Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 21 страниц)
Ближайшие соседи Солнца
Теперь мы уже знаем все, что нужно для работы с диаграммой Г-Р. Для начала рассмотрим звезды, которые расположены недалеко от Солнца. Мы имеем в виду звезды, от которых свет идет к нам не более 70 лет. Это действительно недалеко, поскольку от наиболее удаленных звезд нашей Галактики свет доходит до нас за 70 тысяч лет. От самых дальних галактик Вселенной свет и радиоволны идут к нам уже многие миллиарды лет: они были испущены этими галактиками еще когда Вселенная была очень молода. Таким образом, звезды, о которых пойдет речь, расположены совсем рядом с нами. Но в то же время расстояние до них существенно больше, чем от Земли до Солнца. Солнечные лучи достигают земной поверхности всего за 8 минут. Самая близкая к нам звезда (она видна на небе в Южном полушарии) называется Проксима Центавра. Свет от этой звезды доходит к нам за 4,5 года.
Близкие звезды особенно важны для нас, поскольку мы можем относительно точно определить расстояния до них (см. приложение Б). Поэтому по их яркости легко вычислить истинную светимость. Мы имеем в виду светимость в видимой области спектра, измеренную с помощью фотометра с цветным фильтром, который имитирует цветовую чувствительность глаза. Температура поверхности измеряется с помощью дополнительного определения яркости с другим цветовым фильтром, как правило, голубого цвета. Зная яркость звезды в голубой области спектра и общую яркость в видимом диапазоне, который сдвинут в красную сторону, можно определить цвет звезды, а, следовательно, и температуру ее поверхности. Для каждой звезды, температура поверхности и светимость в видимой области спектра которой определены таким способом, можно поставить точку на диаграмме Г-Р. На рис. 2.2 приведены данные для звезд соседей Солнца. Хорошо видно, что диаграмма Г-Р заполнена точками неравномерно. Точки для большинства звезд лежат в пределах полосы, которая идет из левого верхнего края рисунка (от голубых звезд с большой светимостью) направо вниз к тусклым звездам красного цвета. Некоторые звезды расположены справа вверху в области красных гигантов. Слева внизу мы видим три белых карлика.
Рис. 2.2. Диаграмма Г-Р для звезд в окрестности Солнца. Большинство звезд имеют такие температуры поверхности и величины светимости, что их точки на диаграмме лежат в пределах узкой полосы, которая тянется из левого верхнего угла направо вниз. Эта полоса называется главной последовательностью. Некоторые звезды расположены справа вверху, они называются красными гигантами. Три звезды лежат слева внизу – это белые карлики.
90 % всех звезд лежат в пределах указанной полосы. Астрономы называют эту полосу главной последовательностью. Сравнение с рис. 2.1 показывает, что Солнце, Сириус и Спика лежат на главной последовательности. В то же время холодные звезды в системе Дзета Возничего, а также Бетельгейзе и спутник Сириуса расположены за пределами главной последовательности. Звезды, которым соответствуют точки на главной последовательности диаграммы Г-Р, астрофизики называют звездами главной последовательности. Они-то в основном и составляют ближайшее окружение Солнца, а гиганты и карлики являются среди них исключениями.
Звезды главной последовательности обладают одним важным свойством, которое связано с их массой. Мы знаем массу звезд лишь для некоторых из этих светил. Ее можно точно определить, только когда вокруг звезды движется спутник. Мы уже знаем, что траектории планет, движущихся вокруг нашего Солнца, позволяют вычислить его массу. Движение спутника Сириуса позволило нам узнать, что Сириус А содержит примерно в 2,3 раза больше вещества, чем Солнце, и что масса его спутника близка к солнечной. Этот метод дал возможность определить массу некоторых звезд (принцип, лежащий в его основе, коротко изложен в приложении В). Наиболее тяжелые звезды главной последовательности содержат примерно в 30–50 раз больше вещества, чем Солнце. Масса самых маленьких звезд составляет несколько десятых солнечной массы.
