Самый большой на то время телескоп в мире (Dearborn Telescope ), впоследствии поставленный семейной фирмой Кларков в обсерваторию Чикагского университета , обнаружил в непосредственной близости от Сириуса тусклую звёздочку. Это был спутник Сириуса, Сириус B , предсказанный Бесселем. А в 1896 году американский астроном Д. М. Шеберле открыл Процион B, подтвердив тем самым и второе предсказание Бесселя.
В 1915 году американский астроном Уолтер Сидней Адамс измерил спектр Сириуса B. Из измерений следовало, что его температура не ниже, чем у Сириуса A (по современным данным, температура поверхности Сириуса B составляет 25 000 , а Сириуса A - 10 000 K), что, с учётом его в 10 000 раз более низкой светимости, чем у Сириуса A, указывает на очень малый радиус и, соответственно, высокую плотность - 10 6 г/см³ (плотность Сириуса ~0,25 г/см³, плотность Солнца ~1,4 г/см³).
Парадокс плотности
«Я был у своего друга … профессора Э. Пиккеринга с деловым визитом. С характерной для него добротой он предложил получить спектры всех звёзд, которые Хинкс и я наблюдали … с целью определения их параллаксов . Эта часть казавшейся рутинной работы оказалась весьма плодотворной - она привела к открытию того, что все звёзды очень малой абсолютной величины (то есть низкой светимости) имеют спектральный класс M (то есть очень низкую поверхностную температуру). Как мне помнится, обсуждая этот вопрос, я спросил у Пиккеринга о некоторых других слабых звёздах…, упомянув, в частности, 40 Эридана B . Ведя себя характерным для него образом, он тут же отправил запрос в офис (Гарвардской) обсерватории, и вскоре был получен ответ (я думаю, от миссис Флеминг), что спектр этой звезды - A (то есть высокая поверхностная температура). Даже в те палеозойские времена я знал об этих вещах достаточно, чтобы сразу же осознать, что здесь имеется крайнее несоответствие между тем, что мы тогда назвали бы „возможными“ значениями поверхностной яркости и плотности. Я, видимо, не скрыл, что не просто удивлён, а буквально сражён этим исключением из того, что казалось вполне нормальным правилом для характеристик звёзд. Пиккеринг же улыбнулся мне и сказал: „Именно такие исключения и ведут к расширению наших знаний“ - и белые карлики вошли в мир исследуемого»
Удивление Расселла вполне понятно: 40 Эридана B относится к относительно близким звёздам, и по наблюдаемому параллаксу можно достаточно точно определить расстояние до неё и, соответственно, светимость. Светимость 40 Эридана B оказалась аномально низкой для её спектрального класса - белые карлики образовали новую область на Г-Р диаграмме . Такое сочетание светимости, массы и температуры было непонятно и не находило объяснения в рамках стандартной модели строения звёзд главной последовательности, разработанной в 1920-х годах.
Высокая плотность белых карликов оставалась необъяснимой в рамках классической физики и астрономии и нашла объяснение лишь в рамках квантовой механики после появления статистики Ферми - Дирака . В 1926 году Фаулер в статье «О плотной материи» («On dense matter», Monthly Notices R. Astron. Soc. 87, 114-122 ) показал, что, в отличие от звёзд главной последовательности, для которых уравнение состояния основывается на модели идеального газа (стандартная модель Эддингтона), для белых карликов плотность и давление вещества определяются свойствами вырожденного электронного газа (ферми-газа) .
Следующим этапом в объяснении природы белых карликов стали работы Якова Френкеля , Э. Стоунера и Чандрасекара . В 1928 году Френкель указал, что для белых карликов должен существовать верхний предел массы, то есть эти звёзды с массой выше определённого предела неустойчивы и должны коллапсировать . К этому же выводу независимо пришёл в 1930 году Э. Стоунер , который дал правильную оценку предельной массы. Более точно её вычислил в 1931 году Чандрасекар в работе «Максимальная масса идеального белого карлика» («The maximum mass of ideal white dwarfs», Astroph. J. 74, 81-82 ) (предел Чандрасекара) и независимо от него в 1932 году Л. Д. Ландау .
Происхождение белых карликов
Решение Фаулера объяснило внутреннее строение белых карликов, но не прояснило механизм их происхождения. В объяснении генезиса белых карликов ключевую роль сыграли две идеи: мысль астронома Эрнста Эпика , что красные гиганты образуются из звёзд главной последовательности в результате выгорания ядерного горючего, и предположение астронома Василия Фесенкова , сделанное вскоре после Второй мировой войны , что звёзды главной последовательности должны терять массу, и такая потеря массы должна оказывать существенное влияние на эволюцию звёзд . Эти предположения полностью подтвердились.
Тройная гелиевая реакция и изотермические ядра красных гигантов
В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода - нуклеосинтез с образованием гелия (см. цикл Бете). Такое выгорание приводит к прекращению энерговыделения в центральных частях звезды, сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности в её ядре. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.
При температурах порядка 10 8 К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера : два ядра гелия ( 4 He , альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия 8 Be :
2 4 He + 2 4 He → 4 8 Be . {\displaystyle {}_{2}^{4}{\textrm {He}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{4}^{8}{\textrm {Be}}.}
Бо́льшая часть 8 Be снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении 8 Be с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода 12 C :
4 8 Be + 2 4 He → 6 12 C {\displaystyle {}_{4}^{8}{\textrm {Be}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}_{6}^{12}{\textrm {C}}} + 7,3 МэВ .
Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию 8 Be (например, при температуре ~10 8 К отношение концентраций [ 8 Be]/[ 4 He] ~10 −10), скорость такой тройной гелиевой реакции оказывается достаточной для достижения нового гидростатического равновесия в горячем ядре звезды. Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока, так, для диапазона температур T {\displaystyle T} ~1-2⋅10 8 К энерговыделение ε 3 α {\displaystyle \varepsilon _{3\alpha }} :
ε 3 α = 10 8 ρ 2 Y 3 ⋅ (T 10 8) 30 , {\displaystyle \varepsilon _{3\alpha }=10^{8}\rho ^{2}Y^{3}\cdot \left({T \over {10^{8}}}\right)^{30},}
где Y {\displaystyle Y} - парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае «выгорания» водорода близка к единице).
Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем цикл Бете : в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода . По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются всё более высокие температуры, и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступивших в реакцию.
Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции и реакций синтеза более тяжёлых ядер с механизмом нейтринного охлаждения : при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино -антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере . В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро (рис. 2).
В случае красных гигантов с относительно небольшой массой (порядка солнечной) изотермические ядра состоят, в основном, из гелия, в случае более массивных звёзд - из углерода и более тяжёлых элементов. Однако в любом случае плотность такого изотермического ядра настолько высока, что расстояния между электронами образующей ядро плазмы становятся соизмеримыми с их длиной волны Де Бройля λ = h / m v {\displaystyle \lambda =h/mv} , то есть выполняются условия вырождения электронного газа. Расчёты показывают, что плотность изотермических ядер соответствует плотности белых карликов, то есть ядрами красных гигантов являются белые карлики .
Физика и свойства белых карликов
Как уже упоминалось, массы белых карликов составляют порядка солнечной, но размеры составляют лишь сотую (и даже меньше) часть солнечного радиуса, то есть плотность вещества в белых карликах чрезвычайно высока и составляет ρ ∼ 10 5 − 10 9 {\displaystyle \rho \sim 10^{5}-10^{9}} г/см³. При таких плотностях электронные оболочки атомов разрушаются, и вещество представляет собой электронно-ядерную плазму, причём её электронная составляющая представляет собой вырожденный электронный газ. Давление такого газа подчиняется следующей зависимости:
P = K ρ 5 / 3 , {\displaystyle P=K\rho ^{5/3},}
где ρ {\displaystyle \rho } - его плотность, то есть, в отличие от уравнения Клапейрона (уравнения состояния идеального газа), для вырожденного электронного газа температура в уравнение состояния не входит - его давление от температуры не зависит, и, следовательно, строение белых карликов не зависит от температуры. Таким образом, для белых карликов, в отличие от звёзд главной последовательности и гигантов, не существует зависимость масса - светимость.
