Текст книги "Астрономия для "чайников""
Автор книги: Стивен П. Маран
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 27 страниц)
Увы, не все звезды, как говорил Шекспир, так же «постоянны, как Полярная». Но на самом деле Полярная звезда вовсе не постоянна. Это переменная звезда, т. е. такая, блеск которой время от времени меняется. В течение многих лет астрономы думали, что они знают причину изменений блеска Полярной звезды. Казалось, она становилась немного ярче, а затем немного тусклее, и все это повторялось снова и снова. Но затем ожидаемые изменения, хм! тоже изменились. Это изменение закономерности может означать произошедшее со временем физическое изменение, и в настоящее время ученые пытаются понять, что это означает.
Переменные звезды делятся на два основных типа.
Физические переменные звезды(intrinsic variable stars) – те, изменение блеска которых вызвано физическими процессами, происходящими в самих звездах.;
Они подразделяются на три основные категории:
• пульсирующие звезды;
• вспыхивающие звезды;
• эруптивные (взрывные) звезды.
Существуют также переменные звезды (extrinsic variable stars), изменение, блеска которых вызвано какими-то внешними причинами. Они подразделяются на две основные категории:
• затменные звезды;
• звезды с эффектом микролинзирования.
Пульсирующие звезды расширяются и сжимаются, становясь больше и меньше, горячее и холоднее, ярче и тусклее. Физические свойства этих звезд таковы, что они просто переходят из одного состояния в другое и обратно, как будто совершают некие колебания или пульсируют, совсем как бьющиеся в небе сердца.
Переменные звезды-цефеиды
Самые важные для науки пульсирующие звезды – это цефеиды, названные в честь первой изученной звезды такого типа, Дельты Цефея (δ Цефея).
Американский астроном Генриетта Ливитт обнаружила, что у цефеид существует зависимость между периодом изменения блеска и светимостью (period-luminosity relation). Этот термин означает, что, чем дольше период изменения блеска (интервал между последовательными пиками блеска), тем выше средний истинный блеск звезды. Поэтому, если измерять видимую звездную величину переменной звезды-цефеиды по мере ее изменения с течением дней и недель и затем определить период изменения блеска, то можно легко вычислить истинный блеск звезды.
Зачем это нужно? А затем, что, зная истинный блеск звезды, можно определить расстояние до нее. Ведь чем дальше звезда, тем более тусклой она выглядит, но это все та же звезда с тем же истинным блеском.
Удаленные тусклые звезды подчиняются закону обратных квадратов (inverse square law). Это значит, что если звезда в 2 раза дальше, то она выглядит в 4 раза более тусклой. А если звезда в 3 раза дальше, то она выглядит в 9 раз тусклее. Если же звезда в 10 раз дальше, то она выглядит в 100 раз более тусклой.
Недавно в СМИ появились сообщениях о том, что с помощью космического телескопа «Хаббл» удалось определить масштабы и возраст Вселенной. На самом деле это результат исследования с помощью телескопа «Хаббл» переменных звезд-цефеид. Эти цефеиды находятся в далеких галактиках. Но, наблюдая за изменением их блеска и используя зависимость между периодом изменения блеска и светимостью, астрономы определили расстояние до этих галактик.
Звезды типа RR Лиры
Звезды типа RR Лиры подобны цефеидам, но они не такие большие и яркие. Некоторые из них расположены в шаровом звездном скоплении в нашей галактике Млечный Путь, и у них тоже существует зависимость между периодом изменения блеска и светимостью.
Шаровые скопления – это огромные сферические образования, заполненные старыми звездами, рожденными еще в период формирования Млечного Пути. Это участки космоса шириной всего лишь 60-100 световых лет, в которых "упаковано" от нескольких сотен тысяч до миллиона звезд. Наблюдая за изменением блеска звезд типа RR Лиры, астрономы могут оценить расстояние до таких звезд. А если эти звезды находятся в шаровых скоплениях, то можно определить расстояние до этих шаровых скоплений.
