РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМИИ
на тему
"Что такое звезды"ученицы 11 класса 9 группы
экстерната средней школы 41
Камалендиновой Адили.
Содержание
Качественные характеристики звезд 1Светимость 1
Температура 2
Спектры звезд 2
Химический состав звезд 2
Радиус звезд 3
Масса звезд 3
Диаграмма Герцшпрунга — Ресселла. 3
Звезды - ядерные реакторы 4
Рождение звезд 6
Эволюция звезд 8
Конец звезды 10
Белые карлики 10
Черные карлики 10
Нейтронные звезды 10
Пульсары 11
Сверхновые 11
Черные дыры 11
Список литературы 12
У холодных красных звезд спектры характеризуются линиями поглощения нейтральных атомов металлов и полосами некоторых простейших соединений (например, CN, СП, Н20 и др.). По мер увеличения температуры поверхности в спектрах звезд исчезают молекулярные полосы, слабеют многие линии нейтральных атомов, а также линии нейтрального гелия. Сам вид спектра радикально меняется. Например, у горячих звезд с температурой поверхностных слоев, превышающей 20 тыс. К, наблюдаются преимущественно линии нейтрального и ионизованного гелия, а непрерывный спектр очень интенсивен в ультрафиолетовой части. У звезд с температурой поверхностных слоев около 10 тыс. К наиболее интенсивны линии водорода, в то время как у звезд с температурой около 6 тыс. К. линии ионизированного кальция, расположенные на границе видимой и ультрафиолетовой части спектра. Заметим, что такой вид I имеет спектр нашего Солнца.
Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам. Тонкий анализ этих линий позволил получить особенно ценную информацию о природе наружных слоев звезд.
Хотя по числу атомов так называемые "тяжелые металлы" (т.е. элементы с атомной массой, большей, чем у гелия) занимают во Вселенной весьма скромное место, их роль очень велика. Прежде всего, они определяют характер эволюции звезд, т.к. непрозрачность звездных недр для излучений существенно зависит от ее непрозрачности.
Наличие во Вселенной (в частности в звездах) тяжелых элементов имеет важное значение. Совершенно очевидно, что живая субстанция может быть построена только при наличии тяжелых элементов и их соединений. Общеизвестна роль углерода в структуре живой материи. Не менее важны и другие элементы, например железо, фосфор. Царство живого - это сложнейшие сцепления тяжелых элементов. Мы можем, поэтому со всей определенностью сформулировать следующее положение: если бы не было тяжелых металлов, не было бы и жизни. Поэтому проблема химического состава космических объектов (звезд, туманностей, планет) имеет первостепенное значение для анализа условий возникновения жизни в тех или иных слоях Вселенной.
Считается, что объекты с массами меньшими 0,02 М уже не являются звездами. Они лишены внутренних источников энергии, и их светимость близка к нулю. Обычно эти объекты относят к планетам. Наибольшие непосредственно измеренные массы не превышают 60 М .
На горизонтальной оси диаграммы Герцшпрунга — Ресселла (диаграммы Г. — Р) откладывают температуру звезды, а на вертикальной — ее светимость в относительных единицах (по отношению к светимости Солнца). Каждой звезде на диаграмме отвечает вполне определенная точка. Обычно говорят, что место на диаграмме занимает звезда, а не соответствующая ей точка, и при обсуждении эволюции звезд пишут: «звезда движется по диаграмме», подразумевая при этом, что в процессе эволюции звезды из-за изменения температуры и светимости звезды соответствующая ей точка на диаграмме Г. — Р. меняет свое положение.
Из этой диаграммы следует, что светимость звезды и ее спектральный класс связаны между собой определенной, хотя и не однозначной зависимостью. Большинство звезд расположено вдоль линии, идущей от горячих и ярких звезд к холодным и слабым («тусклым») звездам. Это и есть известная главная последовательность, а принадлежащие ей звезды - звездами главной последовательности. К этой последовательности принадлежит подавляющее большинство звезд, в том числе и наше Солнце (спектральный класс G2). Главная последовательность в месте, отмеченном вертикальной чертой, делится на верхнюю и нижнюю части. Звезды нижней части главной последовательности называются желтыми или красными карликами (в зависимости от их температуры). Солнце — типичный желтый карлик.
Выше главной последовательности в области температур ниже 6000 К расположены звезды, образующие группу красных гигантов (их светимость порядка 102—103 и радиус порядка 10—60 R ) и группу красных сверхгигантов (L 10 L , R 200—300 R ). Звезды горячие (T ЗОООО К) и яркие (L 104 — 106L , R 40 R ) называются белыми сверхгигантами. Заметьте, что холодных и слабых звезд гораздо больше, чем горячих и ярких.
В левом нижнем углу диаграммы находятся белые карлики (T 10000 К, L 10-4L , R O,Ol R ).
Итак, мы видим, что светимость звезды и спектральный класс взаимосвязаны. Одна из первых задач теории — объяснить эту зависимость, найти физические явления, лежащие в ее основе. Как это сделала современная астрофизика, мы увидим позже. Здесь же только отметим, что сразу после построения этой диаграммы ей приписали эволюционное значение: предполагалось, что звезды эволюционируют вдоль главной последовательности от горячих и ярких звезд к холодным и слабым. Потом выяснилось, что эволюция звезд имеет более сложный характер, и до сих пор звезды, изображения которых находятся в левой верхней части диаграммы, называют "ранними", а звезды другого конца главной последовательности — "поздними".
Опишем сначала протон-протонную реакцию.
Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в результате которых получается ядро тяжелого водорода — дейтерия. Даже в условиях звездных недр это происходит очень редко. Как правило, столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы просто разлетаются в разные стороны. Для того чтобы в результате столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо, чтобы при таком столкновении выполнялось два независимых условия. Во-первых, надо, чтобы у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия раз в двадцать превосходила бы среднюю энергию тепловых движений при температуре звездных недр. Как уже говорилось выше, только одна стомиллионная часть протонов имеет такую относительно высокую энергию, необходимую для преодоления «кулоновского барьера». Во-вторых, необходимо, чтобы за время столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Ибо только протон с нейтроном могут образовать ядро дейтерия! Заметим, что длительность столкновения всего лишь около 10-21 секунды (оно порядка классического радиуса протона, поделенного на его скорость). Если все это учесть, то получается, что каждый протон имеет реальные шансы превратиться таким способом в дейтерий только раз в несколько десятков миллиардов лет. Но так как протонов в недрах звезд достаточно много, такие реакции, и притом в нужном количестве, будут иметь место.
По-другому складывается судьба вновь образовавшихся ядер дейтерия. Они "жадно", всего лишь через несколько секунд, "заглатывают" какой-нибудь близкий протон, превращаясь в изотоп гелия 3Не. После этого возможны три пути (ветви) ядерных реакций. Чаще всего изотоп гелия будет взаимодействовать с подобным себе ядром, в результате чего образуется ядро "обыкновенного" гелия и два протона. Так как концентрация изотопа Не чрезвычайно мала, это произойдет через несколько миллионов лет. Напишем теперь последовательность этих реакций и выделяющуюся при них энергию.Здесь буква v означает нейтрино, а у — гамма-квант. Не вся освободившаяся в результате этой цепи реакций энергия передается звезде, так как часть энергии уносится нейтрино. С учетом этого обстоятельства энергия, выделяемая при образовании одного ядра гелия, равна 26,2 МэВ или 4,2 •10-5 эрг.
Вторая ветвь протон-протонной реакции начинается с соединения ядра Не с ядром "обыкновенного" гелия 4Не, после чего образуется ядро бериллия 7Be. Ядро бериллия в свою очередь может захватить протон, после чего образуется ядро бора 8В, или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае образовавшийся радиоактивный изотоп 8В претерпевает бета-распад:
Заметим, что нейтрино, образовавшиеся при этой реакции, как раз и обнаружили при помощи уникальной, дорогостоящей установки. Радиоактивный бериллий Ве весьма неустойчив и быстро распадается на две альфа-частицы. Наконец, последняя, третья ветвь протон-протонной реакции включает в себя следующие звенья: 7Ве после захвата электрона превращается в 7li, который, захватив протон, превращается в неустойчивый изотоп 8Be, распадающийся, как и во второй цепи, на две альфа-частицы.
Еще раз отметим, что подавляющее большинство реакций идет по первой цепи, но роль "побочных" цепей отнюдь не мала. Перейдем теперь к рассмотрению углеродно-азотного цикла. Этот цикл состоит из шести реакций.
Поясним содержание этой таблицы. Протон, сталкиваясь с ядром углерода, превращается в радиоактивный изотоп азота 13N. При этой реакции излучается -квант. Изотоп 13N, претерпевая - распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в изотоп углерода 13С. Последний, сталкиваясь с протоном, превращается в обычное ядро азота 14N. При этой реакции также испускается -квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода 15О и -квант. Затем этот изотоп путем -распада превращается в изотоп азота 15N. Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное "утяжеление" ядра углерода путем присоединения протонов с последующими -распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образование нового ядра гелия за счет четырех протонов, которые в разное время один за другим присоединились к 12С и образующимся из него изотопам. Как видно, никакого изменения числа ядер 12С в веществе, в котором протекает эта реакция, не происходит. Углерод служит здесь "катализатором" реакции.
Во втором столбце приводится энергия, выделяющаяся на каждом этапе углеродно-азотной реакции. Часть этой энергии выделяется в форме нейтрино, возникающих при распаде радиоактивных изотопов 13N и 15О. Нейтрино свободно выходят из звездных недр наружу, следовательно, их энергия не идет на нагрев вещества звезды. Например, при распаде 15Оэнергия образующегося нейтрино составляет в среднем около 1 МэВ. Окончательно при образовании одного ядра гелия путем углеродно-азотной реакции выделяется (без учета нейтрино) 25 МэВ энергии, а нейтрино уносят около 5% этой величины.
В третьем столбце таблицы II приведены значения скорости различных звеньев углеродно-азотной реакции. Для - процессов это просто период полураспада. Значительно труднее определить скорость реакции, когда происходит утяжеление ядра путем присоединения протона. В этом случае надо знать вероятности проникновения протона через кулоновский барьер, а также вероятности соответствующих ядерных взаимодействий, так как само по себе проникновение протона в ядро еще не обеспечивает интересующего нас ядерного превращения. Вероятности ядерных реакций получаются из лабораторных экспериментов либо вычисляются теоретически. Для их надежного определения потребовались годы напряженной работы физиков-ядерщиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. Числа в третьем столбце дают "время жизни" различных ядер для центральных областей звезды с температурой в 13 миллионов Кельвинов и плотностью водорода 100 г/см3. Например, для того чтобы при таких условиях ядро 12С, захватив протон, превратилось в радиоактивный изотоп углерода, надо "подождать" 13 миллионов лет! Следовательно, для каждого "активного" (т. е. участвующего в цикле) ядра реакции протекают чрезвычайно медленно, но все дело в том, что ядер достаточно.
Основным источником энергии Солнца, температура центральных областей которого близка к 14 миллионам кельвинов, является протон- протонная реакция. Для более массивных, а следовательно, и более горячих звезд существенна углеродно-азотная реакция, зависимость которой от температуры значительно более сильная.
Непрерывно идущие в центральных областях звезд ядерные реакции «медленно, но верно» меняют химический состав звездных недр. Главная тенденция этой химической эволюции—превращение водорода в гелий. Помимо этого в процессе углеродно-азотного цикла меняется относительная концентрация различных изотопов углерода и азота до тех пор, пока не установится некоторое определенное равновесие. При таком равновесии количество реакций за единицу времени, приводящих к образованию какого-нибудь изотопа, равно количеству реакций, которые его "разрушают". Однако время установления такого равновесия может быть очень большим. А пока равновесие не установится, относительные концентрации различных изотопов могут меняться в самых широких пределах.
Ядерные процессы играют, как мы видели в этом параграфе, фундаментальную роль в длительной, спокойной эволюции звезд, находящихся на главной последовательности. Но, кроме того, их роль является определяющей при быстро протекающих нестационарных процессах взрывного характера, являющихся поворотными этапами в эволюции звезд. Наконец, даже, казалось бы, для такой в высшей степени тривиальной и очень "спокойной" звезды, какой является наше Солнце, ядерные реакции открывают возможность объяснения явлений, которые представляются очень далекими от ядерной физики.
Важным аргументом в пользу вывода о том, что звезды образуются из межзвездной газово-пылевой среды, служит расположение групп заведомо молодых звезд (так называемых «ассоциаций») в спиральных ветвях Галактики. Дело в том, что согласно радиоастрономическим наблюдениям межзвездный газ концентрируется преимущественно в спиральных рукавах галактик. В частности, это имеет место и в нашей Галактике. Более того, из детальных «радио изображений» некоторых близких к нам галактик следует, что наибольшая плотность межзвездного газа наблюдается на внутренних (по отношению к центру соответствующей галактики) краях спирали, что находит естественное объяснение, на деталях которого мы здесь останавливаться не будем. Но именно в этих частях спиралей наблюдаются методами оптической астрономии «зоны Н Н», т. е. облака ионизованного межзвездного газа. Причиной ионизации таких облаков может быть только ультрафиолетовое излучение массивных горячих звезд — объектов заведомо молодых.
Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. В прошлом веке и в начале этого века предлагались различные гипотезы о природе источников энергии Солнца и звезд. Некоторые ученые, например, считали, что источником солнечной энергии является непрерывное выпадение на его поверхность метеоров, другие искали источник в непрерывном сжатии Солнца. Освобождающаяся при таком процессе потенциальная энергия могла бы, при некоторых условиях» перейти в излучение. Как мы увидим, ниже, этот источник на раннем этапе эволюции звезды может быть довольно эффективным, но он никак не может обеспечить излучение Солнца в течение требуемого времени.
Успехи ядерной физики позволили решить проблему источников звездной энергии еще в конце тридцатых годов нашего столетия. Таким источником являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при господствующей там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов градусов).
В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры, протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно "просачивается" сквозь недра звезд и в конце концов, значительно трансформированная, излучается в мировое пространство. Это исключительно мощный источник. Если предположить, что первоначально Солнце состояло только из водорода, который в результате термоядерных реакций целиком превратится в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 1052 эрг. Таким образом, для поддержания излучения на наблюдаемом уровне в течение миллиардов лет достаточно, чтобы Солнце "израсходовало" не свыше 10% своего первоначального запаса водорода.
Теперь мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Строго говоря, этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься. Некоторые астрономы раньше считали, что такие протозвезды наблюдаются в отдельных туманностях в виде очень темных компактных образований, так называемых глобул. Успехи радиоастрономии, однако, заставили отказаться от такой довольно наивной точки зрения. Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам. Весьма вероятно, (что на этом самом раннем этапе эволюции звезды вокруг нее образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты.
При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным. Коль скоро поток излучения с единицы поверхности пропорционален четвертой степени температуры (закон Стефана — Больцмана), температура поверхностных слоев звезды сравнительно низка, между тем как ее светимость почти такая же, как у обычной звезды с той же массой. Поэтому на диаграмме "спектр —светимость" такие звезды расположатся вправо от главной последовательности, т. е. попадут в область красных гигантов или красных карликов, в зависимости от значений их первоначальных масс.
В дальнейшем протозвезда продолжает сжиматься. Ее разморы становятся меньше, а поверхностная температура растет вследствие чего спектр становится все более ранним. Таким образом, двигаясь по диаграмме "спектр — светимость", протозвезда довольно быстро "сядет" на главную последовательность. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для тою, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давление газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение и газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой.
Б 5966 г. совершенно неожиданно выявилась возможность наблюдать протозвезды на ранних стадиях их эволюции. Велико же было удивление радиоастрономов, когда при обзоре неба на волне 18 см, соответствующей радиолинии ОН, были обнаружены яркие, чрезвычайно компактные (т. е. имеющие малые угловые размеры) источники. Это было настолько неожиданно, что первое время отказывались даже верить, что столь яркие радиолинии могут принадлежать молекуле гидроксила. Была высказана гипотеза, что эти линии принадлежат какой-то неизвестной субстанции, которой сразу же дали "подходящее" имя "мистериум". Однако "мистериум" очень скоро разделил судьбу своих оптических "братьев" — "небулия" и "короння". Дело в том, что многие десятилетия яркие линии туманностей и солнечной короны не поддавались отождествлению с какими бы то ни было известными спектральными линиями. Поэтому их приписывали неким, неизвестным на земле, гипотетическим элементам — "небулию" и "коронию". В 1939—1941 гг. было убедительно показано, что загадочные линии "корония" принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция.