Зависимость масса - радиус и предел Чандрасекара
Рис. 6. Зависимость масса - радиус для белых карликов. Вертикальная асимптота соответствует пределу Чандрасекара
Вышеприведённое уравнение состояния действительно для холодного электронного газа, но температура даже в несколько миллионов градусов мала по сравнению с характерной ферми-энергией электронов ( k T ≪ E F {\displaystyle kT\ll E_{F}} ). Вместе с тем, при росте плотности вещества из-за запрета Паули (два электрона не могут иметь одно квантовое состояние, то есть одинаковую энергию и спин), энергия и скорость электронов возрастают настолько, что начинают действовать эффекты теории относительности - вырожденный электронный газ становится релятивистским. Зависимость давления релятивистского вырожденного электронного газа от плотности уже другая:
P = K ρ 4 / 3 . {\displaystyle P=K\rho ^{4/3}.}
Для такого уравнения состояния складывается интересная ситуация. Средняя плотность белого карлика
ρ ∼ M / R 3 , {\displaystyle \rho \sim M/R^{3},}
где M {\displaystyle M} - масса, а R {\displaystyle R} - радиус белого карлика.
Тогда давление
P ∼ M 4 / 3 / R 4 {\displaystyle P\sim M^{4/3}/R^{4}}
и сила давления, противодействующая гравитации и равная перепаду давления по глубине:
P R ∼ M 4 / 3 R 5 . {\displaystyle {P \over R}\sim {{M^{4/3}} \over {R^{5}}}.}
Гравитационные силы, противодействующие давлению:
ρ G M R 2 ∼ M 2 R 5 , {\displaystyle {{\rho GM} \over {R^{2}}}\sim {{M^{2}} \over {R^{5}}},}
то есть, хотя перепад давления и гравитационные силы одинаково зависят от радиуса, но по-разному зависят от массы - как ∼ M 4 / 3 {\displaystyle \sim M^{4/3}} и ∼ M 2 {\displaystyle \sim M^{2}} соответственно. Следствием такого соотношения зависимостей является существование некоторого значения массы звезды, при которой гравитационные силы уравновешиваются силами давления, а при увеличении массы белого карлика его радиус уменьшается (см. рис. 6). Другим следствием является то, что если масса больше некоторого предела (предел Чандрасекара), то звезда коллапсирует .
Таким образом, для белых карликов существует верхний предел массы. Интересно, что для наблюдаемых белых карликов существует и аналогичный нижний предел: поскольку скорость эволюции звёзд пропорциональна их массе, то мы можем наблюдать маломассивные белые карлики как остатки лишь тех звёзд, которые успели проэволюционировать за время от начального периода звездообразования Вселенной до наших дней.
Особенности спектров и спектральная классификация
Белые карлики выделяются в отдельный спектральный класс D (от англ. Dwarf - карлик), в настоящее время используется классификация, отражающая особенности спектров белых карликов, предложенная в 1983 г. Эдвардом Сионом; в этой классификации спектральный класс записывается в следующем формате :
D [подкласс] [особенности спектра] [температурный индекс] ,при этом определены следующие подклассы:
- DA - в спектре присутствуют линии бальмеровской серии водорода , линии гелия не наблюдаются;
- DB - в спектре присутствуют линии гелия He I, линии водорода или металлов отсутствуют;
- DC - непрерывный спектр без линий поглощения;
- DO - в спектре присутствуют сильные линии гелия He II, также могут присутствовать линии He I и H;
- DZ - только линии металлов, линии H или He отсутствуют;
- DQ - линии углерода, в том числе молекулярного C 2 ;
и спектральные особенности:
- P - наблюдается поляризация света в магнитном поле;
- H - поляризация при наличии магнитного поля не наблюдается;
- V - звёзды типа ZZ Кита или другие переменные белые карлики;
- X - пекулярные или неклассифицируемые спектры.
Эволюция белых карликов
Белые карлики начинают свою эволюцию как обнажившиеся вырожденные ядра красных гигантов, сбросивших свою оболочку - то есть в качестве центральных звёзд молодых планетарных туманностей . Температуры фотосфер ядер молодых планетарных туманностей чрезвычайно высоки - так, например, температура центральной звезды туманности NGC 7293 составляет от 90 000 К (оценка по линиям поглощения) до 130 000 К (оценка по рентгеновскому спектру) . При таких температурах большая часть спектра приходится на жёсткое ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение.
Вместе с тем, наблюдаемые белые карлики по своим спектрам преимущественно делятся на две большие группы - «водородные» спектрального класса DA, в спектрах которых отсутствуют линии гелия, которые составляют ~80 % популяции белых карликов, и «гелиевые» спектрального класса DB без линий водорода в спектрах, составляющие большую часть оставшихся 20 % популяции. Причина такого различия состава атмосфер белых карликов долгое время оставалась неясной. В 1984 году Ико Ибен рассмотрел сценарии «выхода» белых карликов из пульсирующих красных гигантов, находящихся на асимптотической ветви гигантов , на различных фазах пульсации . На поздней стадии эволюции у красных гигантов с массами до десяти солнечных в результате «выгорания» гелиевого ядра образуется вырожденное ядро, состоящее преимущественно из углерода и более тяжёлых элементов, окружённое невырожденным гелиевым слоевым источником, в котором идёт тройная гелиевая реакция. В свою очередь, над ним располагается слоевой водородный источник, в котором идут термоядерные реакции цикла Бете превращения водорода в гелий, окружённый водородной оболочкой; таким образом, внешний водородный слоевой источник является «производителем» гелия для гелиевого слоевого источника. Горение гелия в слоевом источнике подвержено тепловой неустойчивости вследствие чрезвычайно высокой зависимости от температуры, и это усугубляется большей скоростью преобразования водорода в гелий по сравнению со скоростью выгорания гелия; результатом становится накопление гелия, его сжатие до начала вырождения, резкое повышение скорости тройной гелиевой реакции и развитие слоевой гелиевой вспышки .
За крайне короткое время (~30 лет) светимость гелиевого источника увеличивается настолько, что горение гелия переходит в конвективный режим, слой расширяется, выталкивая наружу водородный слоевой источник, что ведёт к его охлаждению и прекращению горения водорода. После выгорания избытка гелия в процессе вспышки светимость гелиевого слоя падает, внешние водородные слои красного гиганта сжимаются, и происходит новый поджог водородного слоевого источника.
Ибен предположил, что пульсирующий красный гигант может сбросить оболочку, образовав планетарную туманность, как в фазе гелиевой вспышки, так и в спокойной фазе с активным слоевым водородным источником, и, поскольку поверхность отрыва оболочки зависит от фазы, то при сбросе оболочки во время гелиевой вспышки обнажается «гелиевый» белый карлик спектрального класса DB, а при сбросе оболочки гигантом с активным слоевым водородным источником - «водородный» карлик DA; длительность гелиевой вспышки составляет около 20 % от длительности цикла пульсации, что и объясняет соотношение водородных и гелиевых карликов DA:DB ~ 80:20 .
Крупные звёзды (в 7-10 раз тяжелее Солнца) в какой-то момент «сжигают» водород, гелий и углерод и превращаются в белые карлики с богатым кислородом ядром. Звёзды SDSS 0922+2928 и SDSS 1102+2054 с кислородсодержащей атмосферой это подтверждают.
