Рентгеновские двойные системы

Общая характеристика рентгеновских двойных систем

Рентгеновские двойные системы (РДС) представляют собой бинарные звездные системы, в которых один компонент является компактным объектом — нейтронной звездой или черной дырой, а второй — обычной звездой главной последовательности, гигантом или субгигантом. Основной особенностью таких систем является активный перенос массы от нормальной звезды к компактному объекту, сопровождающийся интенсивным рентгеновским излучением.

В большинстве случаев компактный объект захватывает материю из внешней оболочки компаньона через аккреционный диск, формирующийся под действием момента количества движения поступающей материи. Этот процесс приводит к перераспределению гравитационной энергии в тепло и излучение, с пиковой мощностью в рентгеновской области спектра.

Классификация рентгеновских двойных систем

РДС классифицируются по двум основным признакам:

  1. Масса донорной звезды:

    • Высокомассивные X-ray бинарные системы (HMXB) Донор — массивная звезда (O–B спектрального типа), масса ~10–20 M☉. Основной механизм переноса массы — мощный звездный ветер. Характеризуются пульсациями рентгеновского излучения с периодами порядка секунд и высокоэнергетическим спектром.

    • Низкомассивные X-ray бинарные системы (LMXB) Донор — звезда малой массы (<2 M☉). Масса передается через Роше-лоб, формируя плотный аккреционный поток. Такие системы часто демонстрируют активные всплески рентгеновского излучения, кратные времени обращения системы.

  2. Природа компактного компонента:

    • Нейтронная звезда Отличается сильным магнитным полем (108–1012 Гс), что приводит к формированию аккреционных колонн и пульсирующему излучению. Рентгеновские пульсары являются характерным проявлением этих систем.

    • Черная дыра Отсутствие твердой поверхности и сильное искривление пространства-времени приводит к особенному спектру рентгеновского излучения, включающему тепловую компоненты аккреционного диска и негравитационное корональное излучение в виде жесткого X-ray компонента.

Механизмы образования рентгеновского излучения

Основные источники энергии в РДС связаны с преобразованием гравитационной потенциальной энергии падающей материи:

  1. Аккреционный диск В диске вещество движется по почти круговым орбитам, постепенно теряя угловой момент и спиралеобразно падая на компактный объект. Внутренние слои разогреваются до температур 106–107 K, что приводит к тепловому рентгеновскому излучению. Формула для максимальной температуры диска:

    $$ T_{\rm max} \approx 1.2 \times 10^7 \left(\frac{\dot{M}}{10^{18}\,\rm g/s}\right)^{1/4} \left(\frac{M}{M_\odot}\right)^{-1/2} \, \rm K $$

    где Ṁ — массовый поток аккреции, M — масса компактного объекта.

  2. Аккреционные столбы и полюса (для нейтронных звезд) В присутствии сильного магнитного поля аккреционный поток направляется вдоль линий магнитного поля на полюса. Здесь вещество тормозится ударной волной, образуя горячие области, излучающие пульсирующие рентгеновские сигналы.

  3. Корональные и нерелятивистские потоки (для черных дыр) Вблизи горизонта событий формируются высокотемпературные плазменные «короны», в которых происходят процессы комптоновского усиления рентгеновского излучения. Такой компонент спектра проявляется как жесткий X-ray хвост.

Светимость и временные вариации

Светимость РДС может достигать $10^{38}\,\rm эрг/с$, близкой к Эддингтоновской для нейтронных звезд и черных дыр. Основные типы вариабельности:

  • Пульсации — связаны с вращением нейтронной звезды и направленным аккрецией на магнитные полюса. Периоды — миллисекунды до десятков секунд.
  • Супервсплески и вспышки — кратковременное увеличение массы аккреции приводит к росту светимости на 1–3 порядка.
  • Орбитальные эффекты — затмения, доплеровские сдвиги и взаимодействие с аккреционным диском вызывают периодическую вариабельность.

Спектральные особенности

Спектры РДС обычно состоят из нескольких компонентов:

  1. Тепловой компонент — чернотельное излучение диска с температурой T ∼ 106–107 K, максимум в мягком X-ray диапазоне (0.1–10 кэВ).
  2. Жесткий компонент — комптоновское усиление фотонов мягкого излучения в горячей короне, до десятков кэВ.
  3. Линейные особенности — наблюдаются линии Fe Kα около 6.4–6.9 кэВ, которые несут информацию о гравитационной красной линии, вращении черной дыры и геометрии диска.

Эволюция и динамика рентгеновских двойных систем

Эволюция РДС определяется взаимодействием двух процессов: звездной эволюцией компаньона и аккрецией на компактный объект:

  • Начальная стадия — масса передается через звездный ветер или Роше-лоб; светимость системы растет.
  • Аккрецонно-доминантная стадия — формируется устойчивый аккреционный диск; система проявляется как активный рентгеновский источник.
  • Стадия спирали и слияния — при потере углового момента может произойти слияние или превращение донорной звезды в белый карлик; иногда формируются короткопериодные LMXB.

Долговременные наблюдения показывают, что рентгеновские двойные системы являются важными лабораториями для изучения физики аккреции, релятивистских эффектов и взаимодействия магнитного поля с плазмой.

Оглавление