Если для "развенчания" "небулия" и "корония" потребовались десятилетия, то уже через несколько недель после открытия стало ясно, что линии "мистериума" принадлежат обыкновенному гидроксилу, но только находящемуся в необыкновенных условиях.
Итак, источники "мистериума" — это гигантские, природные космические мазеры, работающие на волне линии гидроксила, длина которой 18 см. Именно в мазерах (а на оптических и инфракрасных частотах — в лазерах) достигается огромная яркость в линии, причем спектральная ширина ее мала. Как известно, усиление излучения в линиях благодаря такому эффекту возможно тогда, когда среда, в которой распространяется излучение, каким-либо способом "активирована". Это означает, что некоторый "сторонний" источник энергии (так называемая "накачка") делает концентрацию атомов или молекул на исходном (верхнем) уровне аномально высокой. Без постоянно действующей "накачки" мазер или лазер невозможны. Вопрос о природе механизма "накачки" космических мазеров, пока еде окончательно не решен. Однако скорее всего "накачкой" служит достаточно мощное инфракрасное излучение. Другим возможным механизмом «накачки» могут быть некоторые химические реакции.
Механизм "накачки" этих мазеров пока еще не совсем ясен, все же можно составить себе грубое представление о физических условиях в облаках, излучающих мазерным механизмом линию 18 см. Прежде всего, оказывается, что эти облака довольно плотны: в кубическом сантиметре там имеется по крайней мере 108—109 частиц, причем существенная (а может быть и большая) часть их — молекулы. Температура вряд ли превышает две тысячи градусов, скорее всего она порядка 1000 градусов. Эти свойства резко отличны от свойств даже самых плотных облаков межзвездного газа. Учитывая еще сравнительно небольшие размеры облаков, мы невольно приходим к выводу, что они скорее напоминают протяженные, довольно холодные атмосферы звезд — сверхгигантов. Очень похоже, что эти облака есть не что иное, как ранняя стадия развития протозвезд, следующая сразу за их конденсацией из межзвездной среды. В пользу этого утверждения (которое автор этой книги высказал еще в 1966 г.) говорят и другие факты. В туманностях, где наблюдаются космические мазеры, видны молодые горячие звезды. Следовательно, там недавно закончился и, скорее всего, продолжается и в настоящее время, процесс звездообразования. Пожалуй, самое любопытное это то, что, как показывают радиоастрономические наблюдения, космические мазеры этого типа как бы "погружены" в небольшие, очень плотные облака ионизованного водорода. В этих облаках имеется много космической пыли, что делает их ненаблюдаемыми в оптическом диапазоне. Такие "коконы" ионизуются молодой, горячей звездой, находящейся внутри них. При исследовании процессов звездообразования весьма полезной оказалась инфракрасная астрономия. Ведь для инфракрасных лучей межзвездное поглощение света не так существенно.
Мы можем теперь представить следующую картину: из облака межзвездной среды, путем его конденсации, образуются несколько сгустков разной массы, эволюционирующих в протозвезды. Скорость эволюции различна: для более массивных сгустков она будет больше. Поэтому раньше всего превратится в горячую звезду наиболее массивный сгусток, между тем как остальные будут более или менее долго задерживаться на стадии протозвезды. Их-то мы и наблюдаем как источники мазерного излучения в непосредственной близости от "новорожденной" горячей звезды, ионизующей не сконденсировавший в сгустки водород "кокона". Разумеется, эта грубая схема будет в дальнейшем уточняться, причем, конечно, в нее будут внесены существенные изменения. Но факт остается фактом: неожиданно оказалось, что некоторое время (скорее всего — сравнительно короткое) новорожденные протозвезды, образно выражаясь, "кричат" о своем появлении на свет, пользуясь новейшими методами квантовой радиофизики (т. е. мазерами).
Оказавшись на главной последовательности и перестав сжигаться, звезда длительно излучает практически не меняя своего положения на диаграмме "спектр - светимость". Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет собой как бы геометрическое место точек на диаграмме "спектр - светимость", где звезда (в зависимости от ее массы) может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям. Место звезды на главной последовательности определяется ее массой. Следует заметить, что имеется еще один параметр, определяющий положение равновесной излучающей звезды на диаграмме "спектр- светимость". Таким параметром является первоначальный химический состав звезды. Если относительное содержание тяжелых элементов уменьшится, звезда "ляжет" на диаграмме ниже. Именно этим обстоятельством объясняется наличие последовательности субкарликов. Как уже говорилось выше, относительное содержание тяжелых элементов у этих звезд в десятки раз меньше, чем у звезд главной последовательности.
Время пребывания звезды на главной последовательности определяется ее первоначальной массой. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность и она довольно быстро расходует запасы своего водородного "горючего". Так, например, звезды главной последовательности с массой, превышающей солнечную в несколько десятков раз (это горячие голубые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на этой последовательности всего лишь несколько миллионов лет, в то время как звезды с массой, близкой к солнечной, находятся на главной последовательности 10—15 млрд. лет.
"Выгорание" водорода (т. е. превращение его в гелий при термоядерных реакциях) происходит только в центральных областях звезды. Это объясняется тем, что звездное вещество перемешивается лишь в центральных областях звезды, где идут ядерные реакции, в то время как наружные слон сохраняют относительное содержание водорода неизменным. Так как количество водорода в центральных областях звезды ограниченно, рано или поздно (в зависимости от массы звезды) он там практически весь "выгорит". Расчеты показывают, что масса и радиус центральной ее области, в которой идут ядерные реакции, постепенно уменьшаются, при этом звезда медленно перемещается на диаграмме "спектр - светимость" вправо. Этот процесс происходит значительно быстрее у сравнительно массивных звезд.
Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре "выгорит"? Так как выделение энергии в центральных областях звезды прекращается, температура и давление не могут поддерживаться там на уровне, необходимом для противодействия силе тяготения, сжимающей звезду. Ядро звезды начнет сжиматься, а температура его будет повышаться. Образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия (в который превратился водород) с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в таком состоянии носит название "вырожденного". Он обладает рядом интересных свойств. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра, в сравнительно тонком слое. Звезда как бы "разбухает", и начнет "сходить" с главной последовательности, переходя в области красных гигантов. Далее, оказывается, что звезды гиганты с меньшим содержанием тяжелых элементов будут иметь при одинаковых размерах более высокую светимость.
Мощное ультрафиолетовое излучение звезды — ядра планетарной туманности — будет ионизовать атомы в оболочке, возбуждая их свечение. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится в белый карлик.
Таким образом белые карлики как бы "вызревают" внутри звезд — красных гигантов — и "появляются на свет" после отделения наружных слоев гигантских звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе белые карлики, в которых весь водород "выгорел" и ядерные реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Логическим выводом отсюда является признание генетической связи между самыми поздними этапами эволюции звезд и белыми карликами.
Такие грандиозные звездные взрывы называются сверхновыми. Сверхновые - довольно редкое явление. Каждый год и других галактиках обнаруживают от 20 до 30 сверхновых, главным образом в результате систематического поиска. За столетие в каждой галактике их может быть от одной до четырех. Однако в нашей собственной Галактике сверхновых не наблюдали с 1604 г. Может быть, они и были, но остались невидимыми из-за большого количества пыли в Млечном Пути.
Превратившись в черную дыру, небесное тело не исчезает из Вселенной. Оно дает о себе знать внешнему миру благодаря своей гравитации. Черная дыра поглащает световые лучи, идущие от нее на более значительное расстояние. Черная дыра может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.Мы неоднократно подчеркивали, что скорость эволюции звезд определяется их первоначальной массой. Так как по ряду признаков со времени образования нашей звездной системы — Галактики — прошло около 15—20 млрд. лет, то за это конечное (хотя и огромное) время весь описанный эволюционный путь прошли только те звезды, массы которых превышают некоторую величину. По-видимому, эта "критическая" масса всего лишь на 10—20% превышает массу Солнца. С другой стороны, как уже подчеркивалось, процесс образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды происходил в нашей Галактике непрерывно. Он происходит и сейчас. Именно поэтому мы наблюдаем горячие массивные звезды в левой верхней части главной последовательности. Но даже звезды, образовавшиеся в самом начале формирования Галактики, если их масса их меньше чем 1,2 солнечной, еще не успели сойти с главной последовательности. Заметим, кстати, что темп звездообразования в настоящее время значительно ниже, чем много миллиардов лет назад. Солнце образовалось около 5 млрд. лет назад, когда Галактика уже давно сформировалась и в основных чертах была сходна с "современной". Вот уже, по крайней мере, 4,5 млрд. лет оно "сидит" на главной последовательности, устойчиво излучая благодаря ядерным реакциям превращения водорода в гелий, протекающим в его центральных областях. Сколько еще времени это будет продолжаться? Расчеты показывают, что наше Солнце станет красным гигантом через 8 млрд. лет. При этом его светимость увеличится в сотни раз, а радиус — в десятки. Эта стадия эволюции нашего светила займет несколько сот миллионов лет. Наконец, тем или иным способом разбухшее Солнце сбросит свою оболочку и превратится в белый карлик. Вообще говоря, нам, конечно, небезразлична судьба Солнца, так как с нею тесно связано развитие жизни на Земле.
netnado.ru
Испокон веков Человек старалсядать название предметам и явлениям, которые его окружали. Это относится и кнебесным телам. Сначала названия получили самые яркие, хорошо видимые звёзды, стечением времени – и другие.
Некоторые звёзды получили названия в соответствиис положением, которое они занимают в созвездии. Например, находящаяся всозвездии Лебедя звезда Денеб (слово переводится как «хвост») действительнодислоцируется в этой части тела воображаемого лебедя. Ещё один пример. ЗвездаОмикрон, она больше известна под названием Мира, что переводится с латинскогокак «удивительная», находится в созвездии Кита. Мира обладает способностьюизменять свою яркость. На длительные периоды она вообще исчезает из полязрения, имеются в виду наблюдения невооружённым глазом. Название звезды иобъясняется её спецификой. В основном звёзды получили названия в эпохуантичности, поэтому нет ничего удивительного в том, что большинство названийимеет латинские, греческие, а позже и арабские корни.Открытие звёзд, видимый блеск которых со временемменяется, привело к специальным обозначениям. Они обозначаются прописнымилатинскими буквами, за которыми следует название созвездия в родительномпадеже. Но первая переменная звезда, обнаруженная в каком-то созвездии,обозначается не буквой A. Отсчёт ведётся от буквы R.Следующая звезда обозначается буквой Sи так далее. Когда всебуквы алфавита исчерпаны, начинается новый круг, то есть после Zсноваиспользуется A. При этом буквы могут удваиваться, например «RR». «RЛьва»означает, что это первая открытая переменная звезда в созвездии Льва.
КАК РОЖДАЕТСЯ ЗВЕЗДА.
Звёзды рождаются, когда облако, состоящее в основномиз межзвёздного газа и пыли, сжимается и уплотняется под действием собственнойгравитации. Считается, что именно этот процесс приводит к образованию звёзд. Спомощью оптических телескопов астрономы могут увидеть эти зоны, они похожи натёмные пятна на ярком фоне. Их называют «гигантскими комплексами молекулярныхоблаков», потому что водород входит в их состав в форме молекул. Эти комплексы,или системы, наряду с шаровыми звёздными скоплениями, представляют собой самыекрупные структуры в галактике, их диаметр иногда достигает 1300 световых лет.
Более молодые звёзды, их называют «звёздноенаселение I», образовались из остатков, получившихся врезультате вспышек старых звёзд, их называют «звёздное население II».Вспышка взрывного характера вызывает ударную волну, которая доходит доближайшей туманности и провоцирует её сжатие.
Глобулы Бока.
Итак, происходит сжатие части туманности.Одновременно с этим процессом начинается образование плотных тёмных газопылевыхоблаков круглой формы. Их называют «глобулы Бока». Бок – американский астрономголландского происхождения (1906-1983) – впервые описал глобулы. Масса глобулпримерно в 200 раз превышает массу нашего Солнца.
По мере того как глобула Бока продолжает сгущаться,её масса увеличивается, притягивая к себе благодаря гравитации материю изсоседних областей. В связи с тем, что внутренняя часть глобулы сгущаетсябыстрее, чем внешняя, глобула начинает разогреваться и вращаться. Черезнесколько сотен тысяч лет, во время которых происходит сжатие, образуетсяпротозвезда.
Эволюцияпротозвезды.
Благодаря увеличению массы к центру протозвездыпритягивается всё больше материи. Энергия, высвободившаяся из сжимающегосявнутри газа, трансформируется в тепло. Давление, плотность и температурапротозвезды повышаются. Из-за повышения температуры звезда начинает светитьсятёмно-красным светом.
Протозвезда имеет очень большие размеры, и, хотятепловая энергия распределяется по всей её поверхности, она всё равно остаётсяотносительно холодной. В ядре температура растёт и достигает несколькихмиллионов градусов по Цельсию. Вращение и круглая форма протозвезды нескольковидоизменяются, она становится более плоской. Этот процесс длится миллионы лет.
Увидеть молодые звёзды трудно, так как они ещёокружены тёмным пылевым облаком, из-за которого практически не виден блескзвезды. Но их можно рассмотреть при помощи специальных инфракрасных телескопов.Горячее ядро протозвезды окружено вращающимся диском из материи, обладающейбольшой силой притяжения. Ядро настолько разогревается, что начинаетвыбрасывать материю с двух полюсов, где сопротивляемость минимальна. Когда этивыбросы сталкиваются с межзвездной средой, они замедляют движение ирассеиваются по обеим сторонам, образуя каплевидную или аркообразную структуру,известную под названием «объект Хербика-Харо».
Звездаили планета?
Температура протозвезды доходит до нескольких тысячградусов. Дальнейшее развитие событий зависит от габаритов этого небесноготела; если масса небольшая и составляет менее 10% от массы Солнца, это значит,что нет условий для прохождения ядерных реакций. Такая протозвезда не сможет превратитьсяв настоящую звезду.
Учёные рассчитали, что для превращения сжимающегосянебесного тела в звезду его минимальная масса должна составлять не менее 0,08от массы нашего Солнца. Газосодержащее облако меньших размеров, сгущаясь, будетпостепенно охлаждаться и превратится в переходный объект, нечто среднее междузвездой и планетой, это так называемый «коричневый карлик».
Планета Юпитер представляет собой небесный объектслишком малых размеров, чтобы стать звездой. Если бы он был больше, возможно, вего недрах начались бы ядерные реакции, и он наряду с Солнцем способствовал быпоявлению системы двойных звёзд.
Ядерныереакции.
Если масса протозвезды большая, она продолжаетсгущаться под действием собственной гравитации. Давление и температура в ядрерастут, температура постепенно доходит до 10 миллионов градусов. Этогодостаточно для соединения атомов водорода и гелия.
Далее активизируется «ядерный реактор» протозвезды,и она превращается в обычную звезду. Затем выделяется сильный ветер, которыйразгоняет окружающую оболочку из пыли. После этого можно видеть свет, исходящийиз образовавшейся звезды. Эта стадия называется «фаза Т-Тельцы», она можетдлиться 30 миллионов лет. Из остатков газа и пыли, окружающих звезду, возможнообразование планет.
Рождение новой звезды может вызвать ударную волну.Дойдя до туманности, она провоцирует конденсацию новой материи, и процессзвёздообразования продолжится посредством газопылевых облаков. Небольшие поразмеру звезды слабые и холодные, крупные же – горячие и яркие. Большую частьсвоего существования звезда балансирует в стадии равновесия.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВЁЗД.
