Оглавление
Введение ........................................................... 7
1 Образование маломассивных рентгеновских новых из тройных систем 16
1.1 Проблема образования рентгеновских новых.......................16
1.2 Основные методы расчета........................................21
1.2.1 Параметры образующихся черных дыр...................24
1.2.2 Асимметричный коллапс ядра ..............................24
1.2.3 Объект Торна-Житков......................................26
1.3 Образование рентгеновских новых из двойных систем..............28
1.4 Рентгеновские новые из тройных систем..........................32
1.5 Обсуждение результатов и выводы................................37
2 Двойные системы в шаровых скоплениях 42
2.1 Эволюция шаровых скоплений.....................................45
2.1.1 Сегрегация масс .........................................46
2.1.2 Испарение и коллапс ядра.................................48
2.1.3 Эволюция шарового скопления после остановки коллапса 50
2.2 Динамические взаимодействия звезд..............................52
2.2.1 Сближения одиночных звезд с двойными системами . . 52
2.2.2 Пролеты, ведущие к обмену звезд.......................53
2.2.3 Разрушение двойных систем.............................54
2.2.4 Образование двойных звезд.............................55
2.3 Модели звездной эволюции.....................................57
2.3.1 Учет эволюции звезд фона............*....................57
2.3.2 Положение двойной системы в шаровом скоплении. ... 58
2
2.3.3 Эволюция двойной системы..............................61
2.3.4 Нейтронные звезды в шаровом скоплении . . . ........63
2.4 Результаты вычислений......................................64
2.4.1 Рентгеновские источники...............................64
2.4.2 Черные дыры...........................................68
2.5 Обсуждение и выводы........................................70
3 Гравитационно-волновое излучение от галактических компактных двойных звезд на эллиптических орбитах 71
3.1 Стационарная функция распределения компактных двойных
звезд в галактике...........................................74
3.2 ГВ от компактных двойных нейтронных звезд на эллиптических орбитах -81
3.3 Широкополосный ГВ-сигнал...................................94
3.3.1 ГВ-сигнал от двойных ИЗ при прохождении периастра . 94
3.3.2 Особенности детектирования широкополосных ГВ-сигналов 96
3.4 Выводы....................................................101
Заключение.....................................................105
А Примеры эволюционных треков 115
В Сечения для некоторых процессов 118
С Классификация стадий в эволюционном сценарии 120
D Распределение звезд по эволюционным стадиям в шаровом скоплении 124
3
Список иллюстраций
1.1 Распределение масс компонентов рентгеновских новых, образующихся из тройных систем............................................34
1.2 Распределение пространственной скорости центров масс рентгеновских новых из тройных систем...................................36
1.3 Область параметров отвечающих наблюдательным данным о количестве маломассивных рентгеновских новых (Nx ~ 500) и
их скоростях (Vgyst ~ 40 км/с) в Галактике.....................41
2.1 Корреляция между числом шаровых скоплений и отношеним
потоков рентгеновского излучения к оптическому в эллиптических галактиках ...............................................43
2.2 Эволюция звезд в шаровом скоплении. Схема......................61
2.3 Доля нейтронных звезд, не покинувших шаровое скопление . . 63
2.4 Изменение доли начальных ДС в ходе эволюции ШС.................64
2.5 Образование приливных двойных (верхняя сплошная кривая -
общее число, нижняя сплошная - с нейтронными звездами). . . 65
2.6 Число ярких рентгеновских источников и миллисекундных пульсаров в U1C для случая fret ~ 10%...................................65
2.7 Наблюдательные данные о распределении рентгеновских источников по расстоянию от центра ШС.................................66
2.8 Распределение рентгеновских источников по по расстоянию от
центра ШС......................................................66
2.9 Распределение рентгеновских систем по орбитальным периодам.................................................................67
2.10 Распределение пульсаров по осевым периодам.....................67
4
3.1 Начальная функция распределения двойных нейтронных звезд 76
3.2 Эволюционные треки двойных систем на фазовой плоскости
{а, е}......................................................78
3.3 Стационарная функция распределения двойных НЗ на эллиптических орбитах...............................................79
3.4 Относительная ГВ-светимость на различных гармониках .... 83
3.5 Образование стохастического фона в частотном биле...........85
3.6 ГВ-фон и вклады в него первой, второй и третьей гармоники.
