Kaksoistähti määritelmä ja merkitys astrofysiikassa
Kaksoistähti on kaksi tähteä, jotka kiertävät toisiaan. Kummallekin tähdelle toinen on sen seuralustähti. Monet tähdet ovat osa kahden tai useamman tähden muodostamaa järjestelmää. Kirkkaampaa tähteä kutsutaan ensisijaiseksi tähdeksi ja toista toissijaiseksi tähdeksi.
Kaksoistähdet ovat tärkeitä astrofysiikan kannalta, koska niiden kiertoratoja tarkastelemalla tutkijat voivat selvittää niiden massat. Tästä saadaan massan ja valovoiman suhde, ja tästä saadaan yksittäisten tähtien massat.
Kaksoistähdet eivät ole sama asia kuin näköyhteydellä olevat optiset kaksoistähdet, jotka näyttävät lähekkäin olevilta, mutta joita ei yhdistä painovoima. Optiset kaksoistähdet voivat olla kaukana toisistaan avaruudessa, mutta kaksoistähdet ovat melko lähellä toisiaan. Ensimmäinen henkilö, joka löysi ja todisti todelliset kaksoistähdet, oli englantilais-saksalainen tähtitieteilijä William Herschel. Hän julkaisi ensimmäisen luettelon kaksoistähdistä, ja hänen poikansa John Herschel löysi useita tuhansia lisää ja päivitti luetteloa.
Tyypit ja havainnointimenetelmät
Kaksoistähtiä havaitaan ja luokitellaan eri tavoin riippuen siitä, miten niihin voidaan vaikuttaa havaintoaineiston perusteella:
- Visuaaliset kaksoistähdet: kumpikin komponentti voidaan erottaa teleskoopilla tai teleskooppiverkolla. Niiden taivaskuvasta voidaan suoraan mitata kulmaetäisyys ja kiertoajassa tapahtuvat muutokset.
- Spektrikaksoistähdet: komponentit ovat liian lähellä toisiaan erottuakseen visuaalisesti, mutta niiden spektreissä näkyy Doppler-siirtymiä, jotka kertovat tähtien liikenopeuksista. Spektrissä voi näkyä vuorotellen kahden eri tason viivoja (kaksiviivainen) tai vain yhden (yksiviivainen) riippuen kirkkaussuhteista.
- Pimennykselliset (eclipsing) kaksoistähdet: kiertoradan suunta on niin, että tähdet pimmentävät toisiaan nähden Maahan, jolloin järjestelmän kokonaisvaloisuus vaihtelee säännöllisesti. Pimeyskäyrät antavat tietoa säteistä ja keskinäisestä asemasta.
- Astrometriset kaksoistähdet: näkyvissä olevan tähden asemassa havaitaan pieni vuorottelu, joka viittaa näkymättömään seuralaisiin — tästä voidaan päätellä kiertorata ja minimaalisesti massa.
- Interferometria ja avaruusteleskoopit mahdollistavat hyvin lähekkäisten parien resoluution ja tarkat kulmamittaukset.
Merkitys astrofysiikassa
Kaksoistähdet ovat keskeisiä tähtien massojen, säteiden ja muiden ominaisuuksien määrityksessä. Kiertoliikkeen tutkiminen hyödyntää Keplerin lakeja ja Newtonin gravitaatiota: mittaamalla kiertoaika ja komponenttien etäisyys (tai radiaalinopeudet spektrin avulla) saadaan järjestelmän massojen summa. Kun lisäksi tiedetään kiertoradan inklinaatio (esim. pimennysjärjestelmistä tai interferometrian kautta), voidaan saada yksittäisten tähtien absoluuttiset massat.
Tämän avulla voidaan rakentaa massa–kirkkaussuhde, joka on tärkeä työkalu tähtien evoluutiomallien testaamisessa ja etäisyyksien arvioinnissa. Pimennykselliset ja spektrikombinaatiot ovat erityisen arvokkaita, koska ne antavat sekä massat että säteet ja lämpötilat hyvin pienellä epävarmuudella.
