АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2010, том 87, № 9, с. 878-894
УДК 524.387+524.882
ТЕСНЫЕ ДВОЙНЫЕ СИСТЕМЫ СО СВЕРХМАССИВНЫМИ ЧЕРНЫМИ ДЫРАМИ
© 2010 г. А. В. Тутуков, А. В. Федорова
Учреждение Российской академии наук Институт астрономии РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 04.03.2010 г.; принята в печать 02.04.2010 г.
Исследуется эволюция тесных двойных систем, которые образованы расположенной в ядре галактики или в ядре шарового звездного скопления сверхмассивной черной дырой (СМЧД) и находящейся в ее близкой окрестности звездой. Предполагается, что звезда заполняет полость Роша и СМЧД аккрецирует, главным образом, вещество этой звезды. Эволюция такой системы определяется, в основном, теми же процессами, что и эволюция обычных двойных систем. Главные отличия состоят в следующем: звезда подвергается облучению потоком жесткого излучения, возникающего при аккреции ее вещества на СМЧД; в разделенной системе СМЧД захватывает практически весь звездный ветер звезды-донора, что оказывает заметное влияние на эволюцию большой полуоси орбиты; заполнение звездой полости Роша в паре с наиболее массивными СМЧД невозможно, поскольку соответствующее значение полуоси орбиты меньше радиуса последней устойчивой орбиты в гравитационном поле СМЧД. Кроме того, в таких системах, возможно, отсутствует достаточно оперативный обмен между орбитальным угловым моментом и угловым моментом перетекающего вещества. В расчетах предполагалось, что если характерное время обмена массой меньше теплового времени звезды, такой обмен моментом не имеет места. Поглощение внешнего потока излучения в оболочке звезды рассчитывалось с помощью того же формализма, который используется при вычислении непрозрачности звездного вещества. Численное моделирование показало, что заполнение звездой полости Роша возможно в широком интервале начальных параметров системы. Эволюция полуразделенных систем "звезда—СМЧД" почти всегда заканчивается динамическим разрушением звезды. При этом звезды с массой порядка солнечной подвергаются динамическому разрушению почти сразу после заполнения полости Роша. В ходе аккреции вещества разрушающихся звезд СМЧД может достигать светимости, характерной для квазаров. В случае, если СМЧД аккрецирует не только вещество звезды, но и окружающий газ, звезда на разделенной фазе подвергается дополнительному облучению, усиливающему ее звездный ветер. Это приводит к увеличению большой полуоси орбиты, что уменьшает возможность заполнения звездой полости Роша в ходе эволюции рассматриваемой двойной системы.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время установлено, что в ядрах
всех ярких галактик находятся сверхмассивные черные дыры (СМЧД), массы которых составляют ~104—1010 Мо, а светимости доходят до
1014 Ьо [1—4]. Отношение массы сверхмассивной
ЧД к массе сфероидальной части галактики за-
висит от космологического красного смещения г,
изменяясь от ~10_2 при г = 2—3 до ~10_3 при
г = 0 [5]. Минимальные массы центральных чер-
ных дыр (ЧД) массивных галактик, вероятно, со-
ставляют несколько миллионов солнечных масс. К
галактикам, имеющим сравнительно маломассив-
ные центральные ЧД, относится и наша Галакти-
ка: масса ЧД в ее ядре оценивается в (4—5) х
х 106 Мо [6]. Максимальные массы СМЧД в ядрах галактик могут достигать нескольких де-
сятков миллиардов масс Солнца: возможно, что масса СМЧД в галактике S5 0014+813 составляет 4 х 1010 Мо [7]. В ядрах шаровых звездных скоплений и в ядрах карликовых галактик могут располагаться ЧД промежуточных масс порядка 103 Мо [8-10].
Наблюдения демонстрируют, что СМЧД в ядрах взаимодействующих и сливающихся галактик являются квазарами [11], т.е. в их близкой окрестности находится сравнительно большое количество газового вещества, которое активно аккрециру-ется черной дырой. Квазар обычно находится в центре скопления галактик и является ядром cD-галактики (хотя это имеет место не во всех скоплениях) [12]. По-видимому, в центрах скоплений галактик повышена частота близких прохождений и столкновений галактик, и результатом этих событий может быть поступление газа в окрестности
СМЧД и повышенная (по сравнению с ядрами других галактик) аккреция этого газа на СМЧД. В остальных случаях, когда СМЧД не является квазаром, возможно, что газ выметается из окрестностей СМЧД ее звездным ветром, либо в случае аккреции происходит постоянное накопление ак-крецируемого газа в диске вокруг СМЧД, и только время от времени имеет место его аккреция на черную дыру.
