АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 3, с. 180-193
УДК 524.387-54
ИЗУЧЕНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ТЕСНЫХ ДВОЙНЫХ СИСТЕМ CYG X-3, IC 10 X-1, NGC 300 X-1, SS 433 И M33 X-7 ПРИ ПОМОЩИ "МАШИНЫ СЦЕНАРИЕВ"
© 2014 г. А. И. Богомазов*
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, Москва, Россия Поступила в редакцию 13.05.2013 г.; принята в печать 11.06.2013 г.
При помощи "Машины сценариев" рассчитаны эволюционные треки рентгеновских двойных звезд CygX-3, IC 10 X-1, NGC 300 X-1, SS 433 и M33 X-7. Компактные объекты в IC 10 X-1, NGC 300 X-1 и M33 X-7 являются наиболее массивными кандидатами в черные дыры звездных масс. Системы Cyg X-3, IC 10 X-1 и NGC 300 X-1 представляют собой все известные на сегодняшний день звезды Вольфа—Райе в паре с вырожденной компонентой. SS 433 — это единственный известный в Млечном Пути супераккретор. Следовательно, исследуемые звезды являются отличной лабораторией для тестирования сценариев эволюции двойных звезд в предельных условиях. Показано соответствие классического эволюционного сценария современным наблюдательным данным. В ходе эволюции исследуемых звезд могут происходить взрывы гиперновых с коллапсом ядер, обладающих большим моментом вращения, в результате чего могут возникать длинные гамма-всплески. В конце эволюции CygX-3, IC 10 X-1, NGC 300 X-1 и SS 433 могут образовываться двойные релятивистские объекты, которые затем сливаются под действием излучения гравитационных волн. Слияния релятивистских звезд являются источниками гравитационных волн, которые могут быть обнаружены существующими и перспективными гравитационно-волновыми детекторами. В ходе дальнейшей эволюции M33 X-7 будет проходить стадию объекта Торна—Житков, в ходе образования которого также могут излучаться гравитационные волны.
DOI: 10.7868/S0004629914030013
1. ВВЕДЕНИЕ
В классической работе [1] была рассмотрена возможность образования звезд Вольфа—Райе в тесных двойных системах большой массы и приведены агрументы в пользу потери вещества и углового момента системы на стадии обмена веществом, предшествующей образованию звезды Вольфа—Райе. Одной из стадий эволюции такой системы может быть тесная двойная звезда, состоящая из звезд Вольфа—Райе и компактного вырожденного остатка [2]. В настоящее время известно три рентгеновских двойных системы в нашей и ближайших галактиках, состоящих из звезды Вольфа—Райе и кандидата в черные дыры звездных масс: Cyg X-3, IC 10 X-1, NGC 300 X-1. Некоторые аспекты эволюции Cyg X-3, IC 10 X-1 и NGC 300 X-1 исследованы в работе [3], в которой также рассчитана эволюция тесной двойной системы SS 433 (как возможной предшественницы систем, состоящих из звезды Вольфа—Райе и компактного остатка) в предположении, что в ходе
* E-mail: a78b@yandex.ru
дальнейшей эволюции эта двойная звезда избежит стадии общей оболочки (как это имеет место в текущем состоянии SS 433).
Цель данной работы — изучить эволюционные пути массивных тесных двойных звезд Cyg X-3, IC 10 X-1, NGC 300 X-1, SS 433 и M33 X-7 при помощи "Машины сценариев"1 . Выбор этих систем не случаен. Кандидатов в черные дыры в паре со зведой Вольфа—Райе (системы Cyg X-3, IC 10 X-1, NGC 300 X-1) известно всего три, а их эволюционный путь заведомо должен состоять из нескольких стадий. Система SS 433 может быть предшественником двойной, состоящей из черной дыры и звезды Вольфа—Райе, кроме того, это пока единственный известный в Млечном Пути супераккретор. M33 X-7 — тесная двойная звезда, состоящая из кандидата в черные дыры (один из самых массивных кандидатов) и незначительно про-эволюционировавшей невырожденной звезды. Эти системы можно назвать "краеугольными камнями"
1 Это программа для проведения популяционного синтеза
эволюции тесных двойных звезд [4, 5].
теории эволюции тесных двойных звезд. Изучение их эволюции дает возможность проверки эволюционных сценариев в предельных условиях.
В ходе эволюции тесных двойных звездных систем, подобных изучаемым в данной работе, может происходить коллапс очень массивных ядер компонент, которые, благодаря тому, что они входят в состав двойной системы, обладают большим моментом вращения. Такие события принято связывать с возникновением космических длинных гамма-всплесков2 . В зависимости от параметров эволюционного сценария в конце эволюции системы может остаться два релятивистских объекта, либо входящих в состав двойной системы, либо одиночные, возникшие в результате распада двойной. Если результатом эволюции будет тесная двойная релятивистская звезда, то под действием излучения гравитационных волн компоненты системы сольются. В результате слияния возникнет всплеск гравитационно-волнового излучения, который мог бы быть зарегистрирован детектором LIGO3. Если одна или обе компоненты такой системы — это нейтронные звезды, то кроме всплеска гравитационных волн также возникнет короткий гамма-всплеск.
