Dvinarė žvaigždė — apibrėžimas, tipai ir reikšmė astrofizikoje
Sužinokite, kas yra dvinarė žvaigždė: apibrėžimas, tipai, jų reikšmė astrofizikoje ir kaip stebėjimai padeda nustatyti žvaigždžių mases.
Dvinarė žvaigždė – tai dvi žvaigždės, kurios skrieja viena aplink kitą dėl abipusės gravitacijos. Abi sistemos komponentės gali būti vadinamos viena kitos palydovėmis, tačiau įprastai ryškesnė vadinama pagrindine, o silpnesnė – antrine. Daugelis žvaigždžių priklauso dvinarėms arba sudėtingesnėms kelių žvaigždžių sistemoms; ypač masyvios žvaigždės dažnai susiformuoja poromis arba grupėmis.
Dvinarės žvaigždės astronomijoje yra ypač vertingos. Stebint jų orbitas ir judėjimą, mokslininkai gali nustatyti žvaigždžių mases, o tai suteikia pagrindinę informaciją apie žvaigždžių sandarą ir evoliuciją. Iš masių gaunama masės–šviesio priklausomybė leidžia įvertinti atskirų žvaigždžių savybes ir patikrinti teorinius modelius.
Tipai
- Vizualinės (stebimos akivaizdžiai) — abi žvaigždės matomos teleskopu kaip atskiros šviesos viršūnės. Tokias sistemas galima tiesiogiai stebėti ir matuoti jų kampinį atstumą bei judėjimą.
- Spektroskopinės — per arti ar per toli, kad būtų matomos atskiros šviesos šaltinių, bet jų judėjimas aptinkamas pagal spektrinius poslinkius (radialinius greičius). Būna viengubai ir dvigubai spektroskopinės sistemos (kai matomi vieno arba abiejų komponentų spektrai).
- Eklipsinės — orbituojant viena žvaigždei užstoja kitą, todėl sistemos bendras šviesumas periodiškai mažėja. Eklipsiniai kreivių analizė leidžia nustatyti orbitos geometriją ir žvaigždžių spindulius.
- Astrometrinės — viena žvaigždė rodo periodinę padėties svyrą padėties matavimuose (pvz., žymiai mažesnė antrinė žvaigždė). Tai leidžia aptikti nematomas kompaniones.
- Atstumo požiūriu: plačios (wide) sistemos, kur komponentai palyginti toli – silpnai sąveikauja, ir artimos (close) sistemos, kur gali vykti masės perėjimas ir stipri sąveika.
- Pagal tarpusavio sąveiką: atlaikytos (detached), semidetached (vienas komponentas užpildo savo Roche kaušelį) ir kontaktinės (abi žvaigždės dalinasi bendru atmosferos sluoksniu arba kaupiasi bendra medžiaga).
Skirtumas nuo optinių dvigubų
Optinės dvigubos žvaigždės – tai regimoje dangaus vietoje arti atrodančios žvaigždės, bet jos nebūtinai yra gravitaciškai susijusios. Jos gali būti dideliu atstumu viena nuo kitos erdvėje ir tik atsitiktinai prasilenkti regimųjų koordinatėse. Tuo tarpu dvinarės žvaigždės yra tikros sąveikaujančios sistemos, kurios realiai skrieja viena aplink kitą.
Kaip atrandamos ir tiriamos
- Radialinių greičių matavimai (spektrinė analizė) leidžia nustatyti orbitines greičio kreives ir apskaičiuoti bent minimalias komponentų mases.
- Šviesumo kreivės (fotometrija) – eklipsinių sistemų atveju iš šviesos sumažėjimo formos galima gauti kampinį orbitos posvyrį, žvaigždžių spindulius ir dažnai masių santykį.
- Interferometrija ir aukštos raiškos vaizdai – leidžia „atvaizduoti“ artimas sistemas ir tiesiogiai matuoti orbitos elementus.
- Astrometrija – labai tikslūs padėties matavimai (pvz., Gaia misija) aptinka orbitinį žybsnį ir leidžia nustatyti mases bei atstumus.
