Алексей Левин - Белые карлики. Будущее Вселенной

Сейчас космологи пришли к выводу, что галактики появились на свет после того, как вспыхнули первые звезды. Считается, что процесс звездообразования начался не позднее чем спустя 150 млн лет после Большого взрыва. В 2016 г. астрономы, обрабатывавшие информацию с «Хаббла», сообщили о наблюдении галактики GN-z11, чей свет ушел в космос через 400 млн лет после Большого взрыва. С учетом этих данных максимальные оценки возраста Млечного Пути (13,5 млрд или даже 13,6 млрд лет) вовсе не выглядят невероятными.

А что говорят наблюдения? В 2018 г. появилось сообщение, что в нашей Галактике обнаружен крошечный (0,14 массы Солнца) красный карлик 2MASS J18082002−5104378 B, удаленный от нас на 1950 световых лет. Его предполагаемый возраст составляет 13,53 млрд лет. Если эта оценка верна (а она вполне может оказаться завышенной), то возраст нашей Галактики лишь незначительно уступает возрасту Вселенной.

Белый карлик в случае особого везения (или невезения — это уж как посмотреть) может стать родоначальником новой и даже сверхновой звезды. Механизм такого превращения не прост, и для его объяснения нужно сказать несколько слов.

Сначала рассмотрим системы, состоящие из обычных звезд главной последовательности, обращающихся вокруг общего центра масс (барицентра). Каждая звезда окружена областью пространства, где господствует ее собственное притяжение. Если такие области пересечь плоскостью, в которой движутся оба светила, получатся две вытянутые в линию петли с общей точкой на отрезке, соединяющем звездные центры (для пущей наглядности придется остановить время, поскольку вся фигура вращается). В этой точке каждая из звезд тянет в свою сторону с одинаковой силой. Ее называют первой точкой Лагранжа. В 1772 г. Жозеф Луи Лагранж описал пять точек, которые сейчас носят его имя (однако первые три за семь лет до того идентифицировал Леонард Эйлер).

Пространственные пузыри, о которых идет речь, именуют полостями Роша. Космические частицы внутри полости Роша вращаются лишь вокруг той звезды, которую эта полость охватывает. Однако вещество может перетекать сквозь горловину, соединяющую полости, то есть через окрестности первой точки Лагранжа. Материя, которая находится вне полостей, может стабильно обращаться вокруг звездной пары. Ее траектории не ограничены путями, охватывающими одну единственную звезду.

Как правило, обе звезды двойной системы порождены одним и тем же молекулярным облаком и потому имеют одинаковый состав, но различные начальные массы. Более тяжелая звезда первой сжигает водород и становится красным гигантом. Раздуваясь, она может не только заполнить собственную полость Роша, но и выйти за ее границу. В таком случае звезда не способна удерживать своим тяготением частицы раздувшейся оболочки и теряет вещество, часть которого попадает в гравитационный плен к компаньону. Из-за похудания звезды-донора ее полость Роша стягивается, а скорость утечки вещества возрастает. Даже при уравнивании звездных масс утечка лишь замедляется, но не прекращается вовсе.

Перенос вещества влечет за собой сложную эволюцию звездной пары. Менее массивная звезда захватывает материю соседки и увеличивает свой момент импульса. Чтобы сохранить суммарный момент импульса двойной системы, звезды сближаются. Позже, когда первая звезда оказывается легче второй, они начинают расходиться — опять же в силу сохранения общего момента импульса. Если вторая звезда успевает выйти за границы своей полости Роша — она тоже обречена на потерю плазмы.

Эти превращения могут завершиться разными путями. Часть выброшенной материи выйдет на орбиты, целиком окружающие звездную пару, и образует плоское вращающееся кольцо, которое называется диском экскреции (позднелатинское слово excrētiō переводится как «выделение»; отсюда же, простите, экскременты). В особых обстоятельствах звездная пара может утонуть в шарообразном газовом облаке, порожденном ушедшей в пространство плазмой. Однако каждая из звезд имеет шансы обзавестись собственным кольцом поменьше и поплотнее — аккреционным диском (от лат. accrētiō — прирост). Возможны и более экзотические сценарии — такие как столкновение и слияние звезд или «съедение» соседки более крупной звездой.

До сих пор речь шла о нормальных звездных парах, но это условие не обязательно. Для запуска аккреции достаточно, чтобы лишь один из партнеров обладал газовой оболочкой, способной раздуться и уйти сквозь горловину полости Роша. Поэтому аккреция возникает и в двойных системах, объединяющих обычную звезду с компактным телом из вырожденной материи (белым карликом либо нейтронной звездой) и даже с черной дырой. Кстати, аккреционные диски впервые обнаружили при наблюдении белых карликов, имеющих в компаньонах обычные звезды. Такие процессы нередко приводят к очень экзотическим исходам — например рождению рентгеновского пульсара при аккреции на сильно намагниченную нейтронную звезду. Однако нас интересуют лишь различные сценарии рождения взрывающихся звезд. Они практически всегда реализуются при аккреции вещества водородной оболочки звезды-донора на белый карлик. Тесные двойные системы, состоящие из белого карлика и звезды главной последовательности (чаще всего не слишком массивной), называются катаклизмическими переменными. Они проявляют себя нестабильным излучением — отсюда и название. Вот о них и поговорим.

Классические новые звезды, или просто новые, вспыхивают в результате падения вещества аккреционного диска на поверхность белого карлика со скоростью около 1000 км/с. Аккреционный диск почти полностью состоит из водорода и посему может служить топливом термоядерных реакций. Для этого нужно, чтобы водород разогрелся до критической температуры порядка 10 млн K. Поскольку эти реакции интенсивно выделяют энергию, на поверхности белого карлика образуются ударные волны, которые буквально взрывают его внешний слой и выбрасывают сверхгорячую плазму в окружающее пространство. Светимость системы в течение нескольких суток возрастает на 3–6 порядков и достигает 100 000 светимостей Солнца. По завершении вспышки белый карлик начинает копить на поверхности новый запас водорода, который со временем станет топливом для очередного взрыва. Согласно теории, классические новые могут загораться с интервалом в 10 000 лет, но до сих пор этого еще не наблюдали — история астрономии значительно короче.

Другой вид катаклизмических переменных — повторные новые. Это весьма редкие «звери космического зоопарка», в нашей Галактике таких отловили всего десяток. Они увеличивают яркость в среднем не больше чем тысячекратно, зато вспыхивают каждые 10–100 лет. Механизм таких вспышек пока в точности неизвестен. Предполагают, что они возникают при интенсивной (до одной десятимиллионной массы Солнца в год) аккреции водорода на поверхность самых тяжелых белых карликов, чья масса лишь немногим меньше предела Чандрасекара.