Наблюдая за небом даже невооружённым глазом, можносразу отметить такую особенность звёзд, как яркость. Одни звёзды очень яркие,другие – более слабые. Без специальных приборов в идеальных условиях видимостиможно рассмотреть около 6000 звёзд. Благодаря биноклю или телескопу нашивозможности значительно возрастают, мы можем любоваться миллионами звёздМлечного пути и внешних галактик.
Птолемейи «Альмагест».
Первую попытку составить каталог звёзд, основываясьна принципе степени их светимости, предпринял эллинский астроном Гиппарх изНикеи во IIвеке до н.э. Среди его многочисленных трудовфигурировал и «Звёздный каталог», содержащий описание 850 звёзд,классифицированных по координатам и светимости. Данные, собранные Гиппархом, аон, кроме этого, открыл и явление прецессии, были проработаны и получилидальнейшее развитие благодаря Клавдию Птолемею из Александрии во IIв.н.э. Он создал фундаментальный опус «Альмагест» в тринадцати книгах. Птолемейсобрал все астрономические знания того времени, классифицировал их и изложил вдоступной и понятной форме. В «Альмагест» вошёл и «Звёздный каталог». В егооснову были положены наблюдения Гиппарха, сделанные четыре столетия назад. Но«Звёздный каталог» Птолемея содержал примерно на тысячу звёзд больше.
Каталогом Птолемея пользовались практически везде втечение тысячелетия. Он разделил звёзды на шесть классов по степени светимости:самые яркие были отнесены к первому классу, менее яркие – ко второму и такдалее.
К шестому классу относятся звёзды, едва различимыеневооруженным глазом. Термин «сила свечения небесных тел», используется и внастоящее время для определения меры блеска небесных тел, причём не толькозвёзд, но также туманностей, галактик и других небесных явлений.
Звёздная величина в современной науке.
В середине XIXв. английский астрономНорман Погсон усовершенствовал метод классификации звёзд по принципусветимости, существовавший со времён Гиппарха и Птолемея. Погсон учёл, чторазница в плане светимости между двумя классами 2,5. Погсон ввёл новую шкалу,по которой разница между звёздами первого и шестого классов составляет 100 а.е.То есть отношение блеска звезд первой звёздной величины составляет 100. Этоотношение соответствует интервалу в 5 звёздных величин.
Относительная и абсолютная звёздная величина.
Звёздная величина, измеренная при помощи специальныхприборов, вмонтированных в телескоп, указывает, какое количество света звездыдоходит до наблюдателя на Земле. Свет преодолевает расстояние от звезды до нас,и, соответственно, чем дальше расположена звезда, тем более слабой она кажется.То есть при определении звёздной величины необходимо принимать во вниманиерасстояние до звезды. В данном случае речь идёт об относительной звёзднойвеличине. Она зависит от расстояния.
Есть звёзды очень яркие и очень слабые. Длясравнения яркости звёзд независимо от их расстояния идо Земли было введенопонятие «абсолютная звёздная величина». Она характеризует блеск звезды наопределённом расстоянии в 10 парсек (10 парсек = 3,26 светового года). Дляопределения абсолютной звёздной величины необходимо знать расстояние до звезды.
Цветзвёзд.
Следующей важной характеристикой звезды является еёцвет. Рассматривая звёзды даже невооружённым глазом, можно заметить, что не всеони одинаковы.
Есть голубые, жёлтые, оранжевые, красные звёзды, ане только белые. Цвет звёзд многое говорит астрономам, прежде всего он зависитот температуры поверхности звезды. Красные звёзды – самые холодные, ихтемпература составляет примерно 2000-3000 оС. Жёлтые звёзды, какнаше Солнце, имеют среднюю температуру 5000-6000 оС. Самые горячие –белые и голубые звёзды, их температура составляет 50000-60000 оС ивыше.
Загадочныелинии.
Если пропустить свет звезды через призму, мы получимтак называемый спектр, он будет пересекаться линиями. Эти линии являются своегорода «идентификационной картой» звезды, так как по ним астрономы могутопределить химический состав поверхностных слоёв звёзд. Линии принадлежатразличным химическим элементам.
Сравнивая линии в звёздном спектре с линиями,выполненными в лабораторных условиях, можно определить, какие химическиеэлементы входят в состав звёзд. В спектрах основными являются линии водорода игелия, именно эти элементы составляют основную часть звезды. Но встречаются иэлементы группы металлов – железо, кальций, натрий и др. В солнечном яркомспектре видны линии почти всех химических элементов.
ДИАГРАММАГЕРЦШПРУНГА-РЕССЕЛЛА.
Среди параметров, характеризующих звезду, существуютдва самых главных – это температуры и абсолютная звёздная величина.Температурные показатели тесно связаны с цветом звезды, а абсолютная звёзднаявеличина – со спектральным классом. Имеется в виду классификация звёзд поинтенсивности линий в их спектрах. Согласно используемой в настоящее времяклассификации, звёзды в соответствии с их спектрами делятся на семь основныхспектральных классов. Они обозначены латинскими буквами O, B, A, F, G, K, M.Именно в этой последовательности температура звёзд понижается от несколькихдесятков тысяч градусов класса Oдо 2000-3000 градусов звёздтипа M.
Абсолютная звёздная величина, т.е. мера блеска,указывает количество энергии, излучаемой звездой. Её можно вычислитьтеоретически, зная расстояние звезды.
Выдающаясяидея.
Идея связать между собой два основных параметра звездыпришла в голову двум учёным в 1913 году, причём они вели работы независимо другот друга.
Речь идёт о голландском астрономе Эйнаре Герцшпрунгеи американском астрофизике Генри Норрисе Ресселле. Учёные творили на расстояниитысяч километров друг от друга. Они составили график, связавший воедино дваосновных параметра. Горизонтальная ось отражает температуру, вертикальная –абсолютную звёздную величину. В результате получилась диаграмма, которой былиприсвоены имена двух астрономов – диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, или, проще,диаграмма Г-Р.
Звезда– критерий.
Посмотрим, как составляется диаграмма Г-Р. Преждевсего, необходимо выбрать звезду-критерий. Для этого подходит звезда,расстояние до которой известно, или другая – с уже вычисленной абсолютной звёзднойвеличиной.
Следует иметь в виду, что интенсивность светимостилюбого источника, будь то свеча, лампочка или звезда, изменяется в зависимостиот расстояния. Математически это выражается так: интенсивность светимости «I» наопределённом расстоянии «d» от источника обратнопропорциональна «d2». Практически это означает, что если расстояниеувеличивается вдвое, то интенсивность светимости уменьшается в четыре раза.
Затем следует определить температуру выбранныхзвёзд. Для этого надо идентифицировать их спектральный класс, цвет и послеэтого определить температуру. В настоящее время вместо спектрального типаиспользуется другой эквивалентный ему показатель – «индекс цвета».
Далее надо измерить звёздную величину звезды с двумяразными по длине волнами (например, использовать два фильтра, пропускающихтолько синий и жёлтый цвета). Подсчитать разницу.
Эти два параметра наносятся на одну плоскость стемпературой, понижающейся слева направо, на абсциссе. Абсолютная светимостьфиксируется на ординате, повышение отмечается снизу вверх.
Главнаяпоследовательность.
На диаграмме Г-Р звёзды располагаются вдольдиагональной линии, идущей снизу вверх и слева направо. Эта полоса называетсяГлавная последовательность. Звёзды, входящие в её состав, называются звёздамиГлавной последовательности. Солнце относится именно к этой группе. Это группажёлтых звёзд с поверхностной температурой примерно 5600 градусов. ЗвёздыГлавной последовательности находятся в наиболее «спокойной фазе» своегосуществования. В недрах их ядер атомы водорода перемешиваются, образуетсягелий. Фаза Главной последовательности составляет 90% времени существованиязвезды. Из 100 звёзд 90 находятся именно в этой фазе, хотя распределяются поразным позициям в зависимости от температуры и светимости.
Главная последовательность представляет собой «узкуюобласть», это свидетельствует о том, что звёзды с трудом сохраняют баланс междусилой притяжения, которая тянет внутрь, и силой, образующейся в результатеядерных реакций, она тянет к внешней стороне зоны. Звезда, подобная Солнцу,равная 5600 градусов, для поддержания баланса должна иметь абсолютную звёзднуювеличину порядка +4,7. Это следует из диаграммы Г-Р.
Красныегиганты и белые карлики.
Красные гиганты находятся в верхней зоне справа,расположенной с внешней стороны Главной последовательности. Характерной чертойэтих звёзд является очень низкая температура (примерно 3000 градусов), но приэтом они ярче звёзд, имеющих идентичную температуру и расположенных в Главнойпоследовательности.
Естественно, возникает вопрос: если энергия,излучаемая звездой, зависит от температуры, то почему же звёзды с одинаковойтемпературой имеют разную степень светимости. Объяснение следует искать вразмере звёзд. Красные гиганты более яркие потому, что их излучающаяповерхность намного больше, чем у звёзд из Главной последовательности.
Неслучайно этот тип звёзд получил название«гиганты». Действительно, их диаметр может превышать диаметр Солнца в 200 раз,эти звёзды могут занимать пространство в 300 миллионов км, что вдвое больше расстоянияот Земли до Солнца! С помощью положения о влиянии размера звезды попробуемобъяснить некоторые моменты в существовании других звёзд – белых карликов. Онирасположены внизу слева в диаграмме Г-Р.
Белые карлики – очень горячие, но совсем неяркие звёзды.При одинаковой температуре с крупными и горячими бело-голубыми звёздами Главнойпоследовательности белые карлики намного меньше по размерам. Это очень плотныеи компактные звёзды, они в 100 раз меньше Солнца, их диаметр примерно такой же,как земной. Можно привести яркий пример высокой плотности белых карликов – одинкубический сантиметр материи, из которой они состоят, должен весить около однойтонны!
Шаровыезвёздные скопления.
При составлении диаграмм Г-Р шаровых звёздныхскоплений, а в них находятся в основном старые звёзды, очень сложно определитьГлавную последовательность. Её следы фиксируются в основном в нижней зоне, гдеконцентрируются более холодные звёзды. Это связано с тем, что горячие и яркиезвёзды уже прошли стабильную фазу своего существования и перемещаются вправо, взону красных гигантов, а если миновали её, то в зону белых карликов. Если былюди были в состоянии проследить за свою жизнь все эволюционные стадии звезды,они смогли бы увидеть, как она изменяет свои характеристики.
Например, когда водород в ядре звезды прекращаетгореть, температура во внешнем слое звезды понижается, сам слой расширяется.Звезда выходит из фазы Главной последовательности и направляется в правую частьдиаграммы. Это касается в первую очередь крупных по массе звёзд, наиболееярких, — именно этот тип эволюционирует быстрее.
С течением времени звёзды выходят из Главнойпоследовательности. На диаграмме фиксируется «turningpoint» — «поворотная точка», благодаря ней, возможно, довольно точно вычислить возраст звёздскоплений. Чем выше на диаграмме находится «поворотная точка», тем моложескопление, и, соответственно, чем ниже на диаграмме она находится, тем старшепо возрасту звёздное скопление.
Значениедиаграммы.
Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла оказывает огромнуюпомощь в изучении эволюции звёзд на протяжении их существования. За это времязвёзды претерпевают изменения, трансформации, в какие-то периоды они оченьглубокие. Нам уже известно, что звёзды отличаются не по собственнымхарактеристикам, а по типам фаз, в которых они пребывают в то или иное время.
С помощью этой диаграммы можно вычислить расстояниедо звёзд. Можно выбрать любую звезду, находящуюся в Главной последовательности,с уже определённой температурой и посмотреть её продвижения на диаграмме.
РАССОЯНИЕ ДО ЗВЁЗД.
Когда мы смотрим на небо невооружённым глазом,звёзды, даже самые яркие, кажутся нам блестящими точками, расположенными наодинаковом от нас расстоянии. Небесный свод раскинулся над нами как ковёр.Неслучайно позиции звёзд выражены только в двух координатах (прямое восхождениеи склонение), а не в трёх, словно они расположены на поверхности, а нетрёхмерном пространстве. С помощью телескопов мы не можем получить всюинформацию о звёздах, например по фотографиям космического телескопа «Хаббл» мыне можем точно определить, на каком расстоянии находятся звёзды.
Глубина пространства.
О том, что Вселенная имеет и третье измерение –глубину, — люди узнали относительно недавно. Только в начале XIXвекаблагодаря совершенствованию астрономического оборудования и инструментов учёныесмогли измерить расстояние до некоторых звёзд. Первой была звезда 61 Лебедя.Астрономом Ф.В. Бессель установил, что она находится на расстоянии 10 световыхлет. Бессель был одним из первых астрономов, измеривших «годичный параллакс».До настоящего времени метод «годичного параллакса» лежит в основе измерениярасстояния до звёзд. Это чисто геометрический метод – достаточно измерить уголи вычислить результат.
Но простота метода не всегда соответствуетрезультативности. Из-за большой удалённости звёзд углы очень маленькие. Ихможно измерить с помощью телескопов. Угол параллакса звезды Проксима Центавра,ближайшей из тройной системы Альфа Центавра, маленький (0.76 точный вариант),но под таким углом можно рассмотреть монету в сто лир на расстоянии десяткакилометров. Разумеется, чем дальше расстояние, тем меньшим становится угол.
Неизбежныенеточности.
Ошибки в плане определения параллакса вполневозможны, причём их число увеличивается по мере удаления объекта. Хотя, спомощью современных телескопов, можно измерить углы с точностью до тысячной,ошибки всё равно будут: на расстоянии 30 световых лет они составят примерно 7%,150 св. лет – 35%, а 350 св. лет – до 70%. Разумеется, большие неточностиделают измерения бесполезными. Используя «метод параллакса», можно успешноопределить расстояния до нескольких тысяч звёзд, расположенных в районепримерно 100 световых лет. Но в нашей галактике находятся более 100 миллиардовзвёзд, диаметр которых составляет 100 000 световых лет!
Существует несколько вариантов метода «годичногопараллакса», например «вековой параллакс». Метод учитывает движение Солнца ивсей Солнечной системы в направлении созвездия Геракла, со скоростью 20км/сек.При таком движении учёные имеют возможность собрать нужную базу данных дляпроведения успешного расчёта параллакса. За десять лет получено информации в 40раз больше, чем это было возможно ранее.
Затем с помощью тригонометрических вычисленийопределяется расстояние до определённой звезды.
Расстояниедо звёздных скоплений.
Проще вычислить расстояние до звёздных скоплений,особенно рассеянных. Звёзды расположены относительно близко друг от друга,поэтому, вычислив расстояние до одной звезды, можно определить и расстояние довсего звёздного скопления.
Кроме того, в этом случае можно использоватьстатистические методы, позволяющие сократить число неточностей. Например, метод«сходящихся точек», он часто применяется астрономами. Он основывается на том,что при длительном наблюдении за звёздами рассеянного скопления выделяютсядвижущиеся к общей точке, она и называется сходящейся точкой. Измерив, углы ирадиальные скорости (то есть скорости приближения к Земле и удаления от неё),можно определить расстояние до звёздного скопления. При использовании этогометода возможно 15% неточностей при расстоянии в 1500 световых лет. Ониспользуется и при расстояниях в 15 000 световых лет, что вполне подходит длянебесных тел в нашей Галактике.
MainSequenceFitting– установление Главной последовательности.
Для определения расстояния до далёких звёздныхскоплений, например до Плеяд, можно действовать следующим образом: построитьдиаграмму Г-Р, на вертикальной оси отметить видимую звёздную величину (а неабсолютную, т.к. она зависит от расстояния), зависящую от температуры.
Затем следует сравнить полученную картину сдиаграммой Г-Р Иад, у неё много общих черт в плане Главных последовательностей.Совместив две диаграммы как можно плотнее, можно определить Главнуюпоследовательность звёздного скопления, расстояние до которого надо измерить.
Затем следует использовать уравнение:
m-M=5log(d)-5,где
m–видимая звёздная величина;
M–абсолютная звёздная величина;
d– расстояние.
