Введение
С древних времен люди видели
звезды на небе и хотели понять, что они такое. Объяснить природу звезд пытались
еще с древних времен, но понять, что же такое звезда могла только в XX веке, но
сейчас существует множество загадок.
Звезды — одна из основных
форм материи во вселенной. В них содержится большая часть вещества вселенной.
Звезды обычно встречаются в галактиках, но вне галактик звезды встречаются
редко.
Многие небесные
«туманности», если смотреть на них с помощью телескопа, являются
также группами звезд. Млечный Путь, например, это наша галактика, состоящая из
сотен миллиардов звезд. До недавнего времени считалось, что звезды содержат
почти всю материю во вселенной. В Солнечной системе, например, масса центральной
звезды — Солнца — намного превышает общую массу всех остальных тел: планет,
астероидов, комет, пыли, ледяных шапок. В середине 20-го века казалось, что мы
понимаем структуру Вселенной: многие галактики состоят из звезд, вокруг
некоторых из них расположены планетарные системы, и в этой иерархии доминирует
сила гравитации, притяжения. Даже редкие двойные звезды, планеты, облака газа и
пыли должны подчиняться этой великой силе. Но изучая распределение и движение
звезд в Солнечной системе и в галактике, ученые обнаружили один неожиданный
факт за другим.
В Солнечной системе есть
правило: чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она вращается вокруг Солнца.
То же правило должно применяться и к галактике: Звезды вблизи центра галактики
должны вращаться вокруг галактики намного быстрее, чем звезды на ее периферии.
Однако звезды на крайнем крае галактики движутся так же быстро, как и звезды
вблизи центра галактики. Это не соответствует законам Кеплера, ньютоновской
механике и, в конечном счете, закону гравитации. Чем внимательнее ученые
наблюдали за движением звезд, тем незнакомее это выглядело. Оказалось, что
группы звезд, которые должны были распространяться в разных направлениях,
застряли вместе на миллиарды лет. Некоторые звезды изменили свое направление в
пространстве без видимой причины, как куклы. Казалось, что звезды перестали
подчиняться гравитации. Кто-то невидимый оказался истинным хозяином Вселенной.
Как будто звезды, источники света, имеют тени. Появилась удивительная истина:
свет и масса не обязательно идут рука об руку, вселенная полна ярких и сияющих
объектов малой массы и слегка сияющих массивных тел.
Интересные факты
Красный карлик может существовать миллиарды лет, экономно расходуя внутреннее топливо, а для сверхгиганта этот период сокращается до нескольких миллионов.
Туманность вокруг Полярной звезды
Известная всем Полярная звезда – представительница этого класса. Она относится к желтому спектру, ее радиус больше солнечного в 30 раз, а светимость – в 2200.
Гипергиганты не значительно превосходят сверхгигантов по размеру, но при этом превалируют в массе в десятки раз, а их яркость достигает от 500 тыс. до 5 млн. светимостей Солнца. Эти звезды имеют самую короткую жизнь, иногда она исчисляется сотнями тысяч лет. Таких ярких и мощных объектов в нашей Галактике найдено около 10.
Изначально ученые считали, что голубые гиганты взрываются, переходя в стадию красных. Но неоднократные наблюдения вспышек сверхновых непосредственно из голубых сверхгигантов, доказали ошибочность этой теории. Колоссальная энергия таких процессов стала неожиданностью для ученых. Под пристальное наблюдение попала Эта Киля, являющаяся нестабильной. Этот голубой сверхгигант, способный затмить 120 Солнц, может взорваться сверхновой в недалеком будущем. Воздействие взрывной волны подобной силы на нашу Солнечную систему непредсказуемо, но мы точно не узнаем о них.
Что такое звезда?
Звезда — это большое небесное тело, состоящее из плазмы (состояние вещества между жидкостью и газом, при котором частицы электрически заряжены), накаляющейся при огромных температурах, что заставляет эту «сферу» сиять собственным светом.
Звезды можно рассматривать как очень крупномасштабный ядерный реактор. И дело в том, что это сферы, содержащие огромное количество водорода, первого химического элемента периодической таблицы, который подвергается воздействию процесс ядерного синтеза (в ядре звезды), что приводит к образованию гелия. Этот процесс требует чрезвычайно высоких температур и давлений, которые могут быть достигнуты только внутри этих звезд.
Гелий, в свою очередь, если звезда достаточно велика, может продолжить слияние, что требует гораздо более высоких температур и давлений, что дает начало следующему химическому элементу, которым является литий. И так со всеми.
