Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Совсем плохо дело обстоит в случае одиночных звезд. Фактически сегодня астрономия не располагает методом независимого определения массы одиночной звезды. Сейчас астрономы пришли к следующему молчаливому соглашению: на главной последовательности звезды одинакового спектрального класса имеют равную массу. Существующие здесь неопределенности ограничивают в известной мере полноту наших знаний.

Тем не менее можно сказать, что современный астроном-наблюдатель может, в принципе, определить светимость, температуру, радиус, химический состав и массу звезды. Еще в начале века стали складываться представления о том, что эти величины не являются независимыми. Датский астроном Е. Герцшпрунг и американец Г. Рессел независимо друг от друга установили отчетливую корреляцию между светимостью звезд и их спектральным классом.

Давайте посмотрим на знаменитую диаграмму Герцшпрунга — Рессела. По оси ординат отложены абсолютные звездные величины (светимости), а по оси абсцисс — спектральные классы. Если на эту диаграмму нанести положение большого количества звезд, то образуется отчетливая и сравнительно узкая полоса Она называется «главной последовательностью». Справа и вверху от главной последовательности расположена группа гигантов, а в самом верхнем правом углу находятся сверхгиганты.

Это звезды высокой светимости, но относятся они к спектральным классам K и M, температура их поверхности сравнительно низка. Следовательно, радиусы этих звезд огромны — в десятки раз больше радиуса нашего Солнца.

В левом нижнем углу диаграммы расположены звезды малой светимости, белого цвета. Это — знаменитые «белые карлики».

Ясно, что диаграмму Герцшпрунга — Рессела можно построить и для отдельных скоплений звезд, в частности, для уже упоминавшихся шаровых скоплений. Это очень важно, поскольку считается, что все звезды скопления образовались из одного газо-пылевого облака и имеют примерно равный возраст.

Для различных скоплений вид диаграмм Герцшпрунга — Рессела может заметно отличаться. Но в любом случае диаграммы показывают на совершенно определенные закономерности в расположении звезд в них и на отчетливую связь между светимостью и спектром. Поэтому изучение диаграмм Герцшпрунга — Рессела лежит в основе теории эволюции звезд.

Если рассмотреть теперь связь между светимостью и массой, то станет ясно, что для звезд главной последовательности светимость и спектр звезды в первом приближении определяются ее массой. Этот факт чрезвычайной важности, и задача теории звездной эволюции — выявить конкретные физические механизмы, определяющие эти зависимости. Если мы еще раз посмотрим на главную последовательность, то наверняка обратим внимание на то, чем больше масса звезды, тем больше ее светимость, радиус и поверхностная температура.

В Галактике имеется как минимум два различных типа звездного населения. Население первого типа состоит из звезд, расположенных главным образом в плоскости диска Галактики, на заметных расстояниях от ее центра. Население второго типа характерно для шаровых скоплений и, соответственно, центрального района Галактики, поскольку они концентрируются главным образом к центру Млечного Пути. Звезды, имеющие различное пространственное распределение, заметно отличаются и по химическому составу. Так, например, звезды шаровых скоплений обеднены тяжелыми элементами по сравнению со звездами диска, а это свидетельствует о различии в возрасте звезд. Пространственному распределению в Галактике горячих массивных звезд очень хорошо соответствует распределение облаков межзвездного газа. Это сильный аргумент в пользу образования звезд путем конденсации газо-пылевых облаков.

Конечно же, короткая информация о типах населений и диаграмма Герцшпрунга — Рессела отнюдь не исчерпывают все характеристики звезд. Но поскольку мы сейчас переходим к новому разделу «Мира астрономии», нам нужны «ключевые слова». Мы должны узнать новую терминологию и иметь представление об основных и самых простых характеристиках звезд. С этим багажом мы уже можем отправиться в удивительно интересное путешествие по миру звезд, где многие объекты не укладываются ни в какие диаграммы и типы населений. Более того, они не укладываются и в обычные человеческие представления.

Как рождаются звезды

Рождение звезд в Галактике происходит непрерывно. С одной стороны, можно доказать неизбежность этого процесса простым примером, «на пальцах». Мы знаем, что возраст нашей Галактики порядка 10 миллиардов лет. Известно также, что ежегодно в нашей Галактике «умирает» как минимум одна звезда.

Если бы все звезды образовались одновременно, в начале жизни Галактики, то часть их к сегодняшнему дню должна была бы «умереть». Во всяком случае, все яркие массивные звезды, время жизни которых порядка десяти миллионов лет, должны были бы исчезнуть с небосвода. Поскольку мы все-таки можем любоваться россыпями звезд (в том числе и самых ярких!) на ночном небе, ясно, что в Галактике идут процессы, компенсирующие смерть звезд, а именно — их рождение.

С другой стороны, есть данные наблюдательной астрономии, напрямую свидетельствующие о рождении звезд. Как же это происходит?

Согласно общепринятой точке зрения колыбелями звезд являются газо-пылевые комплексы. Когда мы говорили о галактиках, мы упоминали о межзвездной среде. Сейчас самое время остановиться на этом вопросе подробнее. В начале XX века в астрономии было сделано выдающееся открытие, суть которого состояла в том, что межзвездное пространство отнюдь не является абсолютной пустотой, как это молчаливо предполагалось еще со времен Ньютона. Удалось установить, что межзвездное пространство заполнено газом очень малой плотности.

Интересно, что и в этом открытии основную роль сыграл эффект Доплера. Если наблюдать спектры двойных звезд, то по причине их орбитального движения вокруг общего центра масс линии в спектре будут периодически сдвигаться то в одну, то в другую сторону. Когда звезда начнет приближаться к нам, они будут немного уходить к фиолетовому концу спектра, а когда станет удаляться, линии будут испытывать красное смещение.

При наблюдениях происходило именно таким образом, за одним лишь исключением. Две линии, принадлежавшие Ca²⁺, оставались неподвижными на фоне периодических смещений всех остальных линий. Они получили название стационарных, и стало ясно, что они принадлежат не звезде, а межзвездной, неподвижной субстанции, поглощавшей излучение звезды в узких линиях.

То, что межзвездный газ был обнаружен по линиям кальция, не свидетельствует еще о том, что концентрация кальция там велика. Просто его так называемые резонансные линии поглощения находятся в видимой области спектра, в то время как линии наиболее распространенных элементов сдвинуты глубоко в коротковолновую область.

Возьмем, к примеру, водород, длина волны резонансной линии которого составляет всего 1216 ангстрем. Совершенно ясно, что эта линия в земных «условиях просто ненаблюдаема», поскольку атмосфера «зарезает» ее полностью. Поэтому большая часть информации о химическом составе межзвездного газа была получена методами внеатмосферной астрономии.

В 1972 году 90-сантиметровый телескоп специального спутника «Коперник» принес новую информацию о составе межзвездной среды. Там удалось обнаружить углерод, кислород, магний, кремний, серу, марганец и другие элементы. Было также установлено, что химический состав облаков существенно отличается от солнечного. Разумеется, в межзвездных облаках был обнаружен и самый обильный элемент Вселенной — водород. Причем очень важно, что водород может присутствовать в форме нейтрального атома (HI) и в ионизированной форме (HII). Отношение ионизированного и нейтрального водорода в различных облаках колеблется от нескольких десятых до значений менее чем 10⁷.