Что происходит при сближении в пространстве двух звезд? Простая небесная механика говорит нам, что когда к более массивному телу из бесконечности подлетает звезда, то она огибает это тело и со скоростью больше второй космической по гиперболе уходит в бесконечность. Если бы звезды были абсолютно жесткими шариками, то они действительно пролетали бы одна мимо другой и навсегда расставались (рис. 9.1, а). Согласно законам небесной механики, сближение двух жестких шарообразных тел не должно приводить к образованию гравитационно связанной системы. Но в жизни так не бывает.

Сближаясь, звезды начинают деформироваться: менее массивная вытягивается в эллипсоид, большая ось которого сначала направлена на центр гравитации, но по мере набора скорости эллипсоид из-за инерции не успевает разворачиваться. Ближняя часть эллипсоида притягивается сильнее и тормозит его — в предыдущей лекции мы рассматривали такой же эффект, в результате которого Луна замедляет вращение Земли. Из-за потери кинетической энергии легкое тело с гиперболической траектории переходит на эллиптическую орбиту. На втором проходе размер орбиты уменьшается, на третьем становится еще меньше, а после нескольких оборотов вокруг своего партнера тело выходит на практически круговую орбиту (рис. 9.1, б). Это типичный результат взаимодействия двух звезд. А куда делась энергия движения этих тел? На бесконечности у малого тела была положительная энергия, теперь же оно попало на связанную орбиту, значит, полная энергия стала отрицательной. Кто же «съел» разницу?

Рис.9.1. Формирование двойной системы в результате приливного захвата: к массивной звезде подлетает маленькое мягкое тело, прилив его растягивает и тормозит, в результате чего оно становится спутником звезды. Второе, более массивное, тело для простоты нарисовано здесь жестким. На самом деле, разумеется, деформируется и оно, отчего эффект лишь усиливается.

Во-первых, происходит деформация, в ходе которой звезда нагревается. Иногда эффект бывает настолько большим, что от избыточного тепла она разбухает, но потом рассеивает энергию в виде излучения и остывает до исходной температуры. Это хорошо демонстрирует численная модель тесного сближения двух звезд. Момент импульса, в отличие от энергии, в этой консервативной системе, естественно, сохраняется и никуда не рассеивается. Массивное тело поглощает часть орбитального момента импульса маленького тела и сильнее раскручивается. Значит, какая-то часть кинетической энергии малого тела потратилась на увеличение скорости осевого вращения большого тела и своей собственной.

Такой же захват вполне может происходить — и в действительности происходит — при взаимодействии двух планет или двух галактик, и тогда эти объекты будут длительное время кружить вокруг общего центра масс.

Последствия неравноправного партнерства

Рис.9.2. В системе двух звезд, обращающихся в тесном контакте вокруг общего центра масс, приливное влияние приводит к тому, что менее массивная звезда приобретает заметно асимметричную форму: обратите внимание на разницу между ближним и дальним приливными горбами. Результат гидростатического моделирования. Слева — проекции на меридиональную и экваториальную плоскости. Меньшая звезда целиком заполнила свою полость.

Когда мы говорили о задаче трех тел (глава 3, раздел «Небесная троица»), в которой одно тело легкое, а другие два массивные, я рассказывал про полости Роша, ограничивающие области гравитационного контроля массивных тел (рис. 9.2). При их взаимодействии нередко возникает ситуация, когда одно из тел заполняет свою полость Роша, прижимая к ее границе свою поверхность. В точке соприкосновения полостей (это точка равновесия Лагранжа L₁) попавший туда объект становится равноправно принадлежащим обоим телам. Мы наблюдаем довольно много таких тесных двойных звездных систем, у которых одна из звезд в конце жизни расширяется, заполняет свою полость Роша и касается полости Роша соседнего объекта — компактной, но очень массивной звезды (например, нейтронной звезды) с большой полостью Роша. А когда у разреженной звезды своя полость заполнена, куда деваться веществу? Оно «переливается» через край потенциального барьера и начинает течь туда, куда его притягивает (рис. 9.3).

Рис.9.3. Вещество рыхлой звезды двойной системы заполнило полость Роша и через окрестности точки Лагранжа утекает к компактной звезде-напарнику. Рисунок.

Если бы обе звезды висели в пространстве без вращения, то стекание вещества происходило бы точно по прямой к центру плотного компонента. Но в двойной системе всегда есть орбитальное движение компонентов вокруг общего центра масс, и вещество, сохраняя орбитальный момент импульса, выходит на равновесную орбиту, образуя аккреционный диск вокруг массивного тела. Иногда задают вопрос: почему диск, а не шар? Дело в том, что центробежная сила действует только в плоскости орбиты, а вдоль оси вращения ее нет.

Вспомним, что чем ближе к центру тяготения, тем за более короткое время происходит оборот, т. е. тем выше угловая скорость. Между соседними слоями диска возникает взаимное смещение, а следовательно — трение, в результате чего орбитальный момент переносится наружу. Вещество при этом не остается на круговой орбите, оно тормозится и по спирали движется к центру, понемногу выпадая на поверхность массивного объекта.

Рис.9.4. Звезда типа «красный гигант», которую засасывает ее соседка— черная дыра. Перетекающее вещество гиганта образует вокруг нее аккреционный диск, из центральной части которого вырываются две струи светящегося газа. Рисунок.

Трение в аккреционном диске производит замечательный эффект, благодаря которому мы и открыли существование черных дыр. Сама дыра абсолютно невидима, потому что не излучает (квантовое испарение — эффект Хокинга — у черных дыр звездной массы чрезвычайно слабо). Но когда черная дыра (или нейтронная звезда) оказывается в составе тесной двойной системы, второй компонент которой раздулся и начал терять свое вещество, трение во вращающемся с огромной скоростью аккреционном диске вокруг черной дыры приводит к разогреву газа до сотен тысяч градусов и испусканию мощного потока ультрафиолетового света и рентгеновских лучей. Первые же обзоры неба в рентгеновских лучах показали нам невероятно мощные источники излучения, связанные с такими системами.

Кроме того, разогрев приводит к расширению газа, часть которого выталкивается из диска. Но куда? Пробиться наружу сквозь диск трудно, а перпендикулярно его поверхности (т. е. параллельно оси вращения) довольно легко, диск сравнительно тонкий. Поэтому из такого аккреционного диска вдоль оси его вращения обычно бьют в пустоту два диаметрально противоположных фонтана — их называют джетами, или струями. В месте, где входящий поток ударяется об аккреционный диск, тоже наблюдается горячая точка. По скорости ее обращения можно довольно точно определить параметры обоих объектов — и звезды, и черной дыры.

С этим явлением связан интересный вопрос: от чего зависит угол раструба струй? Казалось бы, из самых примитивных соображений угол должен быть немалым, порядка радиана, а в действительности иногда он не превышает градуса. Что оказывает фокусирующее действие на эти тонкие струи, астрофизики пока не понимают. Придумано много разных моделей ускорения джетов — тепловые, магнитогидродинамические, но ни одна из них не может полностью объяснить явление.