Поскольку белые карлики лишены собственных термоядерных источников энергии, то они излучают за счёт запасов своего тепла. Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, пропорциональна четвёртой степени температуры тела:
j = σ T 4 , {\displaystyle j=\sigma T^{4},}где j {\displaystyle j} - мощность на единицу площади излучающей поверхности, а σ {\displaystyle \sigma } - постоянная Стефана - Больцмана .
Как уже отмечалось, в уравнение состояния вырожденного электронного газа температура не входит - то есть радиус белого карлика и излучающая площадь остаются неизменными: в результате, во-первых, для белых карликов не существует зависимость масса - светимость, но существует зависимость возраст - светимость (зависящая только от температуры, но не от площади излучающей поверхности), и, во-вторых, сверхгорячие молодые белые карлики должны достаточно быстро остывать, так как поток излучения и, соответственно, темп остывания, пропорционален четвёртой степени температуры.
Стоит отметить, что на ранних стадиях остывания белых карликов, крайне важную роль играет нейтринное охлаждение , при больших светимостях эти процессы могут отводить из недр звезды значительно больше энергии, чем излучается с поверхности в виде фотонов . Нейтринное охлаждение очень сильно зависит от температуры, различные слабые процессы идущие при остывании могут быть пропорциональны от T 6 {\displaystyle T^{6}} до T 9 {\displaystyle T^{9}} .
Остывшие белые карлики
В пределе, после десятков миллиардов лет остывания любой белый карлик должен превратиться в так называемый Чёрный карлик (не излучающий видимый свет). Хотя пока таких объектов во Вселенной не наблюдается (по некоторым [каким? ] подсчётам минимум 10 15 лет требуется для остывания белого карлика до температуры 5 K ), так как время, прошедшее со времени образования первых звёзд во Вселенной, составляет (по современным представлениям) около 13 миллиардов лет, но некоторые белые карлики уже охладились до температур ниже 4000 кельвинов (например, белые карлики WD 0346+246 и SDSS J110217, 48+411315.4 с температурами 3700-3800 K и спектральным классом M0 на расстоянии около 100 световых лет от Солнца ), что, наряду с малыми размерами, делает их обнаружение весьма сложной задачей.
На последних этапах остывания чёрных карликов (после 10 15 лет ) важную роль будет играть процесс гравитационного захвата и аннигиляции темной материи . В отсутствие дополнительного источника энергии чёрные карлики становились бы более холодными и тусклыми, пока их температура не сравнялась бы с фоновой температурой Вселенной. Однако благодаря энергии, которую они извлекают из аннигиляции темной материи, белые карлики смогут дополнительно излучать энергию на протяжении ещё очень долгого времени. Полная мощность излучения одного чёрного карлика, обусловленная процессом аннигиляции темной материи, составляет приблизительно 10 15 ватт. И хотя эта незначительная мощность примерно в сто миллиардов (10 11) раз слабее мощности излучения Солнца, именно этот механизм производства энергии будет главным в почти остывших чёрных карликах будущего. Такая выработка энергии будет продолжаться, пока галактическое гало остается целым - то есть в течение 10 20 - 10 25 лет . Затем аннигиляция темной материи постепенно прекратится и они остынут окончательно.
Астрономические феномены с участием белых карликов
Рентгеновское излучение белых карликов
Рис. 10. Снимок Сириуса в мягком рентгеновском диапазоне. Яркий компонент - белый карлик Сириус Б, тусклый - Сириус А
Температура поверхности молодых белых карликов, изотропных ядер звёзд после сброса оболочек, очень высока - более 2⋅10 5 К , однако достаточно быстро падает за счёт излучения с поверхности. Такие очень молодые белые карлики наблюдаются в рентгеновском диапазоне (например, наблюдения белого карлика HZ 43 спутником ROSAT). В рентгеновском диапазоне светимость белых карликов превышает светимость звёзд главной последовательности: иллюстрацией могут служить снимки Сириуса , сделанные рентгеновским телескопом «Чандра» (см. рис. 10) - на них белый карлик Сириус Б выглядит ярче, чем Сириус А спектрального класса A1, который в оптическом диапазоне в ~10 000 раз ярче Сириуса Б .
Температура поверхности наиболее горячих белых карликов - 7⋅10 4 К , наиболее холодных - меньше 4⋅10 3 К (см., например, Звезда ван Маанена и WD 0346+246 с SDSS J110217, 48+411315.4 спектрального класса M0).
Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера , что резко отличает их от «нормальных» звёзд: у последних в рентгене излучает корона , разогретая до нескольких миллионов кельвинов, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения.
Аккреция на белые карлики в двойных системах
При эволюции звёзд различных масс в двойных системах темпы эволюции компонентов неодинаковы, при этом более массивный компонент может проэволюционировать в белый карлик, в то время как менее массивный к этому времени может оставаться на главной последовательности. В свою очередь, при сходе в процессе эволюции менее массивного компонента с главной последовательности и его переходе на ветвь красных гигантов размер эволюционирующей звезды начинает расти до тех пор, пока она не заполняет свою полость Роша . Поскольку полости Роша компонентов двойной системы соприкасаются в точке Лагранжа L 1 , то на этой стадии эволюции менее массивного компонента чего через точку L 1 начинается переток материи с красного гиганта в полость Роша белого карлика и дальнейшая аккреция богатой водородом материи на его поверхность (см. рис. 11), что приводит к ряду астрономических феноменов:
- Нестационарная аккреция на белые карлики в случае, если компаньоном является массивный красный карлик , приводит к возникновению карликовых новых (звёзд типа U Gem (UG)) и новоподобных катастрофических переменных звёзд .
- Аккреция на белые карлики, обладающие сильным магнитным полем , направляется в район магнитных полюсов белого карлика, и циклотронный механизм излучения аккрецирующей плазмы в околополярных областях магнитного поля карлика вызывает сильную поляризацию излучения в видимой области (поляры и промежуточные поляры).
- Аккреция на белые карлики богатого водородом вещества приводит к его накоплению на поверхности (состоящей преимущественно из гелия) и разогреву до температур реакции синтеза гелия, что, в случае развития тепловой неустойчивости, приводит к взрыву, наблюдаемому как вспышка новой звезды .
- Достаточно длительная и интенсивная аккреция на массивный белый карлик приводит к превышению его массой предела Чандрасекара и термоядерному взрыву , наблюдаемому как вспышка сверхновой типа Ia (см. рис. 12).
Примечания
- Я. Б. Зельдович , С. И. Блинников, Н. И. Шакура . Физические основы строения и эволюции звёзд . - М. : МГУ, 1981.
- Sinuosités observées dans le mouvement propre de Sirius, Fig. 320, Flammarion C., Les étoiles et les curiosités du ciel, supplément de «l’Astronomie populaire», Marpon et Flammarion, 1882
- E. Schatzman. White Dwarfs. - Amsterdam: North-Holland, 1958. - С. 1.
- Catalogue of Double Stars , William Herschel, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 75 (1785), pp. 40-126
- On the proper motions of Procyon and Sirius (англ.) . Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (12/1844). Дата обращения 22 июля 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.
- Flammarion C. (1877).
Во Вселенной существует множество различных звезд. Большие и маленькие, горячие и холодные, заряженные и не заряженные. В этой статье мы назовем основные виды звезд, а также дадим подробную характеристику Жёлтым и Белым карликам.
- Жёлтый карлик . Жёлтый карлик – тип небольших звёзд главной последовательности, имеющих массу от 0,8 до 1,2 массы Солнца и температуру поверхности 5000–6000 K. Подробнее об этом типе звезд нем смотрите ниже.
- Красный гигант . Красный гигант – это крупная звезда красноватого или оранжевого цвета. Образование таких звезд возможно как на стадии звездообразования, так и на поздних стадиях их существования. Крупнейшие из гигантов превращаются в красных супергигантов. Звезда под названием Бетельгейзе из созвездия Орион – самый яркий пример красного супергиганта.
