Что такое звезда краткий ответ
Что такое звезды?
Одно из самых красивых зрелищ, которые только есть в нашем мире, — вид звездного неба в темную безлунную ночь. Тысячи звезд алмазными россыпями усеивают небо — яркие и тусклые, красные, белые, желтые… Но что такое звезды? Расскажу об этом совсем просто, так, чтобы понятно было всем.
Звезды — это огромные шары, разбросанные тут и там в космическом пространстве. Вещество в них удерживается силами взаимного притяжения. Эти шары разогреты до такой высокой температуры, что способны излучать свет, благодаря чему мы их и наблюдаем. На самом деле звезды настолько раскалены, что любое вещество, даже самый твердый металл, пребывает на них в виде электрически заряженного газа. Такой газ называется плазмой.
Почему звезды светятся?
Внутри звезд температура гораздо выше, чем на поверхности. В звездном ядре она может достигать 10 миллионов градусов и выше. При таких температурах идут термоядерные реакции превращения одних химических элементов в другие. Например, водород, из которого в основном состоят почти все звезды, в их недрах превращается в гелий.
Именно термоядерные реакции служат основным источником энергии звезд. Благодаря им звезды способны светить на протяжении многих миллионов лет.
Звезды и галактики
Во Вселенной насчитывается больше миллиарда миллиардов звезд. В соответствии с законами природы они собрались в огромные звездные острова, которые астрономы назвали галактиками. Мы живем в одной из таких галактик, имя которой — Млечный Путь.
Млечный Путь — галактика, частью которой являются Солнце и все видимые на небе звезды. Фото: Juan Carlos Casado (TWAN, Earth and Stars)
Все звезды, видимые на небе невооруженным глазом или в небольшой телескоп, принадлежат Млечному Пути. Другие галактики тоже можно наблюдать на небе с помощью телескопа, но все они выглядят как тусклые туманные пятнышки света.
Солнце — самая близкая к нам звезда. Она ничем не выделяется на фоне миллионов других звезд, которые можно увидеть в телескоп. Солнце — не самая яркая, но и не самая тусклая звезда, не самая горячая, но и не самая холодная, не самая массивная, но и не самая легкая. Можно сказать, что Солнце — звезда-середняк. И только нам роль Солнца кажется исключительно важной, потому что эта звезда дарит нам тепло и свет. Только благодаря Солнцу на Земле возможна жизнь.
Размеры, масса и светимость звезд
Размеры и масса даже небольших звезд огромны. Например, Солнце в 109 раз больше Земли по диаметру и в 330000 раз массивнее нашей планеты! Чтобы заполнить объем, который занимает в пространстве Солнце, нам потребовалось бы больше миллиона планет размером с Землю!
Сравнительные размеры Солнца и планет Солнечной системы. Земля на этой картинке — крайняя левая планета в первом, ближайшем ряду.
Но мы уже знаем, что Солнце обычная, средняя звезда. Есть звезды гораздо крупнее Солнца, как, например, звезда Сириус, самая яркая звезда ночного неба. Сириус в 2 раза массивнее Солнца и в 1,7 раза больше его по диаметру. Он также излучает в 25 раз больше света, чем наша дневная звезда!
Другой пример — звезда Спика, возглавляющая созвездие Девы. Ее масса в 11 раз больше Солнца, а светимость в 13000 раз выше! Вряд ли возможно даже представить себе испепеляюще мощное излучение этой звезды!
Но большинство звезд во Вселенной все-таки меньше Солнца. Они легче и светят гораздо слабее, чем наша звезда. Самые распространенные звезды называются красными карликами, так как излучают в основном красный свет. Типичный красный карлик примерно в 2-3 раза легче Солнца, в 4 или даже 5 раз меньше его по диаметру и в 100 раз тусклее, чем наша звезда.
В нашей галактике порядка 700 миллиардов звезд. Из них не меньше 500 миллиардов окажется красными карликами. Но, к несчастью, все красные карлики настолько тусклые, что ни один из них не виден на небе невооруженным глазом! Чтобы наблюдать их, нужен телескоп или хотя бы бинокль.
Необычные звезды
Помимо красных карликов, которые составляют большинство всех звезд во Вселенной, помимо звезд, похожих на Солнце, а также таких звезд, как Сириус и Спика, существует также небольшая доля необычных звезд, чьи характеристики — размеры, светимость или плотность — сильно отличаются от других звезд.
Белые Карлики
Одной из таких звезд является спутник Сириуса.
Многие звезды живут не поодиночке, как наше Солнце, а парами. Такие звезды называются двойными. Точно так же, как Земля и другие планеты Солнечной системы движутся по орбитам вокруг Солнца под действием его притяжения, так и звезда-спутник может обращаться по орбите вокруг главной звезды.
Двойная звезда. Главная звезда и звезда-спутник меньшего размера вращаются вокруг общего центра масс, обозначенного на рисунке красным крестом. Источник: Википедия
На самом деле планеты вместе с Солнцем обращаются вокруг общего центра масс. То же самое происходит и с компонентами двойной звезды — они обе вращаются вокруг общего центра масс (см. gif-рисунок).
В XIX веке у Сириуса, самой яркой звезды ночного неба, был обнаружен очень тусклый спутник, видимый только в телескоп. Его назвали Сириус B (читается как Сириус Б). Вместе с тем оказалось, что его поверхность столь же горячая, как поверхность Сириуса. В то время астрономы уже знали, что тело испускает тем больше света, чем оно горячее. Следовательно, с каждого квадратного метра поверхности спутника Сириуса излучалось столько же света, сколько с квадратного метра самого Сириуса. Почему же спутник был такой тусклый?