Почему так важно знать расстояние до звездного скопления? А вот почему. Все звезды, расположенные в одном скоплении, образовались одновременно из общего облака. И все они расположены примерно на одинаковом расстоянии от Земли, поскольку находятся в одном и том же скоплении. Поэтому, когда ученые строят H-R-диаграмму для звезд из скопления, в ней не будет ошибок, вызванных разницей расстояний до различных звезд. А если мы знаем расстояние до звездного скопления, то все нанесенные на диаграмму значения звездных величин можно преобразовать в светимость, т. е. в интенсивность излучения звездой энергии в секунду. И эти значения можно непосредственно сравнить с теоретическими данными. Именно этим и занимаются астрофизики.
Долгопериодические переменные звезды
В то время как астрофизики обрабатывают информацию, полученную от цефеид и переменных звезд типа RR Лиры, астрономы-любители наслаждаются наблюдением долгопериодических переменных звезд, так называемых переменных звезд типа Мира Кита. Мира – это другое название звезды Омикрон Кита (ο Кита), первой известной звезды данного типа.
Переменные звезды типа Миры Кита пульсируют, как цефеиды, но у них намного большие периоды изменения блеска, в среднем 10 месяцев и больше, и, кроме того, у них больше амплитуда изменения блеска. Когда блеск Миры Кита достигает максимального значения, ее можно увидеть невооруженным глазом, а когда блеск минимален, необходим телескоп. Изменение блеска долгопериодических звезд также происходит гораздо нерегулярнее, чем у цефеид. Максимальная звездная величина, которой достигает некоторая звезда, может очень сильно меняться от одного периода к другому. Наблюдения таких звезд, проводить которые совсем нетрудно, позволяют ученым получить важную научную информацию. И вы тоже можете внести свой вклад в исследование переменных звезд (более подробно я расскажу об этом в последнем разделе данной главы).
Вспыхивающие звезды – это маленькие красные карлики, на которых происходят сильные взрывы, подобные вспышкам на Солнце, но только более мощные. Большинство вспышек на Солнце нельзя увидеть без помощи специальных цветных фильтров, поскольку свет от вспышки – это всего лишь крохотная доля общего света Солнца. Только очень редкие крупные вспышки «белого света» можно увидеть на Солнце без специального фильтра. (Но по-прежнему необходимо использовать метод проекции или фильтр для безопасного наблюдения, о чем подробно говорилось в главе 10.) Но взрывы на вспыхивающих звездах настолько яркие, что при этом заметно изменяется звездная величина звезды в целом. Не для всех красных карликов характерны эти частые взрывы, но, например, Проксима Центавра, ближайшая к нашему Солнцу звезда, – вспыхивающая.
Взрывы новых и сверхновых звезд настолько сильны, что я не хочу смешивать их со вспыхивающими звездами.
Новые звезды
Новые звезды взрываются после постепенного накопления вещества на белом карлике, входящем в состав двойной звездной системы, как на сверхновых типа Iа, о которых уже говорилось в этой главе. Но только в данном случае белый карлик не разрушается. Во время взрыва он просто сбрасывает накопившуюся верхнюю оболочку, затем возвращается в первоначальное "спокойное" состояние и снова начинает получать вещество от своего "партнера" по двойной системе, накапливая его на поверхности. Мощная гравитация белого карлика сжимает и нагревает этот поверхностный слой и по прошествии столетий или тысячелетий снова сбрасывает его! По крайней мере теория именно такова. Увы, еще никому не удавалось прожить так долго, чтобы дважды увидеть взрыв обычной, или классической, новой звезды. Но существуют аналогичные двойные системы, взрывы в которых не такие мощные, как у классических новых звезд, но зато они повторяются достаточно часто, так что астрономы-любители могут наблюдать за ними, объявить об открытии нового взрыва и вдохновить профессиональных астрономов на изучение данного явления. Эти объекты известны под разными названиями, такими как карликовая новая звезда(dwarf nova) и системы типа AM Геркулеса [36] 36
Названы по имени звезды, рассматриваемой как прототип этого класса.
[Закрыть](AM Herculis systems).
Классические новые звезды, карликовые новые звезды и подобные им объекты имеют собирательное название катастрофические переменные звезды(cataclysmic variables).
