100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд

Киппенхан Рудольф

Рис. 1.1. Перемещение Сириуса по звездному небу в интервале от 1900 до 1985 г. Все так называемые неподвижные звезды, в их числе и Сириус, медленно движутся по небесной сфере. На рисунке показано, как Сириус перемещается из точки слева вверху в точку справа в нижней части рисунка. Взаимные перемещения звезд обусловлены тем, что они движутся в нашей Галактике не совсем так, как Солнце. Из рисунка видно, что на это равномерное перемещение Сириуса накладываются периодические возмущения, повторяющиеся каждые 50 лет. Особенно заметны отклонения в 1940 г. Следует отметить, что как равномерное перемещение, так и тем более его возмущение крайне малы. Это хорошо видно по указанному в нижней части рисунка масштабу. За таким перемещением можно проследить только с помощью очень точных инструментов. Закономерно

повторяющиеся возмущения траектории Сириуса объясняются тем, что вокруг него обращается слабо светящаяся звезда-спутник, которая каждые 50 лет особенно близко подходит по своей орбите к Сириусу А и наиболее заметно искажает его движение в межзвездном пространстве.

Сегодня мы уже существенно больше знаем об этих двух звездах. Они совершают один оборот вокруг своего центра масс за 49,9 лет. Изучение перемещений этой двойной системы дало много сведений о двух связанных друг с другом звездах. Более яркая звезда ее называют Сириус А в 2,3 раза тяжелее Солнца. Открытая чуть больше ста лет назад вторая звезда, Сириус В, содержит меньше вещества примерно столько же, сколько наше Солнце. Однако звезды Сириус А и Сириус В резко отличаются друг от друга. Сириус А примерно в два раза больше по размерам, чем наше Солнце; один кубический сантиметр этой звезды содержит примерно четверть грамма вещества немного меньше, чем один кубический сантиметр Солнца, масса которого близка к одному грамму. Сириус В совершенно иная звезда. Ее радиус равен примерно одной сотой солнечного, а поскольку масса его близка к массе Солнца, то вещество в его недрах примерно в миллион раз плотнее. Каждый кубический сантиметр Сириуса В содержит около 1000 килограммов вещества. Таким образом, в системе Сириуса связаны две совершенно разных звезды! Звезд, похожих по свойствам на Сириус В, достаточно много, они встречаются не только в двойных системах, но и поодиночке. Большинство из них имеют высокую температуру поверхности и излучают белый свет. Из-за малых размеров их называют белыми карликами.

Красный сверхгигант в созвездии Возничего

В белых карликах вещество в миллион раз плотнее, чем на Солнце. Однако мы знаем и звезды, существенно более разреженные по сравнению с Солнцем. Некоторые из них, подобно Сириусу, образуют двойные системы с другими звездами, что и позволило нам изучить эти интересные звезды с низкой плотностью вещества.

Астрономы всегда очень рады, когда им удается обнаружить две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс. Это движение позволяет вычислить, какова масса этих звезд, которая определяет гравитационные силы, связывающие их между собой. Особенно важны те системы, в которых звезды расположены таким образом, что, двигаясь по своим траекториям, они время от времени частично закрывают друг друга. Существует множество двойных систем, в которых наблюдаются такие затмения. В этих системах обе звезды расположены так близко друг от друга, что даже лучшие телескопы не позволяют увидеть их по отдельности, а их свет сливается в одну яркую точку. Но если одна из таких звезд иногда закрывает другую, то общая яркость двойной системы понижается, и мы видим, что яркость светящейся точки на ночном небе уменьшилась, поскольку одна из звезд скрылась за другой. Яркость вновь возрастает, когда звезды перестают закрывать друг друга. Такие пары звезд называют затменно-двойными, поскольку их яркость меняется с течением времени.

Астрономы могут зарегистрировать, насколько сильно и с какой скоростью возрастает и уменьшается яркость затменно-двойных систем, а также, как различаются затмения двух типов, когда закрывающая и закрываемая звезды меняются ролями. Все эти данные позволяют сделать выводы о природе таких звезд. Здесь мы рассмотрим одну из затменно-двойных систем, открытую в 30-х годах. Она дала возможность изучить звезды, принадлежащие к числу так называемых сверхгигантов. Эта двойная система позволила узнать о сверхгигантах существенно больше, чем надеялись астрономы. Речь идет о звезде из созвездия Возничего. Она называется Дзета Возничего. Астрономы уже давно знали, что эта звезда двойная, хотя компоненты этой двойной системы (в отличие от Сириуса) не видны в телескоп. Изучение ее спектра показало, что система состоит из двух звезд: горячей и холодной. Поэтому астрономы пришли к выводу, что эта система двойная, и предположили, что она может быть затменно-двойной.