По-английски этот метод называется «MainSequenceFitting». Его можно использовать ктаким рассеянным звёздным скоплениям, как NGC2362, Альфа Персея, IIIЦефея, NGC6611.астрономы предпринимали попытки определить расстояние доизвестного двойного рассеянного звёздного скопления в созвездии Персея («h» и «chi»),где находится много звёзд-сверхгигантов. Но данные получились противоречивые. Спомощью метода «MainSequenceFitting»возможно определить расстояние до 20000-25000 световых лет, это пятая частьнашей Галактики.
Интенсивностьсвета и расстояние.
Чем дальше расположено какое-либо небесное тело, темего свет кажется слабее. Это положение согласуется с оптическим законом, всоответствии с которым интенсивность света «I» обратно пропорциональнарасстоянию, возведённому в квадрат «d».
[I ~1/d2]
Например, если какая-либо галактика находится нарасстоянии 10 миллионов световых лет, то другая галактика, расположенная в 20миллионах световых лет, имеет блеск в четыре раза меньший по сравнению спервой. То есть с математической точки зрения связь между двумя величинами «I» и «d»точная и измеряемая. Говоря языком астрофизики, интенсивность света являетсяабсолютной величиной звёздной величиной М какого-либо небесного объекта,расстояние до которого следует измерить.
Используя уравнение m-M=5log(d)-5 (оно отражает закон обизменении блеска) и зная, что mвсегда можно определить припомощи фотометра, а М известна, измеряется расстояние «d». Итак, зная абсолютнуюзвёздную величину, при помощи расчётов определить расстояние не сложно.
Межзвёздноепоглощение.
Однаиз главных проблем, связанных с методами измерения расстояния – проблемапоглощения света. По пути на Землю свет преодолевает огромные расстояния, онпроходит через межзвёздную пыль и газ. Соответственно часть светаадсорбируется, и когда он доходит до установленных на Земле телескопов, ужеимеет непервоначальную силу. Учёные называют это «экстинкцией», ослаблениемсвета. Очень важно вычислить количество экстинкции при использовании рядаметодов, например, канделы. При этом должны быть известны точно абсолютныезвёздные величины.
Несложноопределить экстинкцию для нашей Галактики – достаточно принять во внимание пыльи газ Млечного Пути. Труднее определить экстинкцию света от объекта из другойгалактики. К экстинкции по пути следования в нашей Галактике надо прибавит ичасть поглощённого света из другой.
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЁЗД.
Внутренняяжизнь звезды регулируется воздействием двух сил: силы притяжения, котораяпротиводействует звезде, удерживает её, и силы, освобождающейся припроисходящих в ядре ядерных реакциях. Она, наоборот, стремится «вытолкнуть»звезду в дальнее пространство. Во время стадии формирования плотная и сжатаязвезда находится под сильным воздействием гравитации. В результате происходитсильное нагревание, температура достигает 10-20 миллионов градусов. Этогодостаточно для начала ядерных реакций, в результате которых водородпревращается в гелий.
Затемв течение длительного периода две силы уравновешивают друг друга, звезданаходится в стабильном состоянии. Когда ядерное горючее ядра понемногуиссякает, звезда вступает в фазу нестабильности, две силы противоборствуют. Длязвезды наступает критический момент, в действие вступают самые разные факторы –температура, плотность, химический состав. На первое место выступает массазвезды, именно от неё зависит будущее этого небесного тела – или звездавспыхнет, как сверхновая, или превратится в белого карлика, нейтронную звездуили в чёрную дыру.
Какиссякает водород.
Толькоочень крупные среди небесных тел становятся звёздами, меньшие становятсяпланетами. Есть и тела средней массы, они слишком крупные, чтобы относиться кклассу планет, и слишком маленькие и холодные для того, чтобы в из недрахпроисходили ядерные реакции, характерные для звёзд.
Итак,звезда формируется из облаков, состоящих из межзвёздного газа. Как ужеотмечалось, довольно длительное время звезда пребывает в уравновешенномсостоянии. Затем наступает период нестабильности. Дальнейшая судьба звездызависит от различных факторов. Рассмотрим гипотетическую звезду небольшогоразмера, масса которой составляет от 0,1 до 4 солнечных масс. Характерной чертой звёзд, имеющих малую массу,является отсутствие конвекции во внутренних слоях, т.е. вещества, входящие всостав звезды, не смешиваются, как это происходит у звёзд, обладающих большоймассой.
Этоозначает, что, когда водород в ядре заканчивается, новых запасов этого элементаво внешних слоях нет. Водород, сгорая, превращается в гелий. Понемногу ядроразогревается, поверхностные слои дестабилизируют собственную структуру, извезда, как можно видеть по диаграмме Г-Р, медленно выходит из Главнойпоследовательности. В новой фазе плотность материи внутри звезды повышается,состав ядра «дегенерирует», в результате появляется особая консистенция. Онаотличается от нормальной материи.
Видоизменениематерии.
Когдаматерия видоизменяется, давление зависит только от плотности газов, а не оттемпературы.
Надиаграмме Герцшпрунга-Ресселла звезда сдвигается вправо, а затем вверх,приближаясь к области красных гигантов. Её размеры значительно увеличиваются, ииз-за этого температура внешних слоёв падает. Диаметр красного гиганта можетдостигать сотни миллионов километров. Когда наше солнце войдёт в эту фазу, оно«проглотит» и Меркурий и Венеру, а если не сможет захватить и Землю, торазогреет её до такой степени, что жизнь на нашей планете перестанетсуществовать.
Завремя эволюции звезды температура её ядра повышается. Сначала происходятядерные реакции, затем по достижении оптимальной температуры начинаетсяплавление гелия. Когда это происходит, внезапное повышение температуры ядравызывает вспышку, и звезда быстро перемещается в левую часть диаграммы Г-Р. этотак называемый «heliumflash». В это время ядро, содержащее гелий, сгорает вместес водородом, который входит в состав оболочки, окружающей ядро. На диаграммеГ-Р эта стадия фиксируется продвижением вправо по горизонтальной линии.
Последниефазы эволюции.
Притрансформации гелия в углеводород ядро видоизменяется. Его температураповышается до тех пор, пока углерод не начнёт гореть. Происходит новая вспышка.В любом случае во время последних фаз эволюции звезды отмечается значительнаяпотеря её массы. Это может происходить постепенно или резко, во время вспышки,когда внешние слои звезды лопаются, как большой пузырь. В последнем случаеобразуется планетарная туманность – оболочка сферической формы,распространяющаяся в космическом пространстве со скоростью в несколько десятковили даже сотен км/сек.
Конечнаясудьба звезды зависит от массы, оставшейся после всего происходящего с ней.Если она во время всех превращений и вспышек выбросила много материи и её массане превышает 1,44 солнечной массы, звезда превращается в белого карлика. Этаносит название «лимит Чандрасекара» в честь пакистанского астрофизикаСубрахманьяна Чандрасекара. Это максимальная масса звезды, при которой катастрофическийконец может не состоятся из-за давления электронов в ядре.
Послевспышки внешних слоёв ядро звезды остаётся, и его поверхностная температураочень высока – порядка 100 000 оК. Звезда двигается к левомукраю диаграммы Г-Р и спускается вниз. Её светимость уменьшается, так как уменьшаютсяразмеры.
Звездамедленно доходит до зоны белых карликов. Это звёзды небольшого диаметра, ноотличающиеся очень высокой плотности, в полтора миллиона раз больше плотностиводы.
Белыйкарлик представляет собой конечную стадию эволюции звезды, без вспышек. Онапонемногу остывает. Учёные полагают, что конец белого карлика проходит оченьмедленно, во всяком случае, с начала существования Вселенной, похоже, ни одинбелый карлик не пострадал от «термической смерти».
Еслиже звезда крупная, и её масса больше Солнца, она вспыхнет, как сверхновая. Вовремя вспышки звезда может разрушиться полностью или частично. В первом случаеот неё останется облако газа с остаточными веществами звезды. Во втором –останется небесное тело высочайшей плотности – нейтронная звезда или чёрнаядыра.
ПЕРЕМЕННЫЕ ЗВЁЗДЫ.
Согласноконцепции Аристотеля, небесные тела Вселенной являются вечными и постоянными.Но эта теория претерпела значительные изменения с появлением в XVIIв. первых биноклей. Наблюдения, проводившиеся втечение последующих веков, продемонстрировали, что в действительности кажущеесяпостоянство небесных тел объясняется отсутствием техники для наблюдения или еёнесовершенством. Учёные пришли к выводу, что переменчивость является общейхарактеристикой всех видов звёзд. В течение эволюции звезда проходит несколькостадий, во время которых её основные характеристики – цвет и светимость –претерпевают глубокие изменения. Они происходят в течение существования звезды,а это десятки или сотни миллионов лет, поэтому человек не может быть очевидцемпроисходящего. У некоторых классов звёзд происходящие изменения фиксируются вкороткие промежутки времени, например в течение нескольких месяцев, дней иличасти суток. Происходящие изменения звезды, её световые потоки можно многократноизмерить в течение последующих ночей.
Измерения.
Насамом деле эта проблема не так проста, как кажется на первый взгляд. Припроведении измерений необходимо учитывать атмосферные условия, а они меняются,причём иногда значительно в течение одной ночи. В связи с этим данные осветовых потоках звёзд существенно разнятся.
Оченьважно уметь отличить настоящие изменения светового потока, а онинепосредственно связаны с блеском звезды, от кажущихся, они объясняютсяизменением атмосферных условий.
Дляэтого рекомендуется провести сравнение световых потоков наблюдаемой звезды сдругими звёздами – ориентирами, видимыми в телескоп. Если изменения кажущиеся,т.е. связаны с изменением атмосферных условий, они коснуться всех наблюдаемыхзвёзд.
Получитьверные данные о состоянии звезды на коком-то этапе – это первая ступень. Далееследует составить «кривую блеска» для фиксирования возможных изменений блеска.Она будет показывать изменение звёздной величины.
Переменныеили нет.
Звёзды,звёздная величина которых непостоянна, называют переменными. У некоторых из нихпеременчивость лишь кажущаяся. В основном это звёзды, относящиеся к системедвойных. При этом, ког
www.ronl.ru
Испокон веков Человек старался дать название предметам и явлениям, которые его окружали. Это относится и к небесным телам. Сначала названия получили самые яркие, хорошо видимые звёзды, с течением времени – и другие.
Некоторые звёзды получили названия в соответствии с положением, которое они занимают в созвездии. Например, находящаяся в созвездии Лебедя звезда Денеб (слово переводится как «хвост») действительно дислоцируется в этой части тела воображаемого лебедя. Ещё один пример. Звезда Омикрон, она больше известна под названием Мира, что переводится с латинского как «удивительная», находится в созвездии Кита. Мира обладает способностью изменять свою яркость. На длительные периоды она вообще исчезает из поля зрения, имеются в виду наблюдения невооружённым глазом. Название звезды и объясняется её спецификой. В основном звёзды получили названия в эпоху античности, поэтому нет ничего удивительного в том, что большинство названий имеет латинские, греческие, а позже и арабские корни.
Открытие звёзд, видимый блеск которых со временем меняется, привело к специальным обозначениям. Они обозначаются прописными латинскими буквами, за которыми следует название созвездия в родительном падеже. Но первая переменная звезда, обнаруженная в каком-то созвездии, обозначается не буквой A. Отсчёт ведётся от буквы R. Следующая звезда обозначается буквой S и так далее. Когда все буквы алфавита исчерпаны, начинается новый круг, то есть после Z снова используется A. При этом буквы могут удваиваться, например «RR». «R Льва» означает, что это первая открытая переменная звезда в созвездии Льва.
КАК РОЖДАЕТСЯ ЗВЕЗДА.
Звёзды рождаются, когда облако, состоящее в основном из межзвёздного газа и пыли, сжимается и уплотняется под действием собственной гравитации. Считается, что именно этот процесс приводит к образованию звёзд. С помощью оптических телескопов астрономы могут увидеть эти зоны, они похожи на тёмные пятна на ярком фоне. Их называют «гигантскими комплексами молекулярных облаков», потому что водород входит в их состав в форме молекул. Эти комплексы, или системы, наряду с шаровыми звёздными скоплениями, представляют собой самые крупные структуры в галактике, их диаметр иногда достигает 1300 световых лет.
Более молодые звёзды, их называют «звёздное население I», образовались из остатков, получившихся в результате вспышек старых звёзд, их называют «звёздное население II». Вспышка взрывного характера вызывает ударную волну, которая доходит до ближайшей туманности и провоцирует её сжатие.
Глобулы Бока .
Итак, происходит сжатие части туманности. Одновременно с этим процессом начинается образование плотных тёмных газопылевых облаков круглой формы. Их называют «глобулы Бока». Бок – американский астроном голландского происхождения (1906-1983) – впервые описал глобулы. Масса глобул примерно в 200 раз превышает массу нашего Солнца.
По мере того как глобула Бока продолжает сгущаться, её масса увеличивается, притягивая к себе благодаря гравитации материю из соседних областей. В связи с тем, что внутренняя часть глобулы сгущается быстрее, чем внешняя, глобула начинает разогреваться и вращаться. Через несколько сотен тысяч лет, во время которых происходит сжатие, образуется протозвезда.
Эволюция протозвезды.
Благодаря увеличению массы к центру протозвезды притягивается всё больше материи. Энергия, высвободившаяся из сжимающегося внутри газа, трансформируется в тепло. Давление, плотность и температура протозвезды повышаются. Из-за повышения температуры звезда начинает светиться тёмно-красным светом.
Протозвезда имеет очень большие размеры, и, хотя тепловая энергия распределяется по всей её поверхности, она всё равно остаётся относительно холодной. В ядре температура растёт и достигает нескольких миллионов градусов по Цельсию. Вращение и круглая форма протозвезды несколько видоизменяются, она становится более плоской. Этот процесс длится миллионы лет.
Увидеть молодые звёзды трудно, так как они ещё окружены тёмным пылевым облаком, из-за которого практически не виден блеск звезды. Но их можно рассмотреть при помощи специальных инфракрасных телескопов. Горячее ядро протозвезды окружено вращающимся диском из материи, обладающей большой силой притяжения. Ядро настолько разогревается, что начинает выбрасывать материю с двух полюсов, где сопротивляемость минимальна. Когда эти выбросы сталкиваются с межзвездной средой, они замедляют движение и рассеиваются по обеим сторонам, образуя каплевидную или аркообразную структуру, известную под названием «объект Хербика-Харо».
Звезда или планета?
Температура протозвезды доходит до нескольких тысяч градусов. Дальнейшее развитие событий зависит от габаритов этого небесного тела; если масса небольшая и составляет менее 10% от массы Солнца, это значит, что нет условий для прохождения ядерных реакций. Такая протозвезда не сможет превратиться в настоящую звезду.
Учёные рассчитали, что для превращения сжимающегося небесного тела в звезду его минимальная масса должна составлять не менее 0,08 от массы нашего Солнца. Газосодержащее облако меньших размеров, сгущаясь, будет постепенно охлаждаться и превратится в переходный объект, нечто среднее между звездой и планетой, это так называемый «коричневый карлик».
Планета Юпитер представляет собой небесный объект слишком малых размеров, чтобы стать звездой. Если бы он был больше, возможно, в его недрах начались бы ядерные реакции, и он наряду с Солнцем способствовал бы появлению системы двойных звёзд.
Ядерные реакции.
Если масса протозвезды большая, она продолжает сгущаться под действием собственной гравитации. Давление и температура в ядре растут, температура постепенно доходит до 10 миллионов градусов. Этого достаточно для соединения атомов водорода и гелия.
Далее активизируется «ядерный реактор» протозвезды, и она превращается в обычную звезду. Затем выделяется сильный ветер, который разгоняет окружающую оболочку из пыли. После этого можно видеть свет, исходящий из образовавшейся звезды. Эта стадия называется «фаза Т-Тельцы», она может длиться 30 миллионов лет. Из остатков газа и пыли, окружающих звезду, возможно образование планет.