Интересно, что сверхмассивные (~109 М®) аккрецирующие ЧД возникают уже в очень молодых галактиках, при г ~ 6 [13]. Причина их появления в столь молодой Вселенной остается пока неясной. Аккреция вещества на эддингтоновском пределе со
скоростью ~10-8 М*Н М©/год (где Мвн ~ масса М®
СМЧД), способна увеличить массу столь молодых ЧД к г ~ 6 только в ^2000 раз. Следовательно, для объяснения появления ЧД таких масс в столь молодых галактиках необходимо принять, что либо начальные массы центральных ЧД cD-галактик были порядка 106 М®, либо аккреция газа на исходные ЧД была существенно сверхэддингто-новской. В первом случае предшественниками ядер квазаров должны быть сверхмассивные звезды с массами, превышающими ~106 М®. Во втором случае скорость аккреции должна в 2—3 раза превышать эддингтоновский предел для сферически-симметричной аккреции. Аккреция через диск, типичная для квазаров, возможно, позволяет осуществить последнее.
Наблюдения свидетельствуют о том, что в ядерной области галактик находится большое количество звезд [14—18]. Часть из них, вероятно, образуется в этой области, а остальные диффундируют к ядру галактик из его окрестностей. О наличии массивных звезд вблизи галактических ядер также свидетельствует высокое обилие тяжелых элементов в околоквазарной области даже при высоких красных смещениях, т.е. в ядрах даже самых молодых галактик [14]. Компактный звездный диск наблюдается и около СМЧД в ядре нашей Галактики [15]; в этой области обнаружены также молодые массивные звезды [16]. Наблюдения показывают, что звездообразование возможно в ядрах как Е-галактик [17], так и S-галактик [18]. Звезды, образовавшиеся в ядре, вероятно, образуют диск, а звезды, пришедшие с периферии галактики, должны распределяться сферически-симметрично вокруг центральной ЧД.
Представляет большой интерес вопрос об эволюции звезд, находящихся вблизи СМЧД. Их эволюция подвергается влиянию ряда факторов, отсутствующих в остальных областях галактики, где звезды можно считать полностью изолированными от окружающей среды. С одной стороны, близкие к
СМЧД звезды могут быть частично или полностью разрушены как приливным воздействием СМЧД, так и в результате столкновений между собой в ее плотных окрестностях. Кроме того, они теряют вещество своей оболочки при периодических прохождениях через плотный газовый аккреционный диск, окружающий центральную СМЧД. Не исключено также, что на некоторое время звезда вместе с СМЧД может образовать тесную двойную систему, в которой будет иметь место обмен массой между компонентами. С другой стороны, если сверхмассивная ЧД активно аккрецирует окружающий газ, т.е. является ярким квазаром, то жесткое излучение квазара воздействует на близкие звезды, нагревая их внешние области, изменяя их строение и увеличивая эффективную температуру звезды, что также приводит к ускоренной потере этими звездами своего вещества, часть которого будет аккрецирована квазаром.
В предыдущей работе [19] нами была изучена эволюция звезд, находящихся в близкой окрестности яркого квазара, но далеких от заполнения своей полости Роша. Предполагалось, что квазар излучает на эддингтоновском пределе для массы ЧД, расположенной в его центре, за счет аккреции черной дырой окружающего газа. Численное моделирование показало, что степень облучения близких к квазару звезд оказывается достаточной для резкого увеличения скорости потери ими массы за счет звездного ветра.
В настоящей работе исследуется ситуация, когда звезда находится в еще более близкой окрестности СМЧД, и при этом способна образовать вместе с СМЧД тесную двойную систему и заполнить в ходе эволюции свою полость Роша. В большинстве расчетов предполагается, что СМЧД не является квазаром и аккрецирует главным образом только вещество звезды. В расчетах учитывается облучение звезды жестким излучением, возникающим при аккреции.
В данной работе мы не учитываем релятивистские эффекты, поскольку звезда-донор в большинстве случаев находится достаточно далеко от черной дыры, а кроме того, результаты расчетов носят оценочный характер ввиду наличия в рассматриваемой проблеме целого ряда неопределенностей. Одна из этих неопределенностей — возможное наличие вещества в области, окружающей СМЧД в ядре галактики, и аккреция этого вещества на СМЧД. Это обстоятельство может повлиять на реальное движение звезды, на потерю ею углового момента, на скорость приближения к СМЧД и на степень облучения звезды. В расчетах предполагается, что двойная система звезда—СМЧД существует в течение достаточно продолжительного времени, а орбита звезды близка к круговой.
Наличие газа в области движения звезды действительно может способствовать циркуляризации ее орбиты, однако оно же может сократить время существования рассматриваемой двойной системы. Поэтому представленные в данной работе расчеты эволюции двойной системы звезда-СМЧД можно рассматривать лишь как приближенное описание взаимодействия СМЧД с близкими звездами, способными заполнить свою полость Роша в ходе эволюции системы. Расчеты имеют целью исследовать некоторые типичные случаи эволюции таких двойных систем.
В разделе 2 настоящей статьи рассматривается возможность формирования двойных систем звезда-СМЧД. В разделе 3 кратко описывается метод расчета моделей звезд, облучаемых жестким излучением, возникающим при аккреции вещества на СМЧД. В разделе 4 описывается метод расчета эволюции двойной системы звезда-СМЧД и обсуждаются основные отличия такой системы от обычных двойных звезд с компактными ак-креторами. В разделе 5 дан качественный анализ различных режимов эволюции двойной системы звезда-СМЧД. В разделе 6 из
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.