Существуют достаточно яркие новые звезды, которые можно увидеть невооруженным глазом примерно раз в 10 лет (± пару лет). Я изучал одну такую из созвездия Геркулеса во время работы над докторской диссертацией в 1963 году. Если бы она не взорвалась как раз в нужный момент, то, возможно, мне пришлось бы искать другую тему диссертации. А совсем недавно, в 1999 году, астрономы обнаружили яркую новую звезду в созвездии Парусов.
Сверхновые звезды
Сверхновые звезды, взрываясь, выбрасывают в космическое пространство большую часть своей массы. Из этого вещества формируется туманность, называемая остатками сверхновой(supernova remnants), и эти остатки на огромной скорости разлетаются во всех направлениях (рис. 11.5). Туманность сначала состоит из вещества взорвавшейся звезды, но никак не из вещества того, что после нее осталось, т. е. центрального объекта, будь то нейтронная звезда или черная дыра. Но по мере перемещения в космическом пространстве эта туманность подбирает по пути межзвездный газ, точно так же как лопасть снегоочистителя собирает снег. Так что через несколько тысяч лет остатки сверхновой состоят из собранного по пути газа в большей степени, чем из осколков взорвавшейся звезды.
Рис. 11.5. Часть Петли Лебедя, остатка сверхновой
Фотография любезно предоставлена NASA
Сверхновые звезды невероятно яркие, но это довольно редкое явление. По оценкам астрономов, в галактике Млечный Путь сверхновая появляется каждые 25-100 лет, но мы не были свидетелями вспышки сверхновой в своей родной галактике со времени Звезды Кеплера в 1604 году, еще до изобретения телескопа. Вероятно, были и другие случаи, но вспышки скрывали пылевые облака галактики. Огромная южная звезда η Киля выглядит так, как будто она вот-вот станет сверхновой галактики Млечный Путь. Но имейте в виду, что «вот-вот» на языке астрономов означает, она может взорваться в любой момент – в пределах следующего миллиона лет.
Затменно-двойные звезды – это двойные системы, блеск которых не меняется (если только одна из двух звезд не окажется пульсирующей, вспыхивающей или переменной звездой другого типа), но которые наблюдателю на Земле кажутся переменными звездами. Причина в том, что орбитальная плоскость этой системы – т. е. плоскость, в которой лежат орбиты обеих звезд двойной системы, – ориентирована таким образом, что в ней лежит также линия прямой видимости двойной системы с Земли.
Если орбитальные периоды обеих звезд двойной системы равны 4 дням, то каждые 4 дня более массивная звезда этой системы, обычно называемая "А", проходит прямо перед другой звездой, с точки зрения наблюдателя с Земли. Это преграждает путь к нам всему свету или большей его части, идущему от звезды "В" (в зависимости от того, звезда "В" больше или меньше звезды "А"; иногда менее массивная звезда больше своего более тяжелого партнера), поэтому двойная звезда выглядит более тусклой. Такое явление называется звездным затмением. А спустя 2 дня после этого затмения звезда "В" пройдет перед звездой "А", и снова произойдет затмение.
В разделе «Двойные и кратные звезды» я упоминал о том, как с помощью орбитальных скоростей оценить массы звезд. Оказывается, таким способом можно также узнать диаметры звезд. Анализируя спектр, ученые определяют, насколько быстро звезды движутся по орбите, с помощью эффекта Допплера. Можно измерить также продолжительность затмений в затменно-двойных системах. Затмение звезды "В" начинается, когда ведущий край звезды "А" начнет проходить перед ней. А закончится оно, когда ведомый край звезды "А" закончит прохождение перед звездой "В". Поэтому, умножив орбитальную скорость на продолжительность затмения, получим размеры звезды "А". Замечу, что во всех этих методах детали несколько сложны, но основные принципы можно понять без труда.
Самая знаменитая затменно-двойная звезда – это Бета Персея (β Персея), известная также как Алголь, или Звезда Демона (Глаз Дьявола).
Если вы живете в Северном полушарии, то, наблюдая затмения Алголя, получите массу удовольствия. Это яркая звезда, расположенная в небе так, что ее очень удобно наблюдать осенью в небе Северного полушария. Ее затмения можно увидеть без телескопа и даже без бинокля. Каждые 2 дня и 21 час блеск Алголя примерно на 2 часа снижается на значение чуть больше одной звездной величины – больше, чем в 2,5 раза. Но нужно знать, когда наблюдать это затмение. Нельзя же торчать на улице почти три дня. Поэтому постарайтесь найти информацию об этом в астрономических журналах или на Web-сайтах.