Потому что площадь поверхности Сириуса В была гораздо меньше площади поверхности Сириуса А! Оказалось, что размер спутника равен размеру Земли. Вместе с тем его масса оказалась равна массе Солнца! Простые подсчеты показывают, что каждый кубический сантиметр Сириуса B содержит 1 тонну вещества!
Такие необычные звезды назвали белыми карликами.
Красные сверхгиганты
На небе также были найдены звезды огромных размеров и светимостей. Одна из таких звезд, Бетельгейзе, в 900 раз больше Солнца по диаметру и излучает в 60000 раз больше света, чем наше дневное светило! Другая звезда, VY Большого Пса (читается как «вэ-игрек») в 1420 раз больше Солнца по диаметру! Если VY Большого Пса поместить на место Солнца, то поверхность звезды будет находиться между орбитами Юпитера и Сатурна, а все планеты с Меркурия по Юпитер (включая Землю!) оказались бы внутри звезды!
Сравнительные размеры Солнца (слева вверху), Сириуса (белая звезда) и некоторых гигантских звезд. Красный сверхгигант UY Щита, который занимает большую часть картинки, в 1900 раз больше Солнца по диаметру.
Такие звезды называются сверхгигантами. Отличительная особенность гигантских и сверхгигантских звезд состоит в том, что они при всех своих колоссальных размерах содержат лишь в 5, 10 или 20 раз больше вещества, чем Солнце. Это значит, что плотность таких светил очень низка. Например, средняя плотность VY Большого Пса в 100000 раз меньше плотности комнатного воздуха!
И белые карлики, и звезды-гиганты не рождаются такими, а становятся в ходе эволюции, после того, как водород в их недрах переработан в гелий.
Звезды и скрытая масса Вселенной
Еще относительно недавно астрономы полагали, что в звездах содержится почти все вещество во Вселенной. Но в последние десятилетия выяснилось, что львиную долю массы Вселенной составляют таинственная темная материя и еще более таинственная темная энергия. На звезды, таким образом, приходится всего около 2% всей материи (а на планеты, кометы и астероиды и того меньше!). Но именно эти 2% мы и способны наблюдать, так как именно они излучают свет! Трудно представить, насколько унылым местом была бы Вселенная, если бы в ней не было звезд!
Звезды
Другие значения слова «звезда» см. в статье Звезда (значения).
Ближайшей к Земле звездой (не считая Солнца) является Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 св. лет от нашей Солнечной системы ( 4,2 св. лет = 39 Пм = 39 триллионов км = 3,9 × 10 13 км ). См. также список ближайших звёзд.
Невооружённым взглядом на небе видно около 6000 звёзд, по 3000 в каждом полушарии. Все видимые с Земли звёзды (включая видимые в самые мощные телескопы) находятся в местной группе галактик.
Содержание
Единицы измерения
Большинство звёздных характеристик как правило выражается в СИ, но также используется и СГС (например, светимость выражается в эргах в секунду). Масса, светимость и радиус обычно даются в соотношении с нашим Солнцем:
| солнечная масса: |  кг |
| солнечная светимость: |  Вт |
| солнечный радиус: |  м |
Для обозначения расстояния до звёзд приняты такие единицы как световой год и парсек
Большие расстояния, такие как радиус гигантских звёзд или большая полуось двойных звёздных систем часто выражаются с использованием астрономической единицы ( а. е. ) — среднее расстояние между Землёй и Солнцем ( 150 млн км ).
Физические характеристики
Массы подавляющего большинства современных звёзд лежат в пределах от 0,071 масс Солнца (75 масс Юпитера) до 100—150 масс Солнца, возможно, первые звёзды были ещё более массивными. Температура в недрах звёзд достигает 10—12 млн К.
Расстояние
Масса
Химический состав
Крайне важной характеристикой является ее химический состав, как с точки зрения звезды, так и с точки зрения наблюдателя. И хотя доля элементов тяжелее гелия исчисляется не более чем несколько процентов, но они играют важную роль в жизни звезды. Благодаря им ядерные реакции могут замедляться или ускорятся, а это отразиться как на яркости, звезды, так и на цвете, так и на продолжительности жизни. Так чем больше металличность массивной звезды, тем меньше будет остаток при взрыве сверхновой. Наблюдатель, зная химический состав звезды, может довольно уверенно сказать время образования звезды. Так как все те трагические изменения, происходящие со звездой на протяжении ее жизни, не касаются поверхности звезды. Это всегда так мало массивных и средне массивных звезд, и почти всегда для массивных звезд.
Строение звёзд
Возникновение и эволюция звёзд
Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура газовой глобулы возрастает. Когда температура в ядре достигает нескольких миллионов Кельвинов, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рассела, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.
В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а внутрениие наоборот, сжимаются. И до поры до времени яркость звезды тоже понижается. Температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда масса её изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; возрастающая при этом температура стимулирует термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы.
Белые карлики и нейтронные звёзды
Вскоре после гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает сильную перестройку звезды и её быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга — Рассела. Размер атмосферы звезды увеличивается ещё больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звёздного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы: ядро звезды может закончить свою эволюцию как белый карлик (маломассивные звёзды), в случае, если её масса на поздних стадиях эволюции превышает предел Чандрасекара — как нейтронная звезда (пульсар), если же масса превышает предел Оппенгеймера — Волкова — как чёрная дыра. В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями — вспышками сверхновых.
Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.
У звёзд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных электронов не может сдержать сжатие ядра, и оно продолжается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны, упакованные так плотно, что размер звезды измеряется километрами, а плотность в 280 трлн. раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества.