Наше Солнце способно производить только гелийНо есть и другие колоссальные звезды, способные объединить достаточно атомов, чтобы дать начало металлам и другим тяжелым элементам. Все элементы, существующие в природе, происходят из освобождения, которое однажды дала далекая звезда, когда она умерла.
Эти ядерно-химические реакции происходят при температурах порядка 15 000 000 ° C и завершаются высвобождением, помимо тепла, света и электромагнитного излучения. Из-за своей огромной массы плазма конденсируется под действием силы тяжести, которая, в свою очередь, притягивает небесные тела, как это имеет место в нашей Солнечной системе.
В зависимости от массы звезды будут жить более или менее. Продолжительность жизни самых массивных звезд обычно составляет около 30 миллионов лет (мгновение ока в астрономических терминах), в то время как маленькие звезды, такие как Солнце они могут жить до 10 000 миллионов лет. В зависимости от ее массы и фазы жизни, в которой она находится, мы будем сталкиваться с тем или иным типом звезд.
Масса звезд
Еще одна важная
характеристика звезды — ее масса. Массы звезд различны, но, в отличие от
светимостей и размеров, различны в сравнительно узких пределах. Основной метод
определения масс звезд дает исследование двойных звезд. На основе закона
Всемирного тяготения и законов Кеплера, обобщенных Ньютоном, была выведена
формула
а3
М1+М2
= —— ,
p 3р2
где М1
и М2 — массы главной звезды и ее спутника, Р — период обращения
спутника, а — большая полуось земной орбиты.
Также
обнаружена зависимость между светимостью и массой звезды: светимость
увеличивается пропорционально кубу массы. Используя эту зависимость, можно по
светимости определить массы одиночных звезд, для которых невозможно вычислить
массу непосредственно из наблюдений.
Характеристики
Белые карлики — тела, по массе, как правило, очень близкие к Солнцу. При этом их размер соответствует земному. Колоссальная плотность этих космических тел и происходящие в их недрах процессы необъяснимы с точки зрения классической физики. Тайны звезд помогла раскрыть квантовая механика.
Вещество белых карликов представляет собой электронно-ядерную плазму. Сконструировать его даже в условиях лаборатории практически невозможно. Поэтому многие характеристики таких объектов остаются непонятными.
Даже если изучать всю ночь звезды, обнаружить хотя бы один белый карлик без специальной аппаратуры не получится. Их светимость значительно меньше солнечной. По подсчетам ученых, белые карлики составляют примерно от 3 до 10% всех объектов Галактики. Однако на сегодняшний день найдены лишь те из них, которые расположены не дальше, чем на расстоянии 200-300 парсек от Земли.
Белые карлики продолжают эволюционировать. Сразу после образования они имеют высокую температуру поверхности, но быстро остывают. Через несколько десятков миллиардов лет после образования, согласно теории, белый карлик превращается в черного карлика — не излучающее видимый свет тело.
Белая, красная или синяя звезда для наблюдателя отличаются прежде всего цветом. Астроном смотрит глубже. Цвет для него сразу многое рассказывает о температуре, размерах и массе объекта. Голубая или светлая синяя звезда — гигантский раскаленный шар, по всем параметрам сильно опережающий Солнце. Белые светила, примеры которых описаны в статье, несколько меньше. Номера звезд в различных каталогах также многое сообщают профессионалам, но далеко не все. Большое количество сведений о жизни далеких космических объектов либо еще не получили объяснения, либо остаются даже не обнаруженными.
Солнце
Каждый житель Земли не сможет отрицать, что Солнце — самая красивая звезда, особенно в моменты закатов и рассветов. Наблюдать Солнце в другие периоды без специальных приспособлений опасно для зрения.
Звезда, согревающая нашу Землю, довольно молодая, возраст Солнца примерно 4,6 млрд лет. Ученые по аналогии с другими подобными объектами, предположили, что Солнце находится где-то в середине своего жизненного цикла. К тому же это единственная звезда в нашей системе. Она удерживает в своем гравитационном поле планеты, спутники, кометы.
К возрасту в 10–12,5 млрд лет звезда разогреется настолько, что превратится в красного гиганта. Солнце в этот период своей истории настолько расширится, что достигнет орбиты Земли.
Одним из красивейших явлений, которые могут наблюдать жители Земли, это солнечные затмения.
