23.5: Mageuzi ya mifumo ya nyota za Binary

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza aina ya mfumo wa nyota binary ambayo inaongoza kwa tukio nova
• Eleza aina ya mfumo wa nyota binary ambayo inaongoza kwa tukio aina Ia supernovae
• Eleza jinsi aina ya Ia supernovae inatofautiana na supernovae ya aina II

Majadiliano ya hadithi za maisha ya nyota zilizowasilishwa hadi sasa zimeteseka kutokana na ubashi-kile tunachokiita “ushindani wa nyota moja.” Kwa sababu jamii ya binadamu iliendelea kuzunguka nyota inayopitia maisha peke yake, tunaelekea kufikiria nyota nyingi kwa kutengwa. Lakini kama tulivyoona katika The Stars: Sensa ya Mbinguni, sasa inaonekana kwamba kama nusu ya nyota zote zinaweza kukua katika mifumo ya binary-zile ambazo nyota mbili zinazaliwa katika kukumbatia mvuto wa kila mmoja na kupitia maisha inayozunguka kituo cha kawaida cha wingi.

Kwa nyota hizi, uwepo wa rafiki wa karibu unaweza kuwa na ushawishi mkubwa juu ya mageuzi yao. Chini ya hali nzuri, nyota zinaweza kubadilishana nyenzo, hasa wakati wa hatua ambapo mmoja wao huongezeka hadi kwenye giant au supergiant, au ana upepo mkali. Wakati hii inatokea na nyota za rafiki zinakaribia kutosha, nyenzo zinaweza kuzunguka kutoka nyota moja hadi nyingine, kupungua kwa wingi wa wafadhili na kuongeza wingi wa mpokeaji. Uhamisho huo wa wingi unaweza kuwa mkubwa hasa wakati mpokeaji ni mabaki ya stellar kama vile kibete nyeupe au nyota ya neutroni. Wakati hadithi ya kina ya jinsi nyota za binary zinavyobadilika ni zaidi ya upeo wa kitabu chetu, tunataka kutaja mifano michache ya jinsi hatua za mageuzi zilizoelezwa katika sura hii zinaweza kubadilika wakati kuna nyota mbili katika mfumo.

nyeupe dwarf milipuko: aina kali

Hebu fikiria mfumo wafuatayo wa nyota mbili: moja imekuwa kibete nyeupe na nyingine ni hatua kwa hatua kuhamisha nyenzo juu yake. Kama hidrojeni safi kutoka tabaka za nje za mwenzake hujilimbikiza juu ya uso wa kibete nyeupe cha moto, huanza kujenga safu ya hidrojeni. Kama hidrojeni zaidi na zaidi hujilimbikiza na kuponya juu ya uso wa nyota iliyoharibika, safu mpya hatimaye hufikia joto linalosababisha fusion kuanza kwa njia ya ghafla, ya kulipuka, ikipua sehemu kubwa ya nyenzo mpya mbali.

Kwa njia hii, kibete nyeupe haraka (lakini kwa ufupi tu) inakuwa mkali kabisa, mamia au maelfu ya mara mwanga wake uliopita. Kwa waangalizi kabla ya uvumbuzi wa darubini, ilionekana ya kwamba nyota mpya ilionekana ghafla, nao wakaiita nova. ¹ Novae kuisha mbali katika miezi michache kwa miaka michache.

Mamia ya novae wamekuwa aliona, kila kutokea katika mfumo wa nyota binary na kila baadaye kuonyesha ganda la nyenzo kufukuzwa. Nyota kadhaa zina zaidi ya sehemu moja ya nova, kwani nyenzo nyingi kutoka nyota yake jirani hujilimbikiza kwenye kibete kizungu na mchakato mzima unarudia. Mradi vipindi haviongeza wingi wa kibete nyeupe zaidi ya kikomo cha Chandrasekhar (kwa kuhamisha molekuli mno haraka sana), kibete nyeupe nyeupe yenyewe bado haijaathiriwa sana na milipuko juu ya uso wake.

