Звезды и их изучение

Общие сведения о звездах и изучения звезд

Звезды, самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов, по своей природе сходные с Солнцем. Солнце кажется несравненно больше звезды только благодаря близости его к Земле: от Солнца до Земли свет идет 81/3 мин, а от ближайшей звезды (Центавра – 4 года 3 мес. Из-за больших расстояний от Земли звезда и в телескоп видны как точки, а не как диски (в отличие от планет). Число звезд, видимых невооруженным глазом на обоих полушариях небесной сферы в безлунную ночь, составляет около 5 тыс. В мощные телескопы видны миллиарды звезд.

Изучение звезд было вызвано потребностями материальной жизни общества (необходимость ориентировки при путешествиях, создание календаря, определение точного времени). Уже в глубокой древности звездное небо было разделено на созвездия. Долгое время звезды считались неподвижными точками, по отношению к которым наблюдались движения планет и комет. Со времен Аристотеля (IV в. до н. э.) в течение многих столетий господствовали взгляды, согласно которым звездное небо считалось вечной и неизменной хрустальной сферой, за пределами которой находилось жилище богов. В конце 16 в. итальянский астроном Джордано Бруно учил, что звезды – это далекие тела, подобные нашему Солнцу. В 1596 немецким астрономом И. Фабрициусом была открыта первая переменная звезда, а в 1650 италийским ученым Дж. Риччоли – первая двойная звезда. В 1718 английский астроном Э. Галлей обнаружил собственные движения трех звезд. В середине и во 2-й половине 18 в. русский ученый М. В. Ломоносов, немецкий ученый И. Кант, английские астрономы Т. Райт и В. Гершель и другие высказывали правильные идеи о той звездной системе, в которую входит Солнце. В 1835-39 русский астроном В. Я. Струве, немецкий астроном Ф. Бессель и английский астроном Т. Гендерсон впервые определили расстояния до трех близких звезд. В 60-х гг. 19 в. для изучения звезд применили спектроскоп, а в 80-х гг. стали пользоваться и фотографией. Русский астроном А. А. Белопольский в 1900 экспериментально доказал для световых явлений справедливость принципа Доплера, на основании которого по смещению линий в спектре небесных светил можно определить их скорость движения вдоль луча зрения. Накопление наблюдений и развитие физики расширили представления о звездах.

В начале 20 в., особенно после 1920, произошел переворот в научных представлениях о звездах. Их начали рассматривать как физические тела; стали изучаться структура звезды, условия равновесия их вещества, источники энергии. Этот переворот был связан с успехами атомной физики, которые привели к количественной теории звездных спектров, и с достижениями ядерной физики, давшими возможность провести аналогичные расчеты источников энергии и внутреннего строения звезды (наиболее важные результаты были получены немецкими учеными Р. Эмденом, К. Шварцшильдом, Х. Бете, английскими учеными А. Эддингтоном, Э. Милном, Дж. Джинсом, американскими учеными Г. Ресселом, Р. Кристи, советским ученым С. А. Жевакиным). В середине 20 в. исследования звезд приобрели еще большую глубину в связи с расширением наблюдательных возможностей и применением электронных вычислительных машин (американские ученые М. Шварцшильд, А. Сандидж, английский ученый Ф. Хойл, японский ученый С. Хаяси и другие). Большие успехи были достигнуты также в изучении процессов переноса энергии в фотосферах звезд (советские ученые Э. Р. Мустель, В. В. Соболев, американский ученый С. Чандрасекар) и в исследованиях структуры и динамики звездных систем (голландский ученый Я. Оорт, советские ученые П. П. Паренаго, Б. В. Кукаркин и другие).

Параметры звезд

Основные характеристики звезды – масса, радиус (не считая внешних прозрачных слоев), светимость (полное количество излучаемой энергии); эти величины часто выражаются в долях массы, радиуса и светимости Солнца. Кроме основных параметров, употребляются их производные: эффективная температура; спектральный класс, характеризующий степень ионизации и возбуждения атомов в атмосфере звезды; абсолютная звездная величина (т. е. звездная величина, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии 10 парсек); показатель цвета (разность звездных величин, определенных в двух разных спектральных областях).