Вес системы формируются с ао = ои ео = 0.5..................87
3.7 Аналогично рисунку 3.6 для систем с по = 5Яе и во = 0.9 . . . . 87
3.8 ГВ-фон от сливающихся двойных нейтронных звезд в нашей Галактике......................................................89
3.9 Число гармоник в интервале частот от сливающихся двойных НЗ на эллиптической орбитах................................91
3.10 Число наиболее мощных гармоник в бинс от сливающихся двойных НЗ на эллиптических орбитах............................92
3.11 ГВ-сигнал от двойных НЗ при прохождении иериастра...........103
3.12 Распределение двойных НЗ по длительности импульсов и орбитальным периодам........................................... 104
АЛ Пример эволюционного трека, ведущего к образованию массивной рентшювекой новой с черной дырой из двойной системы .115
А.2 Примеры эволюционных треков, ведущих к образованию маломассивных рентгеновских новых из иерархических тройных систем...................................................117
5
Список таблиц
1.1 Количество рентгеновских новых с черными дырами в Галактике образующихся из двойных систем 38
3.1 Двойные Пульсары в парах с НЗ..................................74
С.1 Классификация компактных звезд................................123
0.1 Распределение звезд по эволюционным стадиям в шаровом скоплении 125
б
Введение
Данная работа посвящена исследованию эволюции релятивистских двойных звезд в тройных системах и шаровых скоплениях. Актуальность данной тематики в современной астрофизике диктуется быстро возрастающим потоком наблюдательных данных о тесных двойных системах (ТДС) в нашей Галактике и шаровых звездных скоплениях.
Поиск черных дыр является фундаментальной научной проблемой современной астрономии. В пионерских работах Зельдовича (1964), Зельдовича и Гусейнова (1966) было показано, что наиболее значительные наблюдательные проявления черные дыры должны иметь в тесных двойных звездных системах в процессе аккреции вещества на тяготеющий центр. К настоящему времени успехи рентгеновской астрономии привели к открытию более десятка кандидатов в черные дыры. В большинстве случаев оптическим компонентом в этих системах являются маломассивные звезды позднего спектрального класса. Попытки объяснить происхождение таких систем в рамках стандартной теории эволюции двойных звезд сталкиваются с рядом серьезных трудностей. Требуется специальная "тонкая настройка"параметров и начальных условий в двойной для ее эволюции в маломассивную рентгеновскую новую.
В работе Игглетона и Вербанта (1986) был предложен сценарий образования маломассивных рентгеновских новых с черными дырами из тройных систем. В первой части работы методом популяционного синтеза исследуется возможность образования маломассивных рентгеновских двойных с черными дырами из двойных и иерархических тройных систем.
Наиболее яркие наблюдательные проявления эволюции ТДС в шаровых скоплениях связаны с миллисекундными пульсарами и маломассивными рент-
7
геновскими источниками, наблюдаемыми в основном в виде рентгеновских барстеров в шаровых скоплениях. Новые возможности рентгеновской астрономии последних лет, связанные в частности с наблюдениями рентгеновских источников с помощью обсерватории Chandra с оптической позиционной точностью, привели к открытию десятков новых источников в шаровых скоплениях в нашей и других галактиках (Гриндлей и др. 2001). Тем самым открывается новая возможность понимания физических процессов образования и эволюции двойных систем в плотных звездных скоплениях путем сопоставления данных о миллисекундных пульсарах с новыми результатами рентгеновских наблюдений.
Хотя качественная сторона влияния динамических в шаровых скоплениях процессов на эволюцию звезд ясна (см. например Бисноватый-Коган 1990; Давиде 1992; Сигурдссон, Финней, 1993), количественные расчеты с учетом эволюции как звезд в двойных системах, так и влияния пролетов окружающих звезд пока малочисленны. Таким образом, актуальной стала задача о расчете совместной эволюции двойных звезд с учетом динамических эффектов в шаровых скоплениях.