Milipuko ya kibete nyeupe: Aina ya vurugu

Ikiwa kibete nyeupe hukusanya jambo kutoka kwa nyota ya rafiki kwa kiwango cha kasi zaidi, inaweza kusukumwa juu ya kikomo cha Chandrasekhar. Mageuzi ya mfumo huo wa binary inavyoonekana kwenye Kielelezo. Wakati umati wake unakaribia kikomo cha molekuli cha Chandrasekhar (kinazidi 1.4\(M_{\text{Sun}}\)), kitu hicho hakiwezi kujiunga mkono tena kama kibete nyeupe, na kinaanza mkataba. Kama inavyofanya hivyo, inapunguza, na athari mpya za nyuklia zinaweza kuanza katika msingi unaoharibika. Nyota “simmers” kwa karne ijayo au hivyo, kujenga joto la ndani. Awamu hii ya kupika inaisha chini ya pili, wakati kiasi kikubwa cha fusion (hasa ya kaboni) hufanyika mara moja, na kusababisha mlipuko. Nishati ya fusion zinazozalishwa wakati wa mlipuko wa mwisho ni kubwa sana kwamba inaharibu kabisa kibete nyeupe. Gesi hupigwa angani kwa kasi ya kilomita 10,000 kwa sekunde, na baadaye, hakuna ufuatiliaji wa mabaki ya kibete nyeupe.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Mageuzi ya Mfumo wa Binary. Nyota kubwa zaidi inabadilika kwanza kuwa giant nyekundu halafu kibete nyeupe. Dwarf nyeupe kisha huanza kuvutia nyenzo kutoka kwa rafiki yake, ambayo kwa hiyo inakua kuwa giant nyekundu. Hatimaye, kibete nyeupe hupata masi nyingi kiasi kwamba inasukumwa juu ya kikomo cha Chandrasekhar na kuwa supanova ya aina ya Ia.

Mlipuko huo pia huitwa supanova, kwa kuwa, kama uharibifu wa nyota ya juu-molekuli, hutoa kiasi kikubwa cha nishati kwa muda mfupi sana. Hata hivyo, tofauti na mlipuko wa nyota yenye masi ya juu, ambayo inaweza kuacha nyuma nyota ya neutroni au mabaki ya shimo jeusi, kibete kizungu kinaharibiwa kabisa katika mchakato huo, na kuacha nyuma hakuna mabaki. Tunaita milipuko nyeupe ya aina ya Ia supernovae.

Tunafafanua aina I supernovae kutoka kwa wale wa supernovae ya aina II inayotokana na kifo cha nyota kubwa zilizojadiliwa mapema kwa kutokuwepo kwa hidrojeni katika spectra yao iliyoonekana. Hidrojeni ni elementi ya kawaida katika ulimwengu na ni sehemu kubwa ya nyota kubwa, zilizobadilika. Hata hivyo, kama tulivyojifunza mapema, hidrojeni haipo na mabaki nyeupe ya kibete, ambayo kimsingi inajumuisha kaboni na oksijeni kwa raia inayofanana na kikomo cha molekuli cha Chandrasekhar.

Subdesignation “a” ya aina Ia supernovae inahusu zaidi kuwepo kwa mistari yenye nguvu ya ngozi ya silicon, ambayo haipo kutoka supernovae inayotokana na kuanguka kwa nyota kubwa. Silicon ni moja ya bidhaa zinazosababishwa na fusion ya kaboni na oksijeni, ambayo huzaa mazingira tuliyoelezea hapo juu-kwamba kuna mwanzo wa ghafla wa fusion ya kaboni (na oksijeni) ambayo kibete nyeupe kilifanywa.

Ushahidi wa uchunguzi sasa unaonyesha sana kwamba SN 1006, Supernova ya Tycho, na Supernova ya Kepler (tazama Supernovae katika Historia sanduku katika Sehemu ya 23.3) walikuwa aina zote za Ia supernovae. Kwa mfano, kinyume na kesi ya SN 1054, ambayo ilitoa pulsar inayozunguka katika Nebula ya Kaa, hakuna supernovae hii ya kihistoria inayoonyesha ushahidi wowote wa mabaki ya nyota ambayo yameokoka milipuko yao. Labda hata zaidi ya kushangaza ni kwamba, hadi sasa, wanaastronomia hawakuweza kutambua nyota rafiki kulisha kibete nyeupe katika supernovae yoyote ya kihistoria.

