Удивительная космология - Лев Шильник

Бетельгейзе – красный гигант созвездия Орион

Бетельгейзе – отнюдь не уникум среди звезд. Встречаются красные сверхгиганты столь невообразимо огромные, что звезды вроде Антареса или Бетельгейзе покажутся рядом с ними сущими крохами. Например, эпсилон Возничего превосходит в размерах альфу Ориона по меньшей мере впятеро, но мы его даже не видим, потому что излучение этого монстра почти целиком лежит в инфракрасной области спектра. Обнаружить его удалось из-за присутствия яркого спутника, который периодически затмевается звездой-невидимкой. Эпсилон Возничего является инфракрасным сверхгигантом с поперечником в 3,7 миллиарда километров. Если поместить его на место Солнца, он без труда «проглотит» первые 6 планет (Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн) и заполнит Солнечную систему вплоть до орбиты Урана. Другая звезда этого типа – YV Цефея А – лишь немногим уступает в размерах своей товарке из созвездия Возничего. Ее поперечник больше диаметра Бетельгейзе в три с лишним раза. Поиски звезд-невидимок связаны с большими трудностями, поскольку земная атмосфера почти непрозрачна для инфракрасных лучей; кроме того, собственное тепловое излучение Земли гасит тепло, приходящее из космоса. Тем не менее удалось измерить температуру некоторых звезд, которые светят в инфракрасном диапазоне. Она находится в пределах 800– 1200 градусов Кельвина, что, конечно же, очень мало: 800 градусов – это только-только температура красного каления. Темные и холодные сверхгиганты вроде YV Цефея или эпсилона Возничего должны быть пустыми разреженными мирами, потому что их начинка размазана по колоссальному объему. Если бы каким-то чудом удалось перенести вещество этих звезд в земную лабораторию, его средняя плотность почти не отличалась бы от вакуума.

Коль скоро в природе имеются красные гиганты и сверхгиганты, естественно предположить, что должны существовать и красные карлики, попадающие в тот же самый спектральный класс М. Вспомним хотя бы «летящую» звезду Барнарда, резво движущуюся по небосводу со скоростью более 10 угловых секунд в год. Это очень много, потому что собственное движение звезд измеряется, как правило, гораздо меньшими величинами (около одной секунды в год или еще меньше). Выдающаяся легкоатлетка обязана своим названием американскому астроному Эдварду Барнарду, который открыл ее в 1916 году. Красные карлики, заметно уступающие по массе Солнцу, отнюдь не пузыри, а вполне увесистые полноценные звезды. Более того, сплошь и рядом они значительно плотнее нашего светила. Например, красный карлик Крюгер 60В легче Солнца всего в пять раз, хотя его объем составляет 1/125 часть солнечного. Следовательно, его средняя плотность должна равняться 35 г/см3, что в 25 раз превосходит плотность Солнца (1,4 см3) и в полтора раза – плотность платины. Даже такое твердое небесное тело, как наша родная планета, имеет среднюю плотность порядка 5,5 г/см3 (плотность каменных пород земной коры составляет 2,6 г/см3, а к центру Земли она достигает величины 11,5 г/см3), то есть уступает Крюгеру в шесть с лишним раз.

Звезды-карлики

В скобках заметим, что плотность всех небесных тел (и предельно разреженные газовые пузыри вроде Антареса и Бетельгейзе здесь тоже не исключение) стремительно растет по направлению к центру. Чтобы Солнце могло стабильно существовать, не схлопываясь под действием сил гравитации, плотность его центральных областей должна достигать величин порядка 100 г/см3, что превышает плотность платины в пять раз. Понятно, что в центре Крюгера 60В аналогичный показатель по крайней мере на два порядка больше.

Однако плотность красных карликов – форменный пустяк на фоне карликов белых. Белые карлики – это маленькие и очень горячие звезды, представляющие собой заключительный этап эволюции небесных светил вроде нашего Солнца. Температура их поверхностных слоев колеблется в широких пределах – от 5 тысяч градусов у «старых» холодных звезд до 50 тысяч у «молодых» и горячих. По массе они вполне сопоставимы с Солнцем, а вот их поперечник, как правило, не превышает диаметра Земли (примерно 12 800 километров). Таким образом, их средняя плотность достигает величин порядка 106 г/см3 и превышает солнечную в сотни тысяч раз. Один кубический сантиметр вещества белого карлика может весить несколько тонн. Первый белый карлик был открыт в 1844 году Фридрихом Бесселем, когда он неожиданно обнаружил аномалии в движении Сириуса – самой яркой звезды нашего неба. Его траектория по непонятной причине периодически отклонялась от среднего положения, поэтому Бессель предположил, что Сириус входит в двойную систему, то есть имеет массивную звезду-спутник, а оба светила обращаются вокруг общего центра масс. В 1862 году в окрестностях Сириуса удалось разглядеть тусклое пятнышко, и с тех пор яркий компонент этой двойной системы носит имя Сириус А, а его незначительный темный сосед получил название Сириус В.