Рождение новой звезды может вызвать ударную волну. Дойдя до туманности, она провоцирует конденсацию новой материи, и процесс звёздообразования продолжится посредством газопылевых облаков. Небольшие по размеру звезды слабые и холодные, крупные же – горячие и яркие. Большую часть своего существования звезда балансирует в стадии равновесия.
ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВЁЗД.
Наблюдая за небом даже невооружённым глазом, можно сразу отметить такую особенность звёзд, как яркость. Одни звёзды очень яркие, другие – более слабые. Без специальных приборов в идеальных условиях видимости можно рассмотреть около 6000 звёзд. Благодаря биноклю или телескопу наши возможности значительно возрастают, мы можем любоваться миллионами звёзд Млечного пути и внешних галактик.
Птолемей и «Альмагест».
Первую попытку составить каталог звёзд, основываясь на принципе степени их светимости, предпринял эллинский астроном Гиппарх из Никеи во II веке до н.э. Среди его многочисленных трудов фигурировал и «Звёздный каталог», содержащий описание 850 звёзд, классифицированных по координатам и светимости. Данные, собранные Гиппархом, а он, кроме этого, открыл и явление прецессии, были проработаны и получили дальнейшее развитие благодаря Клавдию Птолемею из Александрии во II в. н.э. Он создал фундаментальный опус «Альмагест» в тринадцати книгах. Птолемей собрал все астрономические знания того времени, классифицировал их и изложил в доступной и понятной форме. В «Альмагест» вошёл и «Звёздный каталог». В его основу были положены наблюдения Гиппарха, сделанные четыре столетия назад. Но «Звёздный каталог» Птолемея содержал примерно на тысячу звёзд больше.
Каталогом Птолемея пользовались практически везде в течение тысячелетия. Он разделил звёзды на шесть классов по степени светимости: самые яркие были отнесены к первому классу, менее яркие – ко второму и так далее.
К шестому классу относятся звёзды, едва различимые невооруженным глазом. Термин «сила свечения небесных тел», используется и в настоящее время для определения меры блеска небесных тел, причём не только звёзд, но также туманностей, галактик и других небесных явлений.
Звёздная величина в современной науке.
В середине XIX в. английский астроном Норман Погсон усовершенствовал метод классификации звёзд по принципу светимости, существовавший со времён Гиппарха и Птолемея. Погсон учёл, что разница в плане светимости между двумя классами 2,5. Погсон ввёл новую шкалу, по которой разница между звёздами первого и шестого классов составляет 100 а.е. То есть отношение блеска звезд первой звёздной величины составляет 100. Это отношение соответствует интервалу в 5 звёздных величин.
Относительная и абсолютная звёздная величина.
Звёздная величина, измеренная при помощи специальных приборов, вмонтированных в телескоп, указывает, какое количество света звезды доходит до наблюдателя на Земле. Свет преодолевает расстояние от звезды до нас, и, соответственно, чем дальше расположена звезда, тем более слабой она кажется. То есть при определении звёздной величины необходимо принимать во внимание расстояние до звезды. В данном случае речь идёт об относительной звёздной величине. Она зависит от расстояния.
Есть звёзды очень яркие и очень слабые. Для сравнения яркости звёзд независимо от их расстояния идо Земли было введено понятие «абсолютная звёздная величина». Она характеризует блеск звезды на определённом расстоянии в 10 парсек (10 парсек = 3,26 светового года). Для определения абсолютной звёздной величины необходимо знать расстояние до звезды.
Цвет звёзд.
Следующей важной характеристикой звезды является её цвет. Рассматривая звёзды даже невооружённым глазом, можно заметить, что не все они одинаковы.
Есть голубые, жёлтые, оранжевые, красные звёзды, а не только белые. Цвет звёзд многое говорит астрономам, прежде всего он зависит от температуры поверхности звезды. Красные звёзды – самые холодные, их температура составляет примерно 2000-3000 о С. Жёлтые звёзды, как наше Солнце, имеют среднюю температуру 5000-6000 о С. Самые горячие – белые и голубые звёзды, их температура составляет 50000-60000 о С и выше.
Загадочные линии.
Если пропустить свет звезды через призму, мы получим так называемый спектр, он будет пересекаться линиями. Эти линии являются своего рода «идентификационной картой» звезды, так как по ним астрономы могут определить химический состав поверхностных слоёв звёзд. Линии принадлежат различным химическим элементам.
Сравнивая линии в звёздном спектре с линиями, выполненными в лабораторных условиях, можно определить, какие химические элементы входят в состав звёзд. В спектрах основными являются линии водорода и гелия, именно эти элементы составляют основную часть звезды. Но встречаются и элементы группы металлов – железо, кальций, натрий и др. В солнечном ярком спектре видны линии почти всех химических элементов.
ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА-РЕССЕЛЛА.
Среди параметров, характеризующих звезду, существуют два самых главных – это температуры и абсолютная звёздная величина. Температурные показатели тесно связаны с цветом звезды, а абсолютная звёздная величина – со спектральным классом. Имеется в виду классификация звёзд по интенсивности линий в их спектрах. Согласно используемой в настоящее время классификации, звёзды в соответствии с их спектрами делятся на семь основных спектральных классов. Они обозначены латинскими буквами O, B, A, F, G, K, M. Именно в этой последовательности температура звёзд понижается от нескольких десятков тысяч градусов класса O до 2000-3000 градусов звёзд типа M.
Абсолютная звёздная величина, т.е. мера блеска, указывает количество энергии, излучаемой звездой. Её можно вычислить теоретически, зная расстояние звезды.
Выдающаяся идея.
Идея связать между собой два основных параметра звезды пришла в голову двум учёным в 1913 году, причём они вели работы независимо друг от друга.
Речь идёт о голландском астрономе Эйнаре Герцшпрунге и американском астрофизике Генри Норрисе Ресселле. Учёные творили на расстоянии тысяч километров друг от друга. Они составили график, связавший воедино два основных параметра. Горизонтальная ось отражает температуру, вертикальная – абсолютную звёздную величину. В результате получилась диаграмма, которой были присвоены имена двух астрономов – диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, или, проще, диаграмма Г-Р.
Звезда – критерий.
Посмотрим, как составляется диаграмма Г-Р. Прежде всего, необходимо выбрать звезду-критерий. Для этого подходит звезда, расстояние до которой известно, или другая – с уже вычисленной абсолютной звёздной величиной.
Следует иметь в виду, что интенсивность светимости любого источника, будь то свеча, лампочка или звезда, изменяется в зависимости от расстояния. Математически это выражается так: интенсивность светимости «I» на определённом расстоянии «d» от источника обратно пропорциональна «d2». Практически это означает, что если расстояние увеличивается вдвое, то интенсивность светимости уменьшается в четыре раза.
Затем следует определить температуру выбранных звёзд. Для этого надо идентифицировать их спектральный класс, цвет и после этого определить температуру. В настоящее время вместо спектрального типа используется другой эквивалентный ему показатель – «индекс цвета».
Далее надо измерить звёздную величину звезды с двумя разными по длине волнами (например, использовать два фильтра, пропускающих только синий и жёлтый цвета). Подсчитать разницу.
Эти два параметра наносятся на одну плоскость с температурой, понижающейся слева направо, на абсциссе. Абсолютная светимость фиксируется на ординате, повышение отмечается снизу вверх.
Главная последовательность.
На диаграмме Г-Р звёзды располагаются вдоль диагональной линии, идущей снизу вверх и слева направо. Эта полоса называется Главная последовательность. Звёзды, входящие в её состав, называются звёздами Главной последовательности. Солнце относится именно к этой группе. Это группа жёлтых звёзд с поверхностной температурой примерно 5600 градусов. Звёзды Главной последовательности находятся в наиболее «спокойной фазе» своего существования. В недрах их ядер атомы водорода перемешиваются, образуется гелий. Фаза Главной последовательности составляет 90% времени существования звезды. Из 100 звёзд 90 находятся именно в этой фазе, хотя распределяются по разным позициям в зависимости от температуры и светимости.
Главная последовательность представляет собой «узкую область», это свидетельствует о том, что звёзды с трудом сохраняют баланс между силой притяжения, которая тянет внутрь, и силой, образующейся в результате ядерных реакций, она тянет к внешней стороне зоны. Звезда, подобная Солнцу, равная 5600 градусов, для поддержания баланса должна иметь абсолютную звёздную величину порядка +4,7. Это следует из диаграммы Г-Р.
Красные гиганты и белые карлики.
Красные гиганты находятся в верхней зоне справа, расположенной с внешней стороны Главной последовательности. Характерной чертой этих звёзд является очень низкая температура (примерно 3000 градусов), но при этом они ярче звёзд, имеющих идентичную температуру и расположенных в Главной последовательности.
Естественно, возникает вопрос: если энергия, излучаемая звездой, зависит от температуры, то почему же звёзды с одинаковой температурой имеют разную степень светимости. Объяснение следует искать в размере звёзд. Красные гиганты более яркие потому, что их излучающая поверхность намного больше, чем у звёзд из Главной последовательности.
Неслучайно этот тип звёзд получил название «гиганты». Действительно, их диаметр может превышать диаметр Солнца в 200 раз, эти звёзды могут занимать пространство в 300 миллионов км, что вдвое больше расстояния от Земли до Солнца! С помощью положения о влиянии размера звезды попробуем объяснить некоторые моменты в существовании других звёзд – белых карликов. Они расположены внизу слева в диаграмме Г-Р.
Белые карлики – очень горячие, но совсем неяркие звёзды. При одинаковой температуре с крупными и горячими бело-голубыми звёздами Главной последовательности белые карлики намного меньше по размерам. Это очень плотные и компактные звёзды, они в 100 раз меньше Солнца, их диаметр примерно такой же, как земной. Можно привести яркий пример высокой плотности белых карликов – один кубический сантиметр материи, из которой они состоят, должен весить около одной тонны!
Шаровые звёздные скопления.
При составлении диаграмм Г-Р шаровых звёздных скоплений, а в них находятся в основном старые звёзды, очень сложно определить Главную последовательность. Её следы фиксируются в основном в нижней зоне, где концентрируются более холодные звёзды. Это связано с тем, что горячие и яркие звёзды уже прошли стабильную фазу своего существования и перемещаются вправо, в зону красных гигантов, а если миновали её, то в зону белых карликов. Если бы люди были в состоянии проследить за свою жизнь все эволюционные стадии звезды, они смогли бы увидеть, как она изменяет свои характеристики.
Например, когда водород в ядре звезды прекращает гореть, температура во внешнем слое звезды понижается, сам слой расширяется. Звезда выходит из фазы Главной последовательности и направляется в правую часть диаграммы. Это касается в первую очередь крупных по массе звёзд, наиболее ярких, — именно этот тип эволюционирует быстрее.
С течением времени звёзды выходят из Главной последовательности. На диаграмме фиксируется «turning point» — «поворотная точка», благодаря ней, возможно, довольно точно вычислить возраст звёзд скоплений. Чем выше на диаграмме находится «поворотная точка», тем моложе скопление, и, соответственно, чем ниже на диаграмме она находится, тем старше по возрасту звёздное скопление.
Значение диаграммы.
Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла оказывает огромную помощь в изучении эволюции звёзд на протяжении их существования. За это время звёзды претерпевают изменения, трансформации, в какие-то периоды они очень глубокие. Нам уже известно, что звёзды отличаются не по собственным характеристикам, а по типам фаз, в которых они пребывают в то или иное время.
С помощью этой диаграммы можно вычислить расстояние до звёзд. Можно выбрать любую звезду, находящуюся в Главной последовательности, с уже определённой температурой и посмотреть её продвижения на диаграмме.
РАССОЯНИЕ ДО ЗВЁЗД.
Когда мы смотрим на небо невооружённым глазом, звёзды, даже самые яркие, кажутся нам блестящими точками, расположенными на одинаковом от нас расстоянии. Небесный свод раскинулся над нами как ковёр. Неслучайно позиции звёзд выражены только в двух координатах (прямое восхождение и склонение), а не в трёх, словно они расположены на поверхности, а не трёхмерном пространстве. С помощью телескопов мы не можем получить всю информацию о звёздах, например по фотографиям космического телескопа «Хаббл» мы не можем точно определить, на каком расстоянии находятся звёзды.
Глубина пространства.
О том, что Вселенная имеет и третье измерение – глубину, — люди узнали относительно недавно. Только в начале XIX века благодаря совершенствованию астрономического оборудования и инструментов учёные смогли измерить расстояние до некоторых звёзд. Первой была звезда 61 Лебедя. Астрономом Ф.В. Бессель установил, что она находится на расстоянии 10 световых лет. Бессель был одним из первых астрономов, измеривших «годичный параллакс». До настоящего времени метод «годичного параллакса» лежит в основе измерения расстояния до звёзд. Это чисто геометрический метод – достаточно измерить угол и вычислить результат.
Но простота метода не всегда соответствует результативности. Из-за большой удалённости звёзд углы очень маленькие. Их можно измерить с помощью телескопов. Угол параллакса звезды Проксима Центавра, ближайшей из тройной системы Альфа Центавра, маленький (0.76 точный вариант), но под таким углом можно рассмотреть монету в сто лир на расстоянии десятка километров. Разумеется, чем дальше расстояние, тем меньшим становится угол.
Неизбежные неточности.
Ошибки в плане определения параллакса вполне возможны, причём их число увеличивается по мере удаления объекта. Хотя, с помощью современных телескопов, можно измерить углы с точностью до тысячной, ошибки всё равно будут: на расстоянии 30 световых лет они составят примерно 7%, 150 св. лет – 35%, а 350 св. лет – до 70%. Разумеется, большие неточности делают измерения бесполезными. Используя «метод параллакса», можно успешно определить расстояния до нескольких тысяч звёзд, расположенных в районе примерно 100 световых лет. Но в нашей галактике находятся более 100 миллиардов звёзд, диаметр которых составляет 100 000 световых лет!
Существует несколько вариантов метода «годичного параллакса», например «вековой параллакс». Метод учитывает движение Солнца и всей Солнечной системы в направлении созвездия Геракла, со скоростью 20км/сек. При таком движении учёные имеют возможность собрать нужную базу данных для проведения успешного расчёта параллакса. За десять лет получено информации в 40 раз больше, чем это было возможно ранее.
Затем с помощью тригонометрических вычислений определяется расстояние до определённой звезды.
Расстояние до звёздных скоплений.
Проще вычислить расстояние до звёздных скоплений, особенно рассеянных. Звёзды расположены относительно близко друг от друга, поэтому, вычислив расстояние до одной звезды, можно определить и расстояние до всего звёздного скопления.
Кроме того, в этом случае можно использовать статистические методы, позволяющие сократить число неточностей. Например, метод «сходящихся точек», он часто применяется астрономами. Он основывается на том, что при длительном наблюдении за звёздами рассеянного скопления выделяются движущиеся к общей точке, она и называется сходящейся точкой. Измерив, углы и радиальные скорости (то есть скорости приближения к Земле и удаления от неё), можно определить расстояние до звёздного скопления. При использовании этого метода возможно 15% неточностей при расстоянии в 1500 световых лет. Он используется и при расстояниях в 15 000 световых лет, что вполне подходит для небесных тел в нашей Галактике.
Main Sequence Fitting – установление Главной последовательности.
Для определения расстояния до далёких звёздных скоплений, например до Плеяд, можно действовать следующим образом: построить диаграмму Г-Р, на вертикальной оси отметить видимую звёздную величину (а не абсолютную, т.к. она зависит от расстояния), зависящую от температуры.
Затем следует сравнить полученную картину с диаграммой Г-Р Иад, у неё много общих черт в плане Главных последовательностей. Совместив две диаграммы как можно плотнее, можно определить Главную последовательность звёздного скопления, расстояние до которого надо измерить.
Затем следует использовать уравнение:
m-M=5log(d)-5, где
m – видимая звёздная величина;
M – абсолютная звёздная величина;
d – расстояние.