Минимум(minima) – это время, когда переменные звезды достигают наименьшего блеска в текущем цикле, а максимум(maxima) – время, когда блеск достигает наибольшего значения.
Иногда звезда, которая находится далеко от Земли, проходит точно перед другой звездой, которая находится еще дальше. Эти две звезды совершенно не связаны, и могут быть на расстоянии тысяч световых лет одна от другой. Но гравитация звезды, проходящей впереди, искривляет лучи света, идущие от звезды сзади, так что эта далекая звезда в течение нескольких дней или недель кажется нам, на Земле, гораздо более яркой. Этот эффект следует из общей теории относительности Эйнштейна и действительно подтверждается практикой, так как регулярно наблюдается. Он называется гравитационным линзированием(gravitational lensing). Когда «линза» или тело, гравитация которого искривляет световые лучи, – это просто звезда, данный эффект называют микролинзированием(microlensing). А когда лучи искривляет гравитация целой галактики или еще более масштабного объекта, то слово линзирование(lensing) употребляют без приставки «микро».
Вы, наверное, думаете: очень маловероятно, чтобы две никак не связанные между собой звезды идеально выравнивались на одной линии с Землей, и вы правы! Поздравляю вас, прекрасная мысль. Чтобы регулярно обнаруживать такое редкое явление, астрономы используют цифровые фотоаппараты для телескопов, которые могут снимать от сотен тысяч до миллионов звезд одновременно. Когда под наблюдением находится так много звезд, какая-нибудь звезда на переднем плане время от времени проходит перед одной из них, хотя мы даже не знаем, перед какой.
Все дело в том, чтобы направить телескоп в район неба, где в поле зрения одновременно находится огромное количество звезд. К таким районам относятся Большое Магелланово Облако (ближайшая галактика к Млечному Пути) и центральная выпуклость самого Млечного Пути, где находится целое море звезд.
Наши звездные coceдиЯ уже упоминал о Проксиме Центавра, ближайшей к нашему Солнцу звезде. Это третья, или самая внешняя, звезда тройной звездной системы Альфа Центавра.
Альфа Центавра – яркая звезда южного созвездия Центавра (рис. 11.6). Это звезда типа G, карлик главной последовательности; ее цвет почти такой же, как у Солнца, но она немного ярче.
Оранжевый партнер Альфы Центавра – карлик под названием Альфа Центавра В, который чуть меньше и холоднее.
Маленький красный карлик и одновременно вспыхивающая звезда – это Альфа Центавра С, которая называется Проксима.
Рис. 11.6. Альфа Центавра светит в далеком южном небе
Система Альфа Центавра находится на расстоянии примерно 4,4 световых года от Земли, а ближайшая к нам Проксима – на расстоянии примерно 4,2 световых года.
Сириус – самая яркая звезда в ночном небе. Его официальное название – Альфа Большого Пса (рис. 11.7), т. е. он находится в созвездии Большого Пса. Сириус, который расположен чуть южнее небесного экватора, легко увидеть из большинства населенных пунктов Земли, хотя он находится на расстоянии 8,5 световых года. Это белая звезда типа А главной последовательности. Сириус настолько ярок, что люди часто спрашивают друг друга: "Что это за большая звезда?"
Рис. 11.7. Сириус – хозяин положения в созвездии Большого Пса
Как у большинства звезд, если не считать Солнца, у Сириуса есть партнер, белый карлик Сириус В. Сириус называют еще Собачьей звездой, и когда был обнаружен его маленький партнер Сириус В, то его совершенно естественно назвали «Щенком».
Существует легенда и некоторые письменные источники (их можно трактовать по-разному), в которых говорится о том, что несколько тысяч лет назад Сириус выглядел красной звездой. Но несмотря на приложенные усилия, астрофизикам не удалось объяснить этот цвет с точки зрения известных физических процессов, поэтому обычно мы говорим, что этого не было.