Как ближайшая к нам звезда, Солнце стало объектом поклонения всех народов, проживающих на планете. В славянской мифологии Бог Солнца Дажьбог и солнечного диска Хорс. Этимологию первого божества выводят от словосочетания «Дающий жизнь Бог», что и означает Солнце.
С Солнцем связана и красивейшая легенда о Фаэтоне, разбившимся в Космосе на солнечной колеснице.
15
Сверхгигант
Сверхгиганты — это звезды, у которых есть диаметр примерно в 500 раз больше, чем у Солнца, хотя может быть в 1000 раз больше. В зависимости от яркости они могут быть красными или синими, причем именно синие излучают больше всего энергии. Как и у гигантов, у красных (условно говоря) более низкие температуры.
Фактически, в то время как температура поверхности синих сверхгигантов может достигать почти 50000 ° C, температура красных сверхгигантов даже ниже, чем у Солнца, в диапазоне от 3000 до 4000 ° C, в то время как наша звезда прошла через 5000 ° C. Как видим, эта фаза звезды свидетельствует о том, что заканчивается топливо и что он мало-помалу остывает.
Примером голубого сверхгиганта является Ригель, звезда, расположенная в 860 световых годах от нас и имеющая диаметр 97 миллионов километров. Учитывая его сверхгигантскую стадию, считается, что через несколько миллионов лет он умрет в результате взрыва сверхновой.
Спектральная классификация
Звезды — громадные раскаленные шары, состоящие из газа. То, какими мы видим их с Земли, зависит от множества параметров. Например, звезды в действительности не мерцают. Убедиться в этом очень легко: достаточно вспомнить Солнце. Эффект мерцания возникает из-за того, что свет, идущий от космических тел к нам, преодолевает межзвездную среду, полную пыли и газа. Другое дело — цвет. Он является следствием нагрева оболочек (в особенности фотосферы) до определенных температур. Истинный цвет может отличаться от видимого, но разница, как правило, невелика.
Сегодня во всем мире используется гарвардская спектральная классификация звезд. Она является температурной и основывается на виде и относительной интенсивности линий спектра. Каждому классу соответствуют звезды определенного цвета. Разработана классификация была в обсерватории Гарварда в 1890-1924 гг.
Светимость (блеск) звезд
Представьте, что где-то в море в ночной тьме тихо мерцает огонек. Если бывалый моряк не объяснит вам, что это, вы часто и не узнаете: то ли перед вами фонарик на носу проходящей шлюпки, то ли мощный прожектор далекого маяка.
В том же положении в темную ночь находимся и мы, глядя на мерцающие звезды. Их видимый блеск зависит и от их истинной силы света, называемой светимостью (полное количествл энергии, излучаемой по всем направлениям), и от их расстояния до нас. Только знание расстояния до звезды позволяет подсчитать ее светимость по сравнению с Солнцем. Так например, светимость звезды, в десять раз менее яркой в действительности, чем Солнце, выразится числом 0,1.
Истинную силу света звезды можно выразить еще иначе, вычислив, какой звездной величины она бы нам казалась, если бы она находилась от нас на стандартном расстоянии в 32,6 светового года, то есть на таком, что свет, несущийся со скоростью 300 000 км/сек, прошел бы его за это время.
где R — радиус звезды, Т — температура.
Принять такое стандартное расстояние оказалось удобным для различных расчетов. Яркость звезды, как и всякого источника света, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от него. Этот закон позволяет вычислять абсолютные звездные величины или светимости звезд, зная расстояние до них.
Когда расстояния до звезд стали известны, то мы смогли вычислить их светимости, то есть смогли как бы выстроить их в одну шеренгу и сравнивать друг с другом в одинаковых условиях. Надо сознаться, что результаты оказались поразительными, поскольку раньше предполагали, что все звезды «похожи на наше Солнце». Светимости звезд оказались поразительно разнообразными, и их в нашей шеренге не сравнить ни с какой шеренгой пионеров.
Приведем только крайние примеры светимости в мире звезд.
Самой слабой из известных долго являлась звезда, которая в 50 тысяч раз слабее Солнца, и ее абсолютная величина светимости: +16,6. Однако, впоследствии были открыты и ещё более слабые звезды, светимость которых, по сравнению с солнцем, меньше в миллионы раз!
Размеры в космосе обманчивы: Денеб с Земли сияет ярче Антареса, а вот Пистолет — не виден совсем. Тем не менее, наблюдателю с нашей планеты и Денеб и Антарес кажутся просто незначительными точками, по сравнению с Солнцем. Насколько это неверно можно судить по простому факту: Пистолет выпускает в секунду столько же света, сколько Солнце — за год!
