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 ((-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[pic] до f =
4,8[pic]. 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[pic]. Во втором случае,
если амплитуда лучевых скоростей линии гелия порядка 150 км/с, масса
компактной звезды будет меньше 3[pic], 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 [pic], светимость нормальной звезды [pic], большая
полуось двойной системы а и радиус нормальной звезды [pic].
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 [pic] значительно
меньше рентгеновской светимости релятивисткой компоненты [pic]. 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 [pic] -рентгеновская светимость релятивисткой компоненты. На
единицу площади поверхности сферы радиуса а каждую секунду от
релятивистского объекта приходит энергия
[pic] (4.1)
Площадь диска нормальной звезды [pic].
Тогда каждую секунду на поверхность нормальной звезды площадью S
приходит от релятивистского объекта энергия:
[pic] (4.2)
В результате нагрева поверхности звезды этим излучением, она будет
испускать дополнительное излучение в оптическом диапазоне:
[pic], (4.3)
где [pic] - 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 [pic], или:
[pic], (4.4)
где [pic] - энергия, излучаемая звездой в фазе [pic], когда нагретой
частью поверхности она повернута от наблюдателя;
а [pic] - энергия нормальной звезды, излучаемая в фазе [pic], когда
дополнительно нагретая часть поверхности звезды целиком повернута к
наблюдателю.
[pic]. (4.5)
Т. к. [pic], поэтому мы пренебрегаем ей в знаменателе.
[pic]. (4.6)
Преобразуем выражение (4.6):
[pic].
В итоге мы пришли к такому виду:
[pic]. (4.7)
Будем считать, что [pic] и получим итоговую формулу для амплитуды
эффекта отражения:
[pic] (4.8)
Численную оценку сделаем для рентгеновской двойной системы HZ Her (Her
X-1), в которой [pic]=100, [pic]=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:
[pic]
[pic]
Получили, что амплитуда эффекта отражения для рентгеновской звезды звездной
системы Her X-1 [pic], 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 [pic], 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.
-----------------------
Рис. 8. Основные особенности газодинамической картины течения вещества в
полуразделенных тесных двойных системах. Показаны полости Роша (штриховые
линии), положение аккретора и точки Лагранжа, а также аккреционный диск
квазиэллиптической формы. Ударная волна "УВ", возникающая в результате
взаимодействия газа общей оболочки со струей, отмечена жирной линией. Линии
"а", "б", "в", "г" иллюстрируют основные направления газовых потоков в
системе. Потоки, обозначенные "а", "б", "в", формируют общую оболочку
системы. Поток вещества, покидающего систему, обозначен маркером "г"
Рис. 9. Катаклизмическая переменная с двойным затмением. Наблюдаемая а и
теоретическая б кривые блеска (в интенсивностях) карликовой новой Z
Хамелеона в желто-зеленой области спектра
Рис. 6. Строение простейшей незаряженной и не вращающейся черной дыры.
Фотонная сфера, окружающая черную дыру — это область, в которой лучи света
движутся по неустойчивым круговым орбитам. Внутри фотонной сферы — горизонт
событий, т. е. поверхность, пропускающая в одну сторону в пространстве —
времени, из которой ничего не может вырваться. В центре черной дыры —
сингулярность — точка, где давление, плотность и кривизна пространства —
времени формально бесконечны
Рис. 16. Спектры SS433 в разных фазах 164-дневного цикла. Хорошо видно
перемещение эмиссионных линий водорода (они отмечены стрелками).
Наблюдения, проведенные на 114-й день, демонстрируют смещение обоих джетов
в красную область спектра. В этой фазе джеты расположены почти в картинной
плоскости, и проекция скорости вещества в джетах на луч зрения близка к
нулю. Следовательно, красное смещение линий обусловлено релятивистским
эффектом Доплера
Рис. 18. Схема режима сверхкритической аккреции. Стрелками обозначена
горячая плазма, оттекающая со скоростью порядка 3 ·103 км/с
Рис. 17. Модель источника SS433. В режиме сверхкритической аккреции
происходит перетекание вещества с
голубого гиганта на нейтронную звезду
Рис. 19. Центральные области источника SS 433. В разреженной горячей
оттекающей оболочке всплывают более холодные облака (выделены цветом).
Аккреционный диск не показан. Волнистыми линиями показано рассеяние фотонов
на облаках и электронах плазмы. Джет имеет аналогичную неоднородную
структуру. Скорость движения вещества в нем порядка 75х103 км/с
Рис. 15. Геометрия релятивистских струй в SS 433. Показаны два крайних
положения: I соответствует моменту а на рис. 14, II – моменту с. не
изменяющиеся углы: ?(80о, ((20о, ((3 – 5о.
Рис.13. Модель SS 433.
Рис. 21. Движение оптической компоненты на протяжении ј периода.
Рис. 7. Двойная система звезд. 1, 2 — полости Роша,
3 — внутренняя точка Лагранжа.
Рис. 20. Поток рентгеновского излучения с релятивистского объекта на
оптическую компоненту.
Рис. 14. Периодические изменения красного смещения в эмиссионных" линиях
двух излучающих областей источника SS 433. Каждой из областей отвечает своя
кривая на этом рисунке.
Рис. 12. К эффекту Доплера.
Рис 11. Положение трех эмиссионных линий водорода (серии Бальмера) в
спектре SS 433 в июле 1978 г. Буквами В и R отмечены соответственно голубые
и красные линии — спутники каждой из основных линий
Рис.10. Схематическое изображение рентгеновской двойной системы. Когда
оптическая звезда заполняет свою полость Роша, ее вещество начинает
перетекать через точку Лагранжа на вторую компоненту (это может быть
нейтронная звезда или черная дыра), образует аккреционный диск вокруг нее.
Рентгеновское излучение возникает вблизи поверхности такой компактной
звезды (i — угол наклона орбиты к лучу зрения)
Рис. 4. Кривые блеска затменных переменных звезд и схематическое положение
звезд во время затмения.
Рис. 5. Система эквипотенциальных поверхностей гравитационного поля тесной
двойной системы ( Лиры. Главная звезда В8 с массой [pic], спутник F с
[pic]. L1,2,3,4,5 - точки Лагранжа.
Рис. 22. Кривые блеска Her X-1
Рис. 1. Видимая и истинная орбиты визуально-двойной звезды
Рис. 2. Объяснение изменений в спектрах спектрально-двойных звезд
Рис. 3. Зависимость кривых лучевых скоростей от элементов орбит спектрально-
двойных звезд