Kwa hiyo, ili kushughulikia siri ya nyota za rafiki zisizo mbali na puzzles nyingine bora, wanaastronomia hivi karibuni wameanza kuchunguza njia mbadala za kuzalisha aina ya Ia supernovae. Njia zote zilizopendekezwa zinategemea watoto wachanga nyeupe linajumuisha kaboni na oksijeni, ambazo zinahitajika ili kukidhi ukosefu wa hidrojeni katika wigo wa aina ya Ia. Na kwa sababu yoyote kibete nyeupe pekee chini ya molekuli ya Chandrasekhar imara, taratibu zote zilizopendekezwa zinaomba rafiki wa binary kulipuka kibete nyeupe. Utaratibu mbadala wa kuongoza wanasayansi wanaamini hujenga aina ya Ia supanova ni muungano wa nyota mbili za kibete nyeupe katika mfumo wa binary. Wafanyabiashara wawili mweupe wanaweza kuwa na njia zisizo na uhakika, kama kwamba baada ya muda, wangeweza kusonga polepole karibu mpaka waunganishe. Ikiwa molekuli yao ya pamoja ni kubwa kuliko kikomo cha Chandrasekhar, matokeo inaweza pia kuwa aina Ia supanova mlipuko.

Aina Ia supernovae ni ya riba kubwa kwa wanaastronomia katika maeneo mengine ya utafiti. Aina hii ya supanova ni nyepesi kuliko supernovae inayozalishwa na kuanguka kwa nyota kubwa. Hivyo, aina ya Ia supernovae inaweza kuonekana kwa umbali mkubwa sana, na hupatikana katika aina zote za galaxi. Pato la nishati kutoka kwa aina nyingi Ia supernovae ni thabiti, na tofauti kidogo katika luminosities yao ya juu, au jinsi pato lao la mwanga linavyoongezeka awali na kisha hupungua polepole kwa muda. Mali hizi hufanya aina ya Ia supernovae yenye thamani sana “balbu za kawaida” kwa wanaastronomia wakitazama umbali mkubwa-vizuri zaidi ya mipaka ya Galaxy yetu wenyewe. Utajifunza zaidi kuhusu matumizi yao katika kupima umbali wa galaxi nyingine katika Big Bang.

Kwa upande mwingine, aina ya II supernovae ni takriban mara 5 chini ya mwanga kuliko aina ya Ia supernovae na huonekana tu katika galaxi zilizo na malezi ya nyota ya hivi karibuni. Aina II supernovae pia ni chini thabiti katika pato yao ya nishati wakati wa mlipuko na inaweza kuwa na mbalimbali kilele uminosity maadili.

Nyota za Neutroni zilizo na

Sasa hebu tuangalie jozi ya nyota zisizofanana zaidi zinazofanyika. Inawezekana kwamba, chini ya hali nzuri, mfumo wa binary unaweza hata kuishi mlipuko wa mmoja wa wanachama wake kama supanova ya aina II. Katika hali hiyo nyota ya kawaida inaweza hatimaye kugawana mfumo na nyota ya neutroni. Ikiwa nyenzo zitahamishwa kutoka nyota “hai” hadi rafiki yake “aliyekufa” (na yenye kusisitizwa sana), nyenzo hii itavutwa ndani na mvuto mkubwa wa nyota ya neutroni. Gesi hiyo ya kuongezeka itasisitizwa na kuchomwa moto kwa joto la ajabu. Itakuwa haraka kuwa moto sana kwamba itapata kupasuka kwa fusion. Nguvu zinazohusika ni kubwa sana kwamba tunatarajia mionzi mingi kutoka kwa kupasuka kuibuka kama eksirei. Na kwa kweli, uchunguzi wa nishati ya juu juu ya anga ya Dunia (tazama Vyombo vya Astronomical) vimeandika vitu vingi vinavyopitia aina hizi za kupasuka kwa eksirei.

Ikiwa nyota ya neutroni na mwenzake zimewekwa katika njia sahihi, kiasi kikubwa cha nyenzo zinaweza kuhamishiwa kwenye nyota ya neutroni na inaweza kuiweka inazunguka kwa kasi (kama nishati ya spin pia inavyohamishwa). Radi ya nyota ya neutroni ingepungua pia kadiri masi zaidi iliongezwa. Wanaastronomia wamegundua pulsars katika mifumo ya binary ambayo inazunguka kwa kiwango cha zaidi ya mara 500 kwa sekunde! (Hizi wakati mwingine huitwa millisecond pulsars tangu vurugu hutenganishwa na maelfu kadhaa ya pili.)

Spin hiyo ya haraka haikuweza kuja kutoka kuzaliwa kwa nyota ya neutroni; ni lazima ingekuwa imesababishwa nje. (Kumbuka kwamba Crab Nebula pulsar, moja ya pulsars mdogo zaidi inayojulikana, ilikuwa inazunguka “tu” mara 30 kwa pili.) Hakika, baadhi ya pulsars ya haraka huzingatiwa kuwa sehemu ya mifumo ya binary, wakati wengine wanaweza kuwa peke yake tu kwa sababu “wamekula kikamilifu” nyota zao za zamani za mpenzi kupitia mchakato wa uhamisho wa wingi. (Hizi wakati mwingine wameitwa “pulsars mjane mweusi.”)