На другом краю шеренги звезд стоит «S» Золотой Рыбы, видимая только в странах Южного полушария Земли как звездочка восьмой величины (то есть даже не видимая без телескопа!). В действительности она в 400 тысяч раз ярче Солнца, и ее абсолютная величина светимости: —8,9.
Абсолютная величина светимости нашего Солнца равна +5. Не так уж и много! С расстояния в 32,6 светового года мы бы его плохо видели без бинокля.
Если яркость обычной свечи принять за яркость Солнца, то в сравнении с ней «S» Золотой Рыбы будет мощным прожектором, а самая слабая звезда слабее самого жалкого светлячка.
Итак, звезды — это далекие солнца, но их сила света может быть совершенно иной, чем у нашего светила. Образно выражаясь, менять наше Солнце на другое нужно было бы с оглядкой. От света одного мы ослепли бы, при свете другого бродили бы, как в сумерках.
Голубые отставшие звезды – звезды голубого цвета
Звезды, находящиеся в звездных скоплениях шарового типа, температура у которых выше температуры обычных звезд, а для спектра характерно существенное смещение к синей области, чем у звезд скопления с аналогичной светимостью, получили название голубые звезды отставшие. Это признак позволяет им выделяться относительно других звезд этого скопления на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. Существование таких звезд опровергает все теории эволюции звезд, суть которой заключается в том, что для звезд, которые возникли в один и тот же промежуток времени, предполагается размещение в четко определенной области диаграммы Герцшпрунга-Рассела. При этом единственным фактором, который влияет на точное местоположение звезды, является ее начальная масса. Частое появление голубых отставших звезд вне пределов вышеупомянутой кривой, может стать подтверждением существования такого понятия, как аномальная звездная эволюция.
Специалисты, пытающиеся объяснить природу их возникновения, выдвинули несколько теорий. Наиболее вероятная из них указывает о том, что данные звезды голубого цвета в прошлом были двойными, после чего у них начал происходить или происходит сейчас процесс слияния. Итогом слияния двух звезд становится возникновение новой звезды, имеющей гораздо большую массу, яркость и температуру, чем звезды такого же возраста.
Если верность этой теории удастся каким-то образом доказать, теория звездной эволюции лишилась бы проблем в виде голубых отставших. В составе получившейся звезды имелось бы большее количество водорода, который вел бы себя аналогично молодой звезде. Существуют факты, подтверждающие такую теорию. Наблюдения показали, что чаще всего отставшие звезды встречаются в центральных регионах шаровых скоплений. В результате преобладающего там числа звезд единичного объема, близкие прохождения или же столкновения становятся более вероятными.
Для проверки данной гипотезы необходимо заняться изучением пульсации голубых отставших, т.к. между астросейсмологическими свойствами слившихся звезд и нормально пульсирующих переменных, могут быть некоторые отличия. Стоит отметить, что измерять пульсации достаточно тяжело. На этот процесс также негативно переполненность звездного неба, малые колебания пульсаций голубых отставших, а также редкость их переменных.
Один из примеров слияния можно было наблюдать в августе 2008 года, тогда такое происшествие коснулось объекта V1309, яркость которого после обнаружения возросла несколько десятков тысяч раз, а по прошествии нескольких месяцев вернулась к первоначальному значению. В результате 6-летних наблюдений, ученые пришли к выводу, что данный объект является двумя звездами, период обращения которых друг вокруг друга составляет 1,4 дня. Эти факты натолкнули ученых на мысль, что в августе 2008 года происходил процесс слияния этих двух звезд.
Для голубых отставших характерным является высокий вращательный момент. К примеру, скорость вращения звезды, которая располагается в середине скопления 47 Тукана, в 75 раз превышает скорость вращения Солнца. Согласно гипотезе, их масса в 2-3 раза превышает массу иных звезд, которые располагаются в скоплении. Также при помощи исследований было установлено, что если звезды голубого цвета близко располагаются к каким либо другим звездам, то у последних будет процентное содержание кислорода и углерода ниже, чем у соседей. Предположительно, звезды перетягивают данные вещества с других, движущихся по их орбите звезд, в результате чего возрастает их яркость и температура. У «обворованных» звезд обнаруживаются места, где произошел процесс превращения исходного углерода в другие элементы.
