Таинственные явления природы и Вселенной

На сегодняшний день белых карликов обнаружено достаточно много, и по предварительным оценкам на их долю приходится несколько процентов звезд нашей галактики.

Несмотря на чудовищный разброс звездного населения по параметру плотности — от почти полного вакуума до величин, сравнимых с плотностью атомного ядра, массы звезд различаются не очень сильно — от 0,1 до 100 солнечных масс. Таким образом, самая тяжелая звезда массивнее самой легкой всего в тысячу раз. Причем на крайних полюсах шкалы помещается сравнительно немного звездной публики. Масса подавляющего большинства звезд колеблется в пределах 0,2–5 солнечных масс.

Для наглядного представления всех этих звездных отношений рассмотрим следующую плоскую диаграмму.

Диаграмма: спектральный класс — светимость звезд

Астрономы и физики широко ею пользуются как универсальным инструментом, хотя и называют по-разному. На горизонтальной оси этой диаграммы слева направо отложены спектральные классы в порядке убывания температуры, от О до М. На вертикальной оси снизу вверх располагается светимость (или абсолютные звездные величины) по мере ее возрастания. Есть эмпирическая зависимость между температурой и светимостью. Чем звезда ярче, тем она горячее, хотя, конечно, бывают и исключения (вспомните красные супергиганты). Но в среднем эта закономерность работает. Поэтому чем левее лежит спектральный класс исследуемой звезды на горизонтальной оси (следовательно, чем больше ее температура), тем выше она поднимается по вертикальной шкале абсолютных звездных величин (светимости).

Большинство звезд оказываются на диагонали в виде широкой полосы, идущей от верхнего левого угла диаграммы, где лежали горячие и яркие звезды, к нижнему правому углу, населенному холодными и тусклыми красными карликами. Эту широкую диагональную ленту называют главной последовательностью.

Звезды, лежащие на главной последовательности, подчиняются определенным правилам. Например, существует взаимосвязь между температурой звезды и ее радиусом: звезда с определенной температурой поверхности не может быть сколь угодно большой, а значит, и ее светимость тоже находится в определенном интервале значений. Кроме того, светимость связана с массой звезды. Если идти вдоль главной последовательности от спектральных классов О — В до К — М, то масса звезд непрерывно уменьшается. Скажем, у звезд класса О массы достигают нескольких десятков солнечной, тогда как у звезд класса В они не превышают 10 масс Солнца. Наше Солнце, как известно, имеет спектральный класс G2, поэтому оно будет находиться почти в середине главной последовательности, немного ближе к ее правому нижнему краю. У звезд более поздних классов массы заметно меньше солнечной; например, красные карлики спектрального класса М легче Солнца в 10 раз. Физическую причину всех этих закономерностей удалось понять только после создания теории термоядерных реакций.

Однако на главную последовательность попадает далеко не все звездное население. Красные гиганты образуют отдельную ветвь, которая широкой полосой растет от середины главной последовательности и уходит в правый верхний угол диаграммы — с огромной светимостью и низкой температурой поверхности. На фоне основной массы звездного населения гигантов сравнительно немного. А в нижнем левом углу диаграммы разместились белые карлики — горячие звезды с низкой светимостью, что говорит об их очень малых размерах.

В 1972 году американцами был запущен космический аппарат Pioneer-10. На его борту находилось послание внеземным цивилизациям: табличка с изображениями мужчины, женщины и схемы расположения Земли в космосе. Год спустя вслед за ним отправился Pioneer-11. К настоящему времени оба аппарата уже должны были находиться в дальнем космосе. Однако необычным образом их траектории сильно отклонились от расчетных. Что-то начало их тянуть (или толкать), в результате чего они стали двигаться с ускорением. Оно было крошечным — меньше нанометра в секунду, что эквивалентно одной десятимиллиардной доли гравитации на поверхности Земли. Но этого оказалось достаточно, чтобы сместить Pioneer-10 с его траектории на 400 тыс. километров.

Вычислить путь звезды

И красные гиганты, и белые карлики — это своего рода отходы звездного производства, остаточные формы, определенная стадия эволюции звезд, покинувших главную последовательность. А как вообще живут звезды? Каковы этапы звездной жизни? Бывает ли у них детство, юность, зрелость, старость? Как они умирают?