Для звезд главной последовательности, масса которых была определена по движению их спутников, выполняется важная закономерность: в каждой точке главной последовательности расположены звезды с определенной массой (рис. 2.3). Звезды с малой массой расположены внизу, а наиболее тяжелые звезды-вверху. Если идти вдоль главной последовательности снизу вверх, то масса звезд постепенно возрастает. Поскольку при этом увеличивается и светимость звезд на диаграмме Г-Р, то можно сказать: чем выше светимость звезды главной последовательности, тем больше ее масса. Если сравнить две звезды главной последовательности, то у звезды с большей светимостью и масса будет больше. Пойдем и дальше: массу звезды можно непосредственно определить по ее светимости, если известно, что звезда принадлежит к главной последовательности. На рис. 2.4 показано, как возрастает светимость с увеличением массы звезд главной последовательности. Астрономы называют эту закономерность диаграммой масса-светимость. В частности, эта закономерность выполняется для звезд, которые нам уже знакомы: речь идет о Солнце, Сириусе А и Спике, которые принадлежат к главной последовательности. Для белого карлика Сириус В этот закон не выполняется – звезда не лежит на главной последовательности.
Рис. 2.3. Диаграмма Г-Р с главной последовательностью (она схематически показана красной линией). В каждой точке главной последовательности расположены только звезды с определенной массой. (Астрономы часто пользуются массой Солнца в качестве единицы измерения. Для нее принято пользоваться символом М.)
Рис. 2.4. Если построить диаграмму, по вертикальной оси которой отложена светимость, а по горизонтальной масса звезды, то звезды главной последовательности будут лежать в пределах узкой полосы: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Такая кривая называется соотношением между массой и светимостью. Но это соотношение выполняется только для звезд главной последовательности. Показанный на диаграмме спутник Сириуса (Сириус В) имеет меньшую светимость, чем звезда главной последовательности с равной массой. Спутник Сириуса не попадает на показанную зависимость.
Таким образом, мы установили определенный порядок среди звезд, расположенных неподалеку от Солнца, и нашли две закономерности: на диаграмме Г-Р существует главная последовательность, а для звезд этой главной последовательности имеется определенная связь между массой и светимостью.
Что же теперь можно сказать о развитии звезд? Вернемся к нашей аналогии с мотыльком-однодневкой. Мы видим звезды с различными свойствами. Так же и мотылек-однодневка видит, что люди отличаются друг от друга. Для главной последовательности мы установили определенный закон, описывающий свойства звезд, но пока не знаем, что это означает. Мотылек-однодневка тоже может разделить людей на определенные классы по некоторым признакам, например по величине их ушей, но при этом он ничего не сможет сказать о том, как люди изменяются с годами.
Но мы можем помочь нашему мотыльку одной подсказкой. Мы скажем ему, что школьные классы состоят из людей одинакового возраста. Это и позволит мотыльку прийти к выводу, что пол и цвет волос никак не связаны с возрастом и что люди разного пола и с разным цветом волос просто различаются по некоторым индивидуальным признакам. В то же время он заметит, что размеры тела тесно связаны с возрастом. К счастью, астрономы тоже сумели найти на звездном небе «школьные классы», которые состоят из звезд одинакового возраста.
Звездные скопления – «школьные классы» небесных светил
Иногда звезды образуют на небе группы, которые называются звездными скоплениями. Некоторые из них были известны уже в древности. Так, например, греческие и римские поэты упоминают группу из семи звезд, Плеяды (рис. 2.5). Невооруженным глазом можно увидеть шесть из них. В действительности в этом скоплении есть по крайней мере 120 более слабых звезд и, вероятно, несколько сот еще более слабых. Все звезды Плеяд расположены в относительно небольшой области пространства. Свет пересекает это звездное скопление от одного края до другого всего за 30 лет. Понятно, что Плеяды это очень плотная звездная ассоциация. Они не расположены неподвижно в пространстве, а все вместе летят в одном направлении с одинаковой скоростью. Близкое расположение этих звезд и одинаковая скорость их движения позволяют нам предположить, что звезды Плеяд имеют общую историю возникновения и развития. Иными словами, они образовались одновременно.
