05.12.2016
Солнце и красный гигант

Судьба Солнца: красный гигант или нечто иное?

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Солнце сейчас пребывает на самом длинном этапе своей жизни, на котором находится большинство известных звезд. При сопоставлении ключевых наблюдаемых характеристик, яркости (светимости) и температуры это большинство звезд образует на графике протяженную толпу — главную последовательность звезд.

Так проявляется правило — чем горячее звезда, тем она ярче. На главной последовательности Солнце уже провело примерно 5 миллиардов лет и останется еще на 4-5 миллиардов. Это столь долгий срок, и Солнце выглядит столь неизменным, что, кажется, должно произойти нечто удивительное, чтобы Солнце вдруг изменилось. Тем не менее Солнце станет совсем не таким, каким его знаем мы, оно превратится в красный гигант на довольно долгий срок (более миллиарда лет) и на главную последовательность не вернется уже никогда. Необратимое превращение звезды главной последовательности (по-другому, карлика) в гиганта характерно для подавляющего большинства звезд. Почему и как это происходит и какой будет судьба Солнца?

Красный гигант — звезда с обширной прохладной красной оболочкой. Бывают красные гиганты ветви, сгущения и асимптотической ветви.

Ветвь красных гигантов — звезды с ядерными реакциями превращения водорода в гелий в тонком слое вокруг сформировавшегося инертного гелиевого ядра.

Сгущение красных гигантов — звезды с ядер-ными реакциями превращения гелия в углерод в ядре.

Звездный ветер — поток вещества от звезды в космическое пространство.

Субгигант — звезда с ядерными реакциями превращения водорода в гелий в тонком слое вокруг формирующегося инертного гелиевого ядра.

Планетарная туманность — расширяющаяся оболочка, когда-то сброшенная красным гигантом. В ее центре скрывается белый карлик.

Асимптотическая ветвь гигантов — звезды с ядерными реакциями превращения гелия в углерод в ядре и водорода в гелий в тонком слое над ядром.

Прото-планетарная туманность (не путать с протопланетными дисками!) — оболочка, сбрасываемая красным гигантом, пока он еще виден в ее центре.

На схеме показана диаграмма Герцшпрунга — Рассела, по оси абсцисс отложена температура звезд в градусах Кельвина (соответствующий цвет звезды показан фоном рисунка), а по оси ординат — светимость (яркость на одном для всех звезд расстоянии) в светимостях Солнца.

Судьба солнца

Здесь, главная последовательность показана не толпой звезд, а черной линией, проведенной через эту толпу (сама толпа убрана для ясности) — это усредненная главная последовательность. Вообще-то ключевой характеристикой звезды является ее масса: чем она больше, тем сильнее притяжение между частицами вещества, а значит — давление верхних слоев звезды на нижние и соответствующая температура. Поэтому масса, температура и светимость звезды главной последовательности однозначно связаны друг с другом. И каждая звезда занимает на последовательности определенное положение в зависимости от ее массы: маломассивные звезды — на схеме справа внизу, а массивные — слева вверху. Массы (в массах Солнца) отмечены числами около последовательности (нынешнее положение Солнца отмечено звездочкой с цифрой 1).

Отличие звезд главной последовательности от всех остальных заключается в том, что основной источник их энергии — это ядерные реакции превращения водорода в гелий. Значит, со временем внутри звезды водорода становится меньше, а гелия больше. Конечно, из-за этого меняются и наблюдаемые нами характеристики: звезда остается около главной последовательности, но становится чуть ярче (т. е. на схеме чуть смещается вверх). Поэтому, строго говоря, черная линия на диаграмме — это главная последовательность звезд в начале ядерных реакций, т. е. звезд нулевого возраста (по-английски — zero age main sequence, ZAMS).

На схеме цветными линиями показаны эволюционные треки звезд разной массы при их уходе с главной последовательности. Эволюцию массивных звезд (фиолетовый и синий треки) с их превращением в сверхгиганты мы обсудим в отдельном выпуске. Сейчас нас интересует эволюция звезд, подобных Солнцу (зеленый и оранжевый треки для звезд с массой 2 и 0,4 массы Солнца соответственно). Покидая главную последовательность, каждый трек имеет горизонтальный участок, то есть звезда какое-то время сохраняет яркость, но ее внешние слои становятся прохладнее (на диаграмме Герцшпрунга — Рассела имеется в виду температура именно внешних слоев) из-за того, что расширяются в космическое пространство. Причина этого расширения в том, что в самом центре звезды почти весь водород превратился в гелий, и ядерные реакции прекратились. Звезда стала субгигантом — в ее центре возникло инертное гелиевое ядро. Но в тонком слое вокруг него продолжается превращение водорода в гелий. Этот слой тонок потому, что ниже нет топлива, а выше недостаточна температура (чем тяжелее химический элемент, задействованный в ядерной реакции, тем выше нужна температура для реакции).

