Звезды. Звёзды карлики, гиганты и сверхгиганты

Результаты определения звёздных поперечников оказались поистине поразительными. не подозревали раньше, что во могут быть такие звезды-гиганты . Первой звездой, истинные размеры которой удалось определить (в 1920 г.), была яркая звезда созвездия Ориона, носящая арабское название Бетельгейзе. Её поперечник оказался превышающим диаметр орбиты Марса! Другой звездой-гигантом является Антарес, самая яркая звезда в созвездии Скорпиона: её поперечник примерно в полтора раза больше диаметра земной орбиты. В ряду открытых пока звёздных гигантов надо поставить и так называемую Дивную "Мира", звезду в созвездии Кита, диаметр которой в 330 раз больше диаметра нашего Солнца. Обычно звёзды-гиганты имеют радиусы от 10 до 100 солнечных радиусов и светимости от 10 до 1000 светимостей Солнца. Звёзды со светимостью большей, чем у гигантов, называются сверхгиганты и гипергиганты.

Звезды-гиганты обладают интересным физическим строением. Расчёт показывает, что подобные звёзды, несмотря на чудовищные размеры, содержат несоразмерно мало вещества. Они тяжелее нашего Солнца всего в несколько раз; а так как по объёму Бетельгейзе, например, больше Солнца в 40000000 раз, то плотность этой звезды должна быть ничтожна. И если вещество Солнца в среднем по плотности приближается к , то вещество звёзд-гигантов в этом отношении походит на разреженный воздух. Звезды-гиганты, по выражению одного астронома, "напоминают громадный аэростат малой плотности, значительно меньшей, нежели плотность воздуха".

Звезда становится гигантом после того, как весь водород, доступный для реакции в ядре звезды, был использован. Звезда, начальная масса которой не превышает примерно 0,4 солнечных масс, не станет звездой-гигантом. Это происходит потому, что вещество внутри таких звёзд сильно смешано путём конвекции, и поэтому водород продолжает участвовать в реакции до тех пор, пока не израсходует всю массу звезды, в этой точке она становится белым карликом, состоящим преимущественно из гелия. Если звезда является более массивной, чем этот нижний предел, то когда она потребит весь водород, доступный в ядре для реакции, ядро начнёт сжиматься. Теперь водород реагирует с гелием в оболочке вокруг богатого гелием ядра и часть звезды за пределами оболочки расширяется и охлаждается. В этом месте своей эволюции светимость звезды остаётся примерно постоянной и температура её поверхности понижается. Звезда начинает становиться красным гигантом. В этой точке , уже, как правило, красного гиганта, будет оставаться примерно постоянной, тогда как её светимость и радиус существенно увеличатся, а ядро продолжит сжиматься, повышая свою температуру.

Если масса звезды была ниже примерно 0,5 солнечных масс, считается, что она никогда не достигнет центральных температур, необходимых для синтеза гелия. Поэтому она будет оставаться красной звездой-гигантом с синтезом водорода, пока не начнёт превращаться в гелиевый белый карлик.

Ригель и туманность IC 2118, которую он освещает.

Голубой сверхгигант - тип сверхгигантских (I класс светимости) спектральных классов O и B.

Общие характеристики

Это молодые очень горячие и яркие звёзды с температурой поверхности 20 000-50 000 °C. На диаграмме Герцшпрунга - Рассела расположены в верхней левой части. Их масса находится в пределах 10-50 солнечных масс (), максимальный радиус достигает 25 солнечных радиусов (). Эти редкие и загадочные звезды - одни из самых горячих, крупнейших и самых ярких объектов в изученной области .

Из-за огромных масс они имеют относительно короткую продолжительность жизни (10-50 миллионов лет) и присутствуют только в молодых космических структурах, таких как рассеянные скопления, рукава спиральных и неправильные галактики. Они практически не встречаются в ядрах спиральных и эллиптических галактик или в шаровых скоплениях, которые, как полагают, являются старыми объектами.

Несмотря на их редкость и их короткую жизнь, голубые сверхгиганты часто встречаются среди звёзд, видимых невооружённым глазом; свойственная им яркость компенсирует их малочисленность.

Взаимопревращение сверхгигантов

Гамма Ориона, Алгол B и Солнце (в центре).