Tazama video hii fupi kuona Dr. Scott Fidia, wa Taifa Radio Astronomy Observatory, kueleza jinsi millisecond pulsars kuja juu, na baadhi ya mifano kwa michoro

Na kama ulidhani kwamba nyota ya neutroni inayoingiliana na nyota “ya kawaida” ilikuwa isiyo ya kawaida, kuna pia mifumo ya binary ambayo ina nyota mbili za nyutroni. Mfumo mmoja wa namna hiyo una nyota katika njia za karibu sana kwa kila mmoja, kiasi kwamba zinaendelea kubadilisha obiti za kila mmoja. Mfumo mwingine wa nyota za neutron binary unajumuisha pulsars mbili zinazozunguka kila baada ya masaa 2 na dakika 25. Kama tulivyojadiliwa hapo awali, pulsars huangaza nishati zao, na pulsars hizi mbili zinahamia polepole kuelekea kila mmoja, kama kwamba katika miaka milioni 85, wataunganisha.

Sasa tumefikia mwisho wa maelezo yetu ya hatua za mwisho za nyota, lakini kipande kimoja cha hadithi kinabaki kujazwa. Tuliona kwamba nyota ambazo mashimo yake ya msingi ni chini ya 1.4\(M_{\text{Sun}}\) wakati wa kukimbia mafuta hukoma maisha yao kama vijana weupe. Nyota zinazokufa zilizo na raia wa msingi kati ya 1.4 na takriban 3\(M_{\text{Sun}}\) huwa nyota za neutroni. Lakini kuna nyota ambazo raia wake wa msingi ni mkubwa kuliko 3\(M_{\text{Sun}}\) wakati wa kutolea nje vifaa vyao vya mafuta. Nini kinakuwa kati yao? Matokeo ya ajabu ya kifo cha cores kubwa ya stellar (inayoitwa shimo nyeusi) ni suala la sura yetu inayofuata. Lakini kwanza, tutaangalia siri ya astronomical ambayo ilibadilika kuwa kuhusiana na vifo vya nyota na ilitatuliwa kwa njia ya sleuthing wajanja na mchanganyiko wa uchunguzi na nadharia.

Dhana muhimu na Muhtasari

Wakati nyota kibete nyeupe au nyutroni ni mwanachama wa mfumo wa nyota binary karibu, nyota rafiki yake inaweza kuhamisha masi yake. Nyenzo zinazoanguka hatua kwa hatua kwenye kibete nyeupe kinaweza kulipuka katika kupasuka kwa ghafla ya fusion na kufanya nova. Ikiwa nyenzo zinaanguka haraka kwenye kibete nyeupe, kinaweza kushinikiza juu ya kikomo cha Chandrasekhar na kusababisha kulipuka kabisa kama supanova ya aina Ia. Njia nyingine inayowezekana kwa aina Ia supanova ni muungano wa dwarfs mbili nyeupe. Nyenzo zinazoanguka kwenye nyota ya neutroni zinaweza kusababisha kupasuka kwa mionzi ya eksirei. Uhamisho wa nyenzo na kasi ya angular unaweza kuharakisha mzunguko wa pulsars mpaka vipindi vyao ni maelfu machache ya pili.

maelezo ya chini

¹ Sasa tunajua kwamba istilahi hii ya kihistoria imepotosha kabisa tangu novae haitoke nyota mpya. Kwa kweli, kinyume chake, novae hutoka kwa watoto wachanga mweupe, ambao kwa kweli ni mwisho wa mageuzi ya stellar kwa nyota za chini. Lakini kwa kuwa mfumo wa nyota mbili ulikuwa mgumu mno usionekane kwa jicho la uchi, ilionekana kwa watu, kabla ya darubini zuliwa, ya kwamba nyota ilikuwa imeonekana ambapo hakuna kitu kilichoonekana.

faharasa

nova

mlipuko wa cataclysmic zinazozalishwa katika mfumo wa binary, kwa muda kuongeza mwanga wake kwa mamia hadi maelfu ya nyakati

milisecond pulsar

pulsar inayozunguka haraka sana ili inaweza kutoa mamia ya vurugu kwa pili (na kipindi chake kinapimwa kwa nukta)