Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli vuorossa fil. maist.
Panu Muhli Helsingin yliopiston
tähtitieteen laitokselta. Hänen aiheenaan
oli vuorovaikuttavat
kaksoistähdet. Esitelmän rahoitti Helsingin
yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta. Esitelmää kuulemassa oli
36 henkeä.
Taivaalla näkyy usein kaksi lähekkäistä tähteä, jotka voivat kuitenkin olla eri etäisyyksillä. Tällaisia sattumalta samassa suunnassa näkyviä tähtiä sanotaan optisiksi kaksoistähdiksi. Mutta monet lähekkäiset parit ovat todella yhtä kaukana ja muodostavat fysikaalisen järjestelmän, jossa tähdet kiertävät toistensa ympäri. Arviolta 65 % tähdistä kuuluu kaksois- tai moninkertaisiin tähtiin. Komponenttien välinen etäisyys vaikuttaa tähtien kehitykseen.
Visuaaliset kaksoistähdet
Visuaaliset kaksoistähdet erottuvat kaukoputkella erillisinä tähtinä eli komponenttien välinen etäisyys on suurempi kuin noin 0,1 kaarisekuntia. Komponenttien keskinäinen asema muuttuu vuosien kuluessa tähtien kiertäessä toistensa ympäri. Kiertoajat ovat vuosista tuhansiin vuosiin. Kiertoradan koko ja komponenttien massat voidaan laskea, jos etäisyys tunnetaan. Ensimmäisen kaksoistähden, ksi Ursae Majoriksen rata saatiin laskettua vuonna 1830.
Astrometriset kaksoistähdet
Astrometrisissa kaksoistähdissä nähdään vain yksi tähti, mutta sen heilahteleva ominaisliike osoittaa näkymättömän seuralaisen olemassaolon. Havainnot antavat vain kirkkaamman komponentin näennäisen radan järjestelmän painopisteen ympäri. Jos näkyvän komponentin massa saadaan selville, saadaan arvio myös näkymättömän komponentin massalle.
Ensimmäinen astrometrinen kaksoistähti oli Sirius, jonka 1830-luvulla huomattiin liikkuvan aaltomaisesti. Tällä menetelmällä etsitään myös ruskeita kääpiötähtiä ja planeettakuntia.
Spektroskooppiset kaksoistähdet
Spektroskooppiset kaksoistähdet näyttävät useimmiten yhdeltä tähdeltä suurimmissakin kaukoputkissa, mutta niiden spektrissä tapahtuu säännöllistä vaihtelua. Ensimmäinen spektroskooppinen kaksoistähti löydettiin 1880-luvulla. Tällöin havaittiin Otavan Mizarin spekrin viivojen säännöllisesti kahdentuvan. Dopplerin ilmiön mukaisesti spektriviivan siirtymä pois oikealta paikaltaan on suoraan verrannollinen tähden säteisnopeuteen. Toisiaan kiertävien komponenttien spekriviivojen välimatka on suurimmillaan, kun toinen tähti tulee meitä kohti ja toinen liikkuu poispäin. Siirtymän jakso on juuri tähtien kiertoaika. Spektrihavaintojen avulla voidaan laskea tähtien massat, mikäli kaksoistähden ratatason kaltevuus Maahan nähden voidaan arvioida muilla keinoin.
Fotometriset kaksoistähdet
Fotometriset kaksoistähdet ovat yleensä pimennysmuuttujia, joissa tähdet jokaisella ratakierroksellaan vuorotellen peittävät toisensa osittain tai kokonaan näkyvistä. Valokäyrien muoto ja muuttuvuus voivat kertoa mm. ratatason kaltevuuden, tähtien koon ja muodon, lämpötilajakautuman, massavirtojen geometrian ja jopa kaksoistähtisysteemin kehitysvaiheen.
Vuorovaikutusta vai ei?
Kaikki kaksoistähdet vuorovaikuttavat keskenään gravitaation välityksellä. Jos kaksoistähden komponenttien välinen etäisyys on vähintään 1 AU (Maan ja Auringon välinen etäisyys), tähdet kuitenkin kehittyvät suurinpiirtein samoin kuin yksittäiset tähdet. Komponenttien välimatkan ollessa tätä pienempi tähtien kehitys muuttuu usein dramaattisesti.
Lähekkäisen kaksoistähden massiivisemman komponentin laajentuessa jättiläiseksi ns. Rochen pinta määrää kehityskulun. Tähän liittyy myös ns. Algol-paradoksi, jossa kaksoistähden kevyempi komponentti oli alunperin massiivisempi, mutta on luovuttanut suuren osan massastaan kumppanilleen täyttäessään Rochen pintansa.
Massavirtauksen ohella muita tärkeitä kaksoistähden elämään vaikuttavia vuorovaikutuksen muotoja ovat mm. tähtituuli, magneettikentät, vuorovesivoimat, supernovaräjähdykset ja novapurkaukset.