Вега – это Альфа Лиры, т. е. самая яркая звезда в созвездии Лиры. В умеренных северных широтах летними ночами она видна высоко в небе. Это звезда, которую каждый уважающий себя астроном-любитель знает как свои пять пальцев. Находящаяся на расстоянии примерно 26 световых лет от Земли, эта сверкающая белая звезда считается одной из самых ярких звезд на небе.
Бетельгейзе находится не совсем в окрестностях Солнца, поскольку до нее почти 500 световых лет. Но, тем не менее, всем знакомо ее название, и наблюдающие ее наслаждаются ее насыщенным красным цветом. Это красный сверхгигант, который примерно в 50 тысяч раз ярче Солнца. Хотя Бетельгейзе – это, формально, Альфа Ориона, самой яркой звездой созвездия Ориона считается Ригель (Бета Ориона).
Как помогать ученым наблюдать звездыПод пристальным наблюдением астрономов находятся тысячи звезд – те, блеск которых меняется, или те, которые демонстрируют какие-то другие особые свойства. Профессиональные астрономы не в состоянии следить за всеми ними, вот тут-то вы им и пригодитесь. Вы можете следить за некоторыми звездами невооруженным глазом, с помощью бинокля или телескопа.
Для этого вы должны уметь распознавать звезды и оценивать их блеск. Блеск многих звезд меняется так сильно – в два, десять или в сотни раз, – что даже оценки невооруженным глазом оказываются достаточно точными, чтобы таким способом следить за этими звездами. Самое главное – использовать сравнительную диаграмму(comparison chart), т. е. карту звездного неба, на которой отмечено положение переменной звезды, а также положения и звездные величины звезд сравнения(comparison stars). В качестве последних необходимо выбирать звезды, блеск которых известен и не меняется.
На Web-сайте Американской Ассоциации наблюдателей переменных звезд (American Association of Variable Star Observers – AAVSO) предлагается множество информации и советов о том, как наблюдать переменные звезды. Этот сайт находится по адресу www.aavso.org. Здесь предлагают помощь новичкам, а также сравнительные диаграммы для различных переменных звезд. Эти диаграммы можно загрузить с Web-сайта AAVSO бесплатно.
AAVSO руководит также поиском новых и сверхновых звезд. Когда вы приобретете некоторые знания и опыт наблюдения небесных объектов, то тоже сможете присоединиться к этим программам.
Поиск новых (Nova Search).Для участия в этой программе требуется только терпение, внимательность и бинокль. Когда вы присоединитесь к программе, вам выделят небольшой участок неба. И затем ясными ночами, так часто, как сможете, вы будете проверять вверенный вам участок. Медленно просматривайте его в бинокль, сверяясь с рисунком звезд на вашей звездной диаграмме. Если вы обнаружите «новую», которой нет на вашей диаграмме, сообщите о своем открытии как можно быстрее, желательно по электронной почте. Возможно, вы действительно открыли новую, т. е. взрыв в двойной звездной системе определенного типа. Но все-таки стоит подождать несколько часов, чтобы проверить, не движется ли эта «новая». Если она слегка перемещается относительно других звезд в поле зрения, то это вовсе не звезда. Возможно, это астероид или неяркая комета. Могут быть и ошибки другого рода. В начале 1950-х годов мы с моим другом Чарли отправили телеграмму в AAVSO, сообщая об открытии новой, поскольку она не перемещалась и ее не было на диаграмме. Но увы, фортуна отвернулась от нас: это оказалась звезда, которую случайно не отметили на диаграмме.
Поиск сверхновых (Supernova Search).Эта программа – для опытных астрономов-любителей. Возможно, через несколько лет практики вы будете готовы принять в ней участие. Для таких наблюдений необходим хороший телескоп. И желательно иметь цифровой фотоаппарат, чтобы фотографировать через телескоп. Вместо того чтобы следить за взрывами новых на участке неба в нашей собственной галактике Млечный Путь, вы будете по одной исследовать далекие галактики в поисках яркого пятна, которое может внезапно появиться там, где в прошлый раз ничего такого не было. Яркое пятно – это и есть сверхновая. Сверхновую легко увидеть, хотя она находится в далекой галактике, поскольку она гораздо ярче новой.
