научная статья по теме ОБ ЭЛЛИПТИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ ЗВЕЗДЫ В ТЕСНОЙ ДВОЙНОЙ СИСТЕМЕ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ОБ ЭЛЛИПТИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ ЗВЕЗДЫ В ТЕСНОЙ ДВОЙНОЙ СИСТЕМЕ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 91, № 8, с. 643-651

УДК 524.387-423.4+521.135

ОБ ЭЛЛИПТИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ ЗВЕЗДЫ В ТЕСНОЙ ДВОЙНОЙ СИСТЕМЕ

© 2014 г. А. А. Медведева1*, С А. Гасанов2

1Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

2Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, Москва, Россия Поступила в редакцию 07.11.2013 г.; принята в печать 23.12.2013 г.

Рассмотрена задача о движении вращающейся звезды в тесной двойной системе с консервативным обменом масс. В отличие от известной модели Пачинского—Хуанга, использована новая модель, определяющая относительное движение звезды в тесных двойных системах по эллиптической орбите. В эллиптическом движении звезды учитываются взаимное притяжение звезд, реактивные силы, сила притяжения звезд перетекающей струей и возмущения от вращательного движения звезды-аккретора. Определены изменения большой полуоси, эксцентриситета и угловой скорости вращения орбиты звезды-аккретора в зависимости от параметра д — отношения масс звезд. Полученные результаты применены к звездной системе БР Аш^ае.

DOI: 10.7868/80004629914080040

1. ВВЕДЕНИЕ

В результате исследований движений звезд при консервативном обмене массой в тесной двойной системе (ТДС) была получена упрощенная зависимость большой полуоси а круговой относительной орбиты звезды-аккретора от постоянной скорости увеличения массы принимающей звезды М2 в виде [1,2]

a = 2aM2

1

1

M1 M2

(1)

Зависимость (1) Пачинского—Хуанга часто используется в исследованиях ТДС с консервативным обменом массой: M\ + M2 = M = const. Вывод этой формулы основан на предположении, что уравнения движения звезд с переменными массами допускают интеграл момента количества движения. Как показано в работе [3], в задаче двух тел с консервативным обменом массой существует только квазиинтеграл, но не интеграл момента количества движения. Следовательно, использование формулы (1) в данной задаче некорректно. Соотношение (1) справедливо только для частного случая уравнения Мещерского — для задачи Мещерского—Леви-Чивиты [3]. Последняя представляет собой замкнутую механическую систему, поэтому в ней существуют интегралы количества

E-mail: gasanov@sai.msu.ru

движения и момента количества движения. Однако использование модели Мещерского—Леви-Чивиты для изучения движений звезд в ТДС с консервативным обменом массой недопустимо. Это связано с тем, что истинные реактивные силы в ТДС имеют совершенно другой вид, нежели в модели Мещерского—Леви-Чивиты.

С целью создания корректной модели описания движений звезд по круговым орбитам в тесных двойных системах в работе [3] предложена новая модель движения. Для получения правильной зависимости рассматривается общий случай уравнений Мещерского. С помощью классического метода Лагранжа — вариации произвольных постоянных — для оскулирующей большой полуоси относительной орбиты звезд в работе [3] получено дифференциальное уравнение, которым следует заменить соотношение (1). В указанной работе изучается только идеализированный консервативный режим перетекания вещества между компонентами. Все изучаемые движения считаются плоскими. Результаты численных расчетов приведены в виде диаграмм и рисунков.

В работе [4] предложена новая модель, пригодная для описания эллиптических орбит звезд в ТДС. Учитываются реактивные силы, а также силы притяжения между звездами и струей перетекающего вещества. Рассмотрена возможность обмена массой при наличии аккреционного диска. Эту модель в дальнейшем будем именовать именем ее автора — моделью Лукьянова.

В работе [5] для определения относительного движения звезд в ТДС используется численное интегрирование уравнений движения с учетом реактивных сил и сил притяжения звезд перетекающей струей вещества. Проведенные вычисления эллиптических орбит в ТДС показывают, что влияние реактивной силы на эволюцию орбиты может быть различным: а) если звезда-аккретор имеет меньшую массу и небольшие размеры, а аккреционный диск отсутствует, то эксцентриситет увеличивается, б) если же звезда-аккретор имеет большую массу и большие размеры, то реактивная сила создает тормозящий эффект, и эксцентриситет уменьшается, стремясь к нулю. При больших значениях отношения масс звезд q = М2/М1 эксцентриситет всегда уменьшается. Также было рассмотрено поступательное движение звезд в реально существующей двойной системе BF Auгigae.

Наконец, в работе [6] рассмотрена задача о движении звезды-аккретора в ТДС в случае эллиптической орбиты без учета притяжения звезды струей и реактивной силы, вызываемой перетекающим со струей веществом звезды-донора.

В настоящей работе рассматривается задача о движении вращающейся звезды в ТДС с консервативным обменом масс. В эллиптическом движении звезды учитываются взаимное притяжение звезд, реактивные силы, сила притяжения звезд перетекающей струей и возмущения от вращательного движения звезды-аккретора. Определяются изменения большой полуоси, эксцентриситета и угловой скорости вращения орбиты звезды-аккретора в зависимости от параметра q — отношения масс звезд.

