Из чего состоят звезды на небе? Виды звезд, их характеристики. Что такое звезды? Что такое звезда для школьников
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!
Статьи о звездах
Удивительно, но звёзды состоят из материалов, которые входят в состав всей остальной Вселенной: водород (73 %), гелий (25 %), другие элементы (2 %). За исключением немногих различий - звёзды имеют в своём составе одинаковые вещества. Теория большого взрыва говорит о том, что 13,7 миллиардов лет назад Вселенная была плотной сферой высочайших температур (крайне горячей). Другими словами, вся Вселенная была огромной звездой.
Момент рождения
В плотной сфере было так горячо, как будто внутри неё находилось мощнейшее ядерное светило. По вселенским масштабам, за недолгий период времени водород трансформировался в гелий с помощью реакции ядерного синтеза. Вселенная постоянно расширялась и охлаждалась. Это привело к тому, что водород с гелием остыли и фактически стали вместе собираться из-за взаимного притяжения. Это и есть момент рождения звезды. В своём составе каждая звезда имеет водород и гелий в соотношении 73 % и 25 % соответственно.
Зная, из чего состоят звезды, учёные пошли дальше в изучении Вселенной. Небесные светила, которые образовались первыми, были огромными. Скорее всего, они взорвались. Но благодаря их жизни и смерти сформировались определённые тяжелые элементы, которые сегодня мы имеем на Земле: углерод, кислород, уран, золото.
Галактики
Известно, что во Вселенной существует не одна галактика. Когда наблюдаешь за ночным небом, невольно задаёшься вопросом: из чего состоят звезды и как они рождаются. Понятно, что звезды образовываются со времени зарождения самой Вселенной. Но происходит ли рождение новых звезд и правда ли, что звезды умирают?
Астрономы рассчитали, что ежегодно в нашей галактике, которая носит название Млечный Путь, зарождаются пять новых звезд. Среди них есть металлически богатые и металлически бедные. Богатые имеют в своём составе больше тяжелых элементов от предыдущих звезд, а металлически бедные - меньше. Интересно, а из чего состоят звезды, кроме как из гелия и водорода? Какие другие элементы входят в их состав? И чем они отличаются?
Составляющие элементы
Интересно, что соотношение элементов всегда остается более-менее равным. К примеру, Солнце богато металлами. Оно имеет внутри более высокое число тяжелых элементов, чем в среднем такие же звезды. Но и оно обладает соотношением: 71 % - водород, 27,1 % - гелий, остальные - азот, кислород, углерод. Водород в гелий преобразовывается внутри солнечного ядра уже 4,5 миллиарда лет.
А из чего состоят звезды, кроме водорода и гелия? Все ли небесные светила имеют одинаковый состав других элементов? Этот состав такой же, как у Солнца, или нет?
Ученый Вернадский В. И. говорил так о звездах, как о центре максимального сгущения энергии и материи в Галактике. Сегодня уже о звездах говорят не как о скоплении газа, а как о сверхплотных космических объектах с огромной массой. Предположительно, звезды по своему строению неоднородны. Они схожи в химических элементах, но имеют их в разном процентном соотношении.
Есть даже предположения, что аналог звезды - это шаровая молния. В её центре точечный источник - ядро, окруженное оболочкой из плазмы. Слой воздуха - это граница оболочки. Шаровая молния светится разными цветами и радиусами, вращается и имеет вес от восьми до десяти килограмм.
Размеры и объем звезд
Выше описано, из чего состоят звезды на небе, но почему они такие разные по объёму? Если Солнце изобразить в виде шара диаметром десять сантиметров, то всю Солнечную систему можно указать в виде круга с поперечником в восемьсот метров. Тогда самая близкая звезда к Солнцу, Проксима Центавра, будет на 2 700 км. Сириус будет на расстоянии 5 500 км, Альтаир - на 9 700 км, Вега - на 17 000 км. Арктур на расстоянии от главного нашего светила 23 000 км, Капелла - в 28 000 км, Регул - в 53 000 км, а Денеб - в 350 000 км.
По размеру звезды отличаются между собой. Солнце значительно уступает в своем объеме Сириусу, Альтаиру, Проциону, Бетельгейзе и Эпсилону Возничего. Но оно во много раз больше Проксимы Центавра и некоторых других звезд. В нашей галактике оной из самых больших звезд считается красный сверхгигант, находящийся в самом центре. Он больше, чем орбита Сатурна. Это гранатовая звезда Цефея.
