Двойни звезди: определение, видове и роля в астрофизиката
Разберете как двойните звезди — видове, орбити и измерване на масите — разкриват тайните на звездната еволюция и ключовата им роля в астрофизиката.
Двойната звезда е две звезди, които обикалят една около друга под влияние на взаимната си гравитация. За всяка звезда другата е неин спътник. Много звезди във Вселената са част от систeми с две или повече звезди. По-ярката звезда в двойката обикновено се нарича основна, а другата - вторична. Орбитите и взаимното положение на компонентите могат да бъдат много различни: от тясно обвързани системи, където звездите почти се докосват, до широко раздалечени двойки с орбитални периоди от няколко хиляди години.
Защо двойните звезди са важни
Двойните звезди са ключов инструмент в астрофизиката, защото наблюдението на техните орбити позволява на учените да определят точни масите на звездите. Точните маси са основа за установяване на зависимостта маса–светимост и за проверка на теоретичните модели за вътрешната структура и еволюция на звездите. Освен това двойните системи дават информация за: радиуси, плътности, химичен състав, скорост на ротация, и взаимодействия като пренос на вещество между компонентите.
Видове двойни звезди и как се откриват
- Визуални (разделими) двойни: двете звезди могат да се видят отделно през телескоп; от техните относителни положения и изменение на ъгъла се извличат орбитални елементи.
- Спектроскопични двойни: компонентите не са разделими визуално, но движенията им се откриват чрез доплерови измествания на спектралните линии. Могат да бъдат еднопосочни (вижда се само линията на един компонент) или двупосочни.
- Затъмняващи (еклиптични) двойни: орбиталната равнина е близка до наблюдателната, така че едната звезда периодично закрива другата, породявайки промени в светимостта; от светлинните криви се определят радиуси и ориентация на орбитата.
- Астрометрични двойни: видимата звезда описва „пътица“ (wobble) на небето заради невидим партньор; от тези смущения може да се изведат маса и орбитални параметри.
- Интерферометрични двойни: използва се висока пространствена резолюция (оптически/радиоинтерферометри) за разделяне на много близки двойки.
- Оптични двойни: това са случайни преложения — звезди, които изглеждат близо една до друга на небето, но в действителност не са гравитационно свързани; те се различават от истинските двойни по отсъствието на обща орбита и по различни паралакси и собствени движения. Важно е да се прави разграничение между тях и физическите двойни; първият, който открива и доказва истинските двойни звезди, е англо-германският астроном Уилям Хершел. Той публикува първия каталог на двойните звезди, а синът му Джон Хершел открива още няколко хиляди и актуализира каталога.
Как се изчисляват масите
От наблюдаваните орбити и прилагането на законите на Кеплер и гравитацията се определя общата маса на системата и, при известен наклон на орбитата, масите на отделните компоненти. Комбинацията от спектроскопски и визуални/астрометрични данни позволява да се разплитат масите, радиусите и плътностите точно. Този метод е единственът директен начин за измерване на масите при звездите и е критичен за проверка на теориите за звездната еволюция.
Взаимодействия и еволюция
В много двойни системи взаимното гравитационно влияние променя еволюционния път на звездите:
- Когато една звезда се разшири (например в червен гигант), тя може да прехвърля материя към партньора през т.нар. Рош (Roche) лоба. Това води до явления като акреция, избухвания и промени в спектъра.
- Масов пренос може да образува компактни обекти, да предизвика ултра-ярки рентгенови източници или да доведе до сливане на звезди и взривове.
- Някои важни астрономични събития и обекти са резултат от взаимодействия в двойни: нови и свръхнови тип Ia (при белите джуджета), рентгенови двойни (където компактният компонент – неутронна звезда или черна дупка – акретира от звезден спътник), и формирането на «сини странници» в звезди купове.
- Сливането на компактни двойки (две неутронни звезди или неутронна звезда и черна дупка) е източник на гравитационни вълни, регистрирани от детектори като LIGO/Virgo.
Примери и наблюдения
Известни примери за двойни системи са:
- Алфа Кентавър — близка тройна система, в която две компоненти са ясно видими и образуват класическа двойна.
