26. Важнейшие закономерности в мире звезд. Эволюция звезд

Мы видели, что существуют и одиночные, и двойные, и кратные звезды, переменные звезды различных типов, новые и сверхновые, сверхгиганты и карлики, звезды разнообразнейших размеров, светимостей, температур и плотностей. Но образуют ли они хаос физических характеристик? Оказывается, что нет. Обобщая полученные данные о звездах, установили ряд закономерностей.

Сопоставляя известные массы и светимости звезд, можно убедиться, что с увеличением массы быстро растет светимость звезд: L≈^m3,9. По этой так называемой зависимости "масса - светимость" можно определить массу одиночной звезды, зная ее светимость (белые карлики этой зависимости не подчиняются).

Для наиболее распространенных типов звезд справедлива формула L≈R^5,2, где R - радиус звезды. Во всех случаях берется полная светимость. Эти формулы показывают, что входящие в них физические характеристики звезд взаимосвязаны.

Исключительно большой интерес представляет сопоставление светимости звезд с их температурой и цветом. Эта зависимость представлена на диаграмме "цвет - светимость" (Ц - С) (диаграмма Герцшпрунга - Рессела). На этой диаграмме по оси ординат откладывают логарифмы светимостей или абсолютные звездные величины М, а по оси абсцисс - спектральные классы, или соответствующие им логарифмы температур, или величину, характеризующую цвет. Точки, соответствующие звездам с известными характеристиками, располагаются на диаграмме не хаотично, а вдоль некоторых линий - последовательностей. Большинство их располагается вдоль наклонной линии, идущей слева сверху вправо вниз. В этом направлении уменьшаются одновременно светимости, радиусы и температуры звезд. Это главная последовательность. На ней стрелкой отмечено положение Солнца как звезды - желтого карлика. Параллельно главной последовательности располагается последовательность субкарликов, которые на одну звездную величину слабее звезд главной последовательности с такой же температурой.

Вверху параллельно оси абсцисс расположена последовательность сверхгигантов. У них цвет и температура различны, а светимость почти одинакова.

От середины главной последовательности вправо вверх отходит последовательность красных гигантов. Наконец, внизу располагаются белые карлики с различными температурами. Бело-голубую последовательность составляют звезды, вспыхивающие как новые, и другие типы горячих звезд.

Принадлежность звезды к той или иной последовательности можно распознать по некоторым деталям в ее спектре.

Мы видим, что в природе не существует произвольных комбинаций массы, светимости, температуры и радиуса. Теория показывает, что место звезды на диаграмме Ц - С определяется прежде всего ее массой и возрастом, следовательно, диаграмма отражает эволюцию звезд.

Чем массивнее звезда, тем температура в ее недрах выше и быстрее "выгорает" водород, превращаясь в гелий. Голубые звезды, относящиеся к главной последовательности, "сжигают" водород за 10⁶-10⁷ лет, а такие, как Солнце, лишь за 10¹⁰ лет. Внутренней энергии Солнца хватит еще на миллиарды лет.

С выгоранием водорода в центре звезды ее эволюция ускоряется. Звезда превращается в красный гигант. В плотном и горячем ядре красных гигантов идет реакция синтеза углерода из гелия. С уменьшением запасов гелия эта реакция прекращается. Звезда сжимается, приходит в состояние белого, крайне плотного карлика. При малой поверхности (и поэтому малом расходе энергии) белый карлик может светить очень долгое время. Так происходит эволюция Солнца и звезд, масса которых не превышает его массу.

В звездной Вселенной происходят не только медленные изменения, но и быстрые, даже катастрофические. Например, за время порядка года обычная на вид звезда вспыхивает как сверхновая и примерно за то же время ее яркость спадает. В результате она, вероятно, превращается в крохотную звезду, размером всего около 10-20 км, состоящую из нейтронов и вращающуюся с периодом порядка секунды и быстрее (нейтронную звезду). Ее плотность возрастает до плотности атомных ядер (10¹⁶ кг/м³), и она становится мощнейшим излучателем радио- и рентгеновских лучей, которые, как и ее свет, пульсируют с периодом вращения звезды. Примером такого пульсара, как их называют, служит слабая звездочка в центре расширяющейся Крабовидной радиотуманности. Остатков вспышек сверхновых звезд в виде пульсаров и радиотуманностей, подобных Крабовидной, известно уже много.

Нейтронные звезды - это конечная стадия эволюции звезд с массой немного большей, чем у Солнца.

Принято считать, что звезды с массой, значительно превышающей солнечную, завершают свою эволюцию, превращаясь в плотный объект размером примерно с нейтронную звезду, гравитационное поле которого препятствует излучению света. Такой объект называют черной дырой.

Белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, существование которых предсказано теорией, но еще не подтверждено наблюдениями, являются конечными стадиями эволюции звезд различной массы. Из вещества, которое выброшено звездами, в последующем могут образовываться звезды нового поколения. В целом процесс формирования и развития звезд становится понятным, если рассматривать их как составную часть всей звездной системы - Галактики.

Задание 12

1. В какой части диаграммы располагаются звезды, которые: а) обладают большими, чем у Солнца, светимостями и температурой; б) меньшими, чем у Солнца, светимостями и температурой; в) большей, чем у Солнца, светимостью, но меньшей, чем у него, температурой; г) меньшей, чем у Солнца, светимостью, но большей, чем у него, температурой?

На диаграмме цифрами отмечены положения следующих звезд:

1 - Бетельгейзе, 2 - Вега, 3 - Арктур, 4 - Сириус В, 5 - звезда Барнарда.

2. Используя диаграмму,

а) вычислите расстояние до звезд 1, 2, 3, взяв данные о видимой звездной величине из приложения IV;

б) определите видимую звездную величину спутника Сириуса - звезды Сириус В;

в) определите видимую звездную величину звезды Барнарда, если расстояние до нее составляет 1,8 пк.