Очерки о Вселенной
Шрифт:
С другой стороны, теория позволила вычислить положение на рис. 194 теоретической линии главной последовательности для недавно образовавшихся звезд (линия «нулевого возраста» или линии начальной главной последовательности), а также линии для звезд в возрасте одного и пяти миллиардов лет. Большинство ближайших к нам звезд оказывается тогда моложе пяти миллиардов лет, так как на диаграмме Г - Р они лежат левее кривой, соответствующей 5•109 лет.
На рис. 195 показаны на диаграмме Г - Р теоретические кривые Шварцвальда, соединяющие звезды равного возраста (108 лет, 2•108 лет и т. д.) и эволюционные пути (треки) звезд разной массы - от 2,5 до 5 масс Солнца. По вертикальной оси отложен логарифм светимости,
Рис. 195. Теоретические треки звезд
Но на кривых для звездных скоплений на рис. 196 различие положений звезд одного скопления должно зависеть только от их массы, а различия между кривыми разных скоплений должны зависеть от различия возраста и начального химического состава.
Более массивные и более яркие звезды быстрее сжигают водород, и их жизнь короче, а звезды, подобные Солнцу, остаются на главной последовательности около 5 млрд. лет, тогда как звезды, в 10 раз более массивные - в 1000 раз меньше. Это объясняет различие высоты верхнего конца главной последовательности у разных рассеянных скоплений.
У очень молодого скопления звезды находятся на главной последовательности. С возрастом скопления более массивные звезды первыми покидают главную последовательность и смещаются на диаграмме вправо, как показывает рис. 194. Так, со старением скопления верхний уровень главной последовательности постепенно понижается. Этот возраст определяется временем нахождения звезды верхнего конца на главной последовательности. Иначе говоря, он определяется положением точки, где звезды начинают отклоняться вправо от главной последовательности.
Таким образом находят, что скопление NGC 2362 моложе миллиона лет, Плеядам около 20 млн. лет, а М 67 и М 3 более 10 млн. лет.
После того как звезды оставляют главную последовательность, они, по теории, перемещаются вправо в область красных гигантов или сверхгигантов, в зависимости от их массы. В каждом скоплении красные гиганты или сверхгиганты имеют светимости такие же, какова светимость звезд, начавших покидать главную последовательность и смещаться вправо. Зто соответствует замене водородного ядра звезды гелиевым.
Но между смещенным концом главной последовательности и звездами-гигантами виден перерыв, пробел. Он называется пробелом Герцшпруыга, впервые его заметившим. Этот перерыв велик у молодых рассеянных скоплений с горячими звездами и тем меньше, чем рассеянное скопление старее и чем холоднее и слабее его самые яркие звезды. Это объясняется тем, что массивные яркие звезды быстро переходят в состояние красных гигантов и застать их поэтому в промежуточном состоянии трудно. Мало массивные звезды переходят в ото состояние медленнее и для них пробел Герцкшрунга сокращается. У шарового скопления М 3 этого пробела нет совсем. Отклонение от главной последовательности для М 3 происходит уже у звезд, имеющих абсолютную звездную величину +4m, т. е. лишь вдвое более ярких, чем наше Солнце.
Различие начального химического состава сказывается в следующем. Диаграммы Г - Р у шарового скопления М 3 и очень старого рассеянного скопления М 67 очень сходны и возраст их близок, так как. главные последовательности их кончаются в одной точке, около М=+4m. Однако, в М 67 красные гиганты в. 10 раз слабее, чем в М 3.
Количественный химический анализ по спектрам показывает, что звезды в гало (в ореоле или короне) Млечного Пути и шаровые скопления раз в 100-500 беднее металлами, чем звезды, образующие диск Галактики. Это делает их атмосферы более прозрачными. Их излучение приходит к нам поэтому из более глубоких и
Итак, оказывается, что рассеянные скопления и звезды, подобные находящимся в них, непрерывно образовывались в течение 10 млрд. лет, тогда как шаровые скопления и звезды галактической короны все возникли раньше, более 10 млрд. лет назад. (Некоторые оценивают их возраст даже в 1011-1013 лет.)
Такая связь между возрастом звезд и их положением в Галактике показывает, что когда Галактика была молода, звезды возникали во всем ее сферическом объеме и так же был распределен газ, из которого они сконденсировались. В дальнейшем вращение Галактики сплющивало массу находящегося в ней газа; он оседал к галактической плоскости, превращаясь в диск, и в нем продолжалось формирование звезд, тогда как в ореоле Галактики им стало уже не из чего образовываться.
Галактика до возникновения в ней звезд была газовой и содержала почти исключительно водород. Более тяжелые элементы могли возникнуть только в процессе ядерных реакций в недрах звезд и конвекцией выносились в их внешние слои. Выброс газов с их поверхности, особенно при катастрофических вспышках, обогащал галактические газы тяжелыми элементами. Поэтому звезды, возникшие позднее в диске, содержат больше тяжелых металлов.
Теперь легче понять диаграмму Г - Р наиболее молодых скоплений, таких как М16 (иначе NGC 6611), с возрастом всего лишь 200 000 лет, которые моложе, чем человечество! (Последнее возникло около 1 500000 лет назад.) На главной последовательности этого скопления лежат горячие звезды, классов примерно от АО до О5, а более слабые и холодные находятся правее, выше нулевой главной последовательности. Но это очень молодые звезды, еще продолжающие гравитационное сжатие. По последней теории японского астронома Хаяши можно вычислить время, необходимое звезде, чтобы она могла при данной массе, сжимаясь, дойти до радиуса и светимости, соответствующих данной последовательности. Среди таких молодых звезд много переменных типа RW Возничего и звезд с яркими линиями в спектре. Эти факты рассматриваются как признаки неустойчивости, проявляющейся при гравитационном сжатии.
После достижения звездами стадии красных гигантов, когда в их ядре идет выгорание гелия, звезды переходят на диаграмме опять налево, образуя более пологую последовательность. По новым расчетам Кипенхана это движение их сложно, с временными возвращениями по диаграмме назад; звезды эволюционируют с различной скоростью на разных участках этого пути. В некоторых областях они при этом на время становятся пульсирующими звездами - цефеидами разных периодев. Более массивные, бывшие когда-то яркими звездами спектрального класса В, становятся долгопериодическими цефеидами большой светимости, а менее массивные становятся корот-копериодическими цефеидами, особенно характерными для некоторых шаровых скоплений, и имеют периоды короче суток. Их светимость меньше. Наблюдался случай, когда переменность цефеиды почти сразу прекратилась. Цефеиды заполняют пробелы на диаграмме Г - Р, где нет обычных звезд. Это зоны неустойчивости в эволюции звезд.
Еще не все на диаграмме Г - Р ясно; требуются дополнительные наблюдения и расчеты. В частности, неуверенность есть в более поздних путях эволюции звезд. Предполагают, что, исчерпав весь гелий, звезда быстро сжимается - в этой фазе эволюции звезду трудно найти. Она не имеет уже источников энергии и превращается в крайне плотный белый карлик. Белый карлик расходует так мало энергии, что в этом состоянии может прожить много миллиардов лет и является, как шутят ученые, «горячим трупом». Неясно, может ли звезда уплотниться больше, чем белый карлик. Некоторые допускают, что он может превратиться в нейтронную звезду.