Звездный мир чрезвычайно многообразен. Некоторые звезды в миллионы раз больше (по объему) и ярче Солнца (звезды-гиганты); в то же время имеется множество звезд, которые по размерам и количеству излучаемой ими энергии значительно уступают Солнцу (звезды-карлики). Разнообразны и светимости звезд; так, светимость звезды S Золотой Рыбы в 400 тыс. раз больше светимости Солнца. Звезды бывают разреженные и чрезвычайно плотные. Средняя плотность ряда гигантских звезд в сотни тысяч раз меньше плотности воды, а средняя плотность белых карликов, наоборот, в сотни тысяч раз больше плотности воды.

У некоторых типов звезд блеск периодически изменяется; такие звезды называются переменными звездами. Грандиозные изменения, сопровождаемые внезапными увеличениями блеска, происходят в новых звездах. При этом за несколько суток небольшая звезда-карлик увеличивается, от нее отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве. Затем звезда вновь сжимается до небольших размеров. Еще большие изменения происходят во время вспышек сверхновых звезд.

Изучение спектров звезд позволяет определить химический состав их атмосфер. Звезд, как и Солнце, состоят из тех же химических элементов, что и все тела на Земле.

В звезде преобладают водород (около 70% по весу) и гелий (около 25%); остальные элементы (среди них наиболее обильны кислород, азот, железо, углерод, неон) встречаются почти точно в том же соотношении, что и на Земле. Для наблюдений пока доступны лишь внешние слои звезды. Однако сопоставление данных непосредственных наблюдений с выводами, вытекающими из общих законов физики, позволило построить теорию внутреннего строения звезды и источников звездной энергии.

Солнце по всем признакам является рядовой звездой. Имеются все основания предполагать, что многие звезды, как и Солнце, имеют планетные системы. Вследствие дальности расстояния пока еще не удается непосредственно увидеть такие спутники звезд даже в самые мощные телескопы. Для их обнаружения необходимы тонкие методы исследования, тщательные наблюдения в течение десятков лет и сложные расчеты. В 1938 шведский астроном Э. Хольмберг заподозрил, а позднее советский астроном А. Н. Дейч и другие установили существование невидимых спутников у звезды 61 Лебедя и других близких к Солнцу звезд. Наша планетная система не является исключительным явлением. На многих планетах, окружающих другие звезды, также вероятно существование жизни, и Земля не представляет в этом отношении исключения.

Звезды часто расположены парами, обращающимися вокруг общего центра масс; такие звезды называются двойными звездами. Встречаются также тройные и кратные системы звезд.

Взаимное расположение звезд с течением времени медленно изменяется вследствие их движений в Галактике. Звезды образуют в пространстве огромные звездные системы – галактики. В состав нашей Галактики (к которой принадлежит Солнце) входит более 100 млрд. звезд. Изучение строения Галактики показывает, что многие звезды группируются в звездные скопления, звездные ассоциации и другие образования.

Звезды изучаются в двух дополняющих друг друга направлениях. Звездная астрономия, рассматривающая звезды как объекты, характеризующиеся теми или иными особенностями, исследует движение звезды, распределение их в Галактике и в скоплениях, различные статистические закономерности. Предметом изучения астрофизики являются физические процессы, происходящие в звездах, их излучение, строение, эволюция.

Массы звезд

Массы могут быть определены непосредственно лишь у двойных звезд на основе изучения их орбит. У спектрально-двойных звезд измерения смещений спектральных линий вследствие эффекта Доплера позволяют определить период обращения компонентов и проекции максимальной скорости каждого компонента на луч зрения. Аналогичные измерения можно провести и у некоторых визуально-двойных звездах. Этих данных достаточно для вычисления отношения масс компонентов. Абсолютные значения масс определяются, если система является в то же время и затменно-двойной, т. е. если ее орбита видна с ребра и компоненты звезды попеременно закрывают друг друга. Изучение масс двойных звезд показывает, что между массами и светимостями звезд главной последовательности существует статистическая зависимость. Эта зависимость, распространенная и на одиночные звезд, позволяет косвенно, определяя светимости звезд, оценивать и их массы.