Голубые сверхгиганты - это массивные звёзды, находящиеся в определённой фазе процесса «умирания». В этой фазе интенсивность протекающих в ядре звезды термоядерных реакций снижается, что приводит к сжатию звезды. В результате значительного уменьшения площади поверхности увеличивается плотность излучаемой энергии, а это, в свою очередь, влечёт за собой нагрев поверхности. Такого рода сжатие массивной звёзды приводит к превращению красного сверхгиганта в голубой. Возможен также обратный процесс - превращения голубого сверхгиганта в красный.

В то время как звёздный ветер от красного сверхгиганта плотен и медленен, ветер от голубого сверхгиганта быстр, но разрежён. Если в результате сжатия красный сверхгигант становится голубым, то более быстрый ветер сталкивается с испущенным ранее медленным ветром и заставляет выброшенный материал уплотняться в тонкую оболочку. Почти все наблюдаемые голубые сверхгиганты имеют подобную оболочку, подтверждающую, что все они ранее были красными сверхгигантами.

По мере развития, звезда может несколько раз превращаться из красного сверхгиганта (медленный, плотный ветер) в голубой сверхгигант (быстрый, разрежённый ветер) и наоборот, что создаёт концентрические слабые оболочки вокруг звезды. В промежуточной фазе звезда может быть жёлтой или белой, как, например, Полярная звезда. Как правило, массивная звезда заканчивает своё существование взрывом , но очень небольшое количество звёзд, масса которых колеблется в пределах от восьми до двенадцати солнечных масс, не взрываются, а продолжают эволюционировать и в итоге превращаются в кислородно-неоновые . Пока точно не выяснено, как и почему образуются эти белые карлики из звёзд, которые теоретически должны закончить эволюцию взрывом малой сверхновой. Как голубые, так и красные сверхгиганты могут эволюционировать в сверхновую.

Так как значительную часть времени массивные звёзды пребывают в состоянии красных сверхгигантов, мы наблюдаем больше красных сверхгигантов, чем голубых, и большинство сверхновых происходит из красных сверхгигантов. Астрофизики ранее даже предполагали, что все сверхновые происходят из красных сверхгигантов, однако сверхновая SN 1987A образовалась из голубого сверхгиганта и, таким образом, это предположение оказалось неверным. Это событие также привело к пересмотру некоторых положений теории эволюции звёзд.

Примеры голубых сверхгигантов

Ригель

Самый известный пример - Ригель (бета Ориона), самая яркая звезда в созвездии Орион, масса которой приблизительно в 20 раз больше массы и его светимость примерно в 130 000 раз выше солнечной, а значит, это одна из самых мощных звёзд в Галактике (во всяком случае, самая мощная из ярчайших звёзд на небе, так как Ригель - ближайшая из звёзд с такой огромной светимостью). Древние египтяне связывали Ригель с Сахом - царём звёзд и покровителем умерших, а позже - с Осирисом.

Гамма Парусов

Гамма Парусов - кратная звезда, ярчайшая в созвездии Паруса. Имеет видимую звёздную величину в +1,7m. Расстояние до звёзд системы оценивается в 800 световых лет. Гамма Парусов (Регор) - массивный голубой сверхгигант. Имеет массу в 30 раз больше массы Солнца. Его диаметр в 8 раз больше солнечного. Светимость Регора - 10 600 солнечных светимостей. Необычный спектр звезды, где вместо тёмных линий поглощения имеются яркие эмисионные линии излучения, дал название звезде как «Спектральная жемчужина южного неба»

Альфа Жирафа

Расстояние до звезды примерно 7 тысяч световых лет, и тем не менее, звезда видна невооружённым глазом. Это третья по яркости звезда в созвездии Жирафа, первое и второе место занимают Бета Жирафа и CS Жирафа соответственно.

Дзета Ориона

Дзета Ориона (имеет название Альнитак) - звезда в созвездии Ориона, которая является самой яркой звездой класса O с визуальной звездной величиной +1,72 (в максимуме +1,72 и в минимуме до +1,79), левая и самая близкая звезда астеризма «Пояса Ориона». Расстояние до звезды - около 800 световых лет, светимость примерно 35 000 солнечных.

Тау Большого Пса

Спектрально-двойная звезда в созвездии Большого Пса. Она является наиболее яркой звездой рассеянного звёздного скопления NGC 2362, находясь на расстоянии 3200 св. лет от . Тау Большого Пса - голубой сверхгигант спектрального класса O с видимой звёздной величиной +4,37m. Звёздная система Тау Большого Пса состоит, по крайней мере, из пяти компонентов. В первом приближении Тау Большого Пса - тройная звезда в которой две звезды имеют видимую звёздную величину +4,4m и +5,3m и отстоят друг от друга на 0,15 угловых секунд, а третья звезда имеет видимую звёздную величину +10m и и отстоит от них на 8 угловых секунд, обращаясь с периодом 155 дней вокруг внутренней пары.