По-английски этот метод называется «Main Sequence Fitting». Его можно использовать к таким рассеянным звёздным скоплениям, как NGC 2362, Альфа Персея, III Цефея, NGC 6611.астрономы предпринимали попытки определить расстояние до известного двойного рассеянного звёздного скопления в созвездии Персея («h» и «chi»), где находится много звёзд-сверхгигантов. Но данные получились противоречивые. С помощью метода «Main Sequence Fitting» возможно определить расстояние до 20000-25000 световых лет, это пятая часть нашей Галактики.
Интенсивность света и расстояние.
Чем дальше расположено какое-либо небесное тело, тем его свет кажется слабее. Это положение согласуется с оптическим законом, в соответствии с которым интенсивность света «I» обратно пропорциональна расстоянию, возведённому в квадрат «d».
[I ~ 1/d2 ]
Например, если какая-либо галактика находится на расстоянии 10 миллионов световых лет, то другая галактика, расположенная в 20 миллионах световых лет, имеет блеск в четыре раза меньший по сравнению с первой. То есть с математической точки зрения связь между двумя величинами «I» и «d» точная и измеряемая. Говоря языком астрофизики, интенсивность света является абсолютной величиной звёздной величиной М какого-либо небесного объекта, расстояние до которого следует измерить.
Используя уравнение m-M=5log(d)-5 (оно отражает закон об изменении блеска) и зная, что m всегда можно определить при помощи фотометра, а М известна, измеряется расстояние «d». Итак, зная абсолютную звёздную величину, при помощи расчётов определить расстояние не сложно.
Межзвёздное поглощение.
Одна из главных проблем, связанных с методами измерения расстояния – проблема поглощения света. По пути на Землю свет преодолевает огромные расстояния, он проходит через межзвёздную пыль и газ. Соответственно часть света адсорбируется, и когда он доходит до установленных на Земле телескопов, уже имеет непервоначальную силу. Учёные называют это «экстинкцией», ослаблением света. Очень важно вычислить количество экстинкции при использовании ряда методов, например, канделы. При этом должны быть известны точно абсолютные звёздные величины.
Несложно определить экстинкцию для нашей Галактики – достаточно принять во внимание пыль и газ Млечного Пути. Труднее определить экстинкцию света от объекта из другой галактики. К экстинкции по пути следования в нашей Галактике надо прибавит и часть поглощённого света из другой.
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЁЗД.
Внутренняя жизнь звезды регулируется воздействием двух сил: силы притяжения, которая противодействует звезде, удерживает её, и силы, освобождающейся при происходящих в ядре ядерных реакциях. Она, наоборот, стремится «вытолкнуть» звезду в дальнее пространство. Во время стадии формирования плотная и сжатая звезда находится под сильным воздействием гравитации. В результате происходит сильное нагревание, температура достигает 10-20 миллионов градусов. Этого достаточно для начала ядерных реакций, в результате которых водород превращается в гелий.
Затем в течение длительного периода две силы уравновешивают друг друга, звезда находится в стабильном состоянии. Когда ядерное горючее ядра понемногу иссякает, звезда вступает в фазу нестабильности, две силы противоборствуют. Для звезды наступает критический момент, в действие вступают самые разные факторы – температура, плотность, химический состав. На первое место выступает масса звезды, именно от неё зависит будущее этого небесного тела – или звезда вспыхнет, как сверхновая, или превратится в белого карлика, нейтронную звезду или в чёрную дыру.
Как иссякает водород.
Только очень крупные среди небесных тел становятся звёздами, меньшие становятся планетами. Есть и тела средней массы, они слишком крупные, чтобы относиться к классу планет, и слишком маленькие и холодные для того, чтобы в из недрах происходили ядерные реакции, характерные для звёзд.
Итак, звезда формируется из облаков, состоящих из межзвёздного газа. Как уже отмечалось, довольно длительное время звезда пребывает в уравновешенном состоянии. Затем наступает период нестабильности. Дальнейшая судьба звезды зависит от различных факторов. Рассмотрим гипотетическую звезду небольшого размера, масса которой составляет от 0,1 до 4 солнечных масс. Характерной чертой звёзд, имеющих малую массу, является отсутствие конвекции во внутренних слоях, т.е. вещества, входящие в состав звезды, не смешиваются, как это происходит у звёзд, обладающих большой массой.
Это означает, что, когда водород в ядре заканчивается, новых запасов этого элемента во внешних слоях нет. Водород, сгорая, превращается в гелий. Понемногу ядро разогревается, поверхностные слои дестабилизируют собственную структуру, и звезда, как можно видеть по диаграмме Г-Р, медленно выходит из Главной последовательности. В новой фазе плотность материи внутри звезды повышается, состав ядра «дегенерирует», в результате появляется особая консистенция. Она отличается от нормальной материи.
Видоизменение материи.
Когда материя видоизменяется, давление зависит только от плотности газов, а не от температуры.
На диаграмме Герцшпрунга-Ресселла звезда сдвигается вправо, а затем вверх, приближаясь к области красных гигантов. Её размеры значительно увеличиваются, и из-за этого температура внешних слоёв падает. Диаметр красного гиганта может достигать сотни миллионов километров. Когда наше солнце войдёт в эту фазу, оно «проглотит» и Меркурий и Венеру, а если не сможет захватить и Землю, то разогреет её до такой степени, что жизнь на нашей планете перестанет существовать.
За время эволюции звезды температура её ядра повышается. Сначала происходят ядерные реакции, затем по достижении оптимальной температуры начинается плавление гелия. Когда это происходит, внезапное повышение температуры ядра вызывает вспышку, и звезда быстро перемещается в левую часть диаграммы Г-Р. это так называемый «helium flash». В это время ядро, содержащее гелий, сгорает вместе с водородом, который входит в состав оболочки, окружающей ядро. На диаграмме Г-Р эта стадия фиксируется продвижением вправо по горизонтальной линии.
Последние фазы эволюции.
При трансформации гелия в углеводород ядро видоизменяется. Его температура повышается до тех пор, пока углерод не начнёт гореть. Происходит новая вспышка. В любом случае во время последних фаз эволюции звезды отмечается значительная потеря её массы. Это может происходить постепенно или резко, во время вспышки, когда внешние слои звезды лопаются, как большой пузырь. В последнем случае образуется планетарная туманность – оболочка сферической формы, распространяющаяся в космическом пространстве со скоростью в несколько десятков или даже сотен км/сек.
Конечная судьба звезды зависит от массы, оставшейся после всего происходящего с ней. Если она во время всех превращений и вспышек выбросила много материи и её масса не превышает 1,44 солнечной массы, звезда превращается в белого карлика. Эта носит название «лимит Чандрасекара» в честь пакистанского астрофизика Субрахманьяна Чандрасекара. Это максимальная масса звезды, при которой катастрофический конец может не состоятся из-за давления электронов в ядре.
После вспышки внешних слоёв ядро звезды остаётся, и его поверхностная температура очень высока – порядка 100 000 о К. Звезда двигается к левому краю диаграммы Г-Р и спускается вниз. Её светимость уменьшается, так как уменьшаются размеры.
Звезда медленно доходит до зоны белых карликов. Это звёзды небольшого диаметра, но отличающиеся очень высокой плотности, в полтора миллиона раз больше плотности воды.
Белый карлик представляет собой конечную стадию эволюции звезды, без вспышек. Она понемногу остывает. Учёные полагают, что конец белого карлика проходит очень медленно, во всяком случае, с начала существования Вселенной, похоже, ни один белый карлик не пострадал от «термической смерти».
Если же звезда крупная, и её масса больше Солнца, она вспыхнет, как сверхновая. Во время вспышки звезда может разрушиться полностью или частично. В первом случае от неё останется облако газа с остаточными веществами звезды. Во втором – останется небесное тело высочайшей плотности – нейтронная звезда или чёрная дыра.
ПЕРЕМЕННЫЕ ЗВЁЗДЫ.
Согласно концепции Аристотеля, небесные тела Вселенной являются вечными и постоянными. Но эта теория претерпела значительные изменения с появлением в XVII в. первых биноклей. Наблюдения, проводившиеся в течение последующих веков, продемонстрировали, что в действительности кажущееся постоянство небесных тел объясняется отсутствием техники для наблюдения или её несовершенством. Учёные пришли к выводу, что переменчивость является общей характеристикой всех видов звёзд. В течение эволюции звезда проходит несколько стадий, во время которых её основные характеристики – цвет и светимость – претерпевают глубокие изменения. Они происходят в течение существования звезды, а это десятки или сотни миллионов лет, поэтому человек не может быть очевидцем происходящего. У некоторых классов звёзд происходящие изменения фиксируются в короткие промежутки времени, например в течение нескольких месяцев, дней или части суток. Происходящие изменения звезды, её световые потоки можно многократно измерить в течение последующих ночей.
Измерения.
На самом деле эта проблема не так проста, как кажется на первый взгляд. При проведении измерений необходимо учитывать атмосферные условия, а они меняются, причём иногда значительно в течение одной ночи. В связи с этим данные о световых потоках звёзд существенно разнятся.
Очень важно уметь отличить настоящие изменения светового потока, а они непосредственно связаны с блеском звезды, от кажущихся, они объясняются изменением атмосферных условий.
Для этого рекомендуется провести сравнение световых потоков наблюдаемой звезды с другими звёздами – ориентирами, видимыми в телескоп. Если изменения кажущиеся, т.е. связаны с изменением атмосферных условий, они коснуться всех наблюдаемых звёзд.
Получить верные данные о состоянии звезды на коком-то этапе – это первая ступень. Далее следует составить «кривую блеска» для фиксирования возможных изменений блеска. Она будет показывать изменение звёздной величины.
Переменные или нет.
Звёзды, звёздная величина которых непостоянна, называют переменными. У некоторых из них переменчивость лишь кажущаяся. В основном это звёзды, относящиеся к системе двойных. При этом, когда орбитальная плоскость системы более или менее совпадает с лучом зрения наблюдателя, ему может казаться, что одна из двух звёзд полностью или частично затмевается другой и является менее яркой. В этих случаях изменения периодичны, периоды изменения блеска затменных звёзд повторяются с интервалом, совпадающим с орбитальным периодом двойной системы звёзд. Эти звёзды называются «затменные переменные».
Следующий класс переменных звёзд – «внутренние переменные». Амплитуды колебаний блеска этих звёзд зависят от физических параметров звезды, например от радиуса и температуры. В течение долгих лет астрономы вели наблюдения за изменчивостью переменных звёзд. Только в нашей Галактике зафиксировано 30000 переменных звёзд. Их разделили на две группы. К первой относятся «эруптивные переменные звёзды». Им свойственны однократные или повторяющиеся вспышки. Изменения звёздных величин эпизодичны. К классу «эруптивных переменных», или взрывных, относятся также новые и сверхновые. Ко второй группе – все остальные.
Цефеиды.
Существуют переменные звёзды, блеск которых меняется строго периодически. Изменения происходят через определённые промежутки времени. Если составить кривую блеска, она чётко зафиксирует регулярность изменений, при этом форма кривой отметит максимальные и минимальные характеристики. Разница между максимальным и минимальным колебаниями определяет большое пространство между двумя характеристиками. Звёзды такого типа относятся к «переменным пульсирующим». По кривой блеска можно сделать вывод, что блеск звезды возрастает быстрее, чем убывает.
Переменные звёзды подразделяются на классы. За критерий берётся звезда-прототип, именно она даёт название классу. В качестве примера можно привести Цефеиды. Это название происходит от звезды Цефея. Это наиболее простой критерий. Есть и другой – звёзды подразделяются по спектрам.
Переменные звёзды можно разделить на подгруппы по разным критериям.
ДВОЙНЫЕ ЗВЁЗДЫ.
Звёзды на небесном своде существуют в виде скоплений, ассоциация, а не как единичные тела. Звёздные скопления могут быть усеяны звёздами очень густо или нет.
Между звёздами могут существовать и более тесные связи, речь идёт о двойных системах, как их называют астрономы. В паре звёзд эволюция одной непосредственно влияет и на вторую.
Открытие.
Открытие двойных звёзд, в настоящее время их именно так называют, стало одним из первых открытий, осуществлённых при помощи астрономического бинокля. Первой парой этого типа звёзд стала Мицар из созвездия Большой Медведицы. Открытие сделал итальянский астроном Риччоли. Учитывая огромное количество звёзд во Вселенной, учёные пришли к выводу, что Мицар среди них не единственная двойная система, и оказались правы, вскоре наблюдения подтвердили эту гипотезу. В 1804 году известный астроном Вильям Гершель, посвятивший 24 года научным наблюдениям, опубликовал каталог, содержащий описание примерно 700 двойных звёзд. Вначале учёные не знали точно, связаны ли физически друг с другом компоненты двойной системы.
Некоторые светлые умы полагали, что на двойные звёзды действует звёздная ассоциация в целом, тем более в паре блеск составляющих был неодинаков. В связи с этим создавалось впечатление, что они находятся не рядом. Для выяснения истинного положения тел было необходимо измерить параллактические смещения звёзд. Этим и занялся Гершель. К величайшему удивлению, параллактическое смещение одной звезды по отношению к другой при измерении дало неожиданный результат. Гершель заметил, что вместо симметрического колебания с периодом в 6 месяцев каждая звезда следует по сложному эллипсоидному пути. В соответствии с законами небесной механики два тела, связанных силой притяжения, двигаются по эллиптической орбите. Наблюдения Гершеля подтвердили тезис о том, что двойные звёзды связаны физически, то есть силами тяготения.
Классификация двойных звёзд.
Различают три основных класса двойных звёзд: визуально-двойные, двойные фотометрические и спектрально-двойственные. Эта классификация не отражает в полной мере внутренние различия классов, но даёт представление о звёздной ассоциации.
Двойственность визуально-двойных звёзд хорошо видна в телескоп по мере их движения. В настоящее время идентифицировано около 70000 визуально-двойных, но только у 1% из них была точно определена орбита.
Такая цифра (1%) не должна удивлять. Дело в том, что орбитальные периоды могут составлять несколько десятков лет, если не целые века. А выстроить путь по орбите – очень кропотливый труд, требующий проведения многочисленных расчётов и наблюдений из разных обсерваторий. Очень часто учёные располагают лишь фрагментами движения по орбите, остальной путь они восстанавливают дедуктивным методом, используя имеющиеся данные. Следует иметь в виду, что орбитальная плоскость системы может быть наклонена к лучу зрения. В таком случае воссозданная орбита (видимая) будет значительно отличаться от истинной.
Если определена истинная орбита, известны период обращения и угловое расстояние между двумя звёздами, можно, применив третий закон Кеплера, определив сумму масс компонентов системы. Расстояние двойной звезды до нас при этом тоже должно быть известно.
Двойные фотометрические звёзды.
О двойственности этой системы звёзд можно судить лишь по периодическим колебаниям блеска. При движении такие звёзды переменно загораживают друг друга. Их также называют «затменно-двойные звёзды». У этих звёзд плоскости орбит близки к направлению луча зрения. Чем большую площадь занимает затмение, тем более выражен блеск. Если проанализировать кривую блеска двойных фотометрических звёзд, можно определить наклон орбитальной плоскости.
С помощью кривой блеска можно определить и орбитальный период системы. Если зафиксированы, например, два затмения, кривая блеска будет иметь два снижения (минимума). Период времени, за который фиксируются три последовательных снижения по кривой блеска, соответствует орбитальному периоду.
Периоды двойных фотометрических звёзд значительно короче по сравнению с периодами визуально-двойных звёзд и составляют срок несколько часов или несколько дней.
Спектрально-двойственные звёзды.
С помощью спектроскопии можно подметить расщепление спектральных линий вследствие эффекта Доплера. Если один из компонентов представляет собой слабую звезду, то наблюдается только периодическое колебание положений одиночных линий. Этот способ используют в случае, когда компоненты двойной звезды очень близки между собой и их сложно идентифицировать при помощи телескопа как визуально-двойные звёзды. Двойные звёзды, определяемые с помощью спектроскопа и эффекта Доплера, называются спектрально-двойственные. Не все двойные звёзды являются спектральными. Два компонента двойных звёзд могут отдаляться и приближаться в радиальном направлении.
