Астрономия. Популярные лекции

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.