Дзета Кормы

Дзета Кормы в представлении художника

Дзета Кормы - ярчайшая звезда созвездия Кормы. Звезда имеет собственное имя Наос. Это массивная голубая звезда, имеющая светимость 870 000 светимостей Солнца. Дзета Кормы массивнее Солнца в 59 раз. Имеет спектральный класс O9.

Предполагается, что в ближайшие сотни тысяч лет Дзета Кормы будет постепенно остывать и расширяться, и пройдёт все спектральные классы: B, A, F, G, K, и M, по мере остывания. По мере этого основное излучение звезды перейдёт в видимый диапазон, и Наос станет одной из ярчайших звёзд будущего земного неба. Спустя 2 миллиона лет, Наос будет иметь спектральный класс M5, а его размеры будут гораздо больше текущей земной орбиты. Затем Наос взорвётся, став сверхновой звездой. Ввиду небольшого расстояния до Земли эта сверхновая будет гораздо ярче блеска полной , а ядро звезды сколлапсирует сразу в . Не исключено, что это будет сопровождаться сильным гамма-всплеском.

10

10 место - AH Скорпиона

Десятую строчку самых крупных звезд в нашей Вселенной занимает красный супергигант, находящийся в созвездии Скорпиона. Экваториальный радиус этой звезды равен 1287 - 1535 радиусов нашего Солнца. Расположена примерно в 12 000 световых лет от Земли.

9

9 место - KY Лебедя

Девятое место занимает звезда, находящаяся в созвездии Лебедь на расстоянии примерно 5 тысяч световых лет от Земли. Экваториальный радиус этой звезды равен 1420 солнечных радиусов. Однако его масса превышает массу Солнца всего в 25 раз. Светит KY Лебедя примерно в миллион раз ярче Солнца.

8

8 место - VV Цефея А

VV Цефея - затменная двойная звезда типа Алголя в созвездии Цефей, которая находится на расстоянии около 5000 световых лет от Земли. В Галактике Млечный Путь она вторая самая крупная звезда (после VY Большого пса). Экваториальный радиус этой звезды равен 1050 - 1900 солнечных радиусов.

7

7 место - VY Большого пса

Крупнейшая звезда в нашей Галактике. Радиус звезды лежит в диапазоне 1300 - 1540 радиусов Солнца. Для того, чтобы облететь звезду по кругу, свету потребовалось бы 8 часов. Как показали исследования, звезда является неустойчивой. Астрономы предсказывают, что VY Большого Пса взорвётся как гиперновая в ближайшие 100 тысяч лет. Теоретически, взрыв гиперновой вызовет гамма-всплески, которые могут повредить содержимое локальной части Вселенной, уничтожая любую клеточную жизнь в радиусе нескольких световых лет, однако, гипергигант расположен недостаточно близко к Земле, чтобы представлять угрозу (примерно 4 тысячи световых лет).

6

6 место - VX Стрельца

Гигантская пульсирующая переменная звезда. Её объем, а также температура периодически меняются. По данным астрономов, экваториальный радиус этой звезды равен 1520 радиусов Солнца. Своё имя звезда получила по названию созвездия, в котором она находится. Проявления звезды из-за её пульсации напоминают биоритмы человеческого сердца.

5

5 место - Вэстерланд 1-26

Пятую строчку занимает красный сверхгигант, радиус этой звезды лежит в диапазоне 1520 - 1540 солнечных радиусов. Находится она в 11 500 световых лет от Земли. Если бы Вэстерланд 1-26 находилась в центре Солнечной системы, её фотосфера охватила бы орбиту Юпитера. Например, типичная протяжённость фотосферы по глубине для Солнца составляет 300 км.

4

4 место - WOH G64

WOH G64 - красный сверхгигант, находящийся в созвездии Золотой Рыбы. Расположена в соседней галактике Большое Магелланово Облако. Расстояние до Солнечной системы составляет примерно 163 000 световых лет. Радиус звезды лежит в диапазоне 1540 - 1730 солнечных радиусов. Звезда завершит своё существование и станет сверхновой через несколько тысяч или десятков тысяч лет.