Наблюдая за звёздами, люди ещё в древности заметили, что они скапливаются в причудливые формы, которые напоминают разные фигуры. Соответственно этим формам им стали давать названия.
Звездный охотник
Рассмотрим созвездие Орион - его пояс состоит из трех звезд, в трёх строчках. Имя дано в честь древнегреческого героя мифов - охотника. Сегодня Орион является очень известным созвездием, одним из крупнейших, очень заметных и узнаваемых. Большие звезды Ориона видны в обоих полушариях, так как находится его пояс на небесном экваторе. С октября по начало января вечером его видно в средних широтах Северного полушария, с конца июля по ноябрь можно увидеть утром. Орион полезно использовать в качестве помощника для осуществления поиска других звезд.
В древности люди еще не знали, из чего состоят звезды в космосе, но уже составляли карты звездного неба. Тогда художники, составляя звездную карту, иногда связывали окружающие созвездия с Орионом. Символически его изображали стоящим с двумя охотничьими собаками (Большим и Малым Псом) на берегу реки Эридан. При этом собаки боролись с Тельцом. Орион необычайно богат на яркие объекты.
Альфа Ориона - это Бетельгейзе. Она красная и превосходит размерами орбиту Марса. Но Бетельгейзе немного тусклее, чем бета Ригель. Это огромная сине-белая звезда, которая является одной из самых ярких на звездном небе. Особенно эффектным выглядят пояса Ориона из звезд: Минтака, Алнитак и Алнилам - дельта, зета и эпсилон соответственно. Это три яркие звезды, стоящие рядом друг с другом, благодаря которым и можно отличить Орион от других созвездий.
Большая Медведица: из каких звезд состоит созвездие и как оно образовалось?
Звездная Медведица тоже известна с древности. Греки считали её нимфой Каллисто, спутницей Артемиды, возлюбленной Зевса, навлекшей на себя гнев богини. Она нарушила правила спутниц Артемиды, и её превратили в медведицу, а бБогиня натравила на неё собак. Зевс, спасая возлюбленную, вознёс её на небо. Хотя говорят и о том, что это сам Зевс превратил Каллисто в медведицу, скрывая измены от своей ревнующей жены. Артемида устроила на медведицу охоту по ошибке или по наущению догадливой Геры. В общем, история запутанная, так как возможно, что Гера, мстя за измены, превратила Каллисто в созвездие. Охоту же на медведицу по ошибке устроил Аркад, сын Каллисто. Есть и другие истории про малую медведицу, про младенца Зевса и его нянь медведиц, скрывавшихся от Крона. Но так или иначе, мы наблюдаем за Большой Медведицей, её красотой и загадкой, связанной с её появлением.
Интересно, из каких звезд состоит Большая Медведица и где её наблюдают? Это созвездие хорошо видно в средних широтах. Здесь оно относится к незаходящим. На небе видно семь наиболее ярких звезд - ковш с ручкой. Их очень легко увидеть и отличить от других. Звезды относятся к категории второй величины. Среди них слабее только верхняя левая звезда так называемого ковша.
Две звезды
Кроме этих семи, насчитывается ещё 125, которые ярче, чем шестая величина. Это одно из самых больших созвездий. Его границы выходят намного дальше пределов так называемого ковша, звезды которого находятся на разных расстояниях от нас, начиная с 50 световых лет (это ближайшая звезда Алиот).
Среди известных созвездий есть и совсем маленькие по количеству насчитываемых в нём звезд. В вопросах по астрономии часто можно встретить вопрос: какое созвездие состоит всего из двух звезд, и где оно расположено на звездном небе. Это система эпсилон Возничего. Она состоит из двух звезд - видимой и невидимой. Видимая выглядит в созвездии Возничего как желтоватый огромный сверхгигант. Температура на его поверхности 6600 К. Она в 36 раз массивнее Солнца. Её диаметр в 190 раз больше солнечного. Однако даже её размеры меркнут на фоне второй звезды, диаметр которой в 2700 раз больше диаметра Солнца. Внутри неё можно свободно поместить орбиты всех планет солнечной системы, вплоть до Сатурна. Однако светимость этого сверхмощного гиганта мала (почти как у Солнца). Эта звезда очень холодная. Температура на поверхности составляет 1600 К.
