Эволюция звезд

 

    Жизнь черного  облака

 

Молекулярные облака устроены значительно сложнее, чем знакомые нам облака водяного пара в земной атмосфере. Снаружи молекулярное облако покрыто толстым слоем атомарного газа, поскольку проникающее туда излучение звёзд разрушает хрупкие  молекулы. Но находящаяся в наружном слое пыль поглощает излучение, и  глубже, в тёмных недрах облака, газ  почти полностью состоит из молекул. Структура облаков постоянно  изменяется под действием взаимных столкновений, нагрева звёздным излучением, давления межзвёздных магнитных  полей. В разных частях облака плотность  газа различается в тысячу (во столько  же раз вода плотнее комнатного воздуха). Когда плотность облака (или отдельной  его части) становится настолько  большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо коллапсировать. Размер его  уменьшается всё быстрее и  быстрее, а плотность растёт. Небольшие  неоднородности плотности в процессе коллапса усиливаются, и в итоге  облако фрагментирует, т. е. распадается  на части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие. При коллапсе возрастают температура и давление газа, что препятствует дальнейшему  увеличению плотности. Но пока облако прозрачно для излучения, оно  легко остывает и сжатие не прекращается. Большую роль в дальнейшем играет космическая пыль. Хотя по массе  она составляет всего 1% межзвёздного вещества, это очень важный его  компонент. В тёмных облаках пылинки  поглощают энергию газа и перерабатывают её в инфракрасное излучение, которое  легко покидает облако, унося излишки  тепла. Наконец из-за увеличения плотности  отдельных фрагментов облака газ становится менее прозрачным. Остывание затрудняется, и возрастающее давление останавливает коллапс. В будущем из каждого фрагмента образуется звезда, а все вместе они составляют группу молодых звёзд в недрах молекулярного облака.

Коллапс плотной части  облака в звезду, а чаще –в группу звёзд продолжается несколько миллионов  лет (сравнительно быстро по космическим  масштабам). Новорожденные звёзды разогревают  окружающий газ, и под действием  высокого давления остатки облака разлетаются. Именно этот этап мы видим в туманности Ориона. Но по соседству с ней  продолжается формирование будущих  поколений звёзд. Для света эти  области совершенно непрозрачны  и наблюдаются только с помощью  инфракрасных и радиотелескопах.

 

    Облако становится  звездой

 

Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах тёмных облаков, так что этот процесс  практически недоступен прямому  наблюдению. Астрофизики пытаются исследовать  его теоретически, с помощью компьютерного  моделирования. Превращение фрагмента  облака в звезду сопровождается гигантским изменением физических условий: температура  вещества возрастает примерно в 106 раз, а плотность – в 1020раз. Колоссальные изменения всех характеристик формирующейся  звезды составляют главную трудность  теоретического рассмотрения её эволюции. На стадии подобных изменений исходный объект уже не облако, но ещё и  не звезда. Поэтому его называют протозвездой (от греч. «протос»– «первый»).

В общих чертах эволюцию протозвезды можно разделить  на три этапа, или фазы. Первый этап–  обособление фрагмента облака и  его уплотнение –мы уже рассмотрели. Вслед за ним наступает этап быстрого сжатия. В его начале радиус протозвезды  примерно в миллион раз больше солнечного. Она совершенно непрозрачна для видимого света, но прозрачна для инфракрасного излучения с длиной волны больше 10 мкм. Излучение уносит излишки тепла, выделяющегося при сжатии, так что температура не повышается и давление газа не препятствует коллапсу. Происходит быстрое сжатие, практически свободное падение вещества к центру облака.

Однако по мере сжатия протозвезда  делается всё менее прозрачной, что  затрудняет выход излучения и  приводит к росту температуры  газа. В определённый момент протозвезда  становится практически непрозрачной для собственного теплового излучения. Температура, а вместе с ней и  давление газа быстро возрастают, сжатие замедляется.