- Белый карлик . Белый карлик – это то, что остаётся от обычной звезды с массой, не превышающей 1,4 солнечной массы, после того, как она проходит стадию красного гиганта. Подробнее об этом типе звезд нем смотрите ниже.
- Красный карлик . Красные карлики – самые распространённые объекты звёздного типа во Вселенной. Оценка их численности варьируется в диапазоне от 70 до 90% от числа всех звёзд в галактике. Они довольно сильно отличаются от других звезд.
- Коричневый карлик . Коричневый карлик – субзвездные объекты (с массами в диапазоне примерно от 0,01 до 0,08 массы Солнца, или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы Юпитера и диаметром примерно равным диаметру Юпитера), в недрах которых, в отличие от звезд главной последовательности, не происходит реакции термоядерного синтеза c превращением водорода в гелий.
- Субкоричневые карлики . Субкоричневые карлики или коричневые субкарлики – холодные формирования, по массе лежащие ниже предела коричневых карликов. Масса их меньше примерно одной сотой массы Солнца или, соответственно, 12,57 массы Юпитера, нижний предел не определён. Их в большей мере принято считать планетами, хотя к окончательному заключению о том, что считать планетой, а что – субкоричневым карликом научное сообщество пока не пришло.
- Черный карлик . Черные карлики – остывшие и вследствие этого не излучающие в видимом диапазоне белые карлики. Представляет собой конечную стадию эволюции белых карликов. Массы черных карликов, подобно массам белых карликов, ограничиваются сверху 1,4 массами Солнца.
- Двойная звезда . Двойная звезда – это две гравитационно связанные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс.
- Новая звезда . Звезды, светимость которых внезапно увеличивается в 10 000 раз. Новая звезда представляет собой двойную систему, состоящую из белого карлика и звезды-компаньона, находящейся на главной последовательности. В таких системах газ со звезды постепенно перетекает на белый карлик и периодически там взрывается, вызывая вспышку светимости.
- Сверхновая звезда . Сверхновая звезда – это звезда, заканчивающая свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Вспышка при этом может быть на несколько порядков больше чем в случае новой звезды. Столь мощный взрыв есть следствие процессов, протекающих в звезде на последний стадии эволюции.
- Нейтронная звезда . Нейтронные звезды (НЗ) – это звездные образования с массами порядка 1,5 солнечных и размерами, заметно меньшими белых карликов, порядка 10-20 км в диаметре. Они состоят в основном из нейтральных субатомных частиц – нейтронов, плотно сжатых гравитационными силами. В нашей Галактике, по оценкам ученых, могут существовать от 100 млн до 1 млрд нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд.
- Пульсары . Пульсары – космические источники электромагнитных излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов). Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения. Когда Земля попадает в конус, образуемый этим излучением, то можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Некоторые нейтронные звёзды совершают до 600 оборотов в секунду.
- Цефеиды . Цефеиды – класс пульсирующих переменных звёзд с довольно точной зависимостью период-светимость, названный в честь звезды Дельта Цефея. Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда. Приведенный перечень основных видов (типов) звезд с их краткой характеристикой, разумеется, не исчерпывает всего возможного многообразия звезд во Вселенной.
Жёлтый карлик
Находясь на различных стадиях своего эволюционного развития, звезды подразделяются на нормальные звезды, звезды карлики, звезды гиганты. Нормальные звезды, это и есть звезды главной последовательности. К таким, например, относится наше Солнце. Иногда такие нормальные звезды называются желтыми карликами .
Характеристика
Сегодня мы кратко расскажем о желтых карликах, которых еще называют желтыми звездами. Желтые карлики – это, как правило, звезды средней массы, светимости и температуры поверхности. Они являются звездами основной последовательности, располагаясь примерно в середине на диаграмме Герцшпрунга – Рассела и следуя за более холодными и менее массивными красными карликами.
По спектральной классификации Моргана-Кинана желтые карлики соответствуют в основном классу светимости G, однако в переходных вариациях соответствуют иногда классу К (оранжевые карлики) или классу F в случае с желто-белыми карликами.
Масса желтых карликов лежит зачастую в пределах от 0,8 до 1,2 массы Солнца. При этом температура их поверхности составляет в своем большинстве от 5 до 6 тысяч градусов по Кельвину.
Наиболее ярким и известным нам представителем из числа желтых карликов является наше Солнце.
Кроме Солнца, среди ближайших к Земле желтых карликов стоит отметить:
- Две компоненты в тройной системе Альфа Центавра, среди которых Альфа Центавра А по спектру светимости аналогично Солнцу, а Альфа Центавра В – типичный оранжевый карлик класса К. Расстояние до обеих компонент составляет чуть более 4-х световых лет.
- Оранжевый карлик – звезда Ран, она же Эпсилон Эридана, с классом светимости К. Расстояние до Рана астрономы оценили примерно в 10 с половиной световых лет.
- Двойная звезда 61 Лебедя, удаленная от Земли на чуть более 11 световых лет. Обе компоненты 61 Лебедя типичные оранжевые карлики класса светимости К.
- Солнцеподобная звезда Тау Кита, удаленная от Земли примерно на 12 световых лет, со спектром светимости G и интересной планетной системой, состоящей минимум из 5 экзопланет.
Образование
Эволюция желтых карликов весьма интересна. Продолжительность жизни желтого карлика составляет примерно 10 миллиардов лет.
Как и большинства звезд в их недрах протекают интенсивные термоядерные реакции, в которых в основном водород перегорает в гелий. После начала реакций с участием гелия в ядре звезды водородные реакции перемещаются все больше к поверхности. Это и становится отправной точкой в преобразовании желтого карлика в красный гигант. Результатом подобного преобразования может служить красный гигант Альдебаран.
С течением времени поверхность звезды будет постепенно остывать, а внешние слои начнут расширяться. На конечных стадиях эволюции красный гигант сбрасывает свою оболочку, которая образует планетарную туманность, а его ядро превратится в белый карлик, который далее будет сжиматься и остывать.
Подобное будущее ждет и наше Солнце, которое сейчас находится на средней стадии своего развития. Примерно через 4 миллиарда лет оно начнет свое превращение в красный гигант, фотосфера которого при расширении может поглотить не только Землю и Марс, но даже и Юпитер.
Время жизни жёлтого карлика составляет в среднем 10 миллиардов лет. После того, как сгорает весь запас водорода, звезда во много раз увеличивается в размере и превращается в красный гигант. самым планетарные туманности, а ядро коллапсирует в маленький, плотный белый карлик.
Белые карлики
Белые карлики – звезды, имеющие большую массу (порядка солнечной) и малый радиус (радиус Земли), что менее предела Чандрасекара для выбранной массы, являющиеся продуктом эволюции красных гигантов. Процесс производства термоядерной энергии в них прекращен, что приводит к особым свойствам этих звезд. Согласно различным оценкам, в нашей Галактике их количество составляет от 3 до 10 % всего звездного населения.
История открытия
В 1844 году немецкий астроном и математик Фридрих Бессель при наблюдении Сириуса обнаружил небольшое отклонение звезды от прямолинейного движения, и сделал предположение о наличии у Сириуса невидимой массивной звезды-спутника.
Его предположение было подтверждено уже в 1862 году, когда американский астроном и телескопостроитель Альван Грэхэм Кларк, занимаясь юстировкой самого крупного в то время рефрактора, обнаружил возле Сириуса неяркую звезду, которую впоследствии окрестили Сириус Б.
Белый карлик Сириус Б имеет низкую светимость, а гравитационное поле воздействует на своего яркого компаньона довольно заметно, что свидетельствует о том, что у этой звезды крайне малый радиус при значительной массе. Так впервые был открыт вид объектов, названный белыми карликами. Вторым подобным объектом была звезда Маанена, находящаяся в созвездии Рыб.
Как же образуются белые карлики?