Чёрные дыры
У звёзд более массивных, чем предшественники нейтронных звёзд, ядра испытывают полный гравитационный коллапс. По мере сжатия такого объекта сила тяжести на его поверхности возрастает настолько, что никакие частицы и даже свет не могут её покинуть, — объект становится невидимым. В его окрестности существенно изменяются свойства пространства-времени; их может описать только общая теория относительности. Такие объекты называют чёрными дырами.
Схема эволюции одиночных звёзд
малые массы 0.08Msun 10Msun
горение водорода в ядре
спокойное горение гелия в ядре
горение углерода в ядре. C в O, Ne, Si, Fe, Ni..
O,Ne,Mg… белый карлик или нейтронная звезда
Продолжительность эволюции звёзд
Классификация звёзд
Звёзды классифицируют по светимости, массе, температуре поверхности, химическому составу, особенностям спектра (спектральному классу) и кратности.
Кратные звёзды
Обозначения звёзд
В нашей галактике более 100 млрд. звёзд. На фотографиях неба, полученных крупными телескопами, видно такое множество звёзд, что бессмысленно даже пытаться дать им всем имена или хотя бы сосчитать их. Около 0,01 % всех звёзд Галактики занесено в каталоги. Таким образом, подавляющее большинство звёзд, наблюдаемых в крупные телескопы, пока не обозначено и не сосчитано.
Самые яркие звёзды у каждого народа получили свои имена. Многие из ныне употребляющихся, например, Альдебаран, Алголь, Денеб, Ригель и др., имеют арабское происхождение; культура арабов послужила мостом через интеллектуальную пропасть, отделяющую падение Рима от эпохи Возрождения.
В прекрасно иллюстрированной Уранометрии (Uranometria, 1603) немецкого астронома И. Байера (1572—1625), где изображены созвездия и связанные с их названиями легендарные фигуры, звёзды были впервые обозначены буквами греческого алфавита приблизительно в порядке убывания их блеска: α — ярчайшая звезда созвездия, β — вторая по блеску, и т. д. Когда не хватало букв греческого алфавита, Байер использовал латинский. Полное обозначение звезды состояло из упомянутой буквы и латинского названия созвездия. Например, Сириус — ярчайшая звезда в созвездии Большого Пса (Canis Major), поэтому его обозначают как α Canis Majoris, или сокращённо α CMa; Алголь — вторая по яркости звезда в Персее обозначается как β Persei, или β Per. Байер, однако, не всегда следовал введенному им правилу, и в байеровских обозначениях есть большое количество исключений.
Джон Флемстид (1646—1719), первый Королевский астроном Англии, ввёл систему обозначения звёзд, не связанную с их блеском. В каждом созвездии он обозначил звёзды номерами в порядке увеличения их прямого восхождения, то есть в том порядке, вкотором они пересекают меридиан. Так, Арктур, он же a Волопаса (α Bootes), обозначен как 16 Bootes.
Некоторые необычные звёзды иногда называют именами астрономов, впервые описавших их уникальные свойства. Например, звезда Барнарда названа в честь американского астронома Э. Барнарда (1857—1923), а звезда Каптейна — в честь нидерландского астронома Я. Каптейна (1851—1922). На современных картах звёздного неба обычно нанесены древние собственные имена ярких звёзд и греческие буквы в системе обозначений Байера (его латинские буквы используют редко); остальные звёзды обозначают согласно Флемстиду. Но не всегда на картах хватает места для этих обозначений, поэтому обозначения остальных звёзд нужно искать в звёздных каталогах.
Для переменных звёзд используется свой способ обозначения. Такие звёзды обозначают в порядке их обнаружения в каждом созвездии. Первую обозначают буквой R, вторую — S, затем T и т. д. После Z идут обозначения RR, RS, RT и т. д. После ZZ идут AA и т. д. (Букву J не используют, чтобы не было путаницы с I.) Когда все эти комбинации истощаются (всего их 334), то продолжают нумерацию цифрами с буквой V (variable — переменный), начиная с V335. Например: S Car, RT Per, V557 Sgr.
Реакции термоядерного синтеза в недрах звёзд
Реакции термоядерного синтеза элементов — основной источник энергии большинства звёзд.
Значение слова «звезда»
1. Небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе сходное с Солнцем и представляющееся взору человека на ночном небе светящейся точкой. Полярная звезда. Вечерняя звезда. □ Воздух был свежий и холодноватый, на чистом небе сияли крупные звезды. Достоевский, Братья Карамазовы. || перен. Судьба, участь; счастье, удача. Весть о солдатчине мало тревожила его: он верил в свою звезду. Помяловский, Очерки бурсы. — Это у вас счастливая звезда. Ведь на полсантиметра правее, и была бы совсем другая картина. А вы через месяц воевать сможете. Эренбург, Буря.
2. О человеке, прославившемся в какой-л. сфере деятельности; о знаменитости. — Ни одной зимы не проходило без того, чтобы не приезжала какая-нибудь звезда. Чехов, Живая хронология. На него [Урманова] еще в гимназии смотрели как на будущую звезду. Короленко, С двух сторон.
Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость.
Ближайшей к Солнцу звездой является Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 светового года (4,2 св. года = 39 Пм = 39 трлн км = 3,9 × 1013 км) от центра Солнечной системы (см. также Список ближайших звёзд).
Невооружённым взглядом (при хорошей остроте зрения) на небе видно около 6000 звёзд, по 3000 в каждом полушарии. За исключением сверхновых, все видимые с Земли звёзды (включая видимые в самые мощные телескопы) находятся в местной группе галактик.
