космическая спираль


Космическая спираль вокруг двойной звезды

Эта потрясающей красоты картинка — не фантазия художника, а реальная фотография (естественно, специально покрашенная), сделанная в радиодиапазоне с помощью сети радиотелескопов ALMA и опубликованная в начале марта на сайте Национальной астрономической обсерватории Японии.

Это протопланетарная туманность вокруг двойной звезды LL Пегаса (IRAS 23166+1655). Один из компонентов двойной принадлежит к классу асимптотических красных гигантов (см. асимптотическая ветвь гигантов), в атмосфере которых содержится больше углерода, чем кислорода. Поэтому такие звезды иногда называют углеродными. Спиральные структуры туманности образованы газом, вытекающим из разрушающейся оболочки этой звезды-гиганта. Про компаньона звезды-гиганта известно мало. Численные модели оценивают массу звезд в 3,5 и 3,1 масс Солнца соответственно, большую полуось орбиты — в 166 а.е. (орбитальный период ~800 лет); эксцентриситет орбиты очень большой (e = 0,8) — то есть орбита сильно вытянута.

Сравнение наблюдений и компьютерного моделирования

Сравнение наблюдений (слева) и компьютерного моделирования вытекающего из двойной системы газа. Рисунок из статьи H. Kim et. al., 2017. The large-scale nebular pattern of a superwind binary in an eccentric orbit

Находится эта двойная система на расстоянии 3400 световых лет от нас, радиус туманности — примерно 10 угловых секунд, что на таком расстоянии соответствует 10 000 а.е. Для сравнения, это в 330 раз больше радиуса орбиты Нептуна, самой дальней из планет Солнечной системы. Центральная область туманности, где, собственно, находится двойная система, полностью скрыта от нас разорванной газовой оболочкой гиганта и пылью.

IRAS 23166+1655 на снимке Hubble

IRAS 23166+1655 на снимке космического телескопа Hubble. Хорошо видно, что центральная часть туманности полностью скрыта. Фото с сайта spacetelescope.org

Но откуда взялись эти странные спиралевидные рукава?

Появление этой спирали связано с тем, что звезда-гигант вышла за пределы своей полости Роша, в которой ее притяжение преобладает и над притяжением звезды-компаньона, и над центробежной силой.

Полость Роша

Полость Роша, изображенная в виде трехмерной поверхности. Если перейти в систему отсчета, которая вращается вместе с двойной системой (это будет неинерциальная система отсчета), то гравитационный потенциал вместе с центробежной силой будут выглядеть как две соприкасающиеся области — «ямки» на «холмике». «Холмик» возникает из-за того, что есть центростремительное ускорение, а две «ямки» — они же полости Роша — это области гравитационного влияния каждого из тел. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

В точке пересечения полостей Роша, которую называют первой точкой Лагранжа L1, равнодействующая всех сил, действующих на объект, равна нулю. Любой помещенный в эту точку объект (в системе отсчета, вращающейся вместе с телами) будет находиться в состоянии покоя. В процессе эволюции одна из звезд двойной системы может превратиться в красного гиганта и заполнить своей оболочкой полость Роша. Как только ее оболочка коснется точки L1, вещество с нее начнет перетекать через эту точку на звезду-компаньон (этот процесс называется аккрецией; см. видео).

Аккреционный диск двойной системы. Цветом показана наиболее плотная часть звезды, оболочка не очень видна, однако можно заметить, что в начальный момент она пересекает точку L1 и начинается активная стадия аккреции

Помимо L1 существуют также 2-я и 3-я точки Лагранжа (L2 и L3), в которых равнодействующая сила также равна нулю. Они находятся с внешней стороны системы, и гравитационные силы звезд, которые в этом случае складываются, компенсируются центробежной силой (помните, что мы в неинерциальной системе отсчета). Если оболочка одной из звезд в процессе эволюции касается, скажем, точки L2, то после этого веществу ничто не мешает покинуть систему и улететь в бесконечность.

Эти два процесса легко представить, если думать о полостях Роша как о тарелке для воды необычной формы (см. трехмерный график выше). Если вы начнете наливать воду в одну из полостей, то в какой-то момент вода начнет перетекать в другую — произойдет аккреция. Если же вы будете делать это достаточно быстро, то вода в какой-то момент начнет вытекать наружу из дальних точек и утекать вниз по горке. Если учесть, что вся эта система еще и вращается, то теперь, имея эту картину в голове, можно легко понять механизм образования таких спиральных структур. Фактически оболочка звезды-гиганта вытекает из полости Роша двойной системы звезд через соответствующую точку — L2 — и благодаря вращению образует спиральные структуры. Скорость такого звездного ветра достигает примерно 10–20 км/с.

Этот процесс очень нестабильный: ветер в некоторых местах может переходить в ударные волны или внезапно увеличивать в несколько раз поток материала из точки Лагранжа. Самое замечательное, что эти процессы достаточно хорошо моделируются и согласуются с широким спектром наблюдений. Для примера посмотрите на это компьютерное моделирование системы R Скульптора:

Компьютерное моделирование системы R Скульптора

Странное уплотнение материала по краям окружности — результат внезапного усиления потери массы около 200 лет назад, из-за которого образовалась ударная волна. Именно этот процесс моделируется на видео, и результаты отлично согласуются с наблюдениями на телескопе:

Сравнение наблюдения и компьютерного моделирования системы R Скульптора

Сравнение наблюдения на телескопе ALMA (слева) и компьютерного моделирования системы R Скульптора. Фото с сайта apod.nasa.gov и из статьи M. Maercker et al., 2012. Unexpectedly large mass loss during the thermal pulse cycle of the red giant star R Sculptoris

Конечно, нам сильно повезло, что мы видим такие прекрасно выделенные спиральные структуры, ведь если бы плоскость диска двойной системы лежала вдоль луча зрения, мы бы ничего подобного не увидели. Однако оказывается, что даже в таком случае есть возможность идентифицировать такую двойную систему с вытекающим по спирали ветром из разорванной оболочки красного гиганта. В прошлом году астрономы составили список таких объектов.

В этом контексте нельзя не упомянуть примечательный объект V838 Единорога (см. Световое эхо V838 Единорога, «Элементы», 28.10.2016). Внезапное «извержение», начавшееся в 2002 году, всего за несколько месяцев откинуло газопылевую оболочку со звезды-гиганта, выбросив огромное количество вещества и обнажив внутреннюю горячую область. Предположительно, такой взрыв был вызван слиянием звезды-гиганта с компаньоном. Иными словами, процесс, который привел к взрыву V838 в 2002 году, был таким же, как и в случае LL Пегаса, только это была его поздняя стадия: звезда-гигант не просто вышла за свою полость Роша, но была поглочена звездой-компаньоном.

Эволюция объекта V838 Единорога

Эволюция объекта V838 Единорога с 2002 по 2004 год. Фото с сайта wikiwand.com

Фото с сайта nao.ac.jp.

Айк Акопян

Комментарии (5)



Последние картинки:  АстрономияАйк Акопян

Компьютерная модель космического аппарата OSIRIS-REx

07.09 OSIRIS-REx

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия