Уникальный астрономический объект SS 433

собственным часам источника. Когда в лаборатории измеряется период

колебательного процесса, то дли этого используются лабораторные часы,

показывающие, очевидно, собственное время источника колебаний, находящегося

тут же. Поэтому измеряемый в лаборатории период – это период собственного

времени источника. И когда выше мы говорили о частотах и длинах волн

испускаемого атомами света, мы, естественно, имели в виду лабораторные

величины, т. е. величины, измеренные в собственном времени. Им отвечают

«стандартные» положения линий в спектре источника.

Из формулы (3.9) видно, что длина волны в излучении движущегося

источника возрастает и, следовательно, линия в спектре смещается к его

красному концу, как благодаря удалению источника, так и из-за

релятивистского эффекта замедления времени. Уменьшение длины волны и сдвиг

линии в более голубую область спектра связаны с приближением источника, но

результат ослабляется из-за замедления времени; можно видеть, что

замедление, времени способно даже полностью ликвидировать эффект

приближения при определенном соотношении между скоростью [pic] и углом

[pic]. [20, 14]

Смещение линий в спектрах характеризуют уже знакомой нам величиной

[pic], называемой, как это принято, красным смещением ([pic] – стандартная

длина волны, [pic] – смещенная длина волны). Смещение действительно

является красным, когда величина z положительна. Когда величина z

отрицательна, это означает сдвиг в голубую часть спектра. Таким образом, на

основании можно написать

[pic] (3.11)

В спектре объекта SS 433 (V 1343 Орла) наблюдаются три системы

спектральных линий, принадлежащих бальмеровской серии водорода: две системы

движутся по спектру в противофазе с периодом ~ 164 дня и амплитудой до ~

1000?, а третья система линий неподвижна. Установлено, что движущиеся

эмиссионные линии возникают в двух противоположно направленных струях или

выбросах (см. рис), направление которых меняются с периодом 164 дня. На

одной из спектограмм длина волны линии H? смещенной в красную сторону,

оказалась равной 7730?, а смещенной в синюю сторону - 6160?. Определим

скорость выброшенного вещества. [13]

Обычную формулу эффекта Доплера [pic] при очень больших скоростях надо

заменить более сложной, вытекающей из специальной теорией относительности

Эйнштейна:

[pic], (3.12)

z – красное смещение.

Выразив скорость из выражения (3.12), получим:

[pic]. (3.13)

Эта формула удовлетворяет принципу, по которому никакая скорость в

природе не может превысить некоторой предельной, с которой свет

распространяется в вакууме (30000 м/с). [11]

[pic]. (3.14)

Линия водорода серии Бальмера H? - 6563 ?. [7]

Так как длина волны линии H? смещенной в красную сторону, оказалась

равной 7730?, то значение для красного смещения z получим равным –0,178.

То, что величина z отрицательна, это означает смещение линий в голубую

часть спектра. А при длине волны смещенной в синюю сторону - 6160?, z=0,061

и смещена в красную часть спектра. Вследствие эффекта Доплера в первом

случае выбросы будут удаляться от нас, во втором случае приближаться к нам.

Это говорит, что выбросы на самом деле движутся в противоположных

направлениях. Подставляя значения z в формулу (3.13), получим, что выбросы

удаляются от нас и приближаются к нам со скоростями:

[pic].

[pic]=-57995 км/с знак « - » еще раз доказывает, что объект движется от

нас, далее его мы не будем учитывать.

Скорость выброшенного вещества для данных смещенных линий в спектре

равна сумме полученных скоростей:

[pic]= [pic]+ [pic]= 57995 + 17779 = 75774 км/с.

Движущиеся линии

Тот факт, что в спектре SS 433 имеются три системы спектральных линий,

означает, что в нем имеются, и три излучающие области: одна из них не

движется относительно нас, а две другие движутся в разные стороны вдоль

луча зрения. Чтобы получить представление о скоростях этих движений,

воспользуемся данными, которые астрономы получили в наблюдениях лета 1978

г., когда началось изучение источника SS 433.

Измеренные тогда значения zВ и zr составляли: zB=-0.02, zR=0.l.

На основании формулы эффекта Доплера (3.11), находим для

приближающейся к нам области

[pic] (3.15)

Это соотношение содержит две неизвестные величины – полную скорость

движения области [pic] и ее проекцию на луч зрения [pic]. Если допустить,

что отношение [pic] мало по сравнению с единицей, то лучевая скорость

[pic]=0;02 с=6000 км/с.

Это довольно большая скорость, если сравнить ее со скоростями движения

звезд в Галактике; последние не превышают нескольких сотен километров в

секунду. В пределах 100 – 300 км/с лежат лучевые скорости звезд, найденные

А. А. Белопольским, а за ним и другими наблюдателями. Для движения звезд

пренебрежение величиной [pic]в знаменателе формулы эффекта Доплера вполне

оправдано. В случае SS 433 речь явно идет о гораздо более быстром движении

излучающей области, чем обычные движения звезд Галактики, Этим и полезна

оценка лучевой скорости; но даваемое ею конкретное значение лучевой

скорости следует все же принимать с осторожностью. В нашем распоряжении нет

никаких независимых данных об угле [pic], и строгим единственным

результатом должно считаться соотношение (3.15), связывающее этот угол со

скоростью [pic]

Для удаляющейся от нас области излучения имеем

[pic] (3.16)

В том же предположении [pic]<

30000 км/с. Лучевая скорость отрицательна, что и соответствует удалению

источника, так как в этом случае [pic] <0. Эта скорость в 100 раз больше

(по абсолютной величине) типичной скорости звезд в Галактике ~300 км/с, что

подтверждает указание на особый, не звездный характер движения излучающих

областей SS 433. Значения обеих лучевых скоростей [pic]и [pic] будут

получены ниже.

Ни в Галактике, ни вне ее никогда не наблюдалось прежде источника,

который излучал бы сразу две системы линий, столь сильно сдвинутых от

стандартных положений. Большие смещения в красную сторону спектра

встречаются у квазаров, самых далеких объектов Вселенной. Во всех же

известных до сих пор случаях смещения в голубую сторону абсолютное значение

z меньше, по крайней мере, в 20-100 раз, чем у SS 433.

Но самое удивительное было обнаружено в наблюдениях осени 1978 – весны

1979 гг. Американский астроном Б. Маргон и его сотрудники, наблюдая SS 433

в сентябре 1978 г., нашли эмиссионные линии-спутники на иных местах, чем за

два месяца до того: они разъехались в разные стороны. Значения |zB| и zR

возросли и продолжали затем возрастать до ноября 1978 г., пока не достигли

максимальных значений |zB|max=0,l; (zR)mах=0,18. Затем началось уменьшение

|zB| и zR, и в течение декабря, пока продолжались наблюдения, линии-

спутники приближались к основным линиям спектра. Когда в марте 1979 г.

наблюдения были продолжены (с декабря до февраля источник не виден),

оказалось, что линии-спутники снова удаляются от основных линий; в конце

апреля был достигнут новый максимум, причем |zB| и zR вновь приняли те же

значения, что при первом максимуме.

Дальнейшие наблюдения (вплоть до последних данных, ставших известными

к лету 1982 г.) подтвердили, что изменения смещений линий-спутников

происходят с регулярной периодичностью. Все наблюдательные данные очень

хорошо ложатся на две одинаковые по форме периодические кривые, сдвинутые

друг относительно друга так, что максимуму одной отвечает минимум другой и

наоборот (рис. 14). Период изменения смещений – 164 дня.[12]

Кроме момента максимальных значений |zB| и zR (он отмечен на рис. 14

буквой, а), имеются еще три других выделенных момента (отмеченных буквами

b, с, d) на рис. 14. В момент b кривые пересекаются, величина красного

смещения для обеих кривых одинакова и положительна по знаку: zB=0,04. В

момент с достигаются значения (zB)c=-0.01 (zR)c=0,09. В момент d имеется

второе за период пересечение кривых с тем же значением z, что и в момент b.

В каждый из моментов а, b, с, d сумма красных смещений по обеим кривым

одинакова: zB+zR =0,08. Равенство суммы красных смещений имеется вообще в

любой момент времени.

Понимая смещение линий в спектре источника как следствие движения двух

излучающих областей, каждой из которых отвечает своя кривая на рис. 14, мы

должны теперь считать, что это движение имеет периодический характер.

Каждая из излучающих областей то приближается к нам, то удаляется от нас, и

когда одна приближается, другая удаляется, и наоборот. Дважды за период

области меняются местами: та, что приближалась, начинает удаляться, а та

что удалялась, начинает приближаться. В эти моменты (b и d на рис. 14)

лучевые скорости излучающих областей должны, очевидно, обращаться в нуль.

То обстоятельство, что при обращении в нуль лучевых скоростей красное

смещение остается отличным от нуля, указывает на важность релятивистского

эффекта замедления времени; он учитывается корнем в формулах эффекта

Доплера. Для момента b, когда лучевая скорость [pic]=0, находим значение

полной скорости, соответствующее красному смещению zb=0,04:

[pic] (3.17)

Это весьма значительная скорость, и ее значение характеризует обе

излучающие области – факт, который имеет немалое значение для понимания

всей картины.

Прецессия струй

Остроумную интерпретацию кинематики излучающих областей SS 433

предложили английские астрофизики А. Фабиан и М. Рис. Согласно их идее в

источнике имеется центральное тело, из которого истекают в противоположных

направлениях две струи газа. С центральным телом связана основная

излучающая область, которая дает несмещенные спектральные линии, а струи –

это области, из которых исходят смещенные линии излучения.

Далее, направление, вдоль которого выбрасываются струи, не остается

неизменным во времени. Линия струй совершает обращение вокруг некоторой

оси. Движение линии струй похоже на вращение оси волчка, запущенного так,

что эта ось не вертикальна: ось волчка медленно (медленнее, чем вращение

волчка) вращается вокруг вертикали. Такое периодическое движение оси волчка

(или гироскопа) называют прецессией.

Эта модель способна полностью воспроизвести кривые красного смещения

на рис. 14. Нужно только должным образом подобрать скорости струй,

ориентацию оси прецессии относительно земного наблюдателя и угол, который

струи составляют с осью прецессии (рис.15)

В самом деле, когда в движении одной из струй имеется составляющая

вдоль луча зрения, направленная к нам, в движении другой струи будет

составляющая, направленная по лучу зрения от нас. Это дает соответственно

голубую и красную системы линий-спутников.

Из-за прецессии струй их ориентация относительно наблюдателя

изменяется; периодически во времени изменяется угол, который линия струй

составляет с лучом зрения. Вместе с этим углом периодически изменяются и

лучевые скорости струй. Ничто не мешает выбрать период прецессии равным

наблюдаемому, т. е. 164 дням.

Из того, что сумма красных смещений обеих областей всегда одна и та же

следует, что лучевые скорости струй в каждый момент времени равны по

величине и противоположно направлены. Это возможно, очевидно, лишь в том

случае, если абсолютные величины скорости обеих струй равны.

Допустимо такое положение струй, при котором они перпендикулярны лучу

зрения. В такие моменты (моменты b и d на рис. 14), лучевые скорости

обращаются в нуль. Вычисленная ранее по данным об этих моментах скорость

-[pic] (см. (3.11)) является скоростью движения вещества в струях и она

одинакова для обеих струй. Теперь становится ясным смысл результата (3.11):

величина [pic] характеризует сразу обе излучающие области, потому что

скорость выброса обеих струй одинакова.

Скорость [pic] составляет приблизительно одну четвертую часть скорости

света. Это очень большая скорость, и потому сделанные нами предварительные

оценки лучевых; скоростей (относящиеся к тому состоянию источника, которое

наблюдалось летом 1978 г.) должны быть уточнены. С учетом релятивистского

корня [pic] лучевые скорости оказываются одинаковыми по абсолютной

величине: [pic]=[pic]==0,06с.

Двойная система

Модель прецессирующих струй дает простой и красивый ответ на вопрос,

как в одном источнике могут возникнуть три системы эмиссионных линий с их

запутанными, на первый взгляд, изменениями во времени. Гораздо труднее

ответить на вопрос, почему возникают и прецессируют струи, бьющие со

скоростями, близкими к скорости света. Тщательные наблюдения и углубленный

анализ данных позволят, как можно надеяться, приблизиться к пониманию

физического механизма действующего источника SS 433. Накопление сведений

продолжается, и ряд важных обстоятельств уже удалось выяснить.

Прежде всего, можно сделать определенное заключение о температуре газа

в излучающих областях SS 433. Для водорода, эмиссионные спектры которого

сильнее всех других линий в этом источнике, имеется характерная температура

порядка 10 тысяч градусов; она определяет границу между ионизованным и не

ионизованным состояниями газа. Если температура превышает 10 – 20 тысяч

градусов, тепловые движения атомов столь энергичны, что при их

столкновениях электронам может быть передана энергия, превышающая

максимально возможную энергию электрона в атоме и, следовательно,

достаточная для отрыва электронов от ядер. В таком состоянии имеются,

свободные электроны и свободные ядра водорода – протоны, газ ионизован и

представляет собой плазму. Когда электроны не связаны с ядрами в атомы,

спектральные линии, соответствующие переходам электронов в атомах,

возникать, очевидно, не могут. Так как в SS 433 линии наблюдаются,

температура излучающих областей не превышает характерной температуры

ионизации и 20 тысяч градусов – это для нее верхний предел.