После того как в стареющей звезде выгорит весь водород, ее ядро сжимается и разогревается, – это способствует расширению ее внешних слоев. Эффективная температура звезды падает, и она превращается в красного гиганта. Разреженная оболочка звезды, очень слабо связанная с ядром, со временем рассеивается в пространстве, перетекая на соседние планеты, а на месте красного гиганта остается очень компактная звезда, называемая белым карликом.
Долгое время оставалось загадкой, почему белые карлики, имеющие температуру, превосходящую температуру Солнца, по сравнению с размерами Солнца невелики, пока не выяснилось, что плотность вещества внутри них предельно высока (в пределах 10 5 – 10 9 г/см 3). Стандартной зависимости – масса-светимость – для белых карликов не существует, что отличает их от других звезд. В чрезвычайно малом объеме «упаковано» огромное количество вещества, из-за чего плотность белого карлика почти в 100 раз больше плотности воды.
Температура белых карликов остается практически постоянной, несмотря на отсутствие внутри них термоядерных реакций. Чем же это объясняется? По причине сильного сжатия электронные оболочки атомов начинают проникать друг в друга. Это продолжается до тех пор, пока между ядрами расстояние не становится минимальным, равным радиусу наименьшей электронной оболочки.
В результате ионизации электроны начинают свободно двигаться относительно ядер, а вещество внутри белого карлика приобретает физические свойства, которые характерны для металлов. В подобном веществе энергия к поверхности звезды переносится электронами, скорость которых по мере сжатия все больше увеличивается: некоторые из них двигаются со скоростью, соответствующей температуре в миллион градусов. Температура на поверхности и внутри белого карлика может резко отличаться, что не приводит к изменению диаметра звезды. Здесь можно привести сравнение с пушечным ядром – остывая, оно не уменьшается в объеме.
Угасает белый карлик крайне медленно: за сотни миллионов лет интенсивность излучения падает всего на 1%. Но в итоге он должен будет исчезнуть, превратившись в черного карлика, для чего могут потребоваться триллионы лет. Белые карлики вполне можно назвать уникальными объектами Вселенной. Воспроизвести в земных лабораториях условия, в которых они существуют, еще никому не удалось.
Рентгеновское излучение белых карликов
Температура поверхности молодых белых карликов, изотропных ядер звёзд после сброса оболочек, очень высока – более 2·10 5 К, однако достаточно быстро падает за счёт излучения с поверхности. Такие очень молодые белые карлики наблюдаются в рентгеновском диапазоне (например, наблюдения белого карлика HZ 43 спутником ROSAT). В рентгеновском диапазоне светимость белых карликов превышает светимость звёзд главной последовательности: иллюстрацией могут служить снимки Сириуса, сделанные рентгеновским телескопом «Чандра» – на них белый карлик Сириус Б выглядит ярче, чем Сириус А спектрального класса A1, который в оптическом диапазоне в ~10 000 раз ярче Сириуса Б.
Температура поверхности наиболее горячих белых карликов – 7·10 4 К, наиболее холодных – меньше 4·10 3 К.
Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера, что резко отличает их от «нормальных» звёзд: у последних в рентгене излучает корона, разогретая до нескольких миллионов кельвинов, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения.
В отсутствие аккреции источником светимости белых карликов является запас тепловой энергии ионов в их недрах, поэтому их светимость зависит от возраста. Количественную теорию остывания белых карликов построил в конце 1940-х годов профессор Самуил Каплан.
Около ста пятидесяти лет тому назад известный астроном и математик Бессель проводил наблюдения над Сириусом - самой яркой звездой неба. При этом он натолкнулся на весьма любопытное явление: обнаружил, что, двигаясь по небу, Сириус испытывает периодические отклонения от прямолинейного пути, обычного для большинства . Этот факт послужил толчком к открытию удивительных небесных тел - «белых карликов». Немало разнообразных произведений посвятили им писатели-фантасты. Но, пожалуй, еще больше интереса вызвали они у людей науки. Исследование белых карликов еще далеко не закончено. И сегодня они продолжают задавать загадки астрономам и физикам. Об этих необычных телах, об их поныне неразгаданных особенностях мы и расскажем.
СТРАННЫЙ СПУТНИК
Открытое Бесселем своеобразие движения Сириуса нашло простое объяснение. Было высказано предположение, что Сириус имеет невидимого спутника, «возмущающего» его движение. Такие двойные системы во Вселенной не редкость. Наша Земля, двигаясь вокруг , тоже испытывает, хотя и в гораздо меньшей степени, влияние своего естественного спутника - .
Вскоре это предположение подтвердилось: вблизи ожидаемого места удалось обнаружить очень тусклую звездочку. Термин «очень тусклая», правда, слишком неопределенен. Поэтому нам придется ввести специальную величину - светимость. Она измеряет количество световой энергии, излучаемой звездой за определенный промежуток времени. Так вот, светимость спутника Сириуса оказалась очень малой - в несколько сот раз меньше, чем Солнца. В то же время по степени влияния на движение Сириуса можно было определить массу спутника. И здесь неожиданно получилась весьма внушительная цифра: спутник оказался почти столь же массивным, как !
Попробуем разобраться, чем же можно объяснить причину такого резкого различия свойств спутника Сириуса и Солнца. Заметим, прежде всего, что светимость зависит главным образом от двух величин: температуры поверхности звезды и размера этой поверхности. С уменьшением этих величин светимость падает. А раз так, то объяснить малую светимость спутника можно двояко: либо температура его невысока, либо размеры его малы по сравнению с Солнцем.
Сначала ученые пошли по первому - более простому и, как оказалось, неверному - пути. Спутник Сириуса (ему было присвоено название Сириус-В) был зачислен в разряд сравнительно холодных звезд. Интерес к нему пропал: мало ли холодных звезд во Вселенной! И долгое время он не привлекал к себе особого внимания.
Но настало время, когда спокойствие астрономов нарушилось. Это произошло тогда, когда появилась возможность исследовать спектр излучения Сириуса-В и в первую очередь цветовой его состав. Дело в том, что по цвету астрономы научились оценивать температуру поверхности звезд. (Стоит напомнить, что тот же по существу физический принцип используется издавна при определении степени нагретости : ведь, разогреваясь, металл меняет цвет от темно-красного до бело-голубого.)
Короче говоря, ко всеобщему удивлению специальные исследования показали, что Сириус-В является не только не холодной, но, наоборот, очень горячей звездой. Он принадлежит к классу белых звезд и имеет поверхностную температуру порядка 8000 градусов - на 2000 градусов более высокую, чем у Солнца.
И тут встала задача по-новому объяснить малую светимость загадочного спутника. Собственно, ответ на этот вопрос был готов и раньше - пришлось вспомнить о второй возможности, которую прежде отбросили: считать, что Сириус-В чрезвычайно мал по размерам. Сделали подсчеты. И выяснилось, что радиус звезды должен быть примерно в 50 раз меньше радиуса Солнца. Иными словами Сириус-В величиной напоминает нашу Землю.
Если теперь вспомнить, что масса его близка к солнечной, то мы приходим к совершенно поразительному выводу: средняя плотность вещества Сириуса-В составляет около 105 граммов (сто килограммов) на кубический сантиметр. В 100 000 раз больше плотности воды! Ни с чем, хотя бы отдаленно похожим, человек никогда не имел дела - плотность даже самого тяжелого земного вещества не превышает 20 граммов на кубический сантиметр. Грандиозность приведенной величины читатель лучше всего почувствует, если попробует подсчитать, скольких приятелей ему придется звать на помощь, чтобы перевернуть сделанную из вещества Сириуса-В страницу нашего журнала, если б он был по старинке бумажным, а не виртуальным.
КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Вывод, к которому мы пришли, может не всем показаться достаточно убедительным. Поэтому стоит привести и другой факт, который его подтверждает. Речь идет об эффекте так называемого «красного смещения», предсказанном знаменитым физиком Эйнштейном. Эффект заключается в том, что частота световых колебаний зависит от величины силы тяжести, действующей на пути распространения света. Если на источник света действует большая сила тяжести, чем на приемник, то и частота испускаемого света будет больше, чем принимаемого. Свет, как говорят оптики, «покраснеет» в процессе распространения от области с большей силой тяжести к области с меньшей силой тяжести.
Попробуем объяснить, почему это произойдет. Читателю, вероятно, известно, что при определенных условиях свет можно считать состоящим из частиц-фотонов. И энергия их пропорциональна частоте света. Ясно и другое: чтобы любое тело - будь то космический корабль или фотон - могло вырваться из области, где сила тяжести велика, нужно затратить определенное количество энергии. А так как фотон не снабжен никакой «ракетой-носителем», он расходует на это собственную энергию. В результате, «вырываясь из оков тяжести», он теряет свою энергию, снижает частоту световых колебаний и попадает в приемник с меньшей энергией, то есть с меньшей частотой.
На поверхности Сириуса-В сила тяжести во много раз больше, чем на Земле (притом же примерно радиусе эта звезда имеет гораздо большую массу). Поэтому пришедший с Сириуса-В свет должен иметь заметно меньшую частоту, чем свет от такого же источника, находящегося на Земле. А зная изменение частоты, нетрудно вычислить силу тяжести на поверхности Сириуса-В и тем самым проверить полученные ранее данные о его массе и радиусе. Такие исследования были проделаны. Титаническое оказалось действительно запечатленным в свете звезды.
БЕЛЫЕ КАРЛИКИ
Внимательный читатель, вероятно, уже понял, почему звезды, подобные Сириусу-В, получили это не совсем обычное для научного термина название. Но прежде чем идти дальше, полезно познакомиться с системой звезд в целом и уточнить, какое место занимают в ней белые карлики.
Здесь очень удобна так называемая диаграмма Рессела, изображенная на рисунке. Она представляет собой график, по вертикальной оси которого отложены светимости звезд, а по горизонтальной (ее принято направлять справа налево) - температуры их поверхностей. Каждой звезде на графике соответствует отдельная точка. И вот оказывается, что точки-звезды располагаются на графике не как попало. Они образуют три четко выделенные области - те, что заштрихованы.
Прежде всего, мы видим узкую длинную полосу, пересекающую график по диагонали. Это - «главная последовательность». К ней относятся обычные звезды, подобные нашему Солнцу. Справа вверху расположены «красные гиганты». Как видно из диаграммы, они имеют низкую температуру («красные»). Светимость же их высока, что возможно только в том случае, если их размеры велики («гиганты»). Наконец в левом нижнем углу находятся звезды, которым посвящена эта статья. Их температура высока («белые»), тогда как светимость, а значит и радиус малы («карлики»).
Таким образам, белые карлики - отнюдь не редкость. Они образуют отдельный ярко выраженный звездный класс. В него входит огромное число звезд, вероятно, несколько процентов общего числа звезд Галактики. Однако к настоящему моменту открыто всего около сотни белых карликов. Все они имеют массу порядка солнечной и радиус порядка земного. И все же их свойства могут заметным образом различаться.
Как видно из диаграммы Рессела, область белых карликов растянута вдоль оси температур. Малым температурам отвечают «желтые», большим - «голубые» карлики. Светимость карликов также может быть различной. Она, как правило, меньше солнечной, и иногда в десятки тысяч раз.
Гораздо важнее, однако, вопрос о том, какой величины может достигать плотность белых карликов. Мы приведем данные по одной из наиболее плотных звезд этого класса- звезде Росс-627. Она имеет массу, равную солнечной, а радиус всего 3000 километров. В 200 раз меньше солнечного и вдвое меньше земного! А средняя плотность ее вещества превышает 10: граммов (10 тонн) на кубический сантиметр! В центре звезды плотность еще выше. Факт, способный поразить воображение даже самого закаленного скептика. Однако можно думать, что и это не предел.
НОВЫЕ И СВЕРХНОВЫЕ
Рассматривая диаграмму Рессела, вы можете спросить: с чем связано наличие пустых промежутков, разделяющих звездные классы? Ответ таков: не всякая звезда устойчива. Попавшая в этот промежуток звезда сравнительно быстро меняет свои свойства и попадает в заштрихованную область диаграммы.
Мы сейчас немного отвлечемся и поговорим о неустойчивых звездах, ибо этот вопрос имеет отношение к прошлому и, возможно, будущему белых карликов. Примеров неустойчивости звезд известно много. Кратковременная и даже слабая потеря устойчивости Солнца приводит к мощным вспышкам, при которых на Земле нарушается радиосвязь, возникают магнитные бури и т. д.
Очень интересное явление представляют собой вспышки Новых звезд (или просто Новых). Слабая звезда вдруг резко увеличивает блеск и спустя короткое время затухает. При этом она «сбрасывает» свою оболочку, которая постепенно расширяется в окружающее пространство. И это может повторяться много раз подряд.
Однако самым ярким проявлением неустойчивости звезд являются совершенно исключительные по мощности вспышки Сверхновых. В 1054 году два безымянных астронома - китайский и японский - зафиксировали в своих рукописях необычное явление природы: в небе вспыхнула звезда исключительной яркости, видимая даже днем. Проведенные в наши дни измерения скорости «хлопьев» Крабовидной туманности, расположенной примерно в той же точке неба, показали, что эта туманность расширяется, причем начало расширения относится к эпохе примерно 900-летней давности. Таковы два разных этапа одного и того же явления - вспышки Сверхновой.
При подобных вспышках происходит мощный взрыв, из-за которого значительная часть массы звезды выбрасывается в окружающее пространство. В результате образуется нечто вроде «вишни»: в центре плотная косточка-звезда, вокруг рыхлая мякоть - туманность. Последняя постепенно расползается и принимает неправильные очертания.
Чем вызывается потеря устойчивости звезд? Видимо, мощными ядерными взрывами, при которых выделяется огромное количество энергии. Возможно, что значительную роль играют магнитные поля звезд. Однако полного понимания природы вспышек еще нет. В особенности это относится к Сверхновым.
После этих отступлений вернемся к нашей основной теме и поставим вопрос: как возникли белые карлики и какова их дальнейшая судьба? К сожалению, пока сказать по этому поводу можно не слишком много.
Согласно наиболее распространенной сейчас гипотезе звезды главной последовательности переходят в процессе своего развития в состояние красного гиганта. После этого происходит потеря устойчивости, оболочка звезды сбрасывается, сердцевина уплотняется и возникает белый карлик. Он является по этой гипотезе «умирающей» звездой, последним этапом эволюции звезды, как светящегося тела. Потом, остывая, он постепенно превращается в «черный» карлик и становится невидимым.
Имеются и другие точки зрения. Высказывалась гипотеза, что карлик возникает не из красного гиганта, а при вспышке Новой. Но так как подобные вспышки повторяются десятки и сотни раз, карлик отнюдь не может быть умирающей звездой. Напротив, он должен нести в себе значительные запасы энергии. Существуют и другие гипотезы, но в целом этот важный вопрос еще далек от разрешения.
Если внимательно присмотреться к ночному небу, легко заметить, что звезды, глядящие на нас, различаются по цвету. Голубоватые, белые, красные, они светят ровно или мерцают, подобно елочной гирлянде. В телескоп различия в цвете становятся более очевидными. Причина, приведшая к такому разнообразию, кроется в температуре фотосферы. И, вопреки логичному предположению, самыми горячими являются не красные, а голубые, бело-голубые и белые звезды. Но обо всем по порядку.
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.
Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь
Основных спектральных классов семь: O—B—A—F—G—K—M. Эта последовательность отражает постепенное снижение температуры (от О к М). Для ее запоминания существуют специальные мнемонические формулы. На русском языке одна из них звучит так: «Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь». К этим классам добавляются еще два. Буквами C и S обозначаются холодные светила с полосами окислов металла в спектре. Рассмотрим звездные классы подробнее:
- Класс О характеризуется самой высокой температурой поверхности (от 30 до 60 тысяч Кельвинов). Звезды такого типа превышают Солнце по массе в 60, а по радиусу — в 15 раз. Их видимый цвет — голубой. По светимости они опережают нашу звезду более чем в миллион раз. Голубая звезда HD93129A, относящаяся к этому классу, характеризуется одним из самых больших показателей светимости среди известных космических тел. По этому показателю она опережает Солнце в 5 миллионов раз. Голубая звезда располагается на расстоянии в 7,5 тысяч световых лет от нас.
- Класс В обладает температурой в 10-30 тысяч Кельвинов, массой, в 18 раз превышающей аналогичный параметр Солнца. Это бело-голубые и белые звезды. Их радиус больше, чем у Солнца, в 7 раз.
- Класс А характеризуется температурой в 7,5-10 тысяч Кельвинов, радиусом и массой, превышающими в 2,1 и 3,1 раз соответственно аналогичные параметры Солнца. Это белые звезды.
- Класс F: температура 6000-7500 К. Масса больше солнечной в 1,7 раз, радиус — в 1,3. С Земли такие звезды выглядят также белыми, их истинный цвет — желтовато-белый.
- Класс G: температура 5-6 тысяч Кельвинов. К этому классу относится Солнце. Видимый и истинный цвет таких звезд — желтый.
- Класс К: температура 3500-5000 К. Радиус и масса меньше солнечных, составляют 0,9 и 0,8 от соответствующих параметров светила. Видимый с Земли цвет этих звезд - желтовато-оранжевый.
- Класс М: температура 2-3,5 тысячи Кельвинов. Масса и радиус — 0,3 и 0,4 от аналогичных параметров Солнца. С поверхности нашей планеты они выглядят красно-оранжевыми. К классу М принадлежат Бета Андромеды и Альфа Лисички. Яркая красная звезда, знакомая многим, — это Бетельгейзе (альфа Ориона). Лучше всего искать ее на небе зимой. Красная звезда расположена выше и чуть левее
Каждый класс делится на подклассы от 0 до 9, то есть от самых горячих до самых холодных. Номера звезд обозначают принадлежность к определенному спектральному типу и степень нагрева фотосферы по сравнению с другими светилами в группе. Например, Солнце относится к классу G2.
Визуальные белые
Таким образом, классы звезд с B по F с Земли могут выглядеть белыми. И только объекты, относящиеся к А-типу, имеют такую окраску на самом деле. Так, звезда Саиф (созвездие Орион) и Алголь (бета Персея) наблюдателю, не вооруженному телескопом, покажутся белыми. Они относятся к спектральному классу B. Их истинный цвет - бело-голубой. Также белыми кажутся Мифрак и Процион, самые яркие звезды в небесных рисунках Персей и Малый Пес. Однако их истинный цвет ближе к желтому (класс F).
Почему звезды белые для земного наблюдателя? Цвет искажается из-за огромного расстояния, отделяющего нашу планету от подобных объектов, а также объемных облаков пыли и газа, нередко встречающихся в космосе.
Класс А
Белые звезды характеризуются не столь высокой температурой, как представители класса О и В. Их фотосфера нагревается до 7,5-10 тысяч Кельвинов. Звезды спектрального класса А значительно крупнее Солнца. Их светимость также больше — примерно в 80 раз.
В спектрах А-звезд сильно выражены линии водорода серии Бальмера. Линии прочих элементов заметно слабее, однако они становятся более существенными по мере продвижения от подкласса А0 к А9. Для гигантов и сверхгигантов, относящихся к спектральному классу А, характерны чуть менее выраженные линии водорода, чем для звезд главной последовательности. В случае этих светил более заметными становятся линии тяжелых металлов.
К спектральному классу А относится немало пекулярных звезд. Таким термином обозначают светила, обладающие заметными особенностями в спектре и физических параметрах, что затрудняет их классификацию. Например, довольно редкие звезды типа лямбды Волопаса характеризуются недостатком тяжелых металлов и очень медленным вращением. В число пекулярных светил входят и белые карлики.
Классу А принадлежат такие яркие объекты ночного неба, как Сириус, Менкалинан, Алиот, Кастор и другие. Познакомимся с ними поближе.
Альфа Большого Пса
Сириус — самая яркая, хотя и не ближайшая, звезда на небе. Расстояние до него — 8,6 световых года. Для земного наблюдателя он кажется столь ярким потому, что имеет внушительные размеры и все-таки удален не так значительно, как многие другие крупные и яркие объекты. Ближайшая звезда к Солнцу — это Сириус в этом списке располагается на пятом месте.
Относится он к и представляет собой систему из двух компонентов. Сириус А и Сириус В разделены расстоянием в 20 астрономических единиц и вращаются с периодом чуть меньше 50 лет. Первый компонент системы — звезда главной последовательности, принадлежит спектральному классу А1. Его масса в два раза превышает солнечную, а радиус — в 1,7 раз. Именно его можно наблюдать невооруженным глазом с Земли.
Второй компонент системы — белый карлик. Звезда Сириус В практически равна нашему светилу по массе, что нетипично для таких объектов. Обычно белые карлики характеризуются массой в 0,6-0,7 солнечных. При этом размеры Сириуса В приближены к земным. Предполагается, что стадия белого карлика началась для этой звезды примерно 120 миллионов лет назад. Когда Сириус В располагался на главной последовательности, он, вероятно, представлял собой светило с массой в 5 солнечных и относился к спектральному классу В.
Сириус А, по подсчетам ученых, перейдет на следующую стадию эволюции примерно через 660 млн лет. Тогда он превратится в красного гиганта, а еще чуть позже — в белого карлика, как и его компаньон.
Альфа Орла
Как и Сириус, многие белые звезды, названия которых приведены ниже, из-за яркости и нередкого упоминания на страницах научно-фантастической литературы хорошо знакомы не только людям, увлекающимся астрономией. Альтаир — одно из таких светил. Альфа Орла встречается, например, у и Стивина Кинга. На ночном небе эта звезда хороша заметна из-за яркости и относительно близкого расположения. Расстояние, разделяющее Солнце и Альтаир, составляет 16,8 световых лет. Из звезд спектрального класса А ближе к нам только Сириус.
Альтаир по массе превышает Солнце в 1,8 раз. Его характерной особенностью является очень быстрое вращение. Один оборот вокруг оси звезда совершает меньше чем за девять часов. Скорость вращения в районе экватора — 286 км/с. Как результат «шустрый» Альтаир сплюснут с полюсов. Кроме того, из-за эллиптичной формы от полюсов к экватору снижается температура и яркость звезды. Этот эффект назван «гравитационным потемнением».
Еще одна особенность Альтаира в том, что его блеск со временем меняется. Он относится к переменным типа дельты Щита.
Альфа Лиры
Вега — самая изученная звезда после Солнца. Альфа Лиры — первая звезда, у которой определили спектр. Она же стала вторым после Солнца светилом, запечатленным на фотографии. Вега вошла и в число первых звезд, до которых ученые измерили расстояние методом парлакса. Длительный период яркость светила принималась за 0 при определении звездных величин других объектов.
Хорошо знакома альфа Лиры и астроному-любителю, и простому наблюдателю. Она является пятой по яркости среди звезд, входит в астеризм Летний треугольник вместе с Альтаиром и Денеб.
Расстояние от Солнца до Веги - 25,3 световых года. Ее экваториальный радиус и масса больше аналогичных параметров нашего светила в 2,78 и 2,3 раз соответственно. Форма звезды далека от идеального шара. Диаметр в районе экватора заметно больше, чем у полюсов. Причина — огромная скорость вращения. На экваторе она достигает 274 км/с (для Солнца этот параметр равен чуть больше двух километров в секунду).