Наблюдения свидетельствуют о том, что двойные звёзды встречаются в основном в нашей Галактике. Сложно определить процентное соотношение двойных и одинарных звёзд. Если действовать методом вычитания и из всего звёздного населения вычесть число идентифицированных двойных звёзд, можно сделать вывод, что они составляют меньшинство. Этот вывод может быть ошибочным. В астрономии есть понятие «эффект отбора». Для определения двойственности звёзд надо идентифицировать их основные характеристики. Для этого необходимо хорошее оборудование. Иногда бывает сложно определить двойные звёзды. Например, визуально-двойные звёзды не всегда можно увидеть на большом удалении от наблюдателя. Иногда угловое расстояние между компонентами не фиксируется телескопом. Для того чтобы зафиксировать фотометрические и спектрально-двойственные звёзды, их блеск должен быть достаточно сильным для сбора модуляций светового потока и тщательного измерения длины волн в спектральных линиях.
Число звёзд, подходящих по всем параметрам для исследований, не так велико. По данным теоретических разработок, можно предположить, что двойные звёзды составляют от 30% до 70% звёздного населения.
НОВЫЕ ЗВЁДЫ.
Переменные взрывные звёзды состоят из белого карлика и звезды Главной последовательности, как Солнце, или постпоследовательности, как красный гигант. Обе звезды следуют по узкой орбите с периодичностью в несколько часов. Они находятся на близком расстоянии друг от друга, в связи с чем они тесно взаимодействуют и вызывают эффектные явления.
С середины XIX века учёные фиксируют на оптической полосе переменных взрывных звёзд преобладание фиолетового цвета в определённое время, это явление совпадает с наличием пиков на кривой блеска. По этому принципу звёзды разделили на несколько групп.
Классические новые звёзды.
Классические новые звёзды отличаются от переменных взрывных тем, что их оптические вспышки не имеют повторяющегося характера. Амплитуда кривой их блеска выражена чётче, и подъём к максимальной точке происходит значительно быстрее. Обычно они достигают максимального блеска за несколько часов, за этот период времени новая звезда приобретает звёздную величину равную примерно 12, то есть световой поток увеличивается на 60000 единиц.
Чем медленнее происходит процесс подъёма к максимуму, тем менее заметно и изменение блеска. Новая звезда недолго остаётся в положении «максимум», обычно этот период занимает время от нескольких дней до нескольких месяцев. Затем блеск начинает уменьшаться, сначала быстро, затем медленнее до обычного уровня. Длительность этой фазы зависит от разных обстоятельств, но её продолжительность составляет не менее нескольких лет.
У новых классических звёзд все эти явления сопровождаются неконтролируемыми термоядерными реакциями, происходящими в поверхностных слоях белого карлика, именно там находится «позаимствованный» водород от второго компонента звезды. Новые звёзды всегда двойные, один из компонентов обязательно – белый карлик. Когда масса компонента звезды перетекает к белому карлику, слой водорода начинает сжиматься и разогревается, соответственно температура повышается, гелий разогревается. Всё это происходит быстро, резко, в результате имеет место вспышка. Излучающая поверхность увеличивается, блеск звезды становится ярким, на кривой блеска фиксируется всплеск.
Во время активной фазы вспышки новая звезда достигает максимального блеска. Максимальная абсолютная звёздная величина составляет порядка от -6 до -9. у новых звёзд эта цифра достигается медленнее, у переменных взрывных звёзд – быстрее.
Новые звёзды существуют и в других галактиках. Но то, что мы наблюдаем, это лишь их видимая звёздная величина, абсолютную определить нельзя, так как неизвестно их точное расстояние до Земли. Хотя в принципе можно узнать абсолютную звёздную величину новой, если она находится в максимальной близости от другой новой звезды, расстояние до которой известно. Максимальная абсолютная величина высчитывается по уравнению:
M=-10.9+2.3log (t).
t – это время, за которое кривая блеска новой звезды падает до 3 звёздных величин.
Карликовые новые звёзды и повторяющиеся новые.
Ближайшими родственниками новых звёзд являются карликовые новые звёзды, их прототип «U Близнецов». Их оптические вспышки практически аналогичны вспышкам новых звёзд, но имеются различия в кривых блесках: их амплитуды меньше. Отмечаются различия и в повторяемости вспышек – у новых карликовых звёзд они случаются более или менее регулярно. В среднем раз в 120 дней, но иногда и через несколько лет. Оптические вспышки новых длятся от нескольких часов до нескольких дней, после чего за несколько недель блеск уменьшается и, наконец, достигает обычного уровня.
Существующую разницу можно объяснить различными физическими механизмами, провоцирующими оптическую вспышку. В «U Близнецов» вспышки происходят из-за внезапного изменения процентного соотношения материи на белом карлике – её увеличения. В результате имеет место огромный выброс энергии. Наблюдения за карликовыми новыми звёздами в фазе затмения, то есть когда белый карлик и диск, окружающий его, закрываются звездой – компонентом системы, точно свидетельствуют о том, что именно белый карлик, вернее, его диск является источником света.
Повторяющиеся новые звёзды представляют собой нечто среднее между классическими новыми и карликовыми новыми звёздами. Как следует из названия, их оптические вспышки повторяются регулярно, что роднит их с новыми карликовыми звёздами, но происходит это через несколько десятков лет. Усиление блеска во время вспышки более выражено и составляет около 8 звёздных величин, эта черта приближает их к классическим новым звёздам.
РАССЕЯНЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ.
Рассеянные звёздные скопления найти несложно. Их называют галактическими скоплениями. Речь идёт об образованиях, включающих от нескольких десятков до нескольких тысяч звёзд, большая часть которых видна невооружённым глазом. Звёздные скопления предстают перед наблюдателем как участок неба, густо усеянный звёздами. Как правило, такие области концентрации звёзд хорошо заметны на небе, но бывает, причём довольно редко, что скопление практически неразличимо. Для того чтобы определить, является какой-либо участок неба звёздным скоплением или речь идёт о звёздах, просто близко расположенных друг к другу, следует изучить их движение и определить расстояние до Земли. Звёзды, составляющие скопления, движутся в одном направлении. Кроме того, если звезды, находящиеся не далеко друг от друга, расположены на одинаковом расстоянии от Солнечной системы, они, конечно, связаны между собой силами притяжения и составляют рассеянное скопление.
Классификация звёздных скоплений.
Протяжённость этих звёздных систем варьируется от 6 до 30 световых лет, средняя протяжённость составляет примерно двенадцать световых лет. Внутри звёздных скоплений звёзды сконцентрированы хаотично, бессистемно. Скопление не имеет чётко выраженной формы. При классификации звёздных скоплений следует принимать во внимание угловые измерения, приблизительное общее количество звёзд, степень их концентрации в скоплении и разницу в блеске.
В 1930 году американский астроном Роберт Трамплер предложил классифицировать скопления по следующим параметрам. Все скопления подразделялись на четыре класса по принципу концентрации звёзд и обозначались римскими цифрами от I до IV. Каждый из четырёх классов делится на три подкласса по однородности блеска звёзд. К первому подклассу относятся скопления, в которых звёзды имеют примерно одну степень светимости, к третьему – с существенной разницей в этом плане. Затем американский астроном ввёл ещё три категории классификации звёздных скоплений по числу звёзд, входящих в скопление. К первой категории «p» относятся системы, в которых менее 50 звёзд. Ко второй «m» — скопление, имеющие от 50 до 100 звёзд. К третьей – имеющие более 100 звёзд. Например, в соответствии с этой классификацией, звёздное скопление, обозначенное в каталоге как «I 3p», представляет собой систему, состоящую менее чем из 50 звёзд, густо сконцентрированных в небе и обладающих разной степенью блеска.
Однородность звёзд.
Все звёзды, относящиеся к какому-либо рассеянному звёздному скоплению, имеют характерную черту – однородность. Это значит, что они образовались из одного и того же газового облака и сначала существования имеют одинаковый химический состав. Кроме того, есть предположение, что все они появились в одно время, то есть имеют одинаковый возраст. Существующие между ними различия можно объяснить разным ходом развития, а это определяется массой звезды с момента её образования. Учёным известно, что крупные звёзды имеют меньший срок существования по сравнения с малыми звёздами. Крупные эволюционируют значительно быстрее. В основном рассеянные звёздные скопления представляют собой небесные системы, состоящие из относительно молодых звёзд. Этот вид звёздных скоплений дислоцируется в основном в спиральных ветвях Млечного Пути. Именно эти участки являлись в недавнем прошлом активными зонами звёздообразования. Исключения составляют скопления NGC 2244, NGC 2264 и NGC6530, их возраст равен нескольким десяткам миллионов лет. Это небольшой срок для звёзд.
Возраст и химический состав.
Звёзды рассеянных звёздных скоплений связаны между собой силой притяжения. Но из-за того, что эта связь недостаточно крепкая, рассеянные скопления могут распадаться. Это происходит за длительное время. Процесс расформирования связан с влиянием гравитации одиночных звёзд, расположенных недалеко от скопления.
Старых звёзд в составе рассеянных звёздных скоплений практически нет. Хотя имеются исключения. В первую очередь это относится к крупным скоплениям, в которых связь между звёздами значительно сильнее. Соответственно, и возраст таких систем больше. Среди них можно отметить NGC 6791. В состав этого звёздного скопления входят примерно 10000 звёзд, его возраст составляет около 10 миллиардов лет. Орбиты крупных звёздных скоплений уносят их на длительный период времени далеко от плоскости галактики. Соответственно, у них меньше возможностей встретиться с большими молекулярными облаками, что могло бы повлечь за собой расформирование звёздного скопления.
Звёзды рассеянных звёздных скоплений сходны по химическому составу с Солнцем и другими звёздами галактического диска. Разница в химическом составе зависит от расстояния от центра Галактики. Чем дальше от центра расположено звёздное скопление, тем меньше элементов из группы металлов оно содержит. Химический состав также зависит от возраста звёздного скопления. Это относится и к одиночным звёздам.
ШАРОВЫЕ ЗВЁЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ.
Шаровые звёздные скопления, насчитывающие сотни тысяч звёзд, имеют очень необычный вид: у них сферическая форма, и звёзды концентрируются в них настолько плотно, что даже с помощью мощнейших телескопов невозможно различить одиночные объекты. Отмечается сильная концентрация звёзд к центру.
Исследования шаровых скоплений имеет важное значение в астрофизике в плане изучения эволюции звёзд, процесса формирования галактик, изучения структуры нашей Галактики и определения возраста Вселенной.
Форма Млечного Пути.
Учёные установили, что шаровые скопления образовались на начальном этапе формирования нашей Галактики – протогалактический газ имел сферическую форму. Во время гравитационного взаимодействия до завершения сжатия, что привело к образованию диска, за его пределами оказались сгустки материи, газа и пыли. Именно из них образовались шаровые звёздные скопления. Причём они сформировались до появления диска и остались там же, где и образовались. Они имеют сферическую структуру, гало, вокруг которого позже расположилась плоскость галактики. Вот почему шаровые скопления дислоцируются симметрично в Млечном Пути.
Изучение проблемы расположения шаровых скоплений, а также проведённые измерения расстояния от них до Солнца, позволили определить их протяжённость нашей Галактики до центра – оно составляет 30000 световых лет.
Шаровые звёздные скопления по времени происхождения очень старые. Их возраст составляет 10-20 миллиардов лет. Они представляют собой важнейший элемент Вселенной, и, несомненно, знания об этих образованиях окажут немалую помощь в объяснении явлений Вселенной. По мнению учёных, возраст этих звёздных скоплений идентичен возрасту нашей Галактики, а так как все галактики сформировались примерно в одно время, значит, можно определить и возраст Вселенной. Для этого к возрасту шаровых звёздных скоплений следует прибавить время от появления Вселенной до начала образования галактик. По сравнению с возрастом шаровых звёздных скоплений это совсем небольшой отрезок времени.
Внутри ядер шаровых скоплений.
Для центральных областей этого вида скоплений характерна высокая степень концентрации звёзд, примерно в тысячи раз больше, чем в ближайших к Солнцу зонах. Только за последнее десятилетие стало возможным рассмотреть ядра шаровых звёздных скоплений, вернее, те небесные объекты, которые находятся в самом центре. Это имеет большое значение в области изучения динамики входящих в ядро звёзд, в плане получения информации о системах небесных тел, связанных силами притяжения, — звёздные скопления относятся именно к этой категории, — а также в плане изучения взаимодействия между звёздами скоплений посредством наблюдений или обработки данных на компьютере.
Из-за высокой степени концентрации звёзд происходят самые настоящие столкновения, формируются новые объекты, например звёзды, имеющие свои особенности. Могут появляться и двойные системы, это случается, когда столкновение двух звёзд не приводит к их разрушению, а происходит взаимозахват из-за гравитации.
Семейства шаровых звёздных скоплений.
Шаровые звёздные скопления нашей Галактики представляют собой неоднородные образования. Различают четыре динамичных семейства по принципу удаления от центра Галактики и по химическому составу. Некоторые шаровые скопления имеют больше химических элементов группы металлов, другие – меньше. Степень наличия металлов зависит от химического состава межзвёздной среды, из которой небесные объекты образовались. Шаровые скопления с меньшим количеством металлов – более старые, они располагаются в гало Галактики. Больший состав металла характерен для более молодых звёзд, они сформировались из среды, уже обогащённой металлами вследствие вспышек сверхновых звёзд, — к этому семейству относятся «дисковые скопления», находящиеся на галактическом диске.
В гало находятся «звёздные скопления внутренней части гало» и «звёздные скопления внешней части гало». Имеются и «звёздные скопления периферической части гало», расстояние от которых до центра Галактики наибольшее.
Влияние окружающей среды.
Звёздные скопления изучаются и подразделяются на семейства не ради классификации как самоцели. Классификация играет большую роль и при исследовании влияния окружающей звёздные скопления среды на его эволюцию. В данном случае речь идёт о нашей Галактике.
Несомненно, на звёздное скопление оказывает огромное влияние гравитационное поле диска Галактики. Шаровые звёздные скопления двигаются вокруг галактического центра по эллиптическим орбитам и периодически пересекают диск Галактики. Это происходит раз примерно в 100 миллионов лет.
Гравитационное поле и приливные выступы, исходящие от галактической плоскости, настолько интенсивно действуют на звёздное скопление, что оно постепенно начинает распадаться. Учёные полагают, что некоторые старые звёзды, в настоящее время дислоцирующиеся в Галактике, некогда входили в состав шаровых звёздных скоплений. Сейчас они уже разрушились. Считается, что за миллиард лет распадаются примерно 5 звёздных скоплений. Это пример влияния галактической окружающей среды на динамичную эволюцию шарового звёздного скопления.
Под действием гравитационного влияния галактического диска на звёздное скопление происходит и изменение протяжённости скопления. Речь идёт о звёздах, расположенных далеко от центра скопления, на них в большей степени воздействует сила притяжения галактического диска, а не самого звёздного скопления. Происходит «испарение» звёзд, размеры скопления уменьшаются.
СВЕРХНОВЫЕ ЗВЁЗДЫ.
Звёзды тоже рождаются, растут и умирают. Их конец может быть медленным и постепенным или резким и катастрофическим. Это характерно для звёзд очень крупных размеров, которые заканчивают существование вспышкой, это сверхновые звёзды.
Открытие сверхновых звёзд.
В течение веков сущность сверхновых звёзд была неизвестна учёным, но наблюдения за ними велись с незапамятных времён. Многие сверхновые звёзды настолько ярки, что их можно рассмотреть невооружённым глазом, причём иногда даже днём. Первые упоминания об этих звёздах появились в античных хрониках в 185 г. н.э. Впоследствии их наблюдали регулярно и скрупулёзно фиксировали все данные. Например, придворные астрономы императоров Древнего Китая зарегистрировали многие из открытых сверхновых звёзд через много лет.
Среди них следует отметить сверхновую звёзду, вспыхнувшую в 1054 г. н.э. в созвездии Тельца. Остаток этой сверхновой звезды носит название «Крабовидная туманность», из-за характерной формы. Систематические наблюдения за сверхновыми звёздами западные астрономы начали вести поздно. Только к концу XVI в. появились упоминания о них в научных документах. Первые наблюдения за сверхновыми звёздами силами европейских астрономов относятся к 1575 г. и 1604 г. В 1885 г. была открыта первая сверхновая звезда в галактике Андромеды. Сделала это баронесса Берта де Подманицкая.