Приближается ввод в строй первых широкополосных лазерных интерферометров (LIGO, VIRGO, GEO-600), космического интерферометра LISA (Бендер и др. 2000). Двойные релятивистские звезды в нашей Галактике, общепризнанно являются наиболее перспективными источниками гравитационных волн (ГБ), потенциально обиаружимыми в ближайшем будущем в современных гравитационно-волновых экспериментах.
ГВ излучение от ТДС можно рассматривать как дополнительный шум, препятствующий обнаружению сигнала от других астрофизических источников (Грищук и др. 2001). Поэтому становится актуальным вопрос, не смогут ли многочисленные гармоники орбитальной частоты, на которых происходит излучение гравитационных волн от двойных систем на некруговых орбитах, "засорить"наиболее привлекательный для детектирования вышеуказанных космологических фонов диапазон LISA 1-100 мГц.
Целью настоящей работы было: (а) изучение возможности образования маломассивных рентгеновских двойных с черными дырами из двойных и иерархических тройных систем, (б) исследование эволюции релятивистских
8
двойных систем в плотных звездных системах - шаровых скоплениях и (в) исследовании стохастического гравитационно - волнового фона от сливающихся двойных нейтронных звезд на некруговых орбитах.
Научная новизна
1. Впервые методом популяционного синтеза исследуется возможность образования маломассивных рентгеновских двойных с черными дырам из иерархических тройных систем.
2. Впервые методом популяционного синтеза произведен расчет эволюции двойных систем в шаровых скоплениях с учетом динамического взаимодействия со звездами фона. При этом учитывается звездная эволюция как двойных так и окружающих одиночных звезд фона, а также эволюция шарового скопления.
3. Получена начальная функция распределения двойных нейтронных звезд по орбитальным параметрам после второй вспышки сверхновой. По начальной функции распределения построена стационарная функция распределения для двойных нейтронных звезд, сливающихся за счет гравитационного излучения за время, меньше хабловского.
4. Рассчитан фон стохастического ГВ излучения от двойных нейтронных звезд на эллиптических орбитах в нашей Галактике.
Практическая ценность
Получена оценка ряда параметров (эффективность общей оболочки, величины дополнительной скорости при асимметричной вспышке сверхновой), при которых становится возможным образование маломассивных рентгеновских новых с черными дырами из тройных систем. Показано, что образование маломассивных рентгеновских новых с черными дырами из двойных систем, при реалистичных начальных функциях распределения двойных систем но отношению масс компонент, оказывается крайне неэффективным. Методом
9
популяционного синтеза произведен расчет эволюции двойных систем в шаровых скоплениях с детальным учетом звездной эволюции как двойных так и окружающих одиночных звезд фона и эволюции шарового скопления. Оценены частоты, на которых существует возможность обнаружения детектором LISA широкополосного импульсного излучения от двойных систем при прохождении периастра.
ГВ излучение 01’ ТДС можно рассматривать как дополнительный шум, препятствующий обнаружению сигнала от других астрофизических источников. Определена критическая частота, начиная с которой стохастический ГВ фон от галактических двойных систем перестает препятствовать обнаружению возможного реликтового фона ГВ.
Личный вклад автора
Многие результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах коллектива авторов. Во всех совместных публикациях автор участвовал на равноправной основе на всех этапах работы. В задаче о происхождении маломассивных рентгеновских новых из тройных систем автором была модернизирована существующая программа "Машина Сценариев" (Липунов и др. 199G) на случай эволюции иерархических тройных систем. Для расчета эволюции двойных звезд в плотных звездных системах (шаровых скоплениях) автором был написан пакет программ для учета влияния динамических эффектов взаимодействия двойных и одиночных звезд (изменение орбитальных параметров двойной системы, обмен звездами при тесных сближениях, разрушение двойных систем, образование двойных звезд путем приливного захвата).
Апробация
Основные результаты, включенные в диссертацию, докладывались на. международных конференциях "Астрофизика Высоких Энергий сегодня и завтра" (НЕА-2001), ИКИ, Москва (2001); "Космион-2000" (Москва); Joint European and National Astronomical Meeting, Москва (2000); па международной конфе-
10
- Київ+380960830922