Приливный эффект является универсальным и работает всегда, когда есть два влияющих друг на друга объекта. Естественно, действует он не только в Солнечной системе, но и за её пределами, в мире звёзд и галактик. Для звёзд этот эффект чрезвычайно важен, а иногда оказывается фатальным
Как образуется двойная звезда
Что происходит при сближении в пространстве двух звёзд? Простая небесная механика нам говорит, что когда к более массивному телу из бесконечности подлетает звезда, то она огибает это тело и со скоростью, большей второй космической, по гиперболе уходит в бесконечность. Если бы звёзды были абсолютно жёсткими шариками, то они действительно бы пролетали мимо друг друга и навсегда расставались. Но в жизни так не бывает.
Сближаясь, звёзды начинают деформироваться: менее массивная вытягивается в эллипсоид, большая ось которого направлена сначала на центр гравитации, но по мере набора скорости эллипсоид из-за инерции не успевает разворачиваться. Ближняя часть эллипсоида притягивается сильнее и тормозит его – на предыдущей лекции мы рассматривали такой же эффект, в результате которого Луна замедляет вращение Земли. Из-за потери кинетической энергии лёгкое тело с гиперболической траектории переходит на эллиптическую орбиту. На втором проходе размер орбиты уменьшается, на третьем становится ещё меньше, а после нескольких оборотов вокруг своего партнёра тело выходит на практически круговую орбиту. Это типичный результат взаимодействия двух звёзд.
А куда делась энергия движения этих тел? На бесконечности у малого тела была положительная энергия, теперь же оно попало на связанную орбиту, значит, полная энергия стала отрицательной. Кто же «съел» разницу?
Во-первых, происходит деформация, в ходе которой звезда нагревается. Иногда эффект бывает настолько большим, что от избыточного тепла она разбухает, но потом рассеивает энергию в виде излучения и остывает до исходной температуры. Это очень хорошо демонстрируется с помощью незамысловатой модельки. Момент импульса, в отличие от энергии, в этой консервативной системе, естественно, сохраняется и никуда не рассеивается. Массивное тело поглощает часть орбитального момента импульса маленького тела и сильнее раскручивается. Значит, какая-то часть кинетической энергии малого тела потратилась на увеличение скорости осевого вращения большого тела и своей собственной.
Такой же захват вполне может происходить – и в действительности происходит – при взаимодействии двух планет или двух галактик, и тогда эти объекты будут длительное время кружить вокруг общего центра масс.
Последствия неравноправного партнёрства
Когда мы говорили в прошлый раз о разновидности задачи 3-х тел, в которой одно тело лёгкое, а другие два массивные, я рассказывал про полости Роша, ограничивающие области гравитационного контроля массивных тел. При их взаимодействии нередко возникает ситуация, когда одно из тел заполняет свою полость Роша, прижимая к её границе свою поверхность. В точке соприкосновения полостей (это точка равновесия Лагранжа L₁) попавший туда объект становится равноправно принадлежащим обоим телам. Мы наблюдаем довольно много таких тесных двойных звёздных систем, у которых одна из звёзд в конце жизни расширяется, заполняет свою полость Роша и касается полости Роша соседнего объекта – компактной, но очень массивной звезды (например, нейтронной звезды) с большой полостью Роша. А когда у разреженной звезды своя полость заполнена, куда деваться веществу? Оно «переливается» через край потенциального барьера и начинает течь туда, куда его притягивает.
Если обе звезды висели бы в пространстве без вращения, то стекание вещества происходило бы точно по прямой к центру плотного компонента. Но в двойной системе всегда есть орбитальное движение компонентов вокруг общего центра масс, и вещество, сохраняя орбитальный момент импульса, выходит на равновесную орбиту, образуя аккреционный диск вокруг массивного тела. Иногда задают вопрос: почему диск, а не шар? Дело в том, что центробежная сила действует только в плоскости орбиты, а вдоль оси вращения ее нет.
Вспомним, что чем ближе к центру тяготения, тем за более короткое время происходит оборот, т.е. тем выше угловая скорость. Между соседними слоями диска возникает взаимное смещение, а следовательно – трение, в результате чего орбитальный момент переносится наружу. Вещество при этом не остаётся на круговой орбите, оно тормозится и по спирали движется к центру, потихонечку выпадая на поверхность массивного объекта.