Orbitaalinen dynamiikka ja mittaukset
Keplerin lait kuvaavat tähtiä kiertävien kappaleiden liikettä. Käytännössä massojen määritykseen tarvitaan yleensä:
- kiertoaika (P)
- puolisuuri puolipääakseli (a) tai sen projektiot
- radiaalinopeuksien amplitudit spektristä
- kiertoradan inklinaatio (i)
Kun nämä tiedot yhdistetään, voidaan laskea kummankin tähden massa Newtonin version kautta. Ilman inklinaatiota saadaan vain minimiarvot (m sin i), mikä on tyypillistä yksiviivaisille spektrikaksoisjärjestelmille.
Evoluutio ja vuorovaikutukset
Kaksoistähdet voivat vaikuttaa voimakkaasti toistensa kehitykseen. Läheisissä järjestelmissä törmätään ilmiöihin kuten:
- Roche-kupin ylivuoto: toinen tähti menettää massaa seuralaiselleen, mikä muuttaa kummankin evoluutiota ja voi johtaa akkretion kiekkoihin.
- Katoavat muuttujat ja kataklysmaattiset järjestelmät: valonvaihtelut ja räjähdysmaiset tapahtumat akkretion seurauksena.
- Raskaat johtaa tyyppiä Ia supernovaan: valkoinen kääpiö voi saavuttaa kriittisen massan massansiirron kautta ja räjähtää tyyppiä Ia supernovana, joka on tärkeä etäisyysmittauksissa.
- Lähienergian lähteet: neutronitähtien tai mustien aukkojen kanssa olevat kaksoisjärjestelmät voivat synnyttää voimakasta röntgensäteilyä.
Moninkertaiset järjestelmät ja muodostuminen
Monet järjestelmät ovat hierarkkisia: esimerkiksi kolme tai useampi tähti voivat muodostaa sisemmän parin ja ulomman kiertolaisen. Kaksoistähdet muodostuvat useimmiten samaan aikaan tähtienmuodostusalueella syntyneistä tiheistä kaasupilvistä; läheisyys vaikuttaa siihen, kuinka paljon vuorovaikutusta ja massansiirtoa myöhemmin tapahtuu.
Historia ja tunnettuja esimerkkejä
Kuten mainittu, William Herschel oli ensimmäisiä, joka erotti todelliset gravitaatioisesti sidotut kaksoistähdet ja laati luetteloita. Sittemmin luettelot ovat laajentuneet merkittävästi; nykyään tunnetaan tuhansia kaksois- ja moninkertaisia järjestelmiä.
Tunnettuja esimerkkejä ovat esimerkiksi Sirius (kirkkain taivaan tähti), joka on valkoinen kääpiöseuralaisen kanssa oleva kaksoisjärjestelmä, sekä Alpha Centauri -järjestelmä, jossa kaksi kirkasta tähteä muodostavat parin ja läheinen Proxima on hiljaisempi kolmas komponentti.
Yhteenveto
Kaksoistähdet ovat avainasemassa tähtifysiikassa: ne antavat suoran tavan mitata tähtien massoja ja testata tähtien evoluutiomalleja. Eri havaintotekniikat (visuaalinen, spektrinen, pimennys ja astrometria) täydentävät toisiaan ja mahdollistavat yksityiskohtaiset analyysit, joiden avulla ymmärrämme, miten tähdet syntyvät, kehittyvät ja joskus räjähtävät.
Hubble-kuva Sirius-kaksoissysteemistä, jossa Sirius B näkyy vasemmalla alhaalla.
Albireon kaksi selvästi erottuvaa komponenttia.
Animaatio pimenevistä kaksoistähdistä
Algol B kiertää Algol A:ta. Tämä animaatio on koottu 55:stä CHARA-interferometrin lähi-infrapunan H-kaistan kuvasta.
Nykyaikaiset määritelmät
Nykymääritelmän mukaan termi kaksoistähti rajoittuu yleensä tähtipareihin, jotka kiertävät yhteisen massakeskipisteen ympäri. Kaksoistähtiä, jotka voidaan erottaa kaukoputkella tai interferometrisin menetelmin, kutsutaan visuaalisiksi kaksoistähdiksi. Useimmista tunnetuista visuaalisista kaksoistähdistä ei ole vielä havaittu yhtä kokonaista kierrosta (täydellistä ympyrää), vaan niiden nähdään kulkeneen kaarevaa rataa tai osittaista kaarta pitkin.