Рис. 2.5. Скопление Плеяды (семь звезд). Наиболее яркие звезды возбуждают свечение окружающих газовых масс. На снимке светящиеся облака перекрывают свет ближайших звезд. (Четыре луча, исходящие на снимке от ярких звезд, и светлые круги вокруг звезд обусловлены несовершенством фотографирующей системы.) Кроме ярких звезд, видимых невооруженным глазом, к этому скоплению относятся более 100 звезд. Они движутся в пространстве с одинаковой скоростью и находятся предположительно на равном расстоянии друг от друга.
То же самое относится и к другому звездному скоплению, которое называют Гиадами. Это скопление также известно с глубокой древности. Еще увереннее мы можем говорить об общем происхождении звезд в так называемых шаровых звездных скоплениях, которые содержат от 50 тысяч до 50 миллионов звезд (рис. 2.6). В центральной области таких скоплений плотность расположения звезд примерно в 10 тысяч раз превышает плотность звезд в окрестности Солнца.
Рис. 2.6. Звездное скопление 47 в созвездии Тукана. Снимок получен с помощью зеркального телескопа (1 м.) системы Шмидта на Европейской южной обсерватории в Чили. В этом скоплении звезды расположены так близко друг к другу, что в центральной области сливаются на снимке. Глядя на этот снимок, можно подумать, что звезды в центре такого скопления перекрываются, но на самом деле они расположены достаточно далеко друг от друга.
Какое удивительное зрелище открывается на звездном небе жителям планетной системы, принадлежащей к такому скоплению!
Как распределяются светимости и температуры поверхности у звезд звездных скоплений? Может быть, диаграммы Г-Р таких скоплений похожи на диаграммы для ближайших соседей Солнца (см. рис. 2.2)? Наблюдаются ли среди них звезды главной последовательности? Если рассмотреть их диаграммы Г-Р, то мы увидим существенное отличие. Действительно, в некоторых звездных скоплениях почти все звезды принадлежат к главной последовательности, как, например, в Плеядах (диаграмма Г-Р этого скопления показана на рис. 2.7). Однако в большинстве скоплений только самые слабые звезды относятся к главной последовательности. В этих скоплениях не вся полоса последовательности заполнена звездами. Этот ряд обрывается в области больших светимостей. Наиболее яркие звезды главной последовательности отсутствуют. Вместо них в звездных скоплениях есть красные звезды с большой светимостью: красные гиганты и сверхгиганты, которые показаны, в частности, на диаграмме Г-Р для скопления Гиад (рис. 2.8). Еще интереснее диаграмма Г-Р шарового звездного скопления, приведенная на рис. 2.9. На этой диаграмме звезды заполняют только участок главной последовательности, в то время как точки, соответствующие более ярким звездам, сдвинуты далеко вправо. Звезды разных скоплений можно нанести на одну и ту же диаграмму Г-Р. Такая диаграмма показана на рис. 2.10. На этом рисунке главная последовательность обозначена жирной линией, а при переходе к звездам наибольшей светимости линия, показанная на диаграмме, отклоняется направо вверх. Мы видим, что у разных звездных скоплений линия уходит вправо от главной последовательности в разных точках. Поскольку мы знаем, что при движении вверх по главной последовательности увеличивается масса звезд, то можно сказать, что в каждом звездном скоплении звезды, масса которых меньше определенного значения, лежат на главной последовательности, в то время как в области больших масс главная последовательность не заполнена. Этот факт и позволяет понять, как происходит эволюция звезд.
Рис. 2.7. Диаграмма Г-Р для звездного скопления Плеяды. Показаны только наиболее яркие звезды. Они образуют главную последовательность. В верхней части этой последовательности видно, что при светимостях примерно в 1000 раз больше солнечной звёзды на диаграмме уже отклоняются от главной последовательности вправо.