По современным представлениям, звезды рождаются внутри газово-пылевых облаков, которые начинают сжиматься под действием собственных гравитационных сил. Межзвездная среда только на первый взгляд кажется пустым пространством. В действительности она содержит много газа и пыли, которые распределяются весьма неравномерно. Больше всего газа и пыли концентрируется в галактических спиральных рукавах. Здесь и обнаруживаются так называемые ассоциации молодых звезд.

После обособления и уплотнения фрагмента газово-пылевого облака наступает фаза его быстрого сжатия. Плотность сгустка стремительно растет, а его прозрачность неуклонно снижается, поэтому накапливающееся тепло не может его покинуть, и сгусток начинает разогреваться. Радиус такого звездного зародыша намного превосходит радиус Солнца, но он продолжает сжиматься, потому что давление газа и температура внутри облака не в состоянии уравновесить гравитационные силы. Когда температура в центре образования достигает нескольких миллионов градусов, в его недрах вспыхивают термоядерные реакции синтеза. Температура и давление продолжают расти, и наступает такой момент, когда они начинают эффективно противодействовать силам гравитационного сжатия. Вот тогда-то и появляется новая стабильная и полноценная звезда, которая получает свою законную прописку в главной последовательности.

Как и ранняя, инфляционная стадия эволюции Вселенной, «детство» звезды весьма скоротечно. Тяжелые звезды рождаются гораздо быстрее легких. Например, нашему Солнцу потребовалось примерно 30 млн лет, а звезды, втрое превосходящие его по массе, стабилизируются всего за 100 тыс. лет. А вот у красных карликов, масса которых на порядок меньше солнечной, замедленное развитие: процесс растягивается на время порядка сотен миллионов лет. Но и живут такие звезды намного дольше: масса звезды не только определяет обстоятельства ее появления на свет и первые шаги, но и накладывает отпечаток на все последующее ее существование.

Любая звезда представляет собой большой саморегулирующийся ядерный реактор, обеспечивающий длительное и стабильное производство энергии. Имей мы такой, энергетическая проблема была бы окончательно решена! В составе звезды много водорода. Она его, собственно, и сжигает всю свою жизнь. Водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, во все более тяжелые элементы. Например, наше Солнце, дай ему Бог здоровья, прожило на свете около 5 млрд лет, и все еще содержит больше 80 % водорода. Время жизни звезды на главной последовательности (то есть время ее «спокойной» жизни) зависит, в первую очередь, от ее начальной массы. И тут мы все можем быть спокойны: нашему Солнцу предстоит жизнь долгая и размеренная — не меньше той, что оно уже просуществовало. Доктора (только не медики, а физики и астрономы) дают не меньше 5 млрд лет.

Итак, с описанной только что точки зрения, любая звезда — это раскаленный плазменный шар. Бушующие в ее недрах термоядерные реакции играют двоякую роль: во-первых, поддерживают давление и температуру, чтобы звезда не схлопнулась под действием собственной гравитации, как завещал великий Эйнштейн, а во-вторых, снабжают ее тяжелыми элементами. Накопление тяжелых элементов (а без них невозможно возникновение планет земного типа и, по-видимому, жизни) наиболее активно происходит в массивных звездах.

Каждую секунду Солнце становится легче на 4 млн т. Это вещество просто сгорает.

И тут опять спасибо нашему Солнцу! Не случайно на протяжении всей своей истории люди поют ему дифирамбы. Расход водородного топлива, поддерживающий термоядерные реакции синтеза в недрах, неодинаков у разных звезд. Звезды, сравнимые с Солнцем по массе, живут весьма экономно, поэтому запасов водорода им хватит надолго. Красные карлики еще более бережливы. Поэтому и проживут вдвое, а то и втрое-вчетверо дольше даже Солнца. А вот массивные звезды — другое дело: они сжигают свое ядерное водородное топливо весьма расточительно. Поэтому самые тяжелые из них будут находиться на главной последовательности лишь несколько миллионов лет. Что ж, неумеренная жизнь в молодости приводит к ранней старости…