Желтые звезды
Центр нашей планетной системы — Солнце
— имеет температуру поверхности, превосходящую 6000 по Кельвину. Из космоса оно и подобные ему светила выглядят ослепительно белыми, хотя с Земли кажутся, скорее, желтыми. Золотые звезды имеют средний возраст.
Из других известных нам светил белой звездой является и Сириус
, хотя на глаз его цвет определить довольно сложно. Это происходит потому, что он занимает низкое положение над горизонтом, и по пути к нам его излучение сильно искажается за счет многократного преломления. В средних широтах Сириус, часто мерцая, способен всего за полсекунды продемонстрировать весь цветовой спектр!
Канопус
Звезда в созвездии Лира, одна из самых ярких звезд Южного полушария. По категории Канопус астронавты относят к бело-желтым звездам-сверхгигантам.
До звезды от Солнечной системы довольно далеко — 310 световых лет. Впечатляют и поражают воображение также размеры этого космического объекта. Масса звезды в 9 раз больше солнечной, а радиус превышает наше светило в 65 раз.
До изобретения компаса Канопус был ориентиром для навигации кораблей. И само свое название звезда получила по имени кормчего на одном из кораблей Менелая, героя Троянской войны.
Есть в истории звезды и интересный факт. В кинофильме «Волшебная лампа Аладдина» колдун обращается в пустыне к звезде Канопус, чтобы она помогла ему найти Аладдина.
13
Межзвездные расстояния
Выражать расстояния между космическими телами в километрах неудобно. Это слишком мелкая единица измерения. Например, между Солнцем и ближайшей к нему звездой Проксима Центавра — 40 700 000 000 000 км.
Мы видим звезды лучистыми не потому, что они на самом деле такие, а из-за строения нашего глаза. Хрусталик имеет неоднородную волокнистую структуру и преломляет свет в виде лучей
Внутри Солнечной системы для измерения расстояний часто используют астрономическую единицу (а. е.). Одна астрономическая единица равна длине большой полуоси орбиты Земли. Это около 150 000 000 км. Расстояние до ближайшей звезды тогда можно записать как 270 000 а. е.
Но астрономическая единица тоже неудобна, поскольку расстояния между звездами обычно гораздо больше, чем между Солнцем и звездой Проксима Центавра. Для таких масштабов используют другие единицы: световой год и парсек. Световой год — это не время, а расстояние, проходимое светом за один земной год. В этом случае 270 000 а. е. записываются как 4,3 светового года.
Путь короче не стал, но звезда кажется как-то поближе. Большинство звезд, хорошо заметных невооруженным глазом, удалено на десятки и сотни световых лет.
Еще меньше это расстояние выглядит в парсеках (пк) — 1,32 пк (1 пк=3,26 светового года).
Исключения из главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела: красные гиганты и красные карлики
Красный спектр излучения звезды, согласно данным диаграммы Герцшпрунга-Рессела, предполагает ее невысокую температуру, и, как следствие, слабую светимость. Спектральные линии излучения красных звезд показывают температуру поверхности около 36000 К, что в 400 раз меньше, чем температура поверхности Солнца. К таким тусклым объектам относится звезда Барнарда. Однако, некоторые красные звезды (например, Бетельгейзе), имеют яркость и светимость в тысячи раз превосходящие Солнце. Герцшпрунг предположил, что эти исключения из главной последовательности диаграммы можно объяснить разными размерами звезд красного спектра.
Проверить эту гипотезу удалось при помощи интерферометра Майкельсона. Используя этот прибор, можно измерить угол между лучами с разных точек поверхности космического объекта. По специальной формуле, учитывающей угол и расстояние до звезды, вычисляют ее размер. Расчеты показали, что диаметр Бетельгейзе больше солнечного в 350 раз, а объем – в 40000000 раз. , такая звезда поглотила бы все планеты земной группы. Эти объекты назвали красными гигантами.
Сравнительные размеры Солнца и Бетельгейзе
Маленькие звезды красного спектра получили название красные карлики. Эти объекты широко распространены во Вселенной, особенно в старых скоплениях и в невидимой части Вселенной. Низкая светимость затрудняет их обнаружение и изучение. Красными карликами замыкается главная последовательность. Время жизни красных карликов очень продолжительное, условия на близлежащих планетах стабильные, что предполагает возможное развитие жизни.
Интересно, что объектов красного спектра с промежуточными размерами не существует. Диаграмма Герцшпрунга содержит только красные карлики и красные гиганты.