Нейтронные звёзды
Существование звезд, обладающих ничтожно малыми размерами, по сравнению с Солнцем, было доказано относительно недавно. Реальность такого объекта стала очевидной в 1967 году, когда были открыты пульсары. Тогда Т. Голд предположил, что это и есть быстровращающиеся звезды, называемые нейтронными. Их существование предсказывалось еще физиками-теоретиками 30-х годах XX столетия. Первым из них был Лев Ландау. Какая особенность этих небесных объектов, из чего состоит нейтронная звезда и как образуется?
Изучая теорию небесных светил, было предположено, что нейтронные объекты должны быть около 10 км в размерах. Плотность вещества в центре таких звезд достигает плотности ядра атома: 2,8 х 1014 грамм/см³. В 1934 году было высказано предположение о том, что нейтронные звезды состоят из вырожденных нейтронов и образуются, когда вспыхивает сверхновая звезда.
Позже, с открытием пульсаров, это предположение подтвердилось. Рождение пульсаров - это грандиозное небесное явление, сопровождающееся вспышкой сверхновой взрывающейся звезды. Такие вспышки случаются примерно один раз в 25 лет. Получается, что за 15 млрд лет (время существования галактики) должна уже образоваться не одна сотня нейтронных звезд!
Пульсары
Основная функция пульсара - это появление мощных электрических полей, вырывающих заряженные частицы из звезды и ускоряющих их до высочайших показателей энергии. Это происходит за счет вращения и существования магнитного поля. Частицы, получившие ускорение, порождают кванты электромагнитного излучения (довольно жесткого состояния). Сложные электродинамические процессы небольшую часть энергии преобразуют в радиоволны, наблюдаемые от пульсаров. С вырванными с нейтронной звезды и ускоренными частицами энергия вращения затухает, период вращения пульсаров нарастает, и нейтронная звезда тормозит, благодаря собственному излучению!
При торможении электрический потенциал падает. В итоге наступает момент, когда заряженные частицы перестают образовываться и пульсар умирает. По времени это приблизительно 10 млн лет.
Черные дыры и другие объекты глубокого космоса
Если масса нейтронной звезды превышает 3 массы Солнца, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации, и звезда исчезает под горизонт - образуется черная дыра. Нейтронные звезды (пульсары и черные дыры) относятся к объектам глубокого космоса, которые находятся за пределами солнечной системы. Там же существуют и другие объекты, тоже относящиеся к понятию глубокий космос: экзопланеты, туманности, звездные скопления, квазары, галактики, темная энергия и темная материя. Все эти объекты притягивают большой интерес со стороны ученых. Безусловно, изучение небесных светил, особенно объектов глубокого космоса, очень интересно и важно для развития астрономии как науки и реализации важнейших научных проектов.
Маленькие мерцающие точки в темном ночном небе. Они, казалось, были там всегда. Сотни миллионов человек любуются прекрасными картинами таинственного звездного неба и чтобы восхищаться этим небосводом, совсем не обязательно знать физические характеристики звезд - это красота, в ее первозданном состоянии. Загадочность всегда окружала звезды, именно это влекло к ним тысячи ученых, дилетантов, магов и просто романтиков. Человек связывал со звездным небом свою судьбу, настоящее, прошлое и грядущее. Но если рассматривать звёзды как физические объекты, естественный путь к их познанию лежит через измерения и сопоставление свойств. Чем собственно и занимается современная наука – астрономия.
Хотя де Сент-Экзюпери говорил: «Вы проинтегрировали звезды, и они утратили свою загадочность и романтичность…», мы продолжаем изучать загадочный мир, к которому принадлежим.
Что же представляли для древних культур звезды?
Может это души, а может и боги, может это слезы богов, но никто не мог представить, что это небесные тела, похожи на наше солнце.
По всему миру создавались культы Луны и Солнца, и некоторых известных созвездий и звезд. Люди поклонялись им.
Древние египтяне считали, что, когда люди разгадают природу звезд – наступит конец света. Другие народы верили, что жизнь на земле прекратиться, как только созвездие Гончих Псов догонит Большую Медведицу. Вифлеемская звезда знаменовала приход Иисуса Христа, а звезда Полынь оповестит о конце света.