С 20-х годов XX в. благодаря изобретению фотопластин открытия сверхновых следуют одно за другим. В настоящее время их открыто до тысячи. Поиск сверхновых требует большого терпения и постоянного наблюдения за небом. Звезда должна быть не просто очень яркой, её поведение должно быть необычным и непредсказуемым. «Охотников» за сверхновыми не так много, чуть более десяти астрономов могут похвалиться тем, что за свою жизнь открыли более 20 сверхновых. Пальма первенства в такой интересной классификации принадлежит Фреду Цвики – с 1936 г. он идентифицировал 123 звезды.
Что такое сверхновые звёзды?
Сверхновые звёзды – внезапно вспыхивающие звёзды. Эта вспышка – катастрофическое событие, конец эволюции звёзд крупных размеров. Во время вспышек мощность излучения достигает 1051 эрг, что сопоставимо с энергией, испускаемой звездой на протяжении всей своей жизни. Механизмы, вызывающие вспышки у двойных и одиночных звёзд, различны.
В первом случае вспышка происходит при условии, что вторая звезда в двойной системе – белый карлик. Белые карлики – относительно небольшие звёзды, их масса соответствует массе Солнца, в конце «жизненного пути» они имеют размеры планеты. Белый карлик взаимодействует со своей парой в гравитационном плане, он «ворует» вещество из её поверхностных слоёв. «Позаимствованное» вещество разогревается, начинаются ядерные реакции, происходит вспышка.
Во втором случае вспыхивает сама звезда, это происходит, когда в её недрах больше нет условий для термоядерных реакций. На этой стадии преобладает гравитация, и звезда начинает сжиматься быстрыми темпами. Из-за резкого разогревания в результате сжатия в ядре звезды начинают происходить неуправляемые ядерные реакции, энергия высвобождается в виде вспышки, вызывая разрушение звезды.
После вспышки остаётся облако газа, оно распространяется в пространстве. Это «остатки сверхновой» — то, что остаётся от поверхностных слоёв взорвавшейся звезды. Морфология остатков сверхновой различна и зависит от условий, в которых произошла вспышка звезды-«прародительницы», и от её характерных внутренних черт. Распространение облака происходит неодинаково по разным направлениям, что связано с взаимодействием с межзвёздным газом, он может значительно изменить форму облака за тысячи лет.
Характеристика сверхновых.
Сверхновые представляют собой вариацию эруптивных переменных звёзд. Как все переменные, сверхновые звёзды характеризуются кривой блеска и легко узнаваемыми признаками. Прежде всего, для сверхновой характерно быстрое увеличение блеска, оно длится несколько дней, пока не достигнет максимума, — этот период составляет примерно десять дней. Затем блеск начинает уменьшаться – сначала бессистемно, затем последовательно. Изучая кривую блеска, можно проследить динамику вспышки и изучить её эволюцию. Часть кривой блеска от начала подъёма до максимума соответствует вспышке звезды, последующий спуск означает распространение и охлаждение газовой оболочки.
БЕЛЫЕ КАРЛИКИ.
В «звёздном зоопарке» существует великое множество звёзд, разных по размерам, цвету и блеску. Среди них особенно впечатляют «мёртвые» звёзды, их внутренняя структура значительно отличается от структуры обычных звёзд. К категории мёртвых звёзд относятся звёзды крупных размеров, белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры. Из-за высокой плотности этих звёзд их относят к категории «кризисных».
Открытие.
Вначале сущность белых карликов представляла собой полную загадку, было известно только то, что они по сравнению с обычными звёздами имеют высокую плотность.
Первым открытым и изучаемым белым карликом был Сириус B, пара Сириуса – очень яркой звезды. Применив третий закон Кеплера, астрономы вычислили массу Сириуса B: 0,75-0,95 солнечной массы. С другой стороны, его блеск был значительно ниже солнечного. Блеск звезды связан с квадратом радиуса. Проанализировав цифры, астрономы пришли к выводу, что размеры Сириуса небольшие. В 1914 году составили звёздный спектр Сириуса B, определили температуру. Зная температуру и блеск, вычислили радиус – 18800 километров.
Первые исследования.
Полученный результат ознаменовал открытие нового класса звёзд. В 1925 году Адамс измерил длину волны некоторых линий излучения в спектре Сириуса B и определил, что она больше, чем предполагалось. Красное смещение вписывается в рамки теории относительности, за несколько лет до происходящих событий открытой Эйнштейном. Применяя теорию относительности, Адамс смог вычислить радиус звезды. После открытия ещё двух похожих на Сириус B звёзд Артур Эддингтон сделал вывод, что во Вселенной таких звёзд много.
Итак, существование карликов было установлено, но их природа по-прежнему оставалась тайной. В частности, учёные никак не могли понять, каким образом масса, похожая на солнечную, может умещаться в таком маленьком по объёму теле. Эддингтон приходит к выводу, что «при такой высокой плотности газ теряет свои свойства. Вероятнее всего, белые карлики состоят из вырожденного газа».
Сущность белых карликов.
В августе 1926 года Энрико Ферми и Поль Дирак разработали теорию, описывающую состояние газа в условиях очень высокой плотности. Используя её, Фаулер в этом же году нашёл объяснение устойчивой структуры белых карликов. По его мнению, из-за большой плотности, газ в недрах белого карлика находится в вырожденном состоянии, причём давление газа практически не зависит от температуры. Устойчивость белого карлика поддерживается тем, что силе тяготения противостоит давление газа в недрах карлика. Изучение белых карликов продолжил индийский физик Чандрасекар.
В одной из своих работ, опубликованной в 1931 году, он делает важное открытие – масса белых карликов не может превышать определённый лимит, это связанно с их химическим составом. Этот лимит составляет 1,4 массы Солнца и носит название «лимит Чандрасекара» в честь учёного.
Почти тонна в см3 !
Как и следует из названия, белые карлики являются звёздами малых размеров. Даже если их масса равна массе Солнца, всё равно по размерам они похожи на планету типа Земля. Их радиус равен примерно 6000 км – 1/100 от радиуса Солнца. Учитывая массу белых карликов и их размеры, можно сделать только один вывод – их плотность очень высока. Кубический сантиметр материи белого карлика весит почти тонну по земным меркам.
Столь высокая плотность приводит к тому, что гравитационное поле звезды очень сильное – примерно в 100 раз превышает солнечное, причём при одинаковой массе.
Основные характеристики.
Хотя в ядре белых карликов больше не происходят ядерные реакции, его температура очень высока. Тепло устремляется к поверхности звезды, а затем распространяется в космическом пространстве. Сами звёзды медленно остывают до тех пор, пока не становятся невидимыми. Поверхностная температура «молодых» белых карликов составляет порядка 20000-30000 градусов. Белые карлики бывают не только белого цвета, есть и жёлтые. Несмотря на высокую температуру поверхности, из-за небольших размеров светимость низкая, абсолютная звёздная величина может составлять 12-16. Белые карлики остывают очень медленно, поэтому мы видим их в таких больших количествах. Учёные имеют возможность изучать их основные характеристики. Белые карлики включены в диаграмму Г-Р, они занимают немного места под Главной последовательностью.
НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ И ПУЛЬСАРЫ.
Название «пульсар» происходит от английского сочетания «pulsating star» — «пульсирующая звезда». Характерной особенностью пульсаров в отличие от других звёзд является не постоянное излучение, а регулярное импульсное радиоизлучение. Импульсы очень быстрые, продолжительность одного импульса длится от тысячных долей секунды до, максимально, нескольких секунд. Форма импульса и периоды у разных пульсаров неодинаковы. Из-за строгой периодичности радиоизлучения пульсары можно рассматривать как космические хронометры. Со временем периоды уменьшаются до 10-14 s/s. Каждую секунду период меняется на 10-14 секунды, то есть уменьшение происходит около 3 миллионов лет.
Регулярные сигналы.
История открытия пульсаров довольно интересна. Первый пульсар PSR 1919+21 был зафиксирован в 1967 году Беллом и Энтони Хьюшем из Кембриджского университета. Белл, молодой физик, проводил исследования в области радиоастрономии для подтверждения выдвинутых им тезисов. Вдруг он обнаружил радиосигнал умеренной интенсивности в области, близкой к галактической плоскости. Странность заключалась в том, что сигнал был прерывающимся – он исчезал и возникал вновь через регулярные интервалы в 1,377 сек. Говорят, что Белл бегом отправился к своему профессору, чтобы известить его об открытии, но последний не придал этому должного внимания, полагая, что речь идёт о радиосигнале с Земли.
Тем не менее сигнал продолжал проявляться независимо от земной радиоактивности. Это свидетельствовало о том, что источник его появления до сих пор не был установлен. Как только были опубликованы данные о состоявшемся открытии, возникли многочисленные предположения о том, что сигналы идут от призрачной внеземной цивилизации. Но учёные смогли понять сущность пульсаров без помощи инопланетных миров.
Сущность пульсаров.
После первого было открыто ещё много пульсаров. Астрономы пришли к выводу, что эти небесные тела относятся к источникам импульсного излучения. Наиболее многочисленными объектами Вселенной являются звёзды, поэтому учёные решили, что эти небесные тела, скорее всего, относятся к классу звёзд.
Быстрое движение звезды вокруг своей оси является, скорее всего, причиной пульсаций. Учёные измерили периоды и попытались определить сущность этих небесных тел. Если тело вращается со скоростью, превышающей некую максимальную скорость, оно распадается под воздействием центробежных сил. Значит, должна существовать минимальная величина периода вращения.
Из проведённых расчётов следовало, что для вращения звезды с периодом, измеряемым тысячными долями секунды, её плотность должна составлять порядка 1014 г/см3, как у ядер атомов. Для наглядности можно привести такой пример – представьте массу, равную Эвересту, в объёме кусочка сахара.
Нейтронные звёзды.
С тридцатых годов учёные предполагали, что в небе существует нечто подобное. Нейтронные звёзды – очень маленькие, сверхплотные небесные тела. Их масса примерно равна 1,5 массы Солнца, сконцентрированной в радиусе примерно в 10 км.
Нейтронные звёзды состоят в основном из нейтронов – частиц, лишённых электрического заряда, которые вместе с протонами составляют ядро атома. Из-за высокой температуры в недрах звезды вещество ионизировано, электроны существуют отдельно от ядер. При столь высокой плотности все ядра распадаются на составляющие их нейтроны и протоны. Нейтронные звёзды представляют собой конечный результат эволюции звезды крупной массы. После исчерпания источников термоядерной энергии в её недрах, она резко взрывается, как сверхновая. Внешние слои звезды сбрасываются в пространство, в ядре происходит гравитационный коллапс, образуется горячая нейтронная звезда. Процесс коллапса занимает доли секунды. В результате коллапса она начинает вращаться очень быстро, с периодами в тысячные доли секунды, что характерно для пульсара.
Излучение пульсаций.
В нейтронной звезде нет источников термоядерных реакций, т.е. они неактивны. Излучение пульсаций происходит не из недр звезды, а извне, из зон, окружающих поверхность звезды.
Магнитное поле нейтронных звёзд очень сильное, в миллионы раз превышающее магнитное поле Солнца, оно пресекает пространство, создавая магнитосферу.
Нейтронная звезда испускает в магнитосферу потоки электронов и позитронов, они вращаются со скоростью, близкой к скорости света. Магнитное поле оказывает влияние на движение этих элементарных частиц, они движутся вдоль силовых линий, следуя спиралевидной траектории. Таким образом, происходит выделение ими кинетической энергии в форме электромагнитного излучения.
Период вращения увеличивается из-за уменьшения вращательной энергии. У старых пульсаров период пульсаций более длительный. Кстати, не всегда период пульсаций является строго периодичным. Иногда он резко замедляется, это связано с феноменами, носящими название «glitches», — это результат «микрозвездотрясений».
ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ.
Изображение небесного свода поражает разнообразием форм и цветов небесных тел. Чего только нет во Вселенной: звёзды любых цветов и размеров, спиральные галактики, туманности необычных форм и цветовых гамм. Но в этом «космическом зоопарке» есть «экземпляры», возбуждающие особый интерес. Это ещё более загадочные небесные тела, так как за ними трудно наблюдать. Кроме того, их природа до конца не выяснена. Среди них особое место принадлежит «чёрным дырам».
Скорость движения.
В обыденной речи выражение «чёрная дыра» означает нечто бездонное, куда вещь проваливается, и никто никогда не узнает, что произошло с ней в дальнейшем. Что же представляют собой чёрные дыры в действительности? Чтобы понять это, вернёмся в историю на два века назад. В XVIII век французский математик Пьер Симон де Лаплас ввёл впервые этот термин при изучении теории гравитации. Как известно, любое тело, имеющее определённую массу – Земля, например, — имеет и гравитационное поле, оно притягивает к себе окружающие тела.
Вот почему подброшенный вверх предмет падает на Землю. Если этот же предмет с силой бросить вперёд, он преодолеет на какое-то время притяжение Земли и пролетит какое-то расстояние. Минимальная необходимая скорость называется «скорость движения», у Земли она составляет 11 км/с. Скорость движения зависит от плотности небесного тела, которая создаёт гравитационное поле. Чем больше плотность, тем больше должна быть скорость. Соответственно, можно выдвинуть предположение, как это сделал два столетия назад Лаплас, что во Вселенной существуют тела с такой высокой плотностью, что скорость их движения превышает скорость света, то есть 300000 км/с.
В этом случае даже свет мог бы поддаться силе притяжения подобного тела. Подобное тело не могло бы излучать свет, и в связи с этим оно оставалось бы невидимым. Мы можем представить его как огромную дыру, на рисунке – чёрного цвета. Несомненно, теория, сформулированная Лапласом, несёт не себе отпечаток времени и представляется слишком упрощённой. Впрочем, во времена Лапласа ещё не была сформулирована квантовая теория, и с концептуальной точки зрения рассмотрение света как материального тела казалось нонсенсом. В самом начале XX века с появлением и развитием квантовой механики стало известно, что свет в некоторых условиях выступает и как материальное излучение.
Это положение получило развитие в теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1915 году, и в работах немецкого физика Карла Шварцшильда в 1916 году, он подвёл математическую базу под теорию о чёрных дырах. Свет тоже может быть подвержен действию силы притяжения. Два столетия назад Лаплас затронул очень важную проблему в плане развития физики как науки.
Как появляются чёрные дыры?
Явления, о которых мы говорим, получили название «чёрные дыры» в 1967 году благодаря американскому астрофизику Джону Уиллеру. Они являются конечным результатом эволюции крупных звёзд, масса которых выше пяти солнечных масс. Когда все резервы ядерного горючего исчерпаны и реакции больше не происходят, наступает смерть звезды. Далее её судьба зависит от её массы.
Если масса звезды меньше массы солнца, она продолжает сжиматься, пока не погаснет. Если масса значительна, звезды взрывается, тогда речь идёт о сверхновой звезде. Звезда оставляет после себя следы, — когда в ядре происходит гравитационный коллапс, вся масса собирается в шар компактных размеров с очень высокой плотность – в 10000 раз больше, чем у ядра атома.
Относительные эффекты.
Для учёных чёрные дыры являются великолепной естественной лабораторией, позволяющей проводить опыты по различным гипотезам в плане теоретической физики. Согласно теории относительности Эйнштейна, на законы физики оказывает воздействие локального поля притяжения. В принципе, время течёт по-разному рядом с гравитационными полями разной интенсивности.
Кроме того, чёрная дыра воздействует не только на время, но и на окружающее пространство, влияя на его структуру. Согласно теории относительности, присутствие сильного гравитационного поля, возникшего от такого мощного небесного тела, как чёрная дыра, искажает структуру окружающего пространства, и его геометрические данные изменяются. Это значит, что около чёрной дыры короткое расстояние, соединяющее две точки, будет не прямой линией, а кривой.
www.ronl.ru