Светимости звезд и расстояния до них

Основной метод определения расстояний до звезды состоит в измерении их видимых смещений на фоне более далеких звезд, обусловленных обращением Земли вокруг Солнца. По смещению (параллаксу), величина которого обратно пропорциональна расстоянию, вычисляют и само расстояние. Однако такой способ измерений применим только к ближайшим звездам.

Зная расстояние до звезды и ее видимую звездную величину m, можно найти абсолютную звездную величину М по формуле:

М = m +5-5 lg r,

Где r – расстояние до звезды, выраженное в парсеках. Определив средние абсолютные звездные величины для звезды тех или иных спектральных классов и сопоставив с ними видимые звездные величины отдельных звезд этих же классов, можно определить расстояния и до удаленных звезды, для которых параллактические смещения неощутимы. Абсолютные звездные величины некоторых типов переменных звезд (например, цефеид) можно установить по величине периода изменения блеска, что также позволяет определять расстояния до них.

Расстояния оцениваются также по систематическим компонентам лучевых скоростей и собственных движений звезд, обусловленным особенностями вращения Галактики и движением Солнца (вместе с Землей) в пространстве и зависящим, от удаленности звезды. Чтобы исключить влияние собственных скоростей отдельных звезд, определяют расстояние сразу до большой группы их (статистические или групповые параллаксы).

Температуры и спектральные классы звезд

Распределение энергии в спектрах раскаленных тел неодинаково; в зависимости от температуры максимум излучения приходится на разные длины волн, меняется цвет суммарного излучения. Исследование этих эффектов у звезды, изучение распределения энергии в звездных спектрах, измерения показателей цвета позволяют определять их температуры. Температуры звезд определяют также по относительным интенсивностям некоторых линий в их спектре, позволяющим установить спектральный класс звезд. Спектральные классы звезд зависят от температуры и с убыванием ее обозначаются буквами: О, В, A, F, G, К, М. Кроме того, от класса G ответвляется побочный ряд углеродных звезд С, а от класса К – побочная ветвь S. Из класса О выделяют более горячие звезды. Зная механизм образования линий в спектрах, температуру можно вычислить по спектральному классу, если известно ускорение силы тяжести на поверхности звезды, связанное со средней плотностью ее фотосферы, а следовательно, и размерами звезды (плотность может быть оценена по тонким особенностям спектров). Зависимость спектрального класса или показателя цвета от эффективной температуры звезды называется шкалой эффективных температур. Зная температуру, можно теоретически рассчитать, какая доля излучения звезды приходится на невидимые области спектра – ультрафиолетовую и инфракрасную. Абсолютная звездная величина и поправка, учитывающая излучение в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра, дают возможность найти полную светимость звезды.

Радиусы звезд

Зная эффективную температуру Тef и светимость L, можно вычислить радиус R звезды по формуле:

L=4pR2sT4ef

Основанной на Стефана – Больцмана законе излучения (s – постоянная Стефана). Радиусы звезды с большими угловыми размерами могут быть измерены непосредственно с помощью звездных интерферометров. У затменно-двойных звезд могут быть вычислены значения наибольших диаметров компонентов, выраженные в долях большой полуоси их относительной орбиты.

Вращение звезд

Вращение звезд изучается по их спектрам. При вращении один край диска звезды удаляется от нас, а другой приближается с той же скоростью. В результате в спектре звезды, получающемся одновременно от всего диска, линии расширяются и, в соответствии с принципом Доплера, приобретают характерный контур, по которому возможно определять скорость вращения. Звезды ранних спектральных классов О, В, А вращаются со скоростями (на экваторе) 100-200 км/с. Скорости вращения более холодных звезд – значительно меньше (несколько км/с). Уменьшение скорости вращения звезды связано, по-видимому, с переходом части момента количества движения к окружающему ее газопылевому диску вследствие действия магнитных сил. Из-за быстрого вращения звезды принимает форму сплюснутого сфероида. Излучение из звездных недр просачивается к полюсам скорее, чем к экватору, вследствие чего температура на полюсах оказывается более высокой. Поэтому на поверхности звезды возникают меридиональные течения от полюсов к экватору, которые замыкаются в глубоких слоях звезды. Такие движения играют существенную роль в перемешивании вещества в слоях, где нет конвекции.