Рис. 2.8. Диаграмма Г-Р для звездного скопления Гиады. Если главная последовательность в Плеядах (см. рис. 2.1) простирается примерно до светимости в 1000 раз больше солнечной, то в Гиадах главная последовательность обрывается ниже 100 солнечных светимостей. Более яркие звезды главной последовательности отсутствуют. В то же время на диаграмме Г-Р этого скопления наблюдается группа красных гигантов.
Рис. 2.9. Диаграмма Г-Р для звездного скопления МЗ в созвездии Гончих Псов. Это шаровое звездное скопление такого же типа, как скопление 41 Тукана (см. рис. 2.6). На главной последовательности еще находятся звезды, светимость которых всего в 5 раз больше солнечной. Основная часть более ярких звезд не лежит на главной последовательности. Позже мы еще вернемся в этой книге к звездам, которые примерно в 100 раз ярче Солнца. Эти звезды лежат в горизонтальной полосе, которая тянется по шкале температур от 5800 до 13000 градусов. Ее поэтому называют горизонтальной ветвью.
Рис. 2.10. Отклонение звезд различных скоплений от главной последовательности на диаграмме Г-Р (по данным Аллана Сандейджа). Штриховые линии показывают, где расположены звезды разных скоплений. Наиболее высоко на диаграмме простирается скопление в созвездии Персея. Затем оно отклоняется направо вверх. Наиболее короткую главную последовательность имеет шаровое звездное скопление МЗ. Она отклоняется направо уже в нижней части диаграммы. Стрелками слева показано, где лежат на главной последовательности звезды определенной массы. Числами возле стрелок отмечены массы в единицах массы Солнца М. Таким образом, звездное скопление в созвездии Персея содержат звезды главной последовательности до 10–15 масс Солнца, в то время как наиболее тяжелые звезды главной последовательности шарового скопления МЗ всего в 1,3 раза тяжелее Солнца.
По мере того как звезда развивается со временем и стареет, изменяются и ее свойства. В частности, изменяются температура ее поверхности и светимость. Точка, которая обозначает звезду на диаграмме Г-Р, перемещается. Так, например, если звезда вначале была красным гигантом, а через миллионы лет превратилась в белый карлик, то соответствующая точка на диаграмме Г-Р сдвинется из правого верхнего угла в левый нижний. Если бы мы жили достаточно долго и могли в течение миллионов и миллиардов лет измерять характеристики звезд и наносить их на диаграмму Г-Р, то мы увидели бы, как перемещаются соответствующие точки на ней. Мы узнали бы, что в некоторых областях звезды находятся долго, а другие области пересекают очень быстро. Мы бы построили пути развития звезд на диаграмме Г-Р (их еще называют эволюционными треками).
Но перед нами есть только «мгновенный снимок». Мы видим лишь, где расположены звезды на диаграмме в настоящее время.[4]4
Точнее говоря, мы видим, где были расположены эти звезды, когда они излучали тот свет, который мы видим сегодня. Если говорить о развитии звезд нашего Млечного Пути, то время, за которое свет достигает Земли, мало по сравнению с возрастом звезд, поэтому мы не будем обращать внимания на эту разницу.
[Закрыть] При этом оказывается, что ближайшие соседи Солнца находятся на главной последовательности. Что это значит? Быть может, точки на диаграмме Г-Р особенно медленно перемещаются в полосе, где расположена главная последовательность? Может быть, они долго находятся в этой области? Тогда при наблюдении за звездами разного возраста окажется, что особенно много таких звезд расположено в этой полосе.
Этот эффект мы знаем из нашего повседневного опыта. Почему в мире взрослых больше, чем детей? Потому что детство продолжается всего около 15 лет, в то время как взрослым человек остается около 50 лет. Если собрать вместе группу людей разного возраста, например жителей нашего города, то окажется, что большинство из них находится на «взрослой стадии развития». Возникает вопрос: может быть, на главной последовательности звезды находятся достаточно долго?