Температура вещества в струях не может быть и слишком низкой – ведь

совсем холодный газ линии не излучает. Скорее всего, температура излучающих

областей SS 433 близка к 10 тысячам градусов. Средние скорости тепловых

движений атомов при такой температуре, можно найти по общей формуле -

кинетической теории газов;

[pic] (3.18)

Здесь k=1,38·10-23Дж/К – постоянная Больцмана, mн=1,67·10-27 кг -масса

атома водорода. При T=104 К [pic]=2 ·104 м/с=20 км/с. Эта скорость в 4

тысячи раз меньше скорости движения струй. Такое значительное различие

скоростей само по себе требует объяснения.

Интересны соображения о собственной ширине струй. Струи не могут быть

слишком широкими: будь их угол раствора [pic] сравним с углом прецессии

[pic]20°, вся картина была бы смазанной и нечеткой. Вместо линий в спектре

источника имелись бы размытые полосы, соответствующее всем различным

значениям лучевой скорости, которые она принимает на толщине струи. В

действительности линии-спутники в SS 433 весьма узки, и в крайних

положениях их толщина во всяком случае гораздо меньше расстояния до

основной линии на шкале длин волн. По-видимому, угол раствора [pic] не

больше 3-4°. Столь высокая степень направленности струй представляет собой,

пожалуй, один из самых трудных вопросов в физике SS 433.

Внимательное изучение основной излучающей области SS 433 обнаружило,

что излучаемые ею линии не стоят на месте: они тоже совершают периодические

смещения по шкале длин волн, но только гораздо более слабые, чем линии-

спутники (потому-то эти движения и не сразу заметили). Эти слабые смещения

соответствуют периодическим движениям с амплитудой (максимальным значением

абсолютной величины) скорости около 70 км/с. Это в 1000 раз меньше скорости

струй. Период слабых смещений равен 13 дням.

Период и скорость, соответствующие слабым смещениям эмиссионных линий

из основной излучающей области, очень близки к тому, что обычно наблюдается

в тесных двойных системах звезд. Довольно естественно понимать эти данные

так, что в SS 433 имеются две звезды, совершающие периодические – с

периодом 13 дней – движения вокруг их общего центра масс. Тогда

традиционные методы астрономии, разработанные и испытанные в многочисленных

наблюдениях двойных звезд, должны и здесь многое прояснить.

Действительно, детальные оптические наблюдения позволяют утверждать,

что одна из звезд в SS 433 – обычная звезда спектрального класса О или В с

массой в (10 – 20) [pic], температурой поверхности 20 тысяч градусов и

радиусом в 2·10l9 м. С радиусом этой звезды сравним и размер двойной

системы, т. е. расстояние между ее компонентами.

Соображения, которыми обычно пользуются астрономы для определения

расстояний до звезд (они связаны в первую очередь с интенсивностью линий

поглощения, создаваемых в спектре источника межзвездным газом), позволили

оценить и удалённость SS 433: источник находится до нас на расстоянии

приблизительно в 5,5 кпк. Это гораздо больше расстояния до ближайших к нам

звезд (несколько парсек), но все же заметно меньше поперечника Галактики

(около 30 кпк).

Зная расстояние, можно по принимаемому потоку излучения оценить и

полную энергию, испускаемую источником в единицу времени (если считать, что

он одинаково светит во все стороны). Так найдена полная светимость SS 433:

L=1032-1033 Вт, что в сотни тысяч или миллионы раз больше светимости

Солнца. На свет струй приходится около одного процента полной светимости.

Размеры их излучающих областей оцениваются в 1010м, что сравнимо с размером

двойной системы.

SS 433 испускает не только оптическое, но также рентгеновское и

радиоизлучение. На рентгеновской карте источника различают центральный

источник рентгеновских лучей и протяженные вытянутые структуры с

собственными размерами, значительно превышающими размеры двойной звездной

системы. Сходное строение обнаруживается и по радиоастрономическим данным.

Рентгеновская светимость составляет 3 ·1028 Вт, радиосветимость – 3

·1025Вт.

Все это очень напоминает хорошо известную астрономам картину

туманностей, которые остаются на небе от вспышек сверхновых звезд. Скорее

всего, что и SS 433, т. е. двойная звезда вместе с протяженными областями,

излучающими рентгеновские лучи и радиоволны, – результат вспышки

сверхновой, происшедшей, насколько можно судить, десятки тысяч лет назад.

Но если так, то можно высказать определенные догадки и о второй звезде,

составляющей вместе с обычной звездой двойную систему SS 433. Она может

быть компактным остатком сверхновой – нейтронной звездой или черной дырой.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5