Все это красноречиво говорит об огромном значении для людей знаний о звездном небе. Например, одним из величайших астрономов древности был самараканец Улугбек, точность его наблюдений и расчетов была потрясающей, а все это происходило во времена, когда еще никто не задумывался о телескопах…далеком XV веке. Ученые современности даже засомневались в подлинности этих данных. Все древние культуры имели огромные обсерватории, в которых мудрецы или жрецы, шаманы или магистры вели свои наблюдения. Такие знания были крайне необходимы. Составлялись календари, прогнозы, гороскопы. Одним из интереснейших открытий для ученых стали календари, составленные древними Майя, жрецы древнего Египта были также одними из первых астрономов.
Но для внесения ясности нужно отметить, что в те далекие времена науки астрономии еще не существовало, это было лишь как одна из составляющих астрологии. Древние большое внимание уделяли на связь судеб человека и происходящего в мире с состоянием звездного неба.
Тайны приоткрывались с огромным трудом, а ответов становилось все меньше по сравнению с вопросами, которые порождали эти же ответы.
Человек – очень интересное существо. Он накапливает знания, полученные за много тысячелетий, но вместе с тем иногда забывает, что знания намного важнее войн и разрушений – так теряется очень много и современной науке нужно все начинать сначала.
Для человека очень важным было знать что в этом мире есть нечнто вечное – как звезды, люди думали, что они существовали всегда и никогда не изменялись. Но и это мнение оказалось ошибочным, уже ни для кого не секрет, что картина звездного неба уже не такая как 4-5 тысяч лет назад, звезды появляются и исчезают, и «передвигаются» по небосводу. У них есть своя жизнь. Передвижение звезд Сириус, Процион и Арктур, относительно других заметил в 1718 г. английский астроном Эдмунд Галлей. Это были ярчайшие звезды в небе, сейчас же установлено что такое передвижение – закономерность для всех звезд. Но, например, о том, что звезды меняют свой блеск знали еще древние греки. Наука Нового времени показала, что многим звездам присуще это свойство.
Английский астроном Уильям Гершель в конце XVIII века предполагал, что все звезды излучают одинаковое количество света, а различие в видимой яркости обусловлены лишь не одинаковым удалением их от Земли. Но в 1837 г., когда измерили расстояние до ближайших звезд, его теория оказалась неверной.
Наша система оказалась в спокойной части галактики, вдали от горячих звезд и ярких светил, поэтому так долго ничего не удавалось узнать о звездах. Вследствие чего, ученые обратили взоры на ближайшую звезду – Солнце.
До середины XIX века считалось, что наружный слой Солнца горячий, а под ним скрывается холодная поверхность, изредка виднеющаяся через пятна – просветы в раскаленных солнечных облаках. Для объяснения этой гипотезы предполагалось, что на поверхность постоянно падали кометы и метеориты, которые передавали бы ему свою кинетическую энергию. Пробовали объяснить энерговыделение на Солнце привычным земным огнем – теплом, выделяющимся при химических реакциях. Но в таком случае весь запас солнечных «дров» выгорел бы за несколько тысяч лет. А даже древние знали, что светилу намного больше.
В 1853 г. немецкий физик Герман Гельмгольц предположил, что источник энергии звезд является их сжатие, ведь всем известно, что при сжатии газ нагревается. [Простым примером может служить обычный велосипедный насос, который нагревается при накачивании.] При этом на нагрев газа затрачивается не вся энергия, часть ее расходуется на излучение. Сжатие – это источник уже значительно более мощный, чем простое горение. Сжимающееся Солнце могло бы светить десятки миллионов лет. Но энергосистема Солнца непрерывно действует уже несколько миллиардов лет, и это факт уже доказан учеными.
Основными характеристиками звезды, которые могут быть тем или иным способом определены из наблюдений, это: мощность ее излучения (светимость), масса, радиус и химический состав атмосферы, а так же ее температура. При этом, зная еще некоторые дополнительные параметры можно рассчитать возраст звезды. Но к этому вернемся позже.
Жизненный путь звезды довольно сложен. В течение своей истории она разогревается до очень высоких температур и остывает до такой степени, что в сё атмосфере начинают образовываться пылинки. Звезда расширяется до грандиозных размеров, сравнимых с размерами орбиты Марса, и сжимается до нескольких десятков километров. Светимость её возрастает до огромных величин и падает почти до нуля.