Зимой 1931/32 г. астроном Иозеф Хопман и ученый из Бабельсберга Хериберт Шнеллер изучали эту звезду в обсерватории в Лейпциге с помощью фотометра, который позволял точно измерять яркость звезд. Это позволило им сделать открытие. Примерно за 24 часа яркость звезды упала на 65 % (рис. 1.2). Затем в течение 37 дней яркость звезды не менялась, после чего за 24 часа она вновь возросла до нормального уровня. Этот процесс повторяется каждые 972 дня. Изучение последующих циклов затмения в этой системе позволило получить много сведений. Перечислим главные из них: горячая звезда Дзета Возничего В имеет температуру поверхности примерно 11 тысяч градусов

и по размерам приблизительно в три раза больше Солнца. Ее масса примерно в 10 раз больше солнечной. Более холодная звезда Дзета Возничего А имеет температуру поверхности всего лишь около 3400 градусов. Вспомним, что температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 градусов. [2] Дзета Возничего А по массе в 22 раза больше Солнца, а ее радиус-и это самое интересное-в 200 раз больше солнечного! Эта звезда настолько велика, что в ее объеме может поместиться не только Солнце, но и вся орбита Земли! Минимум яркости наблюдается, когда горячая звезда скрывается за красным гигантом и 37 дней остается позади него (рис. 1.3). Когда горячая звезда находится перед холодной, она закрывает лишь небольшую долю его видимой поверхности. Закрытая часть поверхности большой звезды вносит пренебрежимо малый вклад в общую светимость системы. Поэтому второе понижение яркости не удается заметить.

2

Здесь и всюду в этой книге, если не оговорено, мы пользуемся абсолютной шкалой температур, нуль которой соответствует -273° Цельсия. Для перехода от абсолютной температуры к температуре по шкале Цельсия нужно отнять 273 градуса. Температура поверхности Солнца по Цельсию равна, таким образом, 5530°

Рис. 1.2 Кривая яркости звезды Дзета Возничего. В течение одного дня яркость падает примерно на 65 %. Затем звезда 37 дней светит слабо, после чего в течение дня опять возвращается к нормальной яркости. Через 972 дня это явление повторяется.

Рис. 1.3. Двойная система Дзета Возничего. Так она была бы видна с Земли, если бы ее компоненты можно было различить в телескоп. В действительности обе звезды не удается разрешить, и их свет сливается в одну яркую светящуюся точку. Вклад меньшей звезды составляет более половины общей яркости системы. Поэтому, когда она в течение 37 дней находится позади своего крупного соседа, мы видим только его свет. В это время наблюдаемая общая яркость системы понижается более чем вдвое (см. рис. 1.2 ). Малая звезда обращается вокруг большой за 972 дня.

А теперь обсудим подробнее звезды, входящие в двойную систему Дзета Возничего. Горячая звезда не слишком сильно отличается от Солнца и от Сириуса А. Она, конечно, тяжелее, а ее диаметр больше, но средняя плотность вещества в ее недрах достаточно близка к плотности Солнца: одна треть грамма в одном кубическом сантиметре. Холодная звезда обладает совсем иными свойствами. В одном кубическом сантиметре ее объема содержится в среднем лишь 3 миллионных доли грамма вещества. Звезды такого типа называют сверхгигантами.

Таким образом, мы познакомились уже с тремя существенно разными сортами звезд:

1. Нормальные звезды — дальше мы будем их так называть, подобные Солнцу, Сириусу А и горячей звезде из системы Дзета Возничего. Средняя плотность вещества в таких звездах изменяется от одной десятой до нескольких граммов на кубический сантиметр.

2. Мы знаем также, что существуют белые карлики с чрезвычайно высокими плотностями вещества — около 1000 килограммов на кубический сантиметр.

3. И наконец, мы узнали, что среди звезд существуют гиганты с плотностью порядка одной миллионной грамма на кубический сантиметр.

Даже в самый большой телескоп звезды этих трех типов видны как крохотные световые точки, которые выглядят почти одинаково и лишь слегка различаются по цвету и яркости. Но, как мы увидели, уже первое знакомство с этими объектами показывает, насколько сильно могут отличаться звезды друг от друга. Чтобы разобраться в этом разнообразии, мы должны навести порядок среди более чем 100 миллиардов звезд, которые вместе с Солнцем образуют нашу Галактику.

Глава 2

Самая важная диаграмма в астрофизике

В предыдущей главе мы увидели, насколько разными могут быть звезды. Среди них есть тяжелые ярко-голубые звезды и красные звезды небольшой массы. На ночном небе можно увидеть большие звезды красного цвета — красные гиганты и сверхгиганты и маленькие белые звезды белые карлики, а нас можно сравнить с мотыльками-однодневками, которые пытаются в этом многообразии увидеть, как происходит эволюция звезд.

Сегодня эта задача уже решена, и эволюция звезд по меньшей мере в основных чертах понятна. Ниже мы увидим, как это удалось астрофизикам. Прежде всего необходимо было навести порядок во всем многообразии наблюдаемых звезд. Для этого надо выбрать характеристики звезд, поддающиеся экспериментальному измерению.