3

3 место - RW Цефея

Бронза достается звезде RW Цефея. Красный супергигант находится на расстоянии 2739 световых лет от нас. Экваториальный радиус этой звезды равен 1636 солнечных радиусов.

2

2 место - NML Лебедя

Вторую строчку крупнейших звезд Вселенной занимает красный гипергигант в созвездии Лебедь. Радиус звезды примерно равен 1650 солнечных радиусов. Расстояние до нее оценивается примерно в 5300 световых лет. В составе звезды астрономы обнаружили такие вещества, как вода, монооксид углерода, сульфид водорода, окись серы.

1

1 место - UY Щита

Самая крупная звезда в нашей Вселенной на данный момент - гипергигант в созвездии Щита. Находится на расстоянии 9500 световых лет от Солнца. Экваториальный радиус звезды равен 1708 радиусов нашего Солнца. Светимость звезды приблизительно в 120 000 раз больше светимости Солнца в видимой части спектра, яркость была бы гораздо выше, если бы не было большого скопления газа и пыли вокруг звезды.

Сверхгиганты - одни из самых массивных звезд. Массы сверхгигантов варьируют от 10 до 70 масс Солнца, светимости - от 30 000 вплоть до сотен тысяч солнечных. Радиусы могут сильно отличаться - от 30 до 500, а иногда и превышают 1000 солнечных, тогда их ещё можно называть гипергигантами. Из закона Стефана - Больцмана следует, что относительно холодные поверхности красных сверхгигантов выделяют намного меньше энергии с единицы площади, чем горячие голубые сверхгиганты. Поэтому при одинаковой светимости красный сверхгигант всегда будет иметь больший размер, чем голубой.

В диаграмме Герцшпрунга - Рессела, характеризующей отношения звездной величины, светимости, температуры и спектрального класса, такие светила расположены сверху, указывая на высокую (от +5 до +12) видимую величину объектов. Их жизненный цикл короче, чем у других звезд, потому что своего состояния они достигают в финале эволюционного процесса, когда запасы ядерного топлива на исходе. В раскаленных объектах заканчивается гелий и водород, а горение продолжается за счет кислорода и углерода и далее вплоть до железа.

Крупные звезды покидают главную последовательность, когда в их ядре начинается горение углерода и кислорода, – они становятся красными сверхгигантами. Их газовая оболочка вырастает до огромных размеров, распространяясь на миллионы километров. Химические процессы, проходящие с проникновением конвекции из оболочки в ядро, приводят к синтезу тяжелых элементов железного пика, которые после взрыва разлетаются в космосе. Именно красные сверхгиганты обычно заканчивают жизненный путь светила и взрываются сверхновой. Газовая оболочка звезды дает начало новой туманности, а вырожденное ядро превращается в белого карлика. Антарес и Бетельгейзе – крупнейшие объекты из числа умирающих красных светил.

Рис.74. Диск звезды Бетельгейзе. Снимок телескопа «Хаббл».

В отличие от красных, доживающих долгую жизнь гигантов, голубые гиганты – это молодые и раскаленные звезды, превосходящие своей массой солнечную в 10-50 раз, а радиусом – в 20-25 раз. Их температура впечатляет – она составляет 20-50 тыс. градусов. Поверхность голубых сверхгигантов стремительно уменьшается из-за сжатия, при этом излучение внутренней энергии непрерывно растет и повышает температуру светила. Ярчайшая звезда созвездия Ориона – Ригель – отличный пример голубого сверхгиганта. Ее внушительная масса в 20 раз превышает Солнце, светимость выше в 130 тысяч раз.

Рис.75. Созвездие Ориона.

В созвездии Лебедя наблюдается звезда Денеб – еще один представитель этого редкого класса. Это – яркий сверхгигант. На небосводе по своей светимости эта далекая звезда может сравниться только с Ригелем. Интенсивность ее излучения сравнима с 196 тысяч Солнц, радиус объекта превосходит наше светило в 200 раз, а масса – в 19. Денеб быстро теряет свою массу, звездный ветер невероятной силы разносит ее вещество по Вселенной. Звезда уже вступила в период нестабильности. Пока ее блеск изменяется по небольшой амплитуде, но со временем станет пульсирующим. После исчерпания запаса тяжелых элементов, которые поддерживают стабильность ядра, Денеб, как другие голубые сверхгиганты, вспыхнет сверхновой, а его массивное ядро станет черной дырой.

