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 поглощена 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


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • haykh  | 11.03.2017 | 07:40 Ответить
    Друзья, буду очень рад фидбэку: насколько понятно всё, насколько интересно? В этот раз я решил написать в немного научном формате, чтобы без лишнего махания руками и фантастики просто явно показать, что мы знаем о каком-то конкретном типе объектов и сравнить с тем, что мы умеем моделировать.

    Мне кажется, что сравнивая эти две вещи, гораздо глубже понимаешь, на каком уровне находится наука и как выглядит "воочию" какой-то научный результат. Т.е. не голословные утверждения, а явные результаты симуляции, картинки и т.д.
    Ответить
    • StMike > haykh | 11.03.2017 | 14:40 Ответить
      Честно, я так и не понял, почему получается расходящаяся спираль. Про полости понятно, про точки и аккрецию понятно, на первом видео это все замечательно проиллюстрировано. А потом спираль вдруг начинает расходиться и почему это происходит -- как-то неочевидно.
      Ответить
      • haykh > StMike | 11.03.2017 | 21:26 Ответить
        Когда газ со звезды доходит до точки L2, то там она может покоится в равновесии, т.е. равнодействующая всех сил равна нулю. Если же дать небольшой толчок, то весь этот материал начинает скатываться "вниз по горке". А так как это всё дело ещё и вращается - то и получаются спирали.

        Ну вот представьте, что вы на крутящейся карусели держите в руках кружку с водой. Если вода начнёт выливаться из кружки (радиально от вас), то сверху будут видны спиральки воды.
        Ответить
    • dkurashkin > haykh | 11.03.2017 | 14:47 Ответить
      Мне интересно, но мне вообще астрономия интересна, я еще не видел скучных книг по астрономии ;) И вроде бы все понятно. По поводу образования спирали только не сразу понял. Есть две звезды, условно 1 и 2. Звезда 1 раздулась за пределы зоны Роша и начала терять вещество. То вещество, которое вылетело в направлении звезды 2, упало на звезду 2, а то, которое вылетело в противоположном направлении, сформировало спираль. Так? И непонятно, где вторая звезда. Они обе помещаются внутри самого маленького витка спирали?
      Ответить
      • haykh > dkurashkin | 11.03.2017 | 21:30 Ответить
        Да, именно так. То, что мы видим - это уже довольно далеко от самой системы: на картинке орбита звёзд 1/60 от внешней окружности. Т.е. это вот самое центральное яркое пятно. Там куча газа от разрывающейся оболочки, и поэтому ничего толком увидеть невозможно.

        Вот примерно как это выглядит в самые последние моменты до слияния: https://www.youtube.com/watch?v=4iw_E2akn4M.
        Ответить
        • VICTOR > haykh | 16.03.2017 | 00:50 Ответить
          Там как бы сначала расширяется облако газа и потом ещё 1 раз начинает выходить газ из центральной области.
          Ответить
    • Nikoideum > haykh | 12.03.2017 | 17:24 Ответить
      Айк, большое спасибо за картинку! Мне очень понравилось, а главное -- в итоге получилось понятно даже очень далёкому от физики человеку типа меня.
      Ответить
  • PavelS  | 16.03.2017 | 21:49 Ответить
    1) нет ли более детального и понятного описания как именно переток вещества переходит в "слияние"? Т.е. когда исчезает полость Роша и можно говорить что звёзды слились?
    2) странно что в статье ничего не сказано про то, что вещество с L2 уносит вращательный момент системы, т.е. звёзды сближаются.
    3) у системы я так понимаю значительный эксцентриситет, но узор получается довольно симметричным. Почему так?
    4) вроде бы речь о весьма далёких звёздах. Уместно ли говорить про полости Роша, если размеры звёзд как до Плутона а то и больше? Это же больше размеров самых крупных звёзд. Разве атмосфера таких гигантов связана гравитационно с ядром звезды, даже если речь идёт об одиночной звезде а не системе?
    5) в плане понятности - по мне так всё что изложено, в целом очень понятно, было бы лучше сделать текст посложнее, с большим количеством малоизвестных деталей.
    6) видео про аккреционный диск само по себе не очень понятно, т.к. кажется что 2 компактные звезды, а потом появляется какая-то муть словно откуда-то взялось лишнее вещество. Если б я не понимал о чем речь, так и не понял бы.
    Ответить
Написать комментарий

Другие картинки


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»