ЗВЕЗДА’, ы́, мн. звёзды, ам и (устар.) зве́зды, звезда́м, ж. 1. Небесное тело, светящееся собственным светом, представляющееся взору человека светящейся точкой на небесном своде. З. шестой величины (астр.). Небо, усеянное звёздами. Прозрачно небо, звёзды блещут. Пшкн. Кто при звезда́х и при луне так поздно едет на коне? Пшкн. 2. перен. Знаменитость, выдающийся по своим талантам и общественным заслугам человек (книжн.
З. нашей литературы. З. экрана. 3. перен. Предопределенное роком счастье, благоприятное предначертание судьбы, удача (книжн. ритор.; в немногих выражениях, восходящих к астрологическим поверьям). Взошла з. славы. Верить в свою звезду. Родиться под счастливой, несчастной звездой. З. моя закатилась. || Личность (преимущ. женщина) как воплощение предопределенного судьбой счастья (поэт. устар.). На звёзды глядишь ты, з. моя ясная. В. Слвьв. З. моего счастья. Но где ж Зарема, з. любви, краса гарема? Пшкн. 4. Вещь, предмет наподобие, в форме звезды. Пятиконечная з. (эмблема Красной армии). Красноармейская з. Вырезать звезду из бумаги. Нарисовать звезду. Мелькает, вьется первый снег, звезда́ми падая на брег. Пшкн. || Знак отличия, орден, имеющий такую форму. Орден Красной звезды. 5. Составная часть названий животных и растений, похожих на звезды (бот., зоол.). Морская з. (кишечно-полостное животное). Лягушечья з. (растение). ◊
Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
звезда́
1. астрон. небесное тело, по своей природе сходное с Солнцем, вследствие огромной отдалённости видимое с Земли как светящаяся точка на небесном своде ◆ Кто при звезда́х и при луне // Так поздно едет на коне? Пушкин, «Полтава», Песнь первая ◆ Прозрачно небо, звёзды блещут. Пушкин, «Полтава», Песнь вторая, Полтава г. // «1828» ◆ Звезда шестой величины. ◆ Над ними дышало, перемигивалось, клубилось огромными звёздами, искрило тлеющими метеоритами и хвостами мелких комет пылкое азиатское небо. Дина Рубина, «На солнечной стороне улицы», 1980–2006 г. (цитата из НКРЯ)
2. геометр. плоская фигура, составленная из треугольных лучей, исходящих из общего центра, сливающихся в точке схождения ◆ Нарисовать звезду. ◆ На флаге СССР можно увидеть пятиконечную звезду.
3. вещь, предмет наподобие, в форме звезды [3] ◆ Мелькает, вьётся первый снег, звезда́ми падая на брег. Пушкин, «Евгений Онегин» (Евгений Онегин) // «Глава 4, XLII.», 6 января 1826 г. ◆ Красноармейская звезда. ◆ Вырезать звезду из бумаги. ◆ Орден Красной звезды.
4. ботан. зоол. составная часть названий животных и растений, похожих на звёзды ◆ Морская звезда. ◆ Лягушечья звезда. (растение)
5. перен. известный артист, знаменитость; выдающийся по своим талантам и общественным заслугам человек ◆ Звезда эстрады. ◆ Звезда экрана. ◆ На встречу со звездой нужно приходить подготовленным. ◆ Звезда нашей литературы.
6. перен. книжн. ритор. в немногих выражениях, восходящих к астрологическим поверьям : предопределённое роком счастье, благоприятное предначертание судьбы, удача, слава ◆ Верить в свою звезду. ◆ Родиться под счастливой, несчастной звездой. ◆ Его звезда взошла в 1977 году, когда он впервые стал чемпионом мира по версии ВКА. ◆ Рыцарская конница тоже когда-то была главной ударной силой войска, но её звезда закатилась.
7. перен. поэт. устар. личность (преимущ. женщина) как воплощение предопределённого судьбой счастья ◆ Но где ж Зарема, звезда любви, краса гарема? Пушкин, «Бахчисарайский фонтан», 1821–1823 г ◆ На звёзды глядишь ты, звезда моя ясная! В. С. Соловьёв, «Из Платона», Стихотворения 1872–1882 г ◆ Звезда моего счастья.
Фразеологизмы и устойчивые сочетания
Звезда
1. название ряда белорусских, болгарских, российских и украинских малых населённых пунктов
Что такое звезда?
Мы живем в относительно спокойной области Вселенной, все редко встречающиеся типы звезд находятся от нас очень далеко. Первые выводы о том, что собой представляет звезда, делались по наблюдениям ближайшего к нам светила — Солнца.
Представления о звездах
В начале XX в. окончательно сформировалось представление о звездах как о раскаленных газовых шарах, заключающих в своих недрах источник энергии — термоядерный реактор, синтезирующий ядра гелия из ядер водорода. Впоследствии выяснилось, что в звездах рождаются и более тяжелые химические элементы.
Картина эволюции звезды усложняется вращением, иногда очень быстрым, при котором центробежные силы стремятся разорвать звезду. Некоторые светила обладают скоростью вращения на поверхности 500–600 км/с. Для Солнца же эта величина составляет около 2 км/с.
Даже такая относительно спокойная звезда, как Солнце, испытывает колебания с различными периодами, на его поверхности происходят вспышки и выбросы вещества. Активность некоторых других звезд несравнимо выше. Иногда на звездах происходят сильные взрывы. Когда взрываются самые массивные звезды, их блеск на короткий срок может превысить блеск всех остальных звезд галактики вместе взятых.