2. ОГРАНИЧЕННАЯ ЭЛЛИПТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ТРЕХ ТЕЛ С ПЕРЕМЕННЫМИ МАССАМИ. НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ЗАДАЧИ

Для определения движения перетекающих частиц вещества будем использовать ограниченную эллиптическую задачу трех тел, уравнения движения которой во вращающейся и пульсирующей барицентрической системе координат Шап-нера (Шайбнера-Петра-Нехвила-Рейн) имеют вид

[7, 8]

d2x dy dv2 dv

dU_ ^ dx '

(2)

d2y dx д U dv2 dv ^ dy '

cPz

dv2

dU

где ось x всегда направлена на звезду-аккретор S2, v — истинная аномалия, а р = 1/(1 + ecos v) —

безразмерный радиус положения звезды S2 относительно Sl. В системе уравнений (2) и представляет собой функцию Якоби в ограниченной эллиптической задаче трех тел:

U = ^(х2 + у2 - ez2 cos v) +

(3)

о / 1 — m m\ p2 , 2

+ V -+ — - тг(3 + m — m).

Г1 Г2) 2

Здесь г1 и г2 — расстояния от частицы перетекающей струи соответственно до центров масс первой и второй звезд:

г\ = у/(х + рт,)2 + у2 + z2, г2 = л/ (х + рт — р)2 + у2 + z2,

(4)

где 1 — т = М1/М и т = М2/М — относительные массы звезд, М = М1 + М2 — суммарная масса звезд, р = а(1 — е2) — фокальный параметр, а и е — большая полуось и эксцентриситет, соответственно. Кроме того, полагаем, что движение перетекающей частицы вещества (струи) происходит в плоскости г = 0.

Истечение вещества со звезды-донора происходит через окрестность внутренней особой точки Эйлера L1, абсцисса хь которой заключена в пределах —рт < хь < р — рт и определяется численно как корень нелинейного уравнения ди/дх = 0 при у = 0 и г = 0, т.е. уравнения

(1 — m)(x + pm)

p

д/ (х +рт)2

m(x + pm — p) \J(x +pm — p)2^j

(5)

0.

Полости Роша в эллиптической ограниченной задаче трех тел определяются при помощи уравнений кривых минимальной энергии [8]:

x2 + y2 — ez2 cos v + 2p

+ (6)

ri T2

— p2(3 + m2 — m) = C (1 + e cos v),

где C — аналог постоянной Якоби.

Будем считать, что принимающая звезда имеет форму шара

P 2

(х + рт -р)2 + у2 + z2 = —у,

р

(7)

радиус Р которой в процессе перетекания вещества изменяется согласно зависимости

о

о

Истечение вещества со звезды-донора начинается по достижении уровня энергии частиц, превышающего уровень энергии в особой точке Эйлера Ll. Как показано в работе [8], истечение вещества через окрестность точки L1 носит пульсирующий характер и происходит в окрестности апоастра. Скорость истечения У0(у) частиц массы со звезды Б1 всегда направлена в сторону звезды Б2 и задается равенствами

Уа(у) = У00У1 (V), (9)

У1(^) = Ша

1аы

р

л/1 + 2есоз V + е2,

где У00 ~ 0.03 — коэффициент, установленный из наблюдений. Окрестность апоастра звезды Б1 п — — va < V < п + va (0 <va < п), в которой происходит истечение массы, определяется по уровню энергии частиц, зависящему от значения аналога постоянной Якоби С [8]. Поэтому среднюю скорость Ус истечения массы со звезды 51 на одном периоде обращения можно определить по формуле

Ус =

1

2тг

П+Ъа

п

IСМ Ро

V1 + е0У ^ 2 ' 1 + е^

где учтено, что при va = п/2

П+Ъа

1

2тг

J л/1 + 2е

сов v + е2 ^ =

= -(1 + е)

п

'л/2 2л/ё4

2 ' 1 + е

2'

Х^0) = хь, х'^0) =

Ус

vV(vo)'

уЫ = 0, у'Ы = 0, х^0) = 0, ^'^0) = 0, ш = ш0, Ш = еопБ^ Р = Р0,

Ч Л ОМ П \ 2

где штрих означает дифференцирование по истинной аномалии v.

Численное интегрирование уравнений (2) в плоскости г = 0 осуществляется на интервале v0 < < v < v0 + т, где значение истинной аномалии v0 + + т определяется моментом попадания частицы на поверхность второй звезды в точке х2 = х^0 + т), у2 = У^0 + т). Если такого момента не существует, то процесс перетекания вещества приводит к образованию аккреционного диска.

С помощью численного интегрирования уравнений (2) при г = 0 определяются также масса установившейся перетекающей струи Б3 и координаты хз, у3 ее центра масс:

'€0+Г

= + (10)

М3 = —тМ,

V с

уз

1

Хз

х^)^, (12)

ъо

-о0 +т

y(v)dv,

ъо

где координаты x(v) и y(v) определяются из уравнений (2) при г = 0, а

2п

Уг = — уйу =

1

2тт

Здесь р0 = а0(1 — е0), где а0, е0 — начальные значения большой полуоси и эксцентриситета орбиты звезды-аккретора, а Е(к), Е(в,к) — полный эллиптический интеграл и эллиптический интеграл второго рода, соответственно.

Все линии тока струи вещества, имеющие разброс как по координатам, так и по времени в течение одного "выброса" вещества за период обращения звезд, будем аппроксимировать одной траекторией, исходящей из особой точки L1. Численное интегрирование дифференциальных уравнений (2) в плоскости г = 0 проводится со следующими начальными условиями:

= (11)

2п

0

1СМ г, \ 2 ,

—(1 + есову) ау = рз

1СМ

рз

1 +

2

— средняя угловая скорость орбитального движения.

3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО движения ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЗВЕЗДЫ

Пусть N = {х, у, 0} и Wo = {х', у', 0} — соответственно векторы положения и скорости (в барицентрической системе координат хуг) частицы струи в момент ее попадания на поверхность звезды Б2 в точке N. По отношению к звезде Б2 положение точки N характеризуется вектором И,

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.

Показать целиком