Трение в аккреционном диске производит замечательный эффект, благодаря которому мы и открыли существование чёрных дыр. Сама дыра абсолютно невидима, потому что не излучает (квантовое испарение – эффект Хокинга – у чёрных дыр звёздной массы чрезвычайно слабо). Но когда чёрная дыра (или нейтронная звезда) оказывается в составе тесной двойной системы, второй компонент которой раздулся и начал терять своё вещество, трение во вращающемся с огромной скоростью аккреционном диске вокруг чёрной дыры приводит к разогреву газа до сотен тысяч градусов и испусканию мощного потока ультрафиолетового света и рентгеновских лучей. Первые же обзоры неба в рентгеновских лучах показали нам невероятно мощные источники излучения, связанные с такими системами.
Кроме того, разогрев приводит к расширению газа, часть которого выталкивается из диска. Но куда? Пробиться наружу сквозь диск трудно, а перпендикулярно его поверхности (т.е. параллельно оси вращения) довольно легко, диск сравнительно тонкий. Поэтому из такого аккреционного диска вдоль оси его вращения обычно бьют в пустоту два диаметрально противоположных фонтана – их называют джетами, или струями.
В месте, где входящий поток ударяется об аккреционный диск, тоже наблюдается горячая точка. По скорости её обращения можно довольно точно определить параметры обоих объектов – и звезды, и чёрной дыры.
С этим явлением связан интересный вопрос: от чего зависит угол раструба струй? Казалось бы, из самых примитивных соображений угол должен быть немалым, порядка радиана, а в действительности он не больше градуса. Что оказывает фокусирующее действие на эти тонкие струи, астрофизики пока не понимают. Придумано много разных моделей ускорения джетов – тепловые, магнитогидродинамические, но ни одна из них не может полностью объяснить явление.
Наконец, если звезда подлетает к чёрной дыре издалека, то она не просто деформируется, а вообще теряет связность: приливный эффект просто разрушает её при сближении с чёрной дырой. Каждый пролёт звезды рядом с чёрной дырой сопровождается срывом большого количества вещества с её оболочки, и после того, как её несколько раз таким образом «разденут», от звезды практически ничего не останется. По характерным вспышкам рентгеновского и гамма излучения из тех областей, где подозревается наличие массивных чёрных дыр в ядрах галактик мы понимаем, что это как раз происходят стадии захвата звезды, вещество которой размазывается в аккреционный диск и постепенно поглощается чёрной дырой.
Сквозь дырку в пространстве
С приливами связана ещё и такая полуфантастическая история. Дело в том, что внутри горизонта событий чёрной дыры пространство-время настолько сильно деформируется, что это может приводить к возникновению пространственно-временных каналов. По-английски их называют wormhole, формальный перевод – «червоточина», но мы обычно говорим – «кротовая нора». Несколько десятилетий назад появилась идея, что эти туннели пространства и времени могут связывать коротким путём две удалённых (в нормальном эвклидовом пространстве) точки. Например, между Солнцем и Вегой (если лететь по прямой в космическом пространстве) около 26 световых лет, но если рядом с Солнцем поместить одну чёрную дыру, а рядом с Вегой – другую, то между ними, может быть, получится канал, который сократит этот путь.
Эта идея обыгрывается в романе Карла Сагана «Контакт», по которому снят очень хороший фильм, только там жуткий перевод. Например, главная героиня, когда надо развернуть радиотелескоп, кричит: «Right ascension 45''!» – этот английский термин означает угол прямого восхождения, это одна из небесных координат. А наш переводчик перевёл это как «Подъём справа в 45 секунд!» – и все, кто в армии служил, услышав это, вздрогнули. Надеюсь, что вы будете переводить тексты лучше.
Вообще говоря, идея образования червоточин в пространстве очень старая. Когда сто лет назад Эйнштейн только-только создал свою теорию относительности, был сделан расчёт, показавший, что такие явления могут быть. Но использованием пространственно-временных туннелей для перемещения людей впервые заинтересовался Карл Саган, великий астрофизик и популяризатор астрономии. Он захотел этот эффект использовать в фабуле романа, чтобы героиня куда-то перенеслась. И чтобы не попасть впросак, он озадачил этим вопросом самого известного ныне специалиста в области гравитации – Кипа Торна. Тот в ответ на просьбу Сагана сначала похихикал. Но потом стал делать расчёты – и увидел, что можно создать такую конфигурацию, чтобы пара чёрных дыр была связана таким странным туннелем. Кстати, очень советую его изумительную книжку «Чёрные дыры»: в ней очень много интересного не только про американскую физику, но и про нашу отечественную, ведь Кип Торн практически всю свою молодость в Москве провёл, в группе Зельдовича.
Однако не будем забывать о приливном эффекте. Если мы захотим нырнуть в одну дырку и вынырнуть из другой, то это может плохо кончиться: когда мы приблизимся к чёрной дыре, приливный эффект будет настолько силён, что нас растянет в спагетти. Да и саму червоточину, кстати, приливный эффект делает неустойчивой, а гравитационная неустойчивость всегда пытается поломать любую конструкцию.
Но в последнее время возникла идея о том, что можно стабилизировать червоточину, если в природе существует пятая сила, которую называют «тёмной энергией». В космологии это сегодня одна из главных тем. По сути это антигравитация, расталкивающая сверхмассивные объекты, и она может стабилизировать пространственно-временной туннель, сделать его устойчивым. И тогда пусть не человек, а для начала хотя бы какой-нибудь звёздный робот может через него пройти.
Приливные явления в галактиках
В масштабах галактик приливы играют гораздо большую роль хотя бы потому, что галактики – объекты крайне малоплотные. Они представляют собой скопище звёзд и газа между ними с концентрацией в пару атомов на кубический сантиметр, по сути – «видимое ничто». Если посмотреть на окрестности галактики M31, называемой туманностью Андромеды, и обратить внимание на форму её галактик-спутников, то можно даже невооружённым глазом увидеть последствия приливного эффекта: одна из них сильно деформировалась, с её внешней оболочки срываются слабосвязанные звёзды, поток которых утекает в сторону, к огромной махине M31, так она её «раздевает».
А другая мелкая галактика уже «раздета»: мои расчёты показывают, что раньше она была далеко от туманности Андромеды, двигалась вокруг неё по орбите и – главное – была значительно крупнее. Но сейчас она приближается к M31 по спирали, внешние слои с неё уже сорвало, но ядро ещё сопротивляется. Правда, осталось ему недолго: через несколько миллиардов лет оно просто утонет в ядре большой галактики и перестанет существовать как отдельная звёздная система. И не будет маленького спутника.
Иногда, если галактика расположена к нам ребром и её диск нам не мешает обозревать окрестности, можно разглядеть интересные вещи: «размазывание» мини-галактики в узкую полосу вдоль орбиты вследствие приливного разрушения. Отдельные звёзды и немножко газа при этом продолжают кружиться, но скоро размажутся окончательно, и орбита перестанет быть видимой. Вот настолько серьёзное влияние оказывают массивные галактики на своих малых соседей.
Бывают также встречи типа «кита со слоном», когда непонятно, кто кого переборет. Если две одинаковых галактики встретились, то обе очень сильно деформируются. Любителям астрономии известна такая пара – их называют «Мышки», потому что у них торчат длинненькие хвостики, вытянутые приливным эффектом. Что ожидает их в дальнейшем? Скорее всего, они пару раз покувыркаются друг вокруг друга и затем сольются в единый конгломерат: вместо двух просто больших галактик будет одна очень большая. Вероятно, это судьба почти всех пар и групп тесных галактик.
Наша галактика Млечный Путь – не исключение: со скоростью примерно 110 км/с она несётся навстречу туманности Андромеды. Вместе они являются двойной системой и обращаются вокруг общего центра масс, понемножку сближаясь. Не пугайтесь, до неё ещё далеко. Но примерно через 4 млрд лет она подойдёт очень близко к нашей галактике, они на скорости соприкоснутся, немножко разойдутся, через миллиард лет опять сблизятся и чиркнут друг по другу, а на третьей встрече сольются в одну большую галактику. Как она будет выглядеть, никто не знает, но в том, что это произойдёт, никаких сомнений уже нет...