Таким образом, изучение эволюции Cyg X-3, IC 10X-1, NGC 300X-1, SS 433 и M33 X-7 актуально, поскольку оно позволяет уточнить параметры эволюционного сценария и указать возможные источники гравитационно-волнового излучения и космических гамма-всплесков (как длинных, так и коротких). Далее во введении кратко описываются изучаемые системы. Cyg X-3 и SS 433 — это объекты, принадлежащие нашей галактике, IC 10 X-1, NGC 300 X-1 и M33 X-7 находятся соответственно в галактиках IC 10, NGC 300 и M33.
Cyg X-3 — это звезда Вольфа—Райе [9] в паре с компактным объектом, предположительно черной дырой (см., например, обзор [10]). Орбитальный период системы составляет 4.8 ч. Компактный объект в этой системе было принято считать черной дырой с массой от 7 Mq до 40 Mq [11], однако более поздние исследования дали иной результат: масса релятивистской звезды не превышает 10 Mq [12], что допускает наличие в системе как нейтронной звезды, так и черной дыры. По современным данным наблюдений доплеровского смещения рентгеновских линий масса компактного объекта в системе Cyg X-3 не превосходит 3.6 Mq [13], что оставляет возможность считать эту
2 См., например, работы [6, 7], в которых при помощи "Машины сценариев" изучается частота коллапсов ядер звезд Вольфа—Райе в предельно тесных двойных системах.
3 См., например, работу [8], в которой при помощи "Машины сценариев" изучается темп слияний релятивистских двойных звезд.
систему черной дырой в паре со звездой Вольфа— Райе, однако окончательного ответа на вопрос о ее природе не дает. Дополнительным аргументом в пользу того, что компактный объект в системе Cyg X-3 является черной дырой, служит тот факт, что аккрецирующих нейтронных звезд в парах со звездами Вольфа—Райе быть, по-видимому, не может, так как они должны сильно ускорить свое вращение во время второго обмена массами и стать эжекторами или пропеллерами [14]. Рентгеновская светимость системы составляет ~1038 эрг с-1 в диапазоне 1—60 кэВ, болометрическая светимость звезды Вольфа—Райе в системе составляет ~3 х х 1039 эрг с-1.
IC 10 X-1 состоит из звезды Вольфа—Райе и одного из самых массивных кандидатов в черные дыры [15]. Масса звезды Вольфа—Райе составляет 32.7 ± 2.6 Mq, масса черной дыры, полученная на основе наблюдаемой кривой лучевых скоростей оптического спутника, составляет 23.1 ± 2.1 Mq [16]. Орбитальный период системы равен 34.4 ч. IC 10 X-1 — яркий переменный рентгеновский источник в бедной металлами галактике IC 10 со вспышкой звездообразования; рентгеновская светимость системы составляет ~1038 эрг с-1 [17, 18]. Наиболее вероятный оптический компаньон рентгеновского источника — яркая звезда Вольфа-Райе [MAC92] 17A [19]. В работах [20, 21] изучена природа синхротрон-ной сверхоболочки в галактике IC 10 и показано, что наиболее правдоподобный механизм образования этой оболочки — взрыв гиперновой. Система IC 10 X-1 находится внутри данной сверхоболочки и, вероятно, является причиной ее возникновения после образования компактного объекта в системе.
NGC 300 X-1 стала третьей двойной звездой Вольфа—Райе с вырожденным компаньоном [22]. Орбитальный период системы равен 32.8 ± 0.4 ч. Усредненная наблюдаемая светимость системы по наблюдениям с борта орбитальной рентгеновской обсерватории XMM Newton в диапазоне энергий 0.2—10 кэВ приблизительно равна 2 х 1038 эрг с-1, доходя до ~1039 эрг с-1 с учетом поглощения излучения веществом, находящимся на луче зрения между источником и наблюдателем. Согласно результатам работы [23], полуамплитуда лучевых скоростей системы составляет 267 ± 8 км с-1, откуда получено значение функции масс 2.6 ± ± 0.3 Mq, орбитальный период равен 32.3 ± 0.2 ч. Спектроскопическая масса оптического компаньона (звезды Вольфа—Райе типа WN) составляет 26+5 Mq, что дает массу черной дыры 20 ± ± 4 Mq при наиболее предпочтительном значении угла наклона орбиты 60°—75°. В случае, если лишь половина потока оптического излучения в континууме обеспечивается звездой Вольфа—Райе,
масса звезды Вольфа—Райе составляет 15+4 5 Mq, а черной дыры — 14.5-2.5 Mq.
SS 433 — это единственный известный сверхкритический аккретор в Млечном Пути. Эта система известна давно, ее исследованию посвящены сотни статей, однако, остается еще большое пространство для дальнейших исследований данного объекта. SS 433 — тесная затменная двойная с орбитальным периодом около 13 дней (см., например, обзор [24]), в которой звезда-донор переполняет свою полость Роша и перетекает на релятивистский компонент (кандидат в черные дыры) в тепловой шкале времени с темпом аккреции ~10"4 Mq/год. Разброс в определении массы компактного объекта составляет от 2 Mq до 15 Mq [25—28], что не позволяет однозначно судить о природе вырожденного компонента системы.
M33 X-7 была открыта в начале 80-х гг. прошлого века [29]. Периодическая переменность рентгеновского источника была выявлена в работах [30, 31], и была выдвинута гипотеза о том, что источник входит в двойную звездную систему. Впоследствии источник M33 X-7 был отждествлен с оптической звездой спектрального класса O6 III, минимальная масса которого составляет 20 Mq, а орбитальный период — составляет 3.45d [32, 33]. В работе [34] был выполнен а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.