1. Главная последовательность, красные гиганты и белые карлики
Мощность излучения звезды называют её светимостью. Важно отличать светимость звезды от наблюдаемой нами яркости, потому что очень далёкую звезду с большой светимостью мы видим часто менее яркой, чем более близкую звезду с малой светимостью. Самая яркая наблюдаемая с Земли звезда — Солнце: свет Солнца затмевает для нас свет всех других звёзд, вместе взятых. Однако среди не очень ярких при наблюдении с Земли звёзд есть такие, светимость которых в тысячи раз превосходит светимость Солнца. При изучении звёзд более важной их характеристикой является светимость, а не наблюдаемая с Земли яркость.
За единицу светимости принимают светимость Солнца.
Датский астроном Э. Герцшпрунг и американский астроном Г. Рассел поставили вопрос: как связана светимость звезды с её температурой (точнее, температурой её поверхности)? Температуру поверхности звезды можно определить по её цвету: более холодные звёзды — красноватые, а самые горячие — голубоватые.
Поскольку каждая звезда характеризуется определённой температурой и светимостью, любую звезду можно представить точкой на координатной плоскости, по осям которой отложены температура и светимость звёзд. Герцшпрунг и Рассел расположили на этой координатной плоскости большое количество звёзд, в результате чего появилась диаграмма «температура — светимость»1) (рис. 25.1).
Рис. 25.1
1) Герцшпрунг и Рассел вместо температур звёзд использовали их «спектральные классы» (соответствующая диаграмма называется диаграммой Герцшпрунга — Рассела). Использование температуры звёзд делает диаграмму более наглядной.
Подавляющее большинство звёзд (не менее 90%) располагаются на этой диаграмме в полосе, которую назвали главной последовательностью. На рисунке 25.1 схематически изображено положение Солнца в главной последовательности.
Звезды, принадлежащие главной последовательности, тем не менее сильно отличаются друг от друга: например, среди них есть красные карлики — «холодные» красноватые звёзды с малой светимостью, и голубые гиганты — очень горячие звёзды с огромной светимостью. Однако все звёзды, лежащие на главной последовательности, обладают общим свойством: чем выше температура звезды, тем больше её светимость.
Это свойство звёзд может показаться очевидным, однако оно не является общим для всех звёзд. Например, область, находящуюся вверху слева от главной последовательности, «населяют» звёзды, названные красными гигантами. Красными их назвали за их цвет: он указывает на то, что температура поверхности этих звёзд сравнительно невелика — она существенно ниже температуры поверхности Солнца. Однако светимость некоторых красных гигантов в десятки тысяч раз превосходит светимость Солнца. Такую огромную светимость при сравнительно низкой температуре поверхности может иметь только звезда колоссальных размеров — вот почему их назвали гигантами. Среди красных гигантов есть звёзды, диаметры которых сравнимы с диаметром орбиты Земли!
1. Во сколько раз диаметр орбиты Земли больше диаметра Солнца? Необходимые данные найдите в Интернете.
В то же время красные гиганты характеризуются сравнительно небольшой массой: масса некоторых красных гигантов сравнима с массой Солнца. Это означает, что плотность красных гигантов очень мала: она в тысячи раз меньше плотности окружающего нас воздуха!
Теперь обратим внимание на область, находящуюся правее и ниже главной последовательности. Опа «населена» звёздами, которые назвали белыми карликами. Их белый цвет указывает на то, что температура их поверхности выше температуры поверхности Солнца. Столь горячие звёзды могут иметь малую светимость только при условии, что эти звёзды очень малы (по звёздным «меркам», конечно). Вот почему их назвали карликами. Среди белых карликов есть «малютки», не превышающие по размерам Землю, хотя их масса сравнима с массой Солнца.
2. Эволюция звёзд
Под действием сил всемирного тяготения облако межзвёздного газа, состоящего главным образом из водорода, сжимается и нагревается, потому что вследствие закона сохранения энергии потенциальная энергия частиц газа в поле тяжести уменьшается по мере приближения к центру облака, превращаясь при этом во внутреннюю энергию газа. Если масса облака достаточно велика, температура и давление в центре облака достигают значений, при которых начинаются термоядерные реакции синтеза, в результате которых водород превращается в гелий.
Так рождается звезда (самый левый участок траектории эволюции звезды, рис. 25.2).
Когда звезда находится в стационарном состоянии, сила давления раскалённого газа, подогреваемого термоядерными реакциями в недрах звезды, уравновешивает силу тяготения. В таком состоянии звезда может находиться миллионы и даже миллиарды лет. Именно находящиеся в стационарном состоянии звезды и лежат на главной последовательности.
При этом, как ни странно, звёзды с большей массой «сгорают» быстрее своих менее массивных «сестёр», потому что чем больше масса звезды, тем выше температура и давление в её центральной области, вследствие чего там скорее «выгорает» водород при термоядерных реакциях. Например, голубые гиганты «сгорают» в тысячи раз быстрее, чем звёзды с массой, близкой к массе Солнца. А вот красные карлики живут намного дольше Солнца.