Jotkin tähdet näyttävät kiertävän tyhjää avaruutta, eikä niillä näytä olevan seuralaista. Tällöin seuralustähti on joko hyvin pieni ja heikko tai se on neutronitähti tai musta aukko. Tunnetuin esimerkki tähdestä, jolla on näkymätön kumppani, on Cygnus X-1, jossa näkyvän tähden kumppani näyttää olevan musta aukko.
Yleisempää termiä kaksoistähti käytetään tähtipareista, jotka näkyvät lähekkäin taivaalla. Tätä eroa tehdään harvoin muilla kielillä kuin englanniksi. Kaksoistähdet voivat olla kaksoistähtijärjestelmiä tai vain kaksi tähteä, jotka näyttävät olevan lähellä toisiaan taivaalla, mutta joiden todellinen etäisyys Auringosta on hyvin erilainen. Jälkimmäisiä kutsutaan optisiksi kaksoistähdiksi tai optisiksi pareiksi.
Visuaaliset binäärit
Visuaalinen kaksoistähti on tähti, jonka kaksi tähteä voidaan erottaa toisistaan kaukoputkella. Kirkkaampi tähti on primaaritähti ja himmeämpi tähti on sekundaaritähti. Visuaaliset kaksoistähdet kiertävät toisiaan pitkään, satoja tai jopa tuhansia vuosia.
Spektroskooppiset kaksoispisteet
Spektroskooppinen kaksoistähti on sellainen, jossa kahta tähteä ei voi nähdä erikseen edes kaukoputkella. Ne ovat hyvin lähellä toisiaan ja liikkuvat toistensa ympärillä hyvin nopeasti, muutaman viikon tai jopa muutaman päivän aikana. Ne voidaan kuitenkin havaita kahdeksi erilliseksi tähdeksi käyttämällä spektroskooppia, joka pystyy rekisteröimään nopeasti Maata kohti tai Maasta poispäin liikkuvien tähtien lähettämän valon värin Doppler-muutoksen.
Pimenevät binäärit
Joidenkin spektroskooppisten kaksoisplaneettojen kiertorata on reunimmainen Maahan nähden. Tällöin tähdet kulkevat vuorotellen kumppanitähden edestä ja pimentävät sen, jolloin syntyy niin sanottu pimenevä kaksoistähti. Tällöin kaksoistähdestä näkyvä valon määrä himmenee hieman sinä aikana, kun toinen tähti on toisen edessä.
Astrometriset binäärit
Astrometrinen kaksoistähti on sellainen, jossa vain toinen seuralainen voidaan nähdä. Astrometristen kaksoistähtien kohdalla, jotka ovat melko lähellä Maata (enintään noin 10 parsekia), voi olla mahdollista nähdä näkyvän kumppanin "heilahtelevan", kun se liikkuu näkymättömän kumppaninsa ympärillä. Tekemällä mittauksia pitkän ajanjakson aikana voidaan ehkä laskea näkyvän tähden massa ja sen kiertoradan pituus. Menetelmää käytetään myös tähteä kiertävien suurten planeettojen havaitsemiseen; vuoteen 2007 mennessä tällä tavoin on löydetty yli kaksisataa planeettaa.
Järjestelmän ominaisuudet
Useimmat binäärit ovat irrallisia binäärejä. Niillä ei ole toisiinsa mitään vaikutusta lukuun ottamatta niiden toisiinsa kohdistuvaa vetovoimaa.
Jotkin kaksoistähdet ovat niin lähellä toisiaan, että toinen tai molemmat tähdet pystyvät vetämään materiaalia toisistaan. Kosketuksissa olevilla kaksoistähdillä on sama tähtikehä, ja kun kitka hidastaa niitä pitkän ajan kuluessa, ne voivat sulautua yhdeksi tähdeksi. Tämä väkivaltainen tapahtuma saa ne väliaikaisesti loistamaan kirkkaammin, kirkkaammin kuin nova mutta vähemmän kirkkaasti kuin supernova.
Muodostuminen
Vaikka on mahdollista, että kaksoistähdet voivat muodostua, kun yksi tähti kulkee hyvin lähellä toista, se on erittäin epätodennäköistä (koska tarvittaisiin kolme tähteä lähelle toisiaan, ennen kuin kaksi voisi liittyä toisiinsa), ja se tapahtuisi vain sellaisissa paikoissa, joissa tähdet ovat tiiviisti kerääntyneet yhteen. Nykyisen käsityksemme mukaan lähes kaikki kaksoistähdet muodostuvat yhdessä tiheissä kaasupilvissä, joissa tähdet syntyvät.