Повышение температуры вызывает значительные изменения свойств  вещества. При температуре в несколько  тысяч градусов молекулы распадаются  на отдельные атомы, а при температуре  около 10 тыс. градусов атомы ионизируют, т. е. разрушаются их электронные  оболочки. Эти энергоёмкие процессы на некоторое время задерживают  рост температуры, но затем он возобновляется. Протозвезда быстро достигает состояния, когда сила тяжести практически  уравновешена внутренним давлением  газа. Но поскольку тепло всё же понемногу уходит наружу, а иных источников энергии, кроме сжатия, у  протозвезды нет, она продолжает потихоньку сжиматься и температура  в её недрах всё увеличивается.

Наконец температура в  центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, и начинаются термоядерные реакции. Выделяющееся при  этом тепло полностью компенсирует охлаждение протозвезды с поверхности. Сжатие прекращается. Протозвезда становится звездой.

 

    Основные звездные  характеристики

 

Чтобы любоваться звёздным небосводом, совсем не обязательно  описывать все звёзды и выяснять их физические характеристики–они красивы сами по себе. Но если рассматривать звёзды как природные объекты, естественный путь к их познанию лежит через измерения и сопоставление свойств.

 

    Светимость и  расстояние до звезд

 

Прежде всего надо понять, что звезды, за редчайшим исключением, наблюдаются как "точечные" источники  излучения. Это означает, что их угловые  размеры очень малы. Даже в самые  большие телескопы нельзя увидеть  звезды в виде "реальных" дисков. Подчеркиваю слово "реальных", так как благодаря чисто инструментальным эффектам, а главным образом неспокойностью атмосферы, в фокальной плоскости  телескопов получается "ложное" изображение  звезды в виде диска. Угловые размеры  этого диска редко бывают меньше одной секунды дуги, между тем  как даже для ближайших звезд  они должны быть меньше одной сотой  доли секунды дуги. Итак, звезда даже в самый большой телескоп не может  быть, как говорят астрономы, "разрешена". Это означает, что мы можем измерять только потоки излучения от звезд  в разных спектральных участках. Мерой  величины потока является звездная величина.

Светимость определяется, если известны видимая величина и  расстояние до звезды. Если для определения  видимой величины астрономия располагает  вполне надежными методами, то расстояние до звезд определить не так просто. Для сравнительно близких звезд, удаленных на расстояние, не превышающие  нескольких десятков парсек, расстояние определяется известным еще с  начала прошлого столетия тригонометрическим методом, заключающимся в измерении  ничтожно малых угловых смещений звезд при их наблюдении с разных точек земной орбиты, то есть в разное время года. Этот метод имеет довольно большую точность и достаточно надежен. Однако для большинства других более  удаленных звезд он уже не годится: слишком малые смещения положения  звезд надо измерять - меньше одной  сотой доли секунды дуги! На помощь приходят другие методы, значительно менее точные, но тем не менее достаточно надежные. В ряде случаев абсолютную величину звезд можно определить и непосредственно, без измерения расстояния до них, по некоторым наблюдаемым особенностям их излучения.

 

    Спектры звезд  и их химический состав

 

Исключительно богатую информацию дает изучение спектров звезд. Уже давно  спектры подавляющего большинства  звезд разделены на классы. Последовательность спектральных классов обозначается буквами O, B, A, F, G, K, M. Существующая система  классификации звездных спектров настолько  точна, что позволяет определить спектр с точностью до одной десятой  класса. Например, часть последовательности звездных спектров между классами B и А обозначается как В0, В1 ... . В9, А0 и так далее. Спектр звезд  в первом приближении похож на спектр излучающего "черного" тела с некоторой температурой Т. Эти  температуры плавно меняются от 40-50 тысяч градусов у звезд спектрального  класса О до 3000 градусов у звезд  спектрального класса М. В соответствии с этим основная часть излучения  звезд спектральных классов О  и В приходиться на ультрафиолетовую часть спектра, недоступную для  наблюдения с поверхности земли. Однако в последние десятилетия  были запущены специализированные искусственные  спутники земли; на их борту были установлены  телескопы, с помощью которых  оказалось возможным исследовать  и ультрафиолетовое излучение.

Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у  них огромного количества линий  поглощения, принадлежащих различным  элементам. Тонкий анализ этих линий  позволил получить особенно ценную информацию о природе наружных слоев звезд.

Химический состав наружных слоев звезд, откуда к нам "непосредственно" приходит их излучение, характеризуется  полным преобладанием водорода. На втором месте находится гелий, а  обилие остальных элементов достаточно невелико. Приблизительно на каждые десять тысяч атомов водорода приходиться  тысячи атомов гелия, около 10 атомов кислорода, немного меньше углерода и азота  и всего лишь один атом железа. Обилие остальных элементов совершенно ничтожно. Без преувеличения можно  сказать, что наружные слои звезд - это  гигантские водородно-гелиевые плазмы с небольшой примесью более тяжелых  элементов. Хорошим индикатором  температуры наружных слоев звезды является ее цвет. Горячие звезды спектральных классов О и В имеют голубой  цвет; звезды, сходные с нашим  Солнцем (спектральный класс которого G2), представляются желтыми, звезды же спектральных классов К и М - красные. В астрофизике имеется тщательно  разработанная и вполне объективная  система цветов. Она основана на сравнении наблюдаемых звездных величин, полученных через различные  строго эталонированные светофильтры. Количественно цвет звезд характеризуется  разностью двух величин, полученных через два фильтра, один из которых  пропускает преимущественно синие  лучи ("В"), а другой имеет кривую спектральной чувствительности, сходную  с человеческим глазом("V"). Техника  измерений цвета звезд настолько  высока, что по измеренному значению B-V можно определить спектр звезды с  точностью до подкласса. Для слабых звезд анализ цветов - единственная возможность их спектральной классификации.

 

    Температура и  масса звезд

 

Знание спектрального  класса или цвета звезды сразу  же дает температуру ее поверхности. Так как звезды излучают приблизительно как абсолютно черные тела соответствующей  температуры, то мощность, излученная единицей их поверхности, определяется из закона Стефана - Больцмана:

 

    pВ=sТ4 ,

 

где s =5, 6Ч10-5 - постоянная Стефана. Мощность излучения всей поверхности  звезды, или ее светимость, очевидно, будет равна

 

    (*),

 

где R - радиус звезды. Таким  образом, для определения радиуса  звезды надо знать ее светимость и  температуру поверхности.

Нам остается определить еще  одну, едва ли не самую важную характеристику звезды - ее массу. Надо сказать, что  это сделать не так то просто. А главное существует не так уж много звезд, для которых имеются  надежные определения их масс. Последние  легче всего определить, если звезды образуют двойную систему, для которой  большая полуось орбиты а и  период обращения Р известны. В  этом случае массы определяются из третьего закона Кеплера, который может  быть записан в следующем виде:

здесь М1 и М2 - массы компонент  системы, G - постоянная в законе всемирного тяготения Ньютона. Уравнение дает сумму масс компонент системы. Если к тому же известно отношение орбитальных  скоростей, то их массы можно определить отдельно. К сожалению, только для  сравнительно небольшого количества двойных  систем можно таким образом определить массу каждой из звезд. В сущности, астрономия не располагала и не располагает  в настоящее время методом  прямого и независимого определения  массы (то есть не входящей в состав кратных систем) изолированной звезды. И это достаточно серьезный недостаток нашей науки о Вселенной. Если бы такой метод существовал, прогресс наших знаний был бы значительно  более быстрым. В такой ситуации астрономы молчаливо принимаю, что звезды с одинаковой светимостью и цветом имеют одинаковые массы. Последние же определяются только для двойных систем. Утверждение, что одиночная звезда с той же светимостью и цветом имеет такую же массу, как и ее "сестра", входящая в состав двойной системы, всегда следует принимать с некоторой осторожностью.