Рис. 25.2
Со временем (на это могут уйти миллиарды лет!) водород в центральной части звезды выгорает, и образуется гелиевое ядро. Но звезда при этом не гаснет, потому что гелий тоже является ядерным топливом: при достаточно высоком давлении и температуре выше 15 миллионов градусов начинаются термоядерные реакции, при которых гелий превращается в углерод. При этом температура ядра ещё больше возрастает, потому что с увеличением массы ядра возрастают и силы тяготения. Наконец давление, возросшее вследствие новых термоядерных реакций, становится настолько большим, что наружные слои звезды отбрасываются на большое расстояние от ядра, и их температура значительно уменьшается: звезда превращается в красный гигант (направленный вверх и влево участок траектории эволюции звезды, рис. 25.2). Красным гигантом станет и наше Солнце, но, к счастью, это произойдёт только через 5-6 миллиардов лет. Со временем основное топливо термоядерных реакций — водород и гелий — выгорает. Внешние, более горячие слои звезды, расширяясь, улетают, а звезда значительно уменьшается в размерах и превращается в белый карлик (направленный вниз участок траектории эволюции звезды, рис. 25.2). Термоядерные реакции в белом карлике уже почти не идут.
2. Используя рисунок 25.2, расскажите кратко об эволюции звезды.
3. Нейтронные звёзды, новые и сверхновые, чёрные дыры
Рассмотрим теперь, что может происходить со звездой, когда всё её «звёздное топливо» выгорело в результате термоядерных реакций. Если масса ядра звезды превышает массу Солнца более чем в полтора раза, обусловленное силами тяготения давление в ядре звезды становится столь огромным, что оно как бы «вдавливает» электроны в протоны, в результате чего образуются нейтроны. Так возникнет нейтронная звезда, которая состоит в основном из нейтронов. Масса такой звезды может быть сравнимой с массой Солнца при диаметре звезды в несколько километров! Плотность нейтронной звезды близка к плотности атомного ядра: масса 1 см3 вещества такой звезды сравнима с массой нескольких гружёных товарных вагонов.
Образование нейтронной звезды происходит за доли секунды. При этом наружные слои звезды, в которых остался некоторый запас термоядерного топлива (водорода и гелия), с огромной скоростью падают на сжавшееся ядро звезды. В результате стремительного столкновения с ядром их температура повышается настолько, что всё оставшееся топливо «сгорает» сразу. При этом происходит термоядерный взрыв невероятной силы.
При этом взрыве светимость звезды кратковременно возрастает в миллиарды раз. Такие взрывы называют вспышками сверхновых.
Сохранились сведения о нескольких наблюдавшихся с Земли вспышках сверхновых. Самыми яркими были вспышки сверхновых в 1054, 1572 и в 1604 годах: их видели на небе даже днём. Сегодня с помощью телескопа можно наблюдать следы этих взрывов: они видны как гигантские облака. Наиболее значительное из них — так называемая Крабовидная туманность: это след взрыва сверхновой 1054 года (рис. 25.3).
Многие звёзды образуют систему двойных звёзд. Если одна из этих звёзд стала белым карликом, а вторая пребывает в стационарном состоянии (то есть находится на главной последовательности), белый карлик начинает «перетягивать» на себя звёздное вещество второй звезды, в том числе водород, являющийся лучшим термоядерным топливом. Водород, попадая в чрезвычайно сильное поле тяготения белого карлика, сжимается настолько быстро, что может нагреться до температуры, при которой начинается термоядерная реакция. Тогда он «вспыхивает» весь сразу, в результате чего яркость звезды кратковременно увеличивается во много раз. Это — так называемый взрыв новой1).
Рис. 25.3
Если масса звезды значительно превышает массу Солнца, то сила гравитации «заставляет» звезду сжиматься даже после того, как она стала нейтронной звездой. И наступает момент, когда сила тяготения становится настолько большой, что она по «выпускает» наружу даже свет! В таком случае звезда превращается в чёрную дыру.
Большой вклад в развитие теории чёрных дыр внесли английский физик С. Хокинг и советский физик Я. Б. Зельдович. Учёные полагают, что в центре пашей Галактики находится чёрная дыра массой в несколько миллионов масс Солнца. Она непрерывно поглощает звёзды, но мы с вами можем быть спокойны: «пищи» ей хватит ещё на миллиарды лет.
4. Происхождение химических элементов
Взрывы сверхновых могут показаться редкими и поэтому малозначащими событиями в «жизни» звёзд, однако если бы сверхновых не было, то не было бы и нас с вами! Дело в том, что только при взрыве сверхновой температура поднимается настолько, что могут рождаться ядра всех химических элементов периодической таблицы Менделеева, в том числе и ядра тех атомов, из которых состоим и мы с вами.
После взрыва сверхновой ядра рождённых химических элементов попадают в повое облако межзвёздного газа. И из пего рождаются звёзды второго, а затем и третьего поколения, а вокруг них — протопланетные облака, уже обогащённые многими химическими элементами из таблицы Менделеева.
Наше Солнце является звездой второго или даже третьего поколения. Вот почему в Солнечной системе есть химические элементы, благодаря которым могла образоваться Земля и зародиться жизнь на ней.
1) Говоря о новых и сверхновых применительно к звёздам, слово «звезда» обычно опускают (подобно тому, как говорят «прямая» и «ломаная», не добавляя слова «линия»).
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
3. Какова главная особенность звёзд, принадлежащих главной последовательности?
4. Расскажите, чем отличаются красный карлик от красного гиганта и белый карлик от белого гиганта. Какие из перечисленных звёзд принадлежат главной последовательности?
5. Расскажите о рождении звёзд.
6. Почему звезда не может находиться на главной последовательности бесконечно долго?
7. Первая звезда ярче второй. Означает ли это, что первая звезда находится ближе к нам? Объясните ваш ответ.
8. Объясните, почему звёзды, находящиеся в стационарном состоянии, принадлежат главной последовательности.