Одна из особенностей Веги — окружающий ее пылевой диск. Предположительно, что он возник в результате большого числа столкновений комет и метеоритов. Пылевой диск вращается вокруг звезды и разогревается под действием ее излучения. В результате возрастает интенсивность инфракрасного излучения Веги. Не так давно в диске были обнаружены несимметричности. Вероятное их объяснение — наличие у звезды по крайней мере одной планеты.
Альфа Близнецов
Второй по яркости объект в созвездии Близнецов — это Кастор. Он так же, как и предыдущие светила, относится к спектральному классу А. Кастор — одна из самых ярких звезд ночного неба. В соответствующем списке он располагается на 23 месте.
Кастор представляет собой кратную систему, состоящую из шести компонентов. Два основные элемента (Кастор А и Кастор В) вращаются вокруг общего центра масс с периодом 350 лет. Каждая из двух звезд является спектральной-двойной. Компоненты Кастора А и Кастора В менее яркие и относятся предположительно к спектральному классу М.
Кастор С не сразу был связан с системой. Изначально он обозначался как самостоятельная звезда YY Близнецов. В процессе исследований этой области неба стало известно, что это светило физически связано с системой Кастора. Звезда вращается вокруг общего для всех компонентов центра масс с периодом в несколько десятков тысяч лет и также является спектральной-двойной.
Бета Возничего
Небесный рисунок Возничего включает примерно 150 «точек», многие из них — это белые звезды. Названия светил мало что скажут человеку, далекому от астрономии, но это не умаляет их значения для науки. Самым ярким объектом небесного рисунка, относящимся к спектральному классу А, является Менкалинан или бета Возничего. Имя звезды в переводе с арабского означает «плечо обладателя поводьев».
Менкалинан — тройная система. Два ее компонента — субгиганты спектрального класса А. Яркость каждого из них превышает аналогичный параметр Солнца в 48 раз. Они разделены расстоянием в 0,08 астрономические единицы. Третий компонент — это красный карлик, удаленный от пары на 330 а. е.
Эпсилон Большой Медведицы
Самая яркая «точка» в, пожалуй, наиболее известном созвездии северного неба (Большая Медведица) — это Алиот, также относящийся к классу А. Видимая величина — 1,76. В списке самых ярких светил звезда занимает 33 место. Алиот входит в астеризм Большой ковш и располагается ближе других светил к чаше.
Спектр Алиота характеризуется необычными линиями, колеблющимися с периодом в 5,1 дня. Предполагается, что особенности связаны с воздействием магнитного поля звезды. Колебания спектра, по последним данным, могут возникать из-за близкого расположения космического тела с массой в почти 15 масс Юпитера. Так ли это, пока загадка. Ее, как и другие тайны звезд, астрономы пытаются понять каждый день.
Белые карлики
Рассказ о белых звездах будет неполным, если не упомянуть о той стадии эволюции светил, которая обозначается как «белый карлик». Название свое такие объекты получили из-за того, что первые обнаруженные из них принадлежали спектральному классу А. Это был Сириус В и 40 Эридана В. На сегодняшний день белыми карликами называют один из вариантов финальной стадии жизни звезды.
Остановимся более подробно на жизненном цикле светил.
Звездная эволюция
За одну ночь звезды не рождаются: любая из них проходит несколько стадий. Сначала облако газа и пыли начинает сжиматься под действием собственных Медленно оно приобретает форму шара, при этом энергия гравитации превращается в тепло — растет температура объекта. В тот момент, когда она достигает величины в 20 миллионов Кельвинов, начинается реакция ядерного синтеза. Эта стадия и считается началом жизни полноценной звезды.
Большую часть времени светила проводят на главной последовательности. В их недрах постоянно идут реакции водородного цикла. Температура звезд при этом может различаться. Когда в ядре заканчивается весь водород, начинается новая стадия эволюции. Теперь топливом становится гелий. При этом звезда начинает расширяться. Ее светимость увеличивается, а температура поверхности, наоборот, падает. Звезда сходит с главной последовательности и становится красным гигантом.
Масса гелиевого ядра постепенно увеличивается, и оно начинает сжиматься под собственным весом. Стадия красного гиганта заканчивается гораздо быстрее, чем предыдущая. Путь, по которому пойдет дальнейшая эволюция, зависит от изначальной массы объекта. Маломассивные звезды на стадии красного гиганта начинают раздуваться. В результате этого процесса объект сбрасывает оболочки. Образуется и оголенное ядро звезды. В таком ядре завершились все реакции синтеза. Оно называется гелиевым белым карликом. Более массивные красные гиганты (до определенного предела) эволюционируют в углеродных белых карликов. В их ядрах присутствуют более тяжелые элементы, чем гелий.
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.
С массами порядка массы Солнца (М?) и радиусами, примерно в 100 раз меньшими, чем радиус Солнца. Средняя плотность вещества белых карликов 10 8 -10 9 кг/м 3 . Белые карлики составляют несколько процентов всех звёзд Галактики. Многие белые карлики входят в двойные звёздные системы. Первой звездой, отнесённой к белым карликам, был Сириус В (спутник Сириуса), открытый американским астрономом А. Кларком в 1862 году. В 1910-е годы белые карлики выделены в особый класс звёзд; их название связано с цветом первых представителей этого класса.
Имея массу звезды и размер небольшой планеты, белый карлик обладает колоссальным притяжением вблизи своей поверхности, которое стремится сжать звезду. Но она сохраняет устойчивое равновесие, поскольку гравитационным силам противостоит давление вырожденного газа электронов: при высокой плотности вещества, характерной для белых карликов, концентрация практически свободных электронов в нём столь велика, что, согласно принципу Паули, они обладают большим импульсом. Давление вырожденного газа практически не зависит от его температуры, поэтому при остывании белый карлик не сжимается.
Чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. Теория указывает для белых карликов верхний предел массы около 1,4М? (так называемый Чандрасекара предел), превышение которого приводит к гравитационному коллапсу. Наличие такого предела обусловлено тем, что по мере роста плотности газа скорость электронов в нём приближается к скорости света и далее возрастать не может. В результате давление вырожденного газа уже не способно противостоять силе тяготения.
Белые карлики образуются в конце эволюции обычных звёзд с начальной массой менее 8М? после исчерпания ими запаса термоядерного горючего. В этот период звезда, пройдя через стадию красного гиганта и планетарной туманности, сбрасывает свои внешние слои и обнажает ядро, имеющее очень высокую температуру. Постепенно остывая, ядро звезды переходит в состояние белого карлика, продолжая ещё долго светить за счёт запасённой в недрах тепловой энергии. С возрастом светимость белого карлика падает. При возрасте около 1 миллиарда лет светимость белого карлика в тысячу раз ниже солнечной. Температуpa поверхности у изученных белых карликов лежит в диапазоне от 5·10 3 до 10 5 К.
У некоторых белых карликов обнаружена оптическая переменность с периодами от нескольких минут до получаса, объясняемая проявлением гравитационных нерадиальных колебаний звезды. Анализ этих колебаний методами астросейсмологии позволяет изучать внутреннее строение белых карликов. В спектрах около 3% белых карликов наблюдается сильная поляризация излучения или зеемановское расщепление спектральных линий, что указывает на существование у них магнитных полей индукцией 3·10 4 -10 9 Гс.
Если белый карлик входит в тесную двойную систему, то существенный вклад в его светимость может давать термоядерное горение водорода, перетекающего с соседней звезды. Это горение часто носит нестационарный характер, что проявляется в виде вспышек новых и новоподобных звёзд. В редких случаях накопление водорода на поверхности белого карлика приводит к термоядерному взрыву с полным разрушением звезды, наблюдаемому как вспышка сверхновой.
Лит.: Блинников С. И. Белые карлики. М., 1977; Шапиро С., Тьюколски С. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды: В 2 часть М., 1985.