 

    Связь основных  звездных величин

 

Итак, современная астрономия располагает методами определения  основных звездных характеристик: светимости, поверхностной температуры (цвета), радиуса, химического состава и  массы. Возникает важный вопрос: являются ли эти характеристики независимыми? Оказывается, нет. Прежде всего имеется  функциональная зависимость, связывающая  радиус звезды, ее болометрическую  светимость и поверхностную температуру. Эта зависимость представляется простой формулой ( * ) и является тривиальной. Наряду с этим, однако, давно уже была обнаружена зависимость  между светимостью звезд и  их спектральным классом (или, что фактически одно и то же - цветом). Эту зависимость  эмпирически установили (независимо) на большом статистическом материале  еще в начале нашего столетия выдающиеся астрономы датчанин Герцшпрунг и  американец Рессел (рис. 1).

 

    Молодые звёздные  коллективы

 

Большой интерес представляют не только индивидуальные молодые звёзды, но и их коллективы. Молодые звёзды сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости Галактики, что совсем не удивительно: именно там находится  слой межзвёздного газа. На нашем небосводе  молодые звёзды большой светимости и нагретые ими газовые облака пролегли полосой Млечного Пути. Но если тёмной летней ночью внимательно  посмотреть на небо, можно заметить, что в Млечном Пути выделяются отдельные «звёздные облака». Насколько они реальны и какую ступень в эволюции вещества отражают? Эти обширные группировки молодых звёзд получили название звёздные комплексы. Их характерные размеры– несколько сот парсек. Исторически первыми были обнаружены и исследованы более компактные группы молодых звёзд–рассеянные скопления, подобные Плеядам. Эти сравнительно плотные группы из нескольких сот или тысяч звёзд, связанных взаимной гравитацией, успешно противостоят разрушающему влиянию гравитационного поля Галактики. Их происхождение не вызывает споров: предками таких скоплений являются плотные ядра межзвёздных молекулярных облаков. Рассеянные скопления понемногу теряют свои звёзды, но всё же живут довольно долго: в среднем около 500 млн. лет, а иногда и несколько миллиардов.

Часто молодые плотные  скопления окружены разреженной  короной из таких же молодых звёзд. Нередко подобные короны встречаются  сама по себе, без центрального скопления. Их называют звёздными ассоциациями. Обычно на фоне Млечного Пути выделяются лишь массивные и яркие члены  ассоциации–звёзды спектральных классов  О и В. Поэтому такие группировки  именуются ОВ-ассоциациями. У некоторых  из них замечены признаки расширения со скоростью 5-10 км/с, которое началось с самого рождения звёзд. Причина  расширения, вероятно, в том, что  массивные горячие звёзды сразу  после своего появления разогревают  окружающий газ и изгоняют его  из области звёздообразования. С  уходом газа эти области лишаются 70-95% своей массы и уже не могут  удержать быстро движущиеся звёзды, которые  вслед за газом покидают место  своего рождения.

Ассоциации недолговечны через 10-20 млн. лет они расширяются  до размера более 100 пк и их уже  невозможно выделить среди звёзд  фона. Это создаёт иллюзию, что  ассоциации–редкие группировки  звёзд. В действительности они рождаются не реже скоплений, просто разрушаются быстрее.

 

    Как устроена  звезда и как она живёт

 

Звёзды не останутся вечно  такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной постоянно рождаются  новые звёзды, а старые умирают. Чтобы  понять, как эволюционирует звезда, как меняются с течением времени  её внешние параметры–размер, светимость, масса, необходимо проанализировать процессы, протекающие в недрах звезды. А  для этого надо знать, как устроены эти недра, каковы их химический состав, температура, плотность, давление. Но наблюдениям  доступны лишь внешние слои звёзд– их атмосферы. Проникнуть в глубь  даже ближайшей звезды – Солнца –мы не можем. Приходится прибегать  к косвенным методам: расчётам, компьютерному  моделированию. При этом пользуются данными о внешних слоях, известными законами физики и механики, общими как для Земли, так и для  звёздного мира. Условия в недрах звёзд значительно отличаются от условий в земных лабораториях, но элементарные частицы– электроны, протоны, нейтроны –там те же, что и на Земле. Звёзды состоят из тех же химических элементов, что и наша планета. Поэтому  к ним можно применять значения, полученные в лабораториях.