По современным представлениям, жизненный путь одиночного светила определяется его начальной массой и химическим составом. Теория звездной эволюции утверждает, что в телах массой меньше, чем семь–восемь сотых долей массы Солнца, долговременные термоядерные реакции идти не могут. Эта величина близка к минимальной массе наблюдаемых звезд. Их светимость меньше солнечной в десятки тысяч раз. Температура на поверхности подобных звезд не превосходит 2–3 тыс. градусов. Одним из таких тусклых багрово-красных карликов является ближайшая к Солнцу звезда Проксима в созвездии Центавра. Если же начальная масса «протозвездного» тела оказывается меньше 0,07–0,08 массы Солнца, в нем на короткое время происходят лишь быстротекущие термоядерные реакции с участием дейтерия. Такое тело называют уже не звездой, а коричневым карликом или субзвездным объектом. При начальной массе менее 13 масс Юпитера мы получим тело, неотличимое от планеты-гиганта, в котором никакие термоядерные реакции протекать не могут.
В звездах же большой массы термоядерные реакции протекают с огромной скоростью. Если масса рождающейся звезды превышает 50–70 солнечных масс, то после начала горения термоядерного топлива чрезвычайно интенсивное излучение своим давлением может просто сбросить излишек массы. Через несколько миллионов лет, а может быть, и раньше, эти звезды могут взорваться как сверхновые (т. е. взрывающиеся звезды с большой энергией вспышки).
На звездах не обнаружено ни одного неизвестного химического элемента. Наиболее обильным элементом в них, как и во всей Вселенной, является водород. Приблизительно втрое меньше по массе содержится в них гелия. Доля остальных, тяжелых элементов невелика (около 2%), но от их количества во многом зависят и размер, и температура, и светимость звезды.
Основные характеристики звезд
Путь к познанию звезд лежит через измерения и сопоставление их свойств. Основная видимая характеристика светил — их яркость (блеск). Ее оценивают в так называемых звездных величинах (обозначается m). Разность в пять звездных величин соответствует отличию в видимой яркости ровно в 100 раз. Чем меньше звездная величина светила, тем оно ярче.
Другой важной характеристикой звезды, которая дает понятие о мощности ее излучения, является светимость. Для того чтобы вычислить светимость объекта, нужно знать, на каком расстоянии от нас он находится. Расстояние до далеких и недоступных нам звезд можно определить из геометрии, измерив направления на этот предмет с двух концов известного отрезка (базиса), а затем рассчитав размеры треугольника, образованного концами отрезка и удаленным предметом. Расстояния до звезд столь велики, что в качестве базиса используется расстояние между двумя точками земной орбиты, которые наша планета проходит с интервалом в шесть месяцев. Существуют и другие методы, с помощью которых расстояние до звезды можно получить косвенным путем, используя различные астрофизические или статистические соотношения.
Еще одна видимая характеристика звезды — ее цвет. Он зависит от температуры светила. Самые горячие звезды всегда голубого и белого цвета, менее горячие — желтоватого, холодные — красноватого. Цвет звезды зависит от того, на какой участок спектра приходится наибольшая энергия излучения. Сравнение звездных величин в разных интервалах спектра (например, в голубом и желтом) позволяет количественно охарактеризовать цвет звезды и оценить ее температуру.
Существуют разные методы определения размеров звезд, как теоретические, так и практические. Измерения показали, что самые маленькие звезды, наблюдаемые в оптических лучах, — так называемые белые карлики — имеют в диаметре всего несколько тысяч километров. Размеры же наиболее крупных — красных сверхгигантов — таковы, что, если бы можно было поместить подобную звезду на место Солнца, большая часть планет Солнечной системы оказалась бы внутри нее.
Самой важной характеристикой звезды является масса — она определяет практически все остальные ее свойства, а также особенности ее эволюции. Прямые оценки массы могут быть сделаны только на основании закона всемирного тяготения. Такие оценки удалось получить для звезд, входящих в двойные системы, измеряя скорости их движения вокруг общего центра масс. Другие, косвенные способы вычисления массы строятся не на законе тяготения, а на анализе тех звездных характеристик, которые так или иначе связаны с массой. Массы звезд заключены в пределах от 100 масс Солнца до 0,1 массы Солнца. Таким образом, по массам звезды могут различаться всего в тысячу раз — значительно меньше, чем по размерам или светимостям.
Основными характеристиками звезды являются масса, мощность ее излучения (светимость), радиус, температура и химический состав атмосферы. Зная эти параметры, можно рассчитать возраст светила. Звезды самой высокой светимости обладают наибольшей массой, и наоборот, маломассивные звезды светят очень слабо. Солнце по своим характеристикам занимает среднее положение, среди других звезд ничем особенно не выделяясь. В целом же перечисленные выше параметры изменяются в очень широких пределах и, кроме того, взаимосвязаны. Жизнь звезды довольно сложна. В течение своей истории она разогревается до очень высоких температур, а старея — остывает до такой степени, что в ее атмосфере начинают образовываться пылинки. Одна и та же звезда может раздуться до грандиозных размеров, сравнимых с размерами орбиты Марса, и сжаться до нескольких десятков километров. Светимость ее возрастает до миллионов светимостей Солнца и падает почти до нуля.
Диаграмма Герцшпрунга — Рассела
Существует физическая закономерность, связывающая наблюдаемые характеристики звезд. Датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873–1967) и американский астроном Генри Рассел (1877–1957) установили связь между светимостями звезд, их цветом и спектром. Диаграммы, отражающие эти зависимости, называют диаграммами Герцшпрунга — Рассела. На ней звезды образуют отдельные группировки, именуемые последовательностями. Около 90% всех наблюдаемых звезд (включая Солнце) формируют так называемую главную последовательность (ГП). Вдоль нее располагаются звезды различных масс, у которых источником энергии является реакция превращения водорода в гелий.