Сириус В – далеко не самый мелкий представитель популяции белых карликов. Поскольку его светимость в 300 раз меньше солнечной, а температура поверхности достигает 8000 градусов Кельвина (температура Солнца – 5800 градусов), не составляет большого труда вычислить его размеры. Радиус Сириуса В должен быть около 20 тысяч километров (на 5 тысяч километров меньше Нептуна, но втрое больше Земли), а поскольку его масса составляет 95 % массы Солнца, то средняя плотность его вещества равняется 105 г/см3.

Разумеется, Сириус В – отнюдь не исключительное явление. Вскоре был обнаружен сверхплотный спутник Проциона, почти вдвое легче Солнца, а затем находки хлынули как из рога изобилия. На сегодняшний день белых карликов обнаружено достаточно много (хотя поиски этих маленьких тусклых звезд сопряжены с немалыми трудностями), 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 массы Солнца до 100 солнечных масс. Таким образом, самая тяжелая звезда массивнее самой легкой всего в тысячу раз. Причем следует иметь в виду, что на крайних полюсах шкалы помещается сравнительно немного звездной публики, так как масса подавляющего большинства звезд колеблется в пределах 0,2–5 солнечных масс. Масса – чрезвычайно важная характеристика, поскольку определяет не только звездный modus vivendi, но и ее печальный финал, а в известном смысле – даже посмертную судьбу звезды. Но об эволюции звезд мы в свое время поговорим отдельно.

А как звезду взвесить? Если со светимостью, показателем цвета и спектральным классом, определяющим химический состав и температуру поверхности небесного тела, мы худо-бедно разобрались, как все-таки определить его массу? Незаменимым и безотказным инструментом в подобных случаях являются уже знакомые нам двойные звезды. Дело в том, что измерить массу одиночной звезды практически невозможно. Конечно, интенсивность ее блеска и спектр могут рассказать о многом, поскольку зависят от массы, но все же хотелось бы знать эту величину наверняка. К счастью, убежденные анахореты вроде нашего Солнца встречаются сравнительно редко, так как большинство звезд предпочитают жить в дружном коллективе. Чаще всего это парные двойные системы, реже – тройные и даже четырехкратные. Создать конструкцию из трех или четырех звезд весьма нелегко, поскольку такие системы оказываются динамически неустойчивыми. Чтобы сделать их стабильными, требуется соблюсти ряд условий. Третий компонент должен обращаться вокруг тесной двойной системы по достаточно широкой орбите, никогда не приближаясь на расстояние меньше 8—10 радиусов внутренней «двойки». Он сам, в свою очередь, может быть двойной системой, и тогда две эти пары будут воспринимать друг друга как точечные объекты. В первом случае мы имеем тройную звезду, а во втором – четырехкратную. Из-за особенностей процессов звездообразования систем большей кратности в природе не существует. Двойные звезды обращаются вокруг общего центра тяжести – так называемого барицентра, поскольку каждая из них тянет одеяло на себя, «раскачивая» соседку своим гравитационным полем. Поэтому, если известны периоды обращения звезд и расстояния от них до барицентра, не составит большого труда однозначно вычислить массу каждой звезды.

Следует сказать несколько слов о плоской диаграмме «спектр – светимость» (или «температура – светимость»), потому что астрономы широко ею пользуются. Поскольку впервые диаграммы такого типа стали применять датчанин Э. Герцшпрунг и американец Г. Н. Рассел, их обычно называют диаграммами Герцшпрунга – Рассела. На горизонтальной оси этой диаграммы слева направо отложены спектральные классы от О до М, то есть в порядке убывания температуры. На вертикальной оси снизу вверх располагаются светимости, или абсолютные звездные величины, по мере их возрастания. Независимо друг от друга Герцшпрунг и Рассел обнаружили эмпирическую связь между температурой и светимостью. Как правило, звезда тем ярче, чем она горячее, хотя, конечно, бывают и исключения (вспомните красные сверхгиганты). Но в среднем эта закономерность работает совсем неплохо. Поэтому чем левее лежит спектральный класс исследуемой звезды на горизонтальной оси (следовательно, чем больше ее температура), тем выше она взбирается по вертикальной шкале абсолютных звездных величин (светимости).