Внутреннее строение звезд

Поскольку недра звезд недоступны непосредственным наблюдениям, внутреннее строение звезды изучается путем построения теоретических звездных моделей, которым соответствуют значения масс, радиусов и светимостей, наблюдаемые у реальных звезд. В основе теории внутреннего строения обычных звезд лежит представление о звездах как о газовом шаре, находящемся в механическом и тепловом равновесии, в течение длительного времени не расширяющемся и не сжимающемся. Механическое равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру звезды, и газовым давлением в недрах звезд, действующим наружу и уравновешивающим силы гравитации. Давление растет с глубиной, а вместе с ним увеличиваются плотность и температура. Тепловое равновесие заключается в том, что температура звезды – во всех ее элементарных объемах – практически не меняется со временем, т. е. количество энергии, уходящей из каждого такого объема, компенсируется приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными или другими источниками.

Температуры обычных звезд меняются от нескольких тыс. градусов на поверхности до десяти млн. градусов и более в центре. При таких температурах вещество состоит из почти полностью ионизованных атомов, благодаря чему оказывается возможным в расчетах звездных моделей применять уравнения состояния идеального газа. При исследованиях внутреннего строения звезды существенное значение имеют предпосылки об источниках энергии, химическом составе звезды и о механизме переноса энергии.

Основным механизмом переноса энергии в звезде является лучистая теплопроводность. При этом диффузия тепла из более горячих внутренних областей звезды наружу происходит посредством квантов ультрафиолетового излучения, испускаемого горячим газом. Эти кванты поглощаются в других частях звезды и снова излучаются; по мере перехода во внешние, более холодные слои частота излучения уменьшается. Скорость диффузии определяется средней величиной пробега кванта, которая зависит от прозрачности звездного вещества, характеризуемой коэффициент поглощения. Основными механизмами поглощения в звезде являются фотоэлектрическое поглощение и рассеяние свободными электронами.

Лучистая теплопроводность является основным видом переноса энергии для большинства звезд. Однако в некоторых частях звезды существенную роль играет конвективный перенос энергии, т. е. перенос тепла массами газа, поднимающимися и спускающимися под влиянием различия температуры. У холодных звезд полная ионизация наступает на большей глубине, так что конвективная зона у них толще и охватывает большую часть объема.

Химический состав вещества недр звезд на ранних стадиях их развития сходен с химическим составом звездных атмосфер, который определяется из спектроскопических наблюдений. С течением времени ядерные реакции изменяют химический состав звездных недр и внутреннее строение звезды меняется.

Источники звездной энергии и эволюция звезд

Основным источником энергии звезды являются термоядерные реакции, при которых из легких ядер образуются более тяжелые; чаще всего это – превращение водорода в гелий. В звезде с массой, меньшей двух солнечных, оно происходит главным образом путем соединения двух протонов в ядро дейтерия, затем превращением дейтерия в изотоп He3 путем захвата протона и, наконец, превращением двух ядер He3 в He4 и два протона. В более массивных звездах преобладает углеродно-азотная циклическая реакция: углерод захватывает последовательно 4 протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в азот, затем распадается на гелий и углерод. Окончательным результатом обеих реакций является синтез ядра гелия из четырех ядер водорода с выделением энергии: ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль катализатора. Для сближения ядер на такое расстояние, когда может произойти захват, нужно преодолеть электростатическое отталкивание, поэтому реакции могут идти только при температурах, превышающих 107 градусов. Такие температуры встречаются в самых центральных частях звезд. В звездах малых масс, где температура в центре недостаточна для термоядерных реакций, источником энергии служит гравитационное сжатие звезды.

У массивных звезд ядро в конце эволюции неустойчиво, радиус его уменьшается приблизительно до 10 км, и звезда превращается в нейтронную (состоит из нейтронов, а не из ядер и электронов, как обычные звезды). Нейтронные звезды имеют сильное магнитное поле и быстро вращаются. Это приводит к наблюдаемым всплескам радиоизлучения, а иногда к всплескам также и оптических и рентгеновского излучений. Такие объекты называются пульсарами. При еще больших массах происходит коллапс – неограниченное падение вещества к центру со скоростью, близкой к скорости света. Часть гравитационной энергии сжатия производит выброс оболочки со скоростью до 7000 км/с. При этом звезда превращается в сверхновую звезду, ее излучение увеличивается до нескольких млрд. светимостей Солнца, а затем постепенно, в течение ряда месяцев угасает.