Вспомним, что и Солнце расположено на главной последовательности. Мы знаем, что за многие миллиарды лет Солнце относительно мало изменилось и все это время оно принадлежит к главной последовательности. Мы видели, что энергия, запасенная в водороде солнечных недр, позволяет очень долго поддерживать его излучение. Может быть, и все звезды главной последовательности светят за счет превращения водорода в гелий? Может быть, и они, имея такой источник энергии, очень долго остаются неизменными, и по этой причине так плотно заполнена звездами полоса главной последовательности на диаграмме Г-Р?
Предположим, что все звезды главной последовательности светят за счет одного и того же энергетического источника: превращения водорода в гелий. Раньше мы уже подсчитывали для Солнца и Спики, сколько могут светить эти звезды. Предположим, что водород составляет около 70 % массы звезды и что ядерное горючее в звездных недрах начинает исчерпываться, когда в гелий превратится уже 10 % водорода. Тогда мы получим, что продолжительность жизни Солнца составит примерно 7 миллиардов лет, в то время как Спика, масса которой больше солнечной в 10 раз, а светимость в 10 тысяч раз, будет светить с неизменной силой всего несколько миллионов лет. Такие же оценки можно провести для любой звезды главной последовательности. При этом мы узнаем, сколько времени ее светимость будет поддерживаться за счет реакций превращения водорода в гелий. Возьмем для примера какую-либо звезду на главной последовательности, показанной на рис. 2.3. По диаграмме Г-Р мы можем определить ее светимость, а по соотношению между светимостью и массой для звезд главной последовательности (рис. 2.4) вычислим ее массу, которая соответствует известной величине ее светимости. Если сравнить величину ядерной энергии, запасенной в данном количестве звездного вещества, с болометрической светимостью звезды (а это количество энергии, излучаемой в космическое пространство за одну секунду), то мы узнаем время, в течение которого может поддерживаться эта светимость. На рис. 2.11 возле главной последовательности обозначены времена жизни звезд, вычисленные таким способом. Данные, приведенные выше для Спики, тоже помещены на рисунке. Мы видим, что чем больше масса звезды на главной последовательности, тем быстрее отдает она свою энергию и тем короче время, в течение которого она светит за счет ядерного горения водорода.
Рис. 2.11. Главная последовательность на диаграмме Г-Р. Слева показано стрелками, в каких точках диаграммы расположены звезды определенной массы (в единицах массы Солнца М). Поскольку масса Солнца определяет запасы ядерного горючего; го, зная для каждой точки главной последовательности светимость звезд, можно определить время, в течение которого звезда, расположенная в определенном месте главной последовательности, сможет светить за счет превращения водорода в гелий. Эти отрезки времени отмечены стрелками справа. Звезды, которые более чем в 39 раз тяжелее Солнца, исчерпывают свой водород уже за 1 миллион лет. Звезды в 2 раза легче Солнца могут светить целых 100 миллиардов лет. Сравнение с рис. 2.10 позволяет определить возраст звездных скоплений.
Когда всю жизнь занимаешься звездами, начинаешь замечать, как велико сходство между ними и людьми. Вот и здесь мы видим, что чем больше масса, тем короче продолжительность жизни!
Возраст звездных скоплений
Если рассмотреть группу звезд в главной последовательности, которые существуют за счет сжигания водорода, причем звезды эти будут разной массы, но одинакового возраста, то прежде всего мы заметим исчерпание ядерного горючего у наиболее тяжелых звезд из верхней части главной последовательности. С течением времени запасы энергии будут заканчиваться у все более легких звезд. Спустя 7 миллиардов лет запасы водорода исчерпаются и у звезд с массой, равной массе Солнца.