Жизнь звезды не всегда протекает гладко. Картина её эволюции усложняется вращением, иногда очень быстрым, на пределе устойчивости (при быстром вращении центробежные силы стремятся разорвать звезду). Некоторые звёзды обладают скоростью вращения на поверхности 500 – 600 км/с. Для Солнца эта величина составляет около 2 км/с. Солнце – звезда относительно спокойная, но даже оно испытывает колебания с различными периодами, на его поверхности происходят взрывы и выбросы вещества. Активность некоторых других звёзд несравнимо выше. На определённых этапах своей эволюции звезда может стать переменной, начав регулярно менять свой блеск, сжиматься и опять расширяться. А иногда на звёздах происходят сильные взрывы. Когда взрываются самые массивные звёзды, их блеск на короткий срок может превысить блеск всех остальных звёзд галактики, вместе взятых.
В начале XX в., в основном благодаря трудам английского астрофизика Артура Эддингтона, окончательно сформировалось представление о звёздах как о раскалённых газовых шарах, заключающих в своих недрах источник энергии – термоядерный синтез ядер гелия из ядер водорода. Впоследствии выяснилось, что в звёздах могут синтезироваться и более тяжёлые химические элементы. Вещество, из которого сделана любая книга, также прошло через «термоядерную топку» и было выброшено в космическое пространство при взрыве породившей его звезды.
По современным представлениям, жизненный путь одиночной звезды определяется её начальной массой и химическим составом. Чему равна минимальная возможная масса звезды, с уверенностью мы сказать не можем. Дело в том, что маломассивные звёзды очень слабые объекты и наблюдать их довольно трудно. Теория звёздной 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 звёзд. Их светимость меньше солнечной в десятки тысяч раз. Температура на поверхности подобных звёзд не превосходит 2 – 3 тыс. градусов. Одним из таких тусклых багрово-красных карликов является ближайшая к Солнцу звезда Проксима в созвездии Центавра.
В звёздах большой массы, напротив, эти реакции протекают с огромной скоростью. Если масса рождающейся звезды превышает 50 – 70 солнечных масс, то после загорания термоядерного топлива чрезвычайно интенсивное излучение своим давлением может просто сбросить излишек массы. Звёзды, масса которых близка к предельной, обнаружены, например, в туманности Тарантул в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако. Есть они и в нашей Галактике. Через несколько миллионов лет, а может быть и раньше, эти звёзды могут взорваться как сверхновые (так называют взрывающиеся звёзды с большой энергией вспышки).
История изучения химического состава звёзд начинается с середины XIX в. Ещё в 1835 г. французский философ Огюст Конт писал, что химический состав звёзд навсегда останется для нас тайной. Но вскоре был применён метод спектрального анализа, который теперь позволяет узнать из чего состоят не только Солнце и близкие звёзды, но и самые удалённые галактики и квазары. Спектральный анализ дал неоспоримые доказательства физического единства мира. На звёздах не обнаружено ни одного неизвестного химического элемента. Единственный элемент – гелий был открыт сначала на Солнце и лишь потом на Земле. Но неизвестные на Земле физические состояния вещества (сильная ионизация, вырождение) наблюдаются именно в атмосферах и недрах звёзд.
Наиболее обильным элементом в звёздах является водород. Приблизительно втрое меньше содержится в них гелия. Правда, говоря о химическом составе звёзд, чаще всего имеют в виду содержание элементов тяжелее гелия. Доля тяжёлых элементов невелика (около 2%), но они, по выражению американского астрофизика Дэвида Грея, подобно щепотке соли в тарелке супа, придают особый вкус работе исследователя звёзд. От их количества во многом зависят и размер, и температура, и светимость звезды.
После водорода и гелия на звёздах наиболее распространены те же элементы, которые преобладают в химическом составе Земли: кислород, углерод, азот, железо и др. Химический состав оказался различным у звёзд разного возраста. В самых старых звёздах доля элементов тяжелее гелия значительно меньше, чем на Солнце. В некоторых звёздах содержание железа меньше солнечного в сотни и тысячи раз. А вот звёзд, где этих элементов было бы больше, чем на Солнце, сравнительно немного. Эти звёзды (многие из них двойные), как правило, являются необычными и по другим параметрам: температуре, напряжённости магнитного поля, скорости вращения. Некоторые звёзды выделяются по содержанию какого-нибудь одного элемента или группы элементов. Таковы, например, бариевые или ртутно-марганцевые звёзды. Причины подобных аномалий пока малопонятны. На первый взгляд может показаться, что исследование этих малых добавок немного дает для понимания эволюции звезд. Но на самом деле это не так. Химические элементы тяжелее гелия образовались в результате термоядерных и ядерных реакций в недрах очень массивных звёзд, при вспышках новых и сверхновых звёзд предыдущих поколений. Изучение зависимости химического состава от возраста звёзд позволяет пролить свет на историю их образования в различные эпохи, на химическую эволюцию Вселенной в целом.