Справа над нижней частью ГП располагается ветвь гигантов, объединяющая преимущественно красные звезды большого размера, светимость которых в десятки и сотни раз превосходит солнечную. На самом верху диаграммы почти горизонтально проходит последовательность звезд-сверхгигантов, а внизу, в области высоких температур и низких светимостей, располагаются крошечные белые карлики. Известны и другие последовательности, но они не столь многочисленны.
Строение и эволюция звезд
Звезда — раскаленный газовый шар, состоящий из тех же химических элементов, что и наша планета. Поэтому к ним можно применять знания, полученные при экспериментах в физических лабораториях.
Наблюдения показывают, что большинство звезд устойчивы, не расширяются и не сжимаются в течение довольно длительных промежутков времени. Давление газа стремится расширить звезду, но в каждой точке ему противодействует другая сила — сила тяжести вышележащих слоев, пытающаяся ее сжать. Обе силы уравновешивают друг друга, что и приводит звезду к состоянию устойчивого равновесия. При этом давление, а, следовательно, и температура и плотность, возрастают к центру звезды.
Оценки температуры и плотности в недрах звезд получают теоретическим путем исходя из известной массы звезды и мощности ее излучения, на основании газовых законов физики и закона всемирного тяготения. Определенные таким образом температуры в центральных областях звезд составляют от 10 млн К для звезд легче Солнца до 30 млн К для гигантских звезд. Температура в центре Солнца — около 15 млн К. При таких температурах вещество в звездных недрах почти полностью ионизовано и газ состоит только из атомных ядер и отдельных электронов, а они занимают гораздо меньший объем, чем «целые» атомы. Поэтому вещество, плотность которого в центре Солнца в 100 раз превышает плотность воды, тем не менее, обладает всеми свойствами идеального газа.
Звезды образуются из космических газопылевых облаков. При сжатии под действием тяготения газового шара его внутренняя часть постепенно разогревается. Когда температура в центре достигнет примерно миллиона градусов, начинаются ядерные реакции и образуется звезда. Звезды большую часть своей жизни светят за счет совершающихся в них преобразований ядер водорода в ядра гелия. Такая реакция идет медленно и поддерживает свечение звезды на протяжении миллиардов лет. Для большинства звезд на долю водорода и гелия приходится не менее 98% массы.
В звездах-карликах, массы которых меньше массы Солнца, конвективное ядро отсутствует. Водород в них горит, превращаясь в гелий, в центральной области, не выделяющейся из остальной части звезды наличием конвективных движений. В карликах этот процесс протекает очень медленно, и они практически не изменяются в течение миллиардов лет. Когда водород полностью сгорает, они медленно сжимаются и за счет энергии сжатия могут существовать еще очень длительное время.
Солнце и подобные ему звезды представляют собой промежуточный случай. У Солнца имеется маленькое конвективное ядро, но не очень четко отделенное от остальной части. Ядерные реакции горения водорода могут продолжаться более 10 млрд лет. Современный возраст Солнца — примерно 4,5–5 млрд лет, и за это время оно почти не изменило свой размер и яркость. После исчерпания водорода Солнце постепенно будет раздуваться, пока не превратится в красный гигант, сбросит чрезмерно расширившуюся оболочку и закончит свою жизнь плотным белым карликом. Но это случится не раньше, чем через 5 млрд лет.
Строение звезд зависит от массы. Если звезда в несколько раз массивнее Солнца, то глубоко в ее недрах (в ядре) происходит интенсивное перемешивание вещества (конвекция). Чем больше звезда, тем большую ее часть составляет конвективное ядро, в котором находится источник энергии. Остальная часть звезды сохраняет при этом равновесие. Когда в процессе сжатия конвективного ядра весь водород превратится в гелий, температура в центре повысится до 50–100 млн градусов и начнется горение гелия. Он в результате ядерных реакций превращается в углерод. Ядро горящего гелия окружено тонким слоем горящего водорода, который поступает из внешней оболочки звезды. Следовательно, у таких звезд два источника энергии. Над горящим ядром находится протяженная оболочка.
Двойные и кратные звезды
С древнейших времен астрономам были известны звезды, которые видны на небе близко друг к другу. С началом эры телескопических наблюдений обнаружилось, что многие звезды, видимые невооруженным глазом как одиночные, в телескоп видны как двойные или даже как системы более высокой кратности.
Довольно быстро выяснилось, что звезды во многих из таких систем движутся вокруг общего центра масс, т. е. составляют физически связанные системы. Они получили название «визуально-двойные звезды».
В XIX в., когда начались спектроскопические наблюдения, были открыты спектрально-двойные звезды. Хотя они могут быть видны как одиночные даже в самые крупные телескопы, в их спектре наблюдаются две системы линий поглощения, относящиеся к разным звездам, и эти линии из-за эффекта Доплера, вызванного обращением компонентов вокруг общего центра масс, периодически смещаются одна в красную сторону, другая — в фиолетовую. Спектрально-двойных звезд — большинство среди двойных, и только достаточно близкие или очень широкие пары видны как визуально-двойные.
По современным представлениям, большинство звезд входит в состав кратных и двойных систем, так что одиночные звезды (в том числе и наше Солнце) — скорее исключение из правила. Это связано с особенностью процесса образования звезд в плотных холодных газопылевых облаках — в общем случае гравитационное сжатие приводит к разделению (фрагментации) облака на отдельные сжимающиеся части, движущиеся вокруг общего центра масс, а одиночные звезды, по-видимому, выбрасываются из скопления молодых звезд при гравитационном взаимодействии с другими членами скопления.