Можно ли заметить этот эффект, наблюдая звездные скопления? Посмотрим еще раз на диаграмму Г-Р скопления Гиад (рис. 2.8). Основная последовательность этого звездного скопления заполнена вплоть до светимости в 20 раз больше визуальной светимости Солнца. Это соответствует массам, которые в 2,5 раза больше солнечной. Продолжительность горения водорода в таких звездах составляет около 800 миллионов лет (см. рис. 2.11). Если группа звезд одинакового возраста существует 800 миллионов лет с начала ядерной реакции превращения водорода в гелий, то у звезд с массой в 2,5 раза больше массы Солнца запасы водорода уже подойдут к концу, в то время как звезды меньшей массы все еще будут жить за счет сжигания водорода. Быть может, именно по этой причине верхняя часть главной последовательности в скоплении Гиад не занята?
В других звездных скоплениях главная последовательность обрывается при иных значениях светимости, а значит, и массы. Так, например, в скоплении Плеяд существуют звезды главной последовательности со светимостью в 140 раз больше солнечной. Это соответствует звездам примерно в 6 солнечных масс, продолжительность жизни которых при сжигании водорода составляет только 100 миллионов лет. Звезды с наиболее высокой яркостью лежат на диаграмме Г – Р Плеяд не совсем точно на главной последовательности. Они немного смещены вправо. Это говорит о первых признаках исчерпания водорода. Таким способом мы можем установить, какие из звездных скоплений старше, а какие моложе. Для этого надо посмотреть на их диаграммы Г-Р и определить, до какой массы заполнена главная последовательность. На рис. 2.10 схематически показано для нескольких звездных скоплений, где прерывается у каждой из них главная последовательность: звездное скопление в созвездии Персея оказалось самым молодым. В этом скоплении главная последовательность заполнена вплоть до светимостей в 1000 раз больше солнечной. Поэтому возраст этого скопления составляет всего 10 миллионов лет. Затем идут Плеяды, еще старше Гиады, и, наконец, самое старое из этих скоплений шаровое скопление МЗ в созвездии Гончих Псов. В этом скоплении главная последовательность заполнена всего лишь до звезд, светимость которых близка к 3 светимостям Солнца. Наиболее яркая звезда главной последовательности всего в 1,3 раза тяжелее Солнца. Если такие небольшие звезды уже готовятся покинуть главную последовательность, то это значит, что возраст скопления МЗ составляет примерно 6-10 миллиардов лет.
Как узнать, на самом ли деле уход звезд в скоплениях с главной последовательности на диаграмме Г-Р означает, что в них исчерпались запасы водорода? Если это так, то мы уже в значительной мере знаем, как развиваются звезды. А именно, звезда остается на главной последовательности до тех пор, пока не исчерпаются запасы водорода в ее недрах. Затем она перемещается направо, в область красных гигантов. Поэтому звезды, покинувшие главную последовательность, находятся справа от нее. Если все это верно, то возникает новый вопрос: каков возраст самых старых звездных скоплений и насколько молоды самые молодые? Что происходит со звездами, когда в их недрах еще не началось ядерное горение водорода? Какие процессы протекают, когда запасы водорода заканчиваются? Хотя мы уже знаем, что уйдя с главной последовательности, звезды становятся красными гигантами, однако они не могут оставаться в этой области очень долго, поскольку их ядерная энергия уже в значительной мере израсходована.
При этом все время следует помнить: пока мы всего лишь предположили, что свойства звезд в звездных скоплениях объясняются исчерпанием запасов ядерной энергии. Хотя эта гипотеза хорошо согласуется с результатами наблюдений, однако мы все еще не можем уверенно сказать, достаточно ли велики температуры и плотности вещества в недрах звезд, чтобы там могли протекать ядерные реакции. Температура на поверхности звезд далеко не достаточна для этого. Откуда мы можем узнать, какие температуры достигаются в звездных недрах? Свет, который поступает к нам от звезд, несет информацию о тонком поверхностном слое. Так, например, у Солнца свет исходит из «атмосферы», масса которой составляет всего одну сотую миллиардной доли общей массы Солнца. Глубже этого слоя мы ничего не видим. И тем не менее мы можем сказать о недрах Солнца больше, чем о недрах нашей Земли. Чем объясняется такой парадокс, мы узнаем в следующей главе.