Важную роль в жизни звезды играет её магнитное поле. С магнитным полем связаны практически все проявления солнечной активности: пятна, вспышки, факелы и др. На звёздах, магнитное поле которых значительно сильнее солнечного, эти процессы протекают с большей интенсивностью. В частности, переменность блеска некоторых таких звёзд объясняют появлением пятен, аналогичных солнечным, но закрывающих десятки процентов их поверхности. Однако физические механизмы, обусловливающие активность звёзд, ещё не до конца изучены. Наибольшей интенсивности магнитные поля достигают на компактных звёздных остатках – белых карликах и особенно нейтронных звёздах.
За период немногим более двух столетий представление о звёздах изменилось кардинально. Из непостижимо далёких и равнодушных светящихся точек на небе они превратились в предмет всестороннего физического исследования. Как бы отвечая на упрек де Сент-Экзюпери, взгляд на эту проблему выразил американский физик Ричард Фейнман: «Поэты утверждают, что наука лишает звёзды красоты. Для нее звезды – просто газовые шары. Совсем не просто. Я тоже любуюсь звёздами и чувствую их красоту. Вот только кто из нас видит больше?»
Благодаря развитию наблюдательных технологий астрономы получили возможность исследовать не только видимое, но и невидимое глазу излучение звезд. Сейчас уже многое известно об их строении и эволюции, хотя немало остается и непонятного.
Еще впереди то время, когда исполниться мечта создателя современной науки о звездах Артура Эддингтона и мы, наконец «сможем понять такую простую вещь, как звезда».
Большинство из нас любит смотреть на ночное звездное небо. Оно притягивает наши взгляды своей завораживающей красотой, манит к себе. Предки наши считали, что по звездам можно предсказать судьбу и найти по ним дорогу домой. Звезды – это не только красивые огоньки в небе, служащие для написания гороскопов и являющиеся навигаторами. Так что же такое «звезда» на самом деле?
Звезда – это небесный объект, газовый шар, образующийся из газово-пылевой среды, включающей водород и гелий, в результате гравитационного сжатия. Среда эта распространяется неоднородно, благодаря чему появляются области повышенной плотности. Под действием гравитации среда сжимается, увеличивая температуру и плотность. Процесс сжатия и нагрева продолжается до тех пор, пока температура центральной области не достигнет нескольких миллионов градусов. Вследствие термоядерной реакции, освобождается некоторая часть энергии, после чего в центре звезды перерабатывается энергия, поддерживающая ее существование и излучение.
Температура звезд в центре составляет около миллиона Кельвинов, а на поверхности – несколько тысяч. Выделяемая в ходе термоядерных реакций энергия, служит основным источником энергии на планетах.
Кроме гелия и водорода звезды содержат в себе другие некоторые химические элементы. Астрономы называют их металлами. Например, кальций, натрий, магний, алюминий и кремний. Химический состав можно определить по линиям в спектрах. Выделение энергии в обычной звезде происходит за счет превращения водорода в гелий в самой ее сердцевине.
Звезда – это небесное тело, излучающее свет. Существует их во Вселенной очень и очень много. Они различаются по размерам, плотности и температуре. Бывают звезды «красные супергиганты», размер которых превышает Солнце, а плотность меньше, чем воздух, а бывают «белые карлики», по размерам сравнительны с нашей планетой и имеющие плотность в сотни тысяч раз больше, чем «супергиганты».
Из одной и теорий следует, что звезда, в течение своей жизни, проходит обе фазы. Ведь звезда образовалась из облака космической пыли, которое постепенно сжимается. Далее эта «среда» превращается в газообразную и становится «красным супергигантом». На этом сжатие не заканчивается, и звезда становится похожа по размеру и температуре на Солнце. В таком состоянии она остается миллиарды лет, излучая энергию, благодаря водороду.