Karkulaiset ja novat
On mahdollista (vaikkakaan ei todennäköistä), että ohi kulkeva tähti häiritsee kaksoistähtijärjestelmää ja tuottaa tarpeeksi gravitaatiovoimaa kaksoistähden jakautumiseen. Tällaiset erotetut tähdet jatkavat elämäänsä tavallisina yksittäisinä tähminä. Joskus gravitaatiovoima on kuitenkin niin suuri, että kakkoset etääntyvät toisistaan suurella nopeudella, jolloin syntyy niin sanottuja karkaavia tähtiä.
Joskus tähti kiertää valkoista kääpiötähteä. Jos se on tarpeeksi suuri ja tarpeeksi lähellä valkoista kääpiötä, kääpiö voi imeä kaasuja seuralaisensa ilmakehästä. Ajan kuluessa valkoiseen kääpiöön voi kerääntyä paljon kaasua. Kun tämä kaasu tiivistyy valkoisen kääpiön painovoiman vaikutuksesta, siinä tapahtuu lopulta ydinfuusio, joka johtaa hyvin kirkkaaseen valonpurkaukseen, jota kutsutaan novaksi. Joissakin tapauksissa valkoiseen kääpiöön voi kerääntyä niin paljon kaasua, että räjähdys tuhoaa sen kokonaan, jolloin syntyy niin sanottu supernova. Tällainen tapahtuma voi johtaa myös karkaaviin tähtiin, kun suuremmalla tähdellä ei ole enää raskasta kumppania, joka pitää sen kiertoradalla.
X - Ray Binaries
Röntgenkaksoistähdet tuottavat suuria määriä röntgensäteilyä. Ne syntyvät, kun massiivinen tähti syö vähemmän massiivista tähteä. Pienemmästä tähdestä tulee luovuttaja, ja sen aine valuu ulos ja putoaa massiivisempaan (mutta kompaktimpaan) tähteen, akkretoriin. Tällöin vapautuu suurienergisiä fotoneja, esimerkiksi röntgensäteilyn aallonpituusalueella. Röntgensäteet ovat peräisin myös massiivisemman tähden pinnalla tapahtuvasta aineen kulumisesta prosessissa, jota kutsutaan lämpöydinpoltoksi. Tämä voi aiheuttaa 10 sekunnin pituisia purkauksia.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on kaksoistähti?
A: Kaksoistähti on kaksi tähteä, jotka kiertävät toisiaan.
K: Mikä on kirkkaamman tähden nimi kaksoistähtijärjestelmässä?
V: Kirkkaampaa tähteä kutsutaan ensisijaiseksi tähdeksi.
K: Minkä avulla tutkijat voivat selvittää kaksoistähtien massat?
V: Kaksoistähtien kiertoratoja tarkastelemalla tutkijat voivat selvittää niiden massat.
K: Mitä eroa on kaksoistähtien ja näköyhteydellä olevien optisten kaksoistähtien välillä?
V: Kaksoistähdet ovat lähempänä toisiaan ja painovoiman yhdistämiä, kun taas näköyhteydellä olevat optiset kaksoistähdet voivat näyttää vain läheisiltä, mutta painovoima ei yhdistä niitä.
K: Kuka löysi ja todisti todelliset kaksoistähdet?
V: William Herschel oli ensimmäinen henkilö, joka löysi ja todisti todelliset kaksoistähdet.
K: Mitä John Herschel teki kaksoistähtien löytämisen suhteen?
V: John Herschel löysi useita tuhansia uusia kaksoistähtiä ja päivitti luetteloa, jonka hänen isänsä William Herschel oli julkaissut.
K: Kuka ehdotti, että kaksoistähdet voisivat olla fyysisesti kiinni toisissaan?
V: John Michell ehdotti ensimmäisenä, että kaksoistähdet voisivat olla fyysisesti kiinnittyneet toisiinsa, kun hän väitti vuonna 1767, että todennäköisyys sille, että kaksoistähti johtuisi sattumanvaraisesta kohdakkainasettelusta, oli pieni.