- Сириус — ярка система със светъл бял джудже-компаньон (Сириус B), демонстрираща как двойните позволяват измерване на маси и радиуси.
- Алгол — известна затъмняваща двойна, която исторически е дала ценна информация за геометрията и взаимодействията в тясно свързани системи.
Методи и предизвикателства
Наблюдението и анализът на двойните звезди използва съвременни техники: прецизни фотометрични криви, високоразделителна и мултиспектрална спектроскопия, оптични и радиоинтерферометри, и пространствени мисии за астрометрия (напр. Gaia). Основните предизвикателства включват наклона на орбитата (което може да скрие истинските маси), взаимодействията, които усложняват спектрите, и разграничаването на физически двойки от оптични съвпадения.
Двойните звезди остават един от най-плодотворните източници на информация за физиката на звездите и динамиката на звездните системи. Изследването им продължава да дава ключови резултати както за теорията на звездната еволюция, така и за наблюдателната астрономия.
Бележка: оптичните двойни звезди не бива да се бъркат с истинските гравитационно свързани двойни – оптичните могат да са далеч една от друга в пространството, докато истинските двойни са гравитационно свързани и доста близо една до друга. Първите каталози и систематични изследвания на истинските двойни започват с работата на Уилям Хершел и продължават с приноса на Джон Хершел.
Изображение от Хъбъл на двойната система Сириус, в което Сириус B се вижда в долния ляв ъгъл
Двата видимо различими компонента на Albireo.
Анимация на двойни затъмняващи се звезди
Алгол В обикаля около Алгол А. Тази анимация е съставена от 55 изображения на интерферометъра CHARA в близкия инфрачервен диапазон H
Съвременни дефиниции
Според съвременното определение терминът "двойна звезда" обикновено се ограничава до двойки звезди, които се въртят около общ център на масата. Двойните звезди, които могат да бъдат разграничени с телескоп или с интерферометрични методи, са известни като визуални двойни звезди. За повечето от известните визуални двойни звезди все още не е наблюдавано едно цяло завъртане (пълна окръжност), а се вижда, че те са се движили по изкривен път или частична дъга.
Някои звезди се намират в орбита около празно пространство и изглежда, че нямат спътник. В този случай звездата спътник е или много малка и слаба, или е неутронна звезда, или черна дупка. Най-известният пример за звезда с невидим спътник е Cygnus X-1, при която видимият спътник на звездата изглежда е черна дупка.
По-общият термин двойна звезда се използва за двойки звезди, които се виждат близо една до друга на небето. Това разграничение рядко се прави в езици, различни от английския. Двойните звезди могат да бъдат двоични системи или просто две звезди, които изглеждат близо една до друга на небето, но имат много различни истински разстояния от Слънцето. Последните се наричат оптични двойни звезди или оптични двойки.
Визуални двоични файлове
Визуална двойна звезда е тази, при която разделянето на двете звезди може да се види с телескоп. По-ярката звезда е основната, а по-слабата - вторичната. Визуалните двойни звезди обикалят една около друга за дълго време - стотици или дори хиляди години.
Спектроскопски двойни звезди
Спектроскопска двойна звезда е тази, при която двете звезди не могат да се видят поотделно дори с телескоп. Те са много близо една до друга и се движат една около друга много бързо, за период от няколко седмици или дори няколко дни. Въпреки това те могат да се видят като две отделни звезди с помощта на спектроскоп, който може да регистрира Доплеровата промяна в цвета на светлината, изпращана от звезди, които се движат бързо към или от Земята.
Затъмняващи се двоични файлове
Някои спектроскопични двойни звезди имат орбита, която е на ръба на Земята. Когато това се случи, звездите ще се редуват да преминават пред и да затъмняват партньорската звезда, което се нарича затъмняваща двойна звезда. В този случай количеството светлина, което виждаме от двойната звезда, леко намалява през времето, когато едната звезда е пред другата.
Астрометрични двойни звезди
Астрометрична двойна звезда е тази, при която може да се види само един спътник. При астрометричните двойни звезди, които са доста близо до Земята (до около 10 парсека), може да се види как видимият спътник "се колебае", докато се движи около невидимия си спътник. Като се правят измервания за дълъг период от време, може да се изчисли масата на видимата звезда и колко време отнема нейната орбита. Този метод се използва и за откриване на наличието на големи планети, които обикалят около дадена звезда; към 2007 г. по този начин са открити над двеста планети.