Kaksoistähtien perustyypit
Ns. erillisessä systeemissä on vain vähän vuorovaikutusta, lähinnä tähtituulen ja vuorovesivoimien muodossa. Puoliksi erillisessä systeemissä vuorovaikutus on huomattavasti vahvempaa. Tällöin toisesta tähdestä virtaa jatkuvasti kaasua toiseen komponenttiin, ja samalla komponenttien massat muuttuvat. Kontaktikaksoistähdissä tähtien pinnat koskettavat toisiaan, ja komponenteilla voi jopa olla yhteinen kuorikerros.
Valokäyrien perusteella pimennysmuuttujat jaetaan kolmeen tyyppiin, Algol-tähtiin, beta Lyrae -tähtiin ja W UMa -tähtiin. Kaksi ensin mainittua ryhmää ovat yleensä puoliksi erillisiä järjestelmiä, ja W UMa -tähdet kontaktikaksoistähtiä.
Algol-tähdillä valokäyrän muoto on suuren osan ajasta tasainen. Valokäyrässä on kaksi hyvin erilaista minimiä, joista pääminimi on hyvin paljon syvempi kuin sivuminimi.Tämä johtuu tähtien kirkkauserosta. Kun suurempi tähti, joka yleensä on viileäpintainen jättiläinen, peittää pienemmän ja kuumemman komponentin, syntyy syvä minimi. Kun pienempi ja kirkkaampi tähti kulkee viileämmän jättiläisen editse, syntyy vain pieni minimi.
Beta Lyrae -tyyppisillä kaksoistähdillä valokäyrässä tapahtuu jatkuvaa muutosta. Tähdet ovat niin lähekkäin, että toinen on venynyt ellipsoidin muotoiseksi ja pimennysten ulkopuolellakin kirkkaus muuttuu. Painavampi tähti on materiakiekon ympäröimä. Tähtien ratajaksot ovat varsin lyhyitä, vain 0,5-10 vuorokautta.
W UMa-tähtien valokäyrässä minimit ovat suunnilleen yhtä syviä. Kyseessä on hyvin lähekkäinen systeemi, jonka molemmat komponentit täyttävät Rochen rajansa ja siten niiden pinnat koskettavat toisiaan.
Kompaktit kaksoistähdet
Kaksoistähdestä saattaa syntyä systeemi, jossa toinen komponentti on valkoinen kääpiö, neutronitähti tai musta aukko. Nämä ns. kompaktit kaksoistähdet ovat usein erittäin aktiivisia ja rajusti muuttuvia kohteita, ja ne säteilevät kaikilla aallonpituusalueilla radioaalloista aina gamma-säteisiin.
Kataklysmisiksi muuttujiksi sanotaan kaksoistähtiä, joissa tavallinen tähti luovuttaa materiaa valkoiselle kääpiölle. Tällaisia ovat kääpiönovat, klassiset novat ja polarit. Järjestelmien ominaisuudet riippuvat pitkälti valkoisen kääpiön magneettikentän voimakkuudesta.
Röntgenkaksoistähdissä puolestaan materiaa keräävä komponentti on neutronitähti tai musta aukko. Nimensä mukaisesti ne ovat koko galaksimme voimakkaimpia röntgensäteilyn lähteitä. Röntgenkaksoistähtiä tunnetaan vain runsaat sata koko Linnunradassa, vaikka niitä arvellaan olevan Linnunradassa kymmeniätuhansia.
Esitelmöitsijä puhui myös mikrokvasaareista. Ne ovat röntgenkaksoistähtiä, jotka muistuttavat kvasaareja pienoiskoossa. Niiden tunnuspiirteenä ovat materiasuihkut, joissa kuuma kaasu syöksyy ulospäin lähes valon nopeudella mustan aukon läheisyydestä.
Vuorovaikuttavien kaksoistähtien elinikä on rajallinen. Kaksoistähti voi lopulta hajota supernovaräjähdyksessä, tavallinen seuralaistähti voi menettää kaiken massansa kompaktille tähdelle ja siten kadota kokonaan, tai tähtipari sulautuu yhteen ja ehkä samalla räjähtää.
Kaksoistähtien tutkimus on osaltaan ollut luomassa perustaa koko nykyiselle modernille fysiikalle. Niiden avulla voidaan käytännön tasolla testata suhteellisuusteoriaa sekä tutkia aineen käyttäytymistä voimakkaissa magneettikentissä, äärimmäisissä tiheyksissä ja korkeissa lämpötiloissa, siis olosuhteissa joita Maan pinnalla ei kyetä aikaansaamaan. Vuorovaikuttavat kaksoistähdet ovatkin luonnon oma kosminen laboratorio.
Toukokuussa ei ole esitelmää, vaan valtakunnalliset tähtipäivät Kirkkonummella 17.-19.5. Kirkkoharjun koulun auditoriossa ja liikuntasalissa. Tähtipäivistä tarkemmin: http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/tpaivat/ Tähtipäivillä on mm. näyttely ja 7 esitelmää, mm. kuuluisa prof. Esko Valtaoja kertoo elämästä maailmankaikkeudessa. Esitelmiin ja näyttelyyn on vapaa pääsy.