- Gravitacinių bangų detekcija – dviejų kompaktinių objektų (juodųjų skylių, neutronų žvaigždžių) susijungimai generuoja grav. bangas, kurias registruoja LIGO/Virgo; tai naujas būdas tirti užbaigtas dvinarės evoliucijos fazes.
Kaip nustatomos masės
Naudojant orbitalinius duomenis ir Keplerio dėsnį, galima nustatyti sistemos masių sumą ir, kartu su kampinio posvyrio arba radialinių greičių informacija, atskiras mases. Paprastai taikoma formulė: periodas ir orbitos pusiau didžioji ašis susiję su bendrąja mase (P^2 ∝ a^3 / (M1 + M2)), todėl tikslūs orbitos matavimai duoda tiesioginius masių įvertinimus. Eklipsinė + spektroskopinė kombinacija leidžia gauti pačių tiksliausių masių reikšmių.
Reikšmė astrofizikoje
- Masės nustatymas: dvinarės sistemos yra pagrindinis būdas tiesiogiai išmatuoti žvaigždžių mases, o tai svarbu visiems žvaigždžių evoliucijos modeliams.
- Masės perdavimas ir evoliucija: artimose sistemose gali vykti Roche kaušelio perpildymas, susidaryti akreciniai diskai, novų išsiveržimai, X spindulių šaltiniai ar net Type Ia supernovos (kai baltoji nykštukė kaupiasi iki kritinės masės).
- Formavimasis kompaktinių objektų: dvinarės sistemos yra šaltinis neutronų žvaigždžių ir juodųjų skylių porų, kurios vėliau gali susijungti ir generuoti gravitacines bangas.
- Šviesio–masės reliacijų kalibravimas: masių–šviesio priklausomybė, gaunama iš dvinarių, leidžia tikslinti žvaigždžių parametrų skaičiavimo modelius ir atstumų įvertinimus.
- Įdomios fenomenologijos: perėjimai tarp komponentų sukelia kataklizminius reiškinius – novą, apsvaigimą X spinduliuose, jetus ar diskų variacijas. Tokios sistemos padeda suprasti akrecijos fiziką ir plazmos procesus stærkių ekstremaliose sąlygose.
Istorija ir pavyzdžiai
Pirmasis žmogus, atradęs ir įrodęs tikrąsias dvinares žvaigždes, buvo anglo‑vokiečių astronomas Viljamas Heršelis. Jis paskelbė pirmąjį dvinarių žvaigždžių katalogą, o jo sūnus Džonas Heršelis surado dar kelis tūkstančius ir atnaujino katalogą. Žinomi istorinių ir šiuolaikinių pavyzdžių – Algol (Beta Persei) kaip garsusis eklipsinis pavyzdys, Sirius (Sirius A ir baltoji nykštukė Sirius B) kaip žinoma vizualinė ir spektroskopinė sistema. Modernios misijos, tokios kaip Gaia, ir observatorijos, tokios kaip LIGO, gerokai praplėtė mūsų žinias apie dvinarių populacijas ir jų reikšmę kosmologijoje bei astrofizikoje.
Dvinarės žvaigždės lieka viena pagrindinių studijų sričių — nuo klasikinių orbitinių matavimų iki ekstremalių kompaktinių susijungimų, todėl jos yra kertinis akmuo suprantant Visatos žvaigždžių evoliuciją.
"Hubble" dvynių sistemos "Sirijus" vaizdas, kuriame "Sirijus B" matomas apačioje kairėje.
Du akivaizdžiai atskiriami "Albireo" komponentai.
Dvinarių žvaigždžių užtemimo animacija
Algolis B skrieja aplink Algolį A. Ši animacija buvo sudaryta iš 55 CHARA interferometro vaizdų artimoje infraraudonųjų spindulių H juostoje.
Šiuolaikiniai apibrėžimai
Pagal šiuolaikinį apibrėžimą dvinarės žvaigždės terminas paprastai taikomas tik žvaigždžių poroms, kurios sukasi aplink bendrą masės centrą. Dvinarės žvaigždės, kurias galima atskirti teleskopu arba interferometriniais metodais, vadinamos vizualinėmis dvinarėmis žvaigždėmis. Daugumos žinomų vizualiųjų dvinarių žvaigždžių vieno viso apsisukimo (pilno rato) dar nepastebėta, jos matomos keliaujančios vingiuotu keliu arba daliniu lanku.