Свойства на системата
Повечето двоични файлове са отделени двоични файлове. Освен гравитационното си привличане една към друга, те нямат никакво влияние една върху друга.
Някои двойни звезди са толкова близо една до друга, че едната или двете звезди могат да изтеглят материал от другата. Контактните двойни звезди споделят една и съща звездна атмосфера и тъй като триенето ги забавя за дълъг период от време, те могат да се слеят в една звезда. Това насилствено събитие временно ги кара да светят по-ярко, по-ярко от свръхнова, но по-слабо от свръхнова.
Формиране
Макар че е възможно двойни звезди да се образуват, когато една звезда преминава много близо до друга, това е малко вероятно (тъй като в действителност са необходими три звезди, които да се намират близо една до друга, за да могат да се съединят две) и би се случило само на места, където звездите са гъсто разположени една до друга. Сегашното ни разбиране е, че почти всички двойни звезди се образуват заедно в плътните газови облаци, където се раждат звездите.
Бягства и нови звезди
Възможно е (макар и малко вероятно) преминаваща звезда да наруши двойната система и да създаде достатъчно гравитационна сила, за да я раздели. Такива разделени звезди продължават живота си като обикновени единични звезди. Понякога обаче гравитационната сила е достатъчна, за да може двата спътника да се отдалечат един от друг с голяма скорост, което води до т.нар. бягащи звезди.
Понякога звездата е в орбита около бяло джудже. Ако тя е достатъчно голяма и достатъчно близо до бялото джудже, джуджето може да изсмуче газове от атмосферата на своя спътник. За определен период от време върху бялото джудже може да се натрупа голямо количество газ. Тъй като този газ се уплътнява от гравитацията на бялото джудже, в крайна сметка той ще претърпи ядрен синтез, което ще доведе до много ярък изблик на светлина, известен като свръхнова. В някои случаи бялото джудже може да събере толкова много газ, че експлозията да го унищожи напълно, което се нарича свръхнова. Подобно събитие може да доведе и до бягство на звезди, тъй като по-голямата звезда вече няма тежък спътник, който да я поддържа в орбита.
Двойни файлове с X - лъчи
Рентгеновите двойни звезди произвеждат голямо количество рентгеново лъчение. Те са резултат от това, че масивна звезда поглъща по-малко масивна звезда. По-малката звезда се превръща в донор, а материята ѝ се изсмуква и попада в по-масивната (но по-компактна) звезда - акретор. При това се отделят високоенергийни фотони, например в рентгеновия диапазон на дължините на вълните. Рентгеновите лъчи идват и от консумацията на материал на повърхността на по-масивната звезда в процес, наречен термоядрено горене. Това може да доведе до 10-секундни избухвания.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява двойната звезда?
О: Двойната звезда е две звезди, които обикалят една около друга.
В: Как се нарича по-ярката звезда в двойна звездна система?
О: По-ярката звезда се нарича основна звезда.
В: Какво позволява на учените да определят масите на двойните звезди?
О: Разглеждането на орбитите на двойните звезди позволява на учените да определят масите им.
Въпрос: Каква е разликата между двойните звезди и оптичните двойни звезди, които се виждат в пряка видимост?
О: Двойните звезди са по-близо една до друга и са свързани с гравитация, докато двойните оптични звезди могат само да изглеждат близо една до друга, но не са свързани с гравитация.
Въпрос: Кой е открил и доказал истинските двойни звезди?
О: Уилям Хершел е първият човек, който открива и доказва истинските двойни звезди.
В: Какво е направил Джон Хершел във връзка с откриването на двойните звезди?
О: Джон Хершел открива още няколко хиляди двойни звезди и актуализира каталога, който баща му Уилям Хершел публикува.
В: Кой предполага, че двойните звезди могат да бъдат физически свързани една с друга?
О: Джон Мишел е първият, който предполага, че двойните звезди могат да са физически свързани една с друга, когато през 1767 г. твърди, че вероятността двойната звезда да се дължи на случайно подреждане е малка.
обискирам