Гипергиганты незначительно превосходят сверхгигантов по размеру, но при этом превалируют в массе в десятки раз, а их яркость достигает от 500 тыс. до 5 млн. светимостей Солнца. Эти звезды имеют самую короткую жизнь, иногда она исчисляется сотнями тысяч лет. Таких ярких и мощных объектов в нашей Галактике найдено около 10.

Рис.76. Денеб.

Самой яркой на сегодняшний день звездой (и самой массивной) считается светило R136a1. О ее открытии было объявлено в 2010 году. Это звезда Вольфа-Райе со светимостью примерно в 8 700 000 солнечной и массой в 265 раз большей, чем наша родная звезда. Когда-то ее масса составляла 320 солнечных. R136a1 фактически является частью плотного скопления звезд под названием R136, расположенного в Большом Магеллановом Облаке. По словам Пола Кроутера, одного из первооткрывателей, «планетам нужно больше времени для формирования, чем такой звезде - жить и умереть. Даже если бы там были планеты, никаких астрономов на них не было бы, потому что ночное небо было таким же ярким, как и дневное».

Рис.77. Компьютерная обработка фотоснимка звезды R136a1.

За исключением Луны и всех планет любой кажущийся неподвижным на небе объект является звездой - термоядерным источником энергии, и типы звёзд варьируют от карликов до сверхгигантов.

Наше - звезда, но оно кажется таким ярким и большим из-за близости к нам. Большинство звёзд выглядят светящимися точками даже в мощные телескопы и, тем не менее, нам о них кое-что известно. Так, мы знаем, что они бывают разных размеров и, по крайней мере, половина из них состоит из двух и более звёзд, связанных силой гравитации.

Что такое звезда?

Звёзды - это огромные газовые шары из водорода и гелия со следами других химических элементов. Гравитация притягивает вещество внутрь, а давление раскалённого газа выталкивает его наружу, устанавливая равновесие. Источник энергии звезды находится в её ядре, где ежесекундно миллионы тонн водорода сливаются, образуя гелий. И хотя в недрах Солнца этот процесс идёт непрерывно на протяжении почти 5 млрд. лет, израсходована лишь очень малая часть всех запасов водорода.

Типы звёзд

Звезды главной последовательности. В начале XX в. голландец Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Ресселл из США построили диаграмму Герцшпрунга - Ресселла (ГР), по осям которой отложена светимость звезды в зависимости от температуры на ее поверхности, что позволяет определить расстояние до звезд.

Большинство звёзд, включая Солнце, попадают в полосу, пересекающую диаграмму ГР по диагонали и именуемую главной последовательностью. Эти звезды часто называются карликами, хотя некоторые из них в 20 раз превосходят по размеру Солнце и светят в 20 тыс. раз ярче.

Красные карлики

В холодном, тусклом конце главной последовательности находятся красные карлики - наиболее распространённый вид звёзд. Будучи размером меньше, чем Солнце, они экономно тратят свои запасы топлива, чтобы продлить время собственного существования на десятки миллиардов лет. Если можно было бы видеть все красные карлики, небо было бы буквально усеяно ими. Однако красные карлики светят так слабо, что мы в состоянии наблюдать лишь ближайшие к нам, такие, как Проксима Центавра.

Белые карлики

Ещё меньшими по размеру, чем красные карлики, являются белые карлики. Обычно их диаметр примерно равен земному, но масса может равняться массе Солнца. Объем вещества белого карлика, равный объёму этой книги, имел бы массу около 10 тыс. тонн! Их положение на диаграмме ГР показывает, что они сильно отличаются от красных карликов. Их ядерный источник истощился.

Красные гиганты

После звёзд главной последовательности наиболее распространёнными являются красные гиганты. Они имеют примерно такую же температуру поверхности, как и красные карлики, но они намного ярче и больше, поэтому расположены над главной последовательностью на диаграмме ГР. Масса этих гигантов обычно примерно равна солнечной, однако, если бы один из них занял место нашего светила, внутренние планеты Солнечной системы оказались бы в его атмосфере.

Сверхгиганты

В верхней части диаграммы ГР располагаются редкие сверхгиганты. Бетельгейзе в плече Ориона имеет в поперечнике почти 1 млрд. км. Другой яркий объект Ориона - Ригель, одна из самых ярких звёзд, которая видна невооружённым глазом. Он почти в десять раз меньше Бетельгейзе и при этом почти в 100 раз превосходит размеры Солнца.