Atrodo, kad kai kurios žvaigždės skrieja aplink tuščią erdvę ir neturi palydovo. Tokiu atveju žvaigždė palydovė yra arba labai maža ir silpna, arba neutroninė žvaigždė, arba juodoji skylė. Geriausiai žinomas žvaigždės su nematomu palydovu pavyzdys yra Cygnus X-1, kurioje matomos žvaigždės palydovas atrodo esąs juodoji skylė.
Bendresnis terminas "dviguba žvaigždė" vartojamas kalbant apie žvaigždžių poras, kurios danguje matomos arti viena kitos. Kitose kalbose, išskyrus anglų kalbą, šis skirtumas daromas retai. Dvigubos žvaigždės gali būti dvinarės sistemos arba tiesiog dvi žvaigždės, kurios danguje atrodo esančios arti viena kitos, tačiau jų tikrasis atstumas nuo Saulės labai skiriasi. Pastarosios žvaigždės vadinamos optinėmis dvigubomis žvaigždėmis arba optinėmis poromis.
Vizualinės dvejetainės programos
Regimoji dvinarė žvaigždė - tai tokia žvaigždė, kurios abiejų žvaigždžių išsiskyrimą galima pamatyti teleskopu. Ryškesnė žvaigždė yra pirminė, o silpnesnė - antrinė. Regimosios dvinarės žvaigždės ilgai skrieja viena aplink kitą - šimtus ar net tūkstančius metų.
Spektroskopinės dvinarės žvaigždės
Spektroskopinė dvinarė žvaigždė - tai tokia žvaigždė, kurios neįmanoma pamatyti atskirai net teleskopu. Jos yra labai arti viena kitos ir juda viena aplink kitą labai greitai, per kelias savaites ar net kelias dienas. Tačiau jas galima pamatyti kaip dvi atskiras žvaigždes naudojant spektroskopą, kuris gali užfiksuoti Doplerio šviesos spalvos pokytį, kai žvaigždės greitai juda Žemės link arba nuo jos tolsta.
Užtemę dvinariai
Kai kurių spektroskopinių dvinarių orbita yra į Žemę nukreipta kraštu. Tokiu atveju žvaigždės paeiliui prasilenkia ir užtemdo žvaigždę partnerę, todėl susidaro vadinamoji užtemstanti dvinarė. Tokiu atveju, kai viena žvaigždė yra priešais kitą, dvigubos žvaigždės šviesos kiekis, kurį matome, šiek tiek sumažėja.
Astrometriniai dvinariai
Astrometrinė dvinarė žvaigždė - tai tokia žvaigždė, kurioje matomas tik vienas palydovas. Astrometrinių dvinarių, esančių gana arti Žemės (iki maždaug 10 parsekų), matomąjį palydovą galima pamatyti "svyruojantį", kai jis juda aplink nematomąjį palydovą. Atliekant matavimus ilgą laiką, galima apskaičiuoti matomos žvaigždės masę ir jos orbitos trukmę. Šis metodas taip pat naudojamas didelėms planetoms, skriejančioms aplink žvaigždę, aptikti; nuo 2007 m. tokiu būdu atrasta daugiau kaip du šimtai planetų.
Sistemos savybės
Dauguma dvejetainių programų yra atskirtos dvejetainės programos. Išskyrus gravitacinę trauką, jos viena kitai nedaro jokio poveikio.
Kai kurios dvinarės žvaigždės yra taip arti viena kitos, kad viena arba abi žvaigždės gali traukti medžiagą iš kitos. Kontaktinės dvinarės dalijasi ta pačia žvaigždės atmosfera, ir, trinčiai per ilgą laiką jas sulėtinus, jos gali susilieti į vieną žvaigždę. Dėl šio smarkaus įvykio jos laikinai ima švytėti ryškiau - ryškiau nei nova, bet mažiau nei supernova.
Formavimas
Nors gali būti, kad dvinarės žvaigždės susidaro vienai žvaigždei praskriejus labai arti kitos, tačiau tai labai mažai tikėtina (nes iš tikrųjų reikia trijų žvaigždžių, kad jos susijungtų) ir tai įvyktų tik tose vietose, kur žvaigždės yra tankiai susitelkusios. Mūsų dabartiniu supratimu, beveik visos dvinarės žvaigždės susidaro kartu tankiuose dujų debesyse, kuriuose gimsta žvaigždės.