Звезда разрушается, когда водород заканчивается. Происходят взрывы, и звезда превращается в «белого карлика». Когда запасы энергии исчерпываются полностью, звезда начинает гаснуть. В древности видели некую связь, систему между звездами. Так появились созвездия - некие группы звезд, фигуры, образованные с их помощью. Также звезды образуют галактики – совокупность звезд, звездных скоплений, пыли и темной материи.
Таким образом, звезда в первую очередь не путеводитель и не предсказатель будущего и судьбы человека. Она проходит некий жизненный цикл: она рождается, развивается, объединяется в группы-созвездия и умирает.
Несмотря на разницу в размерах, в начале своего развития все эти звезды имели похожий состав.
То, из чего состоят звезды, полностью определяет их характер и судьбу - начиная от цвета и яркости, заканчивая сроком жизни. Более того, на составе звезды завязан весь процесс ее образования, равно как и формирования ее - и нашей Солнечной системы в том числе.
Любая звезда в начале своего жизненного пути - будь то монструозные гиганты вроде или желтые карлики как наше - состоит приблизительно из равной пропорции одних и тех же веществ. Это 73% водорода, 25% гелия и еще 2% атомов дополнительных тяжелых веществ. Почти таким же был состав Вселенной после , за исключением 2% тяжелых элементов. Они образовались после взрывов первых во Вселенной звезд, чьи размеры превышали размах современных галактик.
Однако почему тогда звезды такие разные? Секрет кроется в тех самых «дополнительных» 2 процентах звездного состава. Это не единственный фактор - очевидно, что достаточно большую роль играет масса звезды. Именно определяет судьбу светила - сгорит оно за пару сотен миллионов лет, подобно , или же будет светить миллиардами лет, как Солнце. Однако дополнительные вещества в составе звезды могут перебить все другие условия.
Состав звезды SDSS J102915 +172927 идентичен составу первых звезд, возникших после Большого взрыва.
Вглубь звезды
Но как такая ничтожная часть состава звезды может серьезно изменить ее функционирование? Для человека, в среднем состоящего на 70% из воды, потеря 2% жидкости не страшна - это всего лишь ощущается как сильная жажда и не приводит к необратимым изменениям в организме. Но Вселенная очень чуткая даже к самым малым переменам - будь 50-я часть состава нашего Солнца хоть капельку иной, жизнь в могла и не образоваться.
Как это работает? Для начала вспомним одно из главных последствий гравитационных взаимодействий, упоминаемое повсеместно в астрономии - тяжелое стремится к центру. Любая планета служит этого принципа: самые тяжелые элементы, вроде железа, располагаются в ядре, когда более легкие - снаружи.
То же самое происходит во время образования звезды из рассеянного вещества. В условном стандарте строения звезды гелий образует ядро светила, а из водорода собирается окружающая оболочка. Когда масса гелия переваливает за критическую точку, гравитационные силы сжимают ядро с такой силой, что в прослойках между гелием и водородом в ядре начинается .
Именно тогда звезда и зажигается - еще совсем молодая, окутанная водородными облаками, которые со временем улягутся на ее поверхности. Свечение играет важную роль в существовании звезды - именно , пытающиеся вырваться из ядра после термоядерной реакции, удерживают светило от моментального сжатия в или . Также имеет силу обычная конвекция, перемещение вещества под воздействием температуры - ионизированные накалом у ядра, атомы водорода поднимаются в верхние слои звезды, перемешивая тем самым материю в нем.
Так все же, при чем тут 2% тяжелых веществ в составе звезды? Дело в том, что любой элемент тяжелее гелия - будь то углерод, кислород или металлы - неминуемо окажется в самом центре ядра. Они опускают планку массы, по достижению которой зажигается термоядерная реакция - и чем тяжелее вещества в центре, тем быстрее зажигается ядро. Однако при этом оно будет излучать меньше энергии - размеры эпицентра горения водорода будут скромнее, чем если бы ядро звезды состояло из чистого гелия.
Солнцу повезло?
Итак, 4 с половиной миллиарда лет назад, когда Солнце только стало полноценной звездой, оно состояло из того же материала, что и вся - трех четвертей водорода, одной четверти гелия, и пятидесятой части примесей металлов. Благодаря особой конфигурации этих добавок, энергия Солнца стала подходящей для наличия жизни в его системе.