Самыми интересными с астрофизической точки зрения оказались тесные двойные системы. Так называются пары звезд настолько тесные, что приливные силы искажают форму поверхности одной звезды, а в некоторых случаях и обеих звезд. Из-за этого звезда становится вытянутой. При этом возникает совершенно новый физический процесс: обмен массами между звездами. Во время него частицы с поверхности наиболее искаженной приливами звезды (большего радиуса, но не обязательно большей массы) перетекают с «гребня» приливного горба и присоединяются ко второй звезде, увеличивая ее массу. В широких парах обмен массами невозможен.
Из-за возможности переноса масс эволюция тесных двойных звезд сильно отличается от эволюции одиночных. До обмена масс компоненты двойной системы эволюционируют независимо, причем быстрее эволюция происходит у более массивной звезды. Когда более массивная звезда увеличивает свой радиус в процессе эволюции, приливные силы со стороны второго компонента начинают искажать ее форму, и при некотором критическом размере звезды начинается перенос массы с более массивной звезды на менее массивную. При этом может произойти «смена ролей» — изначально менее массивная звезда становится более массивной и эволюционирует быстрее своего компаньона.
Наиболее яркие проявления обмена массами происходят в тесных двойных системах, одним из компонентов которых является компактная звезда — остаток звездной эволюции (белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра). Падающий на них газовый поток закручивается в плотный диск (так называемый аккреционный диск), разогревается до огромных температур и излучает в жестком ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Так возникают рентгеновские двойные звезды.
Переменные звезды
Переменными называются звезды, блеск которых меняется по причинам, связанным с процессами в самой звезде. В настоящее время в нашей Галактике известно около миллиона переменных звезд, и количество переменных, обнаруженных в других галактиках, тоже очень велико.
Переменные звезды различаются массой, размерами, возрастом, причинами переменности и подразделяются на несколько больших групп. Одна из них — пульсирующие звезды, изменения блеска которых обусловлены колебаниями размеров, приводящими и к изменениям температуры.
К ним принадлежат так называемые мириды — красные гиганты, меняющие блеск на несколько звездных величин с периодами от нескольких месяцев до полутора лет. Также к пульсирующим переменным относятся переменные типа Т Тельца — звезды высокой светимости и умеренной температуры (желтые сверхгиганты), которые периодически сжимаются, разогреваясь, и расширяются, охлаждаясь. При этом энергия излучения то поглощается звездным газом, ионизуя его, то опять выделяется, когда при охлаждении газа ионы захватывают электроны, излучая при этом световые кванты, в результате чего блеск цефеиды меняется, как правило, в несколько раз с периодом в несколько суток.
Явление сверхновой звезды имеет совсем иную природу: вероятно, это один из последних этапов жизни звезды, когда она катастрофически сжимается, лишившись основных источников термоядерной энергии.
Особая группа переменных — самые молодые звезды, сравнительно недавно (по космическим масштабам) сформировавшиеся в областях концентрации межзвездного газа. Это так называемые переменные типа Т Тельца, которые часто меняют блеск беспорядочным образом, но иногда у них прослеживается и периодичность, связанная с вращением вокруг оси. Существуют переменные, у которых блеск неожиданно падает, на несколько (до восьми) звездных величин, а потом медленно, в течение недель или даже месяцев, восстанавливает свое значение. Это так называемые звезды типа R Северной Короны, которых на сегодня известно всего два-три десятка. В их атмосферах практически отсутствует водород, зато много гелия и углерода.
Переменные звезды, описанные выше, меняют свой блеск из-за сложных физических процессов в их недрах или на поверхности либо в результате взаимодействия в тесных двойных системах. Это примеры физически переменных звезд. Однако найдено немало звезд, переменность которых объясняется геометрическими эффектами.
Очень часто геометрическая переменность сочетается с физической. Так, многие красные карлики — пятнистые переменные и в то же время принадлежат к одному из самых распространенных типов физически переменных — вспыхивающим звездам. Вспышки таких звезд похожи на некоторые виды солнечных вспышек, только гораздо мощнее. Иногда во время вспышки, длящейся считаные минуты, блеск звезды возрастает на несколько звездных величин.
Затменно-переменные звезды
К затменно-переменным относят системы из двух звезд, суммарный блеск которых периодически изменяется с течением времени. Причиной изменения блеска могут быть затмения звезд друг другом, изменение их формы взаимной гравитацией в тесных системах, неоднородная поверхностная яркость. Известны десятки тысяч затменных переменных звезд в двойных системах. В одних компоненты, перемещаясь по своим орбитам, временами заходят один за другой, в других из-за взаимовлияния компоненты имеют форму вытянутых эллипсоидов — столь сильно притяжение каждого из них влияет на соседа.
При орбитальном вращении таких тел блеск меняется непрерывно, и довольно трудно определить, в какой момент начинается затмение. Яркость звездной поверхности может быть неоднородной из-за того, что на поверхности звезды имеются темные или светлые пятна. Вращаясь вокруг оси, звезда поворачивается к земному наблюдателю то более светлой, то более темной стороной. На некоторых холодных карликовых звездах пятна подобны солнечным, но, поскольку они занимают большую часть диска, переменность при осевом вращении становится вполне заметной. Как и на Солнце, появление звездных пятен связано с процессами в хромосфере, и нередко такие переменные обнаруживают как слабые рентгеновские источники.
Взрывающиеся звезды
К взрывающимся относятся редкие новые и чрезвычайно редкие сверхновые звезды. Явления новых и сверхновых звезд имеют различную природу.