Pabėgimai ir novos
Gali būti (nors tai mažai tikėtina), kad praeinanti žvaigždė sutrikdys dvinarę sistemą ir suteiks pakankamai gravitacinės jėgos, kad dvinarė suskiltų. Tokios atsiskyrusios žvaigždės toliau gyvena kaip paprastos pavienės žvaigždės. Tačiau kartais gravitacinė jėga būna pakankama, kad dvi palydovės viena nuo kitos nutolsta dideliu greičiu, todėl susidaro vadinamosios bėgančios žvaigždės.
Kartais žvaigždė skrieja aplink baltąją nykštukę. Jei ji yra pakankamai didelė ir pakankamai arti baltosios nykštukės, nykštukė gali siurbti dujas iš savo palydovės atmosferos. Per tam tikrą laiką ant baltosios nykštukės gali susikaupti daug dujų. Baltosios nykštukės gravitacijai suspaudus šias dujas, galiausiai jose įvyks branduolių sintezė, dėl kurios įvyks labai ryškus šviesos pliūpsnis, vadinamas nova. Kai kuriais atvejais baltojoje nykštukėje gali susikaupti tiek daug dujų, kad sprogimas ją visiškai sunaikins ir tai bus vadinamoji supernova. Toks įvykis taip pat gali sukelti bėgančias žvaigždes, nes didesnė žvaigždė nebeturi sunkaus palydovo, kuris ją išlaikytų orbitoje.
X - spindulių dvejetainiai
Rentgeno dvinariai skleidžia didelį kiekį rentgeno spinduliuotės. Jos susidaro masyviai žvaigždei suvalgius mažiau masyvią žvaigždę. Mažesnė žvaigždė tampa donore, o jos medžiaga išsiurbiama ir patenka į masyvesnę (bet kompaktiškesnę) žvaigždę - akretorių. Taip išsiskiria didelės energijos fotonai, pavyzdžiui, rentgeno spindulių bangų ilgio diapazone. Rentgeno spinduliai taip pat sklinda dėl medžiagos sunaudojimo masyvesnės žvaigždės paviršiuje vykstant procesui, vadinamam termobranduoliniu degimu. Tai gali sukelti 10 sekundžių trukmės žybsnius.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra dvinarė žvaigždė?
A: Dvinarė žvaigždė - tai dvi žvaigždės, kurios skrieja viena aplink kitą.
K: Kaip vadinama ryškesnė žvaigždė dvinarėje žvaigždžių sistemoje?
A: Ryškesnė žvaigždė vadinama pagrindine žvaigžde.
K: Kas leidžia mokslininkams nustatyti dvinarių žvaigždžių mases?
A: Žvelgdami į dvinarių žvaigždžių orbitas, mokslininkai gali nustatyti jų mases.
K: Kuo skiriasi dvinarės žvaigždės nuo optinių dvigubų žvaigždžių?
A: Dvinarės žvaigždės yra arčiau viena kitos ir jas jungia gravitacija, o regimosios optinės dvigubos žvaigždės gali tik atrodyti arti viena kitos, bet jų nesieja gravitacija.
K: Kas atrado ir įrodė tikrąsias dvinares žvaigždes?
A: Viljamas Heršelis pirmasis atrado ir įrodė tikrąsias dvinares žvaigždes.
Klausimas: Ką padarė Džonas Heršelis, atrasdamas dvinares žvaigždes?
A: Džonas Heršelis surado dar kelis tūkstančius dvinarių žvaigždžių ir atnaujino savo tėvo Viljamo Heršelio išleistą katalogą.
K: Kas pasiūlė, kad dvigubos žvaigždės gali būti fiziškai susijusios viena su kita?
A.: Džonas Mičelas pirmasis pasiūlė, kad dvigubos žvaigždės gali būti fiziškai susijusios viena su kita, kai 1767 m. įrodinėjo, kad tikimybė, jog dviguba žvaigždė atsirado dėl atsitiktinio išsidėstymo, yra maža.
Ieškoti