Под металлами не подразумевается только никель, железо или золото - астрономы называют металлами все, что отличается от водорода и гелия. Туманность, из которой по теории сформировалось , была сильно металлизирована - она состояла из остатков сверхновых звезд, которые стали источником тяжелых элементов во Вселенной. Звезды, чьи условия зарождения были схожи с Солнечными, называются звездами населения I. Такие светила составляют большую часть нашей .
Мы уже знаем, что благодаря 2% металлов в содержании Солнца оно горит медленнее - это обеспечивает не только долгую «жизнь» звезде, но и равномерную подачу энергии - важные для зарождения жизни на критерии. Кроме того, раннее начало термоядерной реакции поспособствовало тому, что не все тяжелые вещества были поглощены младенцем-Солнцем - в итоге сумели зародиться и полностью сформироваться существующие нынче планеты.
К слову, Солнце могло гореть немногим тусклее - пусть и маленькую, но все же значимую часть металлов забрали у Солнца газовые гиганты. В первую очередь стоит выделить , немало изменивший в Солнечной системе. Влияние планет на состав звезд было доказано в процессе наблюдений за тройной звездной системой . Там есть две звезды, похожие на Солнце, и возле одной из них нашли газовый гигант, масса которого минимум в 1,6 раза больше Юпитера. Металлизация этой звезды оказалась существенно ниже ее соседки.
Старение звезды и изменение состава
Однако время не стоит на месте - и термоядерные реакции внутри звезд постепенно изменяют их состав. Главной и самой простой реакцией синтеза, который протекает в большинстве звезд во Вселенной, и в нашем Солнце в том числе, является протон-протонный цикл. В нем четыре атома водорода сливаются воедино, образуя в итоге один атом гелия и очень большой выход энергии - до 98% общей энергии звезды. Такой процесс называется еще «горением» водорода: в Солнце «сгорает» до 4 миллионов тонн водорода ежесекундно.
Как меняется состав звезды в процессе ? Это мы можем понять того, что мы уже узнали о звездах в статье. Рассмотрим на примере нашего Солнца: количество гелия в ядре будет увеличиваться; соответственно, будет расти объем ядра звезды. Из-за этого увеличится площадь термоядерной реакции, а вместе с ней - интенсивность свечения и температура Солнца. Через 1 миллиард лет (в возрасте 5,6 млрд лет) энергия звезды вырастет на 10%. В возрасте 8 миллиардов лет (через 3 млрд лет от сегодняшнего дня) солнечное излучение составит 140% от современного - условия на Земле к тому времени поменяются настолько, что она в точности будет напоминать .
Рост интенсивности протон-протонной реакции сильно отразится на составе звезды - водород, мало затронутый с момента рождения, станет сгорать куда быстрее. Нарушится баланс между оболочкой Солнца и его ядром - водородная оболочка станет расширяться, а гелиевое ядро, наоборот, сужаться. В возрасте 11 миллиардов лет сила излучения из ядра звезды станет слабее сжимающей его гравитации - греть ядро теперь станет именно растущее сжатие.
Существенные изменения в составе звезды произойдут еще через миллиард лет, когда температура и сжатие ядра Солнца вырастет настолько, что запустится следующая стадия термоядерной реакции - «горение» гелия. В итоге реакции, атомные ядра гелия сначала сбиваются вместе, превращаясь в нестабильную форму бериллия, а затем в углерод и кислород. Сила этой реакции невероятно велика - когда будут зажигаться нетронутые островки гелия, Солнце будет вспыхивать до 5200 раз ярче, чем сегодня!
Во время этих процессов ядро Солнца будет продолжать накаляться, а оболочка расширится до границ орбиты Земли и значительно остынет - ибо чем больше площадь излучения, тем больше энергии теряет тело. Пострадает и масса светила: потоки звездного ветра будут уносить остатки гелия, водорода и новообразованных углерода с кислородом в далекий космос. Так наше Солнце превратится в . Полностью завершится развитие светила тогда, когда оболочка звезды окончательно истощится, и останется только плотное, горячее и маленькое ядро - . Оно медленно будет остывать миллиардами лет.
Эволюция состава звезд, отличных от Солнца
На этапе возгорания гелия термоядерные процессы в звезде размеров Солнца заканчиваются. Массы небольших звезд недостаточно для возгорания новообразованных углерода и кислорода - светило должно быть минимум в 5 раз массивнее Солнца, чтобы углерод начал ядерное преобразование.