Во время вспышки новой ее блеск увеличивается в десятки тысяч раз. Все новые звезды являются компонентами тесных двойных систем, в которых одна звезда — как правило, звезда главной последовательности типа нашего Солнца, а вторая — обычно компактный, размером в сотую долю радиуса Солнца, белый карлик. Орбита такой двойной системы настолько тесна, что нормальная звезда сильно деформируется приливным воздействием компактного соседа. Газ из атмосферы этой звезды может свободно перетекать на белый карлик, образуя вокруг него аккреционный диск. Вещество в диске тормозится вязким трением, нагревается, вызывая свечение, и, в конце концов, достигает поверхности белого карлика, на которой образуется тонкий плотный слой газа с постепенно увеличивающейся температурой.
Регулярно вспыхивающие источники рентгеновского излучения, у которых второй компонент тесной двойной системы — не белый карлик, а еще более компактная нейтронная звезда радиусом всего около 10 км, называются рентгеновскими барстерами, а если вторым компонентом является черная дыра, то будет наблюдаться рентгеновская новая.
Космические гамма-всплески
Космическими спутниками в конце 1960-х гг. были открыты мощные короткие (0,1–1000 с) всплески нетеплового гамма-излучения. Это грандиозные космические взрывы, излучающие в основном в жестком рентгеновском диапазоне, которые наблюдаются с космологических расстояний. Выделяемая энергия только в жестком электромагнитном излучении сравнима и превосходит энергию самых мощных сверхновых (до 10 46 –10 47 Дж). По-видимому, энергия концентрируется в узком конусе (джете) с углом 1–10°. После жесткого гамма-импульса остается монотонно тускнеющее рентгеновское и оптическое (иногда и радио-) излучение, наблюдаемое в течение нескольких дней и даже месяцев. Всплески возникают в галактиках на больших красных смещениях. Природа всплесков остается неясной, но, по-видимому, связана с освобождением колоссальной гравитационной энергии при коллапсе вращающегося ядра звезды в черную дыру. Возможно также образование короткого гамма-всплеска при слиянии пары нейтронных звезд или нейтронной звезды с черной дырой.
Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры
Звезды живут долго, но не вечно. Рано или поздно термоядерное топливо заканчивается, выделение энергии уже не способно противодействовать гравитации, стремящейся как можно сильнее сжать звезду, и она переходит в новое состояние: становится в зависимости от массы белым карликом, нейтронной звездой или черной дырой.
Масса белого карлика не может превышать некоторого критического значения, величина которого — примерно 1,4 массы Солнца. Вырожденные звезды бывают не только белыми, но и красноватого цвета. В последние годы при помощи самых современных астросейсмологических методов удалось «заглянуть» внутрь белых карликов и узнать, что их вещество со временем не только остывает, но и кристаллизуется.
Во внешнем слое нейтронной звезды ядра вещества могут образовывать твердую кристаллическую структуру. Тогда звезда покрывается жесткой коркой, подобной земной коре, но только в невообразимое число раз плотнее. При замедлении вращения пульсара в этой твердой корке создаются напряжения. Когда они достигают определенной величины, корка начинает раскалываться. Это явление называется звездотрясением. Такими звездотрясениями объясняются скачкообразные изменения периодов некоторых пульсаров.
Если масса исходной звезды настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то образуется черная дыра — объект с такой огромной силой тяготения, что он притягивает даже испущенный им самим свет. Гипотеза о существовании таких объектов была выдвинута еще в XVIII в. На сегодняшний день мы имеем множество косвенных свидетельств, подтверждающих существование черных дыр.
Кандидаты в сверхмассивные черные дыры — с массами в миллионы и даже миллиарды солнечных масс — скрываются в ядрах большинства галактик. Особенно убедительные доказательства в пользу их реальности получены по наблюдениям движения звезд вблизи центра нашей Галактики.
Белые карлики
Согласно этим законам, электронный «газ», заполняющий пространство между атомами, не застывает, даже если вещество охладить до абсолютного нуля. Иными словами, давление электронов в белых карликах не спадает даже при низких температурах, более того, вообще не зависит от температуры, в отличие от обычного давления газа, которое прямо пропорционально температуре. Газ, обладающий такими свойствами, получил название «вырожденного». Именно давление вырожденного электронного газа удерживает белые карлики в состоянии равновесия и не дает им сжаться еще сильнее.
Радиус белого карлика при заданном химическом составе вещества однозначно определяется его массой, причем чем массивнее карлик, тем он компактнее.
Пульсары
С нейтронными звездами связаны пульсирующие источники радиоизлучения с очень быстрой и очень правильной переменностью — пульсары. Период некоторых пульсаров не превышает нескольких тысячных долей секунды. Было установлено, что пульсары связаны с остатками сверхновых, большинство из них не посылает никакого излучения, кроме радиоимпульсов, а причина их возникновения — наличие сильного магнитного поля и быстрого вращения звездного остатка.
«Недозвезды»
Во Вселенной существуют объекты, вещество которых исключается из оборота сразу, в момент их формирования, без превращения в звезду. Эти объекты называются коричневыми карликами. Для загорания в протозвезде термоядерных реакций превращения водорода в гелий она должна иметь массу не менее 0,08 массы Солнца, в случае протозвездных сгустков меньшей массы образуется коричневый карлик. В нем могут на короткое время загореться термоядерные реакции с участием тяжелого водорода — дейтерия, но затем на протяжении остального времени своего существования коричневый карлик просто остывает. Температуры поверхности известных коричневых карликов заключены в пределах от примерно полутора тысяч до сотен Кельвинов.
В относительно холодных атмосферах коричневых карликов, в отличие от звезд, в большом количестве содержатся молекулы — метана, воды и др., а самые маленькие коричневые карлики неотличимы от самых больших планет-гигантов, разница лишь в том, что планеты-гиганты образуются в газопылевом диске, окружающем молодую звезду, а коричневые карлики способны рождаться самостоятельно.