Двойные звезды

Большая часть звезд входит в состав двойных или кратных звездных систем. Если компоненты двойных звезд расположены достаточно далеко друг от друга, они видны отдельно. Это визуально-двойные звезды. Иногда один, более слабый, компонент не виден, и двойственность обнаруживается по непрямолинейному движению более яркой звезды. Чаще же всего двойные звезды распознаются по периодическому расщеплению линий в спектре (спектрально-двойные звезды) или по характерным изменениям блеска (затменно-двойные звезды). Большая часть двойных звезд образует тесные пары. На эволюцию компонентов таких звезд существенное влияние оказывают взаимные приливные возмущения. Если один из компонентов звезды вздувается в процессе эволюции, то при некоторых условиях из точки ее поверхности, обращенной к другому компоненту, начинается истечение газа. Газ образует потоки вокруг второго компонента и частично попадает на него. В результате первый компонент может потерять большую часть массы и превратиться в субгиганта или даже в белого карлика. Второй же компонент приобретает часть потерянной массы и соответственно увеличивает светимость. Поскольку эта масса может включать газ не только из атмосферы, но и из глубоких слоев, близких к ядру первого компонента, в двойной звезде могут наблюдаться аномалии химического состава. Однако эти аномалии касаются только легких элементов, т. к. тяжелые элементы в гигантах не образуются. Они появляются при взрывах сверхновых звезд, когда выделяется много нейтронов, которые захватываются ядрами атомов и увеличивают их вес.

Переменные звезды

Блеск многих звезд непостоянен и изменяется в соответствии с тем или иным законом; такие звезды называются переменными звездами. Звезды, у которых изменения блеска связаны с физическими процессами, происходящими в них самих, представляют собой физические переменные звезды (в отличие от оптических переменных звезд, к числу которых относятся затменно-двойные звезды). Периодическая и полупериодическая переменность связана обычно с пульсациями звезд, а иногда с крупномасштабной конвекцией. Звездам как системам, находящимся в устойчивом равновесии, свойственны пульсации с собственными периодами. Колебания могут возникнуть в процессе перестройки структуры звезды, связанной с эволюционными изменениями. Однако, чтобы они не затухали, должен существовать механизм, поддерживающий или усиливающий их: в период максимального сжатия звезде необходимо получить тепловую энергию, которая уйдет наружу в период расширения. Согласно современным теориям, пульсации у многих типов переменных звезд объясняются тем, что при сжатии звезд увеличивается коэффициент поглощения; это задерживает общий поток излучения, и газ получает дополнительную энергию. При расширении поглощение уменьшается, и энергия выходит наружу. Неоднородное строение звезды, наличие в них нескольких слоев с различными свойствами нарушает регулярную картину, делает изменения параметров звезды отличными от правильной синусоиды. Основная стоячая волна колебания часто находится в глубине звезды, а на поверхность выходят порождаемые ею бегущие волны, которые влияют на фазы изменений блеска, скорости и других параметров.

Некоторые виды переменных звезд испытывают вспышки, при которых блеск возрастает на 10-15 звездных величин. Такие вспышки связаны с внезапным расширением фотосферы с большими скоростями (до 1000-2000 км/с у новых звезд), что приводит к выбросу оболочки. После вспышки блеск начинает уменьшаться с характерным временем 50-100 суток. В это время продолжается истечение газов с поверхности со скоростью в несколько тыс. км/с. Все эти звезды оказываются тесными двойными, и их вспышки, несомненно, связаны с взаимодействием компонентов системы, один из которых или оба обычно являются горячими звездами-карликами. На структуру оболочек, выброшенных новыми звездами, по-видимому, существенное влияние оказывает сильное магнитное поле звезд. Быстрая неправильная переменность звезд. типа Т Тельца, UV Кита и некоторых других типов молодых сжимающихся звезд связана с мощными конвективными движениями в этих звездах, выносящими на поверхность горячий газ. К переменным звездам можно отнести и сверхновые звезды. В Галактике известно свыше 30 000 переменных звезд.


Звезды и их изучение