Далее в звезде происходит еще одно превращение, которое видно на зеленом и оранжевом эволюционных треках на схеме: после горизонтального участка они взмывают вверх. Это значит резкое возрастание яркости при почти неизменной температуре. Поговорим о причинах. Вспомним, что звезда главной последовательности находится в равновесии двух сил: притяжение частиц вещества стремится ее сжать, а энергия изнутри и соответствующее давление — расширить. Но теперь в гелиевом ядре звезды нет ядерных реакций — источника энергии. Временно побеждает притяжение, и ядро чуть сжимается. От этого оно нагревается (как нагревается сжимаемый газ в насосе) и нагревает вышележащие слои водорода. Они выделяют больше энергии в ядерных реакциях, и звезда становится ярче. А для выноса возросшей энергии в обширной прохладной оболочке звезды возникают восходящие потоки горячего вещества и нисходящие — остывшего. Так формируется звезда красный гигант, точнее гигант ветви, названный как раз из-за сходства с веткой этого восходящего участка эволюционного трека на схеме.

Но ветка обрывается (точки, обозначенные «R.G» на рисунке), когда температура в гелиевом ядре звезды становится достаточной для ядерных реакций превращения гелия в углерод (около 150 миллионов градусов). Поскольку теперь гелиевое ядро, а не водородная оболочка дает основную часть энергии, то звезда чуть меняет наблюдаемые нами характеристики: тускнеет, но сохраняет обширную прохладную, а потому красную оболочку и остается красным гигантом. Ядра таких звезд примерно одинаковы, поэтому эти гиганты близки по яркости и цвету и на диаграмме Герцшпрунга — Рассела толпятся примерно в одной точке (обозначенной «RC» на зеленом треке на схеме) — это сгущение красных гигантов в отличие от ветви. Отсюда звезда постепенно опять смещается к кончику ветви (обозначен «АGВ»), поскольку кроме превращения гелия в углерод в ядре активизируется и превращение водорода в гелий в тонком слое вокруг ядра. Эволюционный трек звезды асимптотически приближается к прежней ветви. Поэтому эта стадия называется «гигант асимптотической ветви».

Итак, надо подчеркнуть, что звезды-гиганты отличаются от звезд-карликов (главной последовательности) тем, что внутри них идут и другие ядерные реакции помимо превращения водорода в гелий. Кстати, астрономы разделили звезды на гигантов и карликов еще задолго до понимания их сути. Начальное предположение, что карлики маленькие и потому тусклые, а гиганты — большие и потому яркие, в целом подтвердилось (но только относительно размеров, а не масс — бывают карлики массой 3 массы Солнца и гиганты массой 0,8 массы Солнца!). Но все-таки в XXI веке стоит помнить, что за классификацией звезд стоит разнообразие ядерных реакций.

Белый карлик и планетарная туманность

Для превращения углерода в более тяжелые элементы температура бывает достаточна только внутри звезд массой более 5 масс Солнца — это сверхгиганты, которые мы обсудим отдельно. Большинство же звезд, истратив водородное и гелиевое ядерное «топливо», сбрасывают обширную прохладную оболочку и оголяют ядро — так из красного гиганта получается белый карлик.

В начале сброса оболочки в ее центре еще виден красный гигант. Такая оболочка называется прото-планетарной (в смысле «начальной планетарной») туманностью. А давно сброшенная оболочка с белым карликом в центре (он гораздо менее яркий, чем оболочка, и виден только в самые лучшие телескопы) называется планетарной туманностью. Это название никак не связано с планетами, оно появилось, поскольку в небольшой телескоп такие туманности сферической формы напоминают диски планет.

Солнце, превратившись в красного гиганта, проглотит Меркурий, Венеру и Землю. Кстати, красные гиганты благодаря большим размерам видны издалека и распространены на земном небе среди звезд, видимых без телескопа. Пример — Альдебаран, ярчайшая звезда в созвездии Тельца. Тот самый Альдебаран, мимо которого летят герои мультфильма «Тайна третьей планеты», помните? К Альдебарану бабушка отправляет тортик, внуку Коле на день рождения, а тортик не помещается в космический корабль. Кстати, Альдебаран тоже с трудом помещался бы на небе той планеты, где живет Коля.

Всю стадию красного гиганта (включая ветвь, сгущение и асимптотическую ветвь, всего более миллиарда лет) его обширная прохладная оболочка имеет температуру всего лишь сотни градусов. При этом вещество — уже не плазма (протоны, нейтроны и электроны), а атомы, молекулы и пылинки, в том числе и органические. Оболочка едва удерживается притяжением звезды. Поэтому наиболее быстрые частицы покидают ее — дует звездный ветер от звезды в межзвездное пространство. Так формируется межзвездная среда. На стадии красного гиганта из-за звездного ветра звезда обычно теряет более половины своей массы.

Арктур и звезды-беглецы

Большинство звезд движутся довольно медленно. Например, красный сверхгигант Антарес за 10 лет продвигается к нам на величину его собственного диаметра — представьте медлительного лежебоку, который за 10 лет только подвинулся к краю своего дивана. Но есть и очень быстрые звезды. Сто лет назад американский астроном Эдвард Барнард открыл звезду, которая летит со скоростью 130 км/с. Она именуется летящей звездой Барнарда. Не планируйте полет на космическом корабле к ней: она приближается столь стремительно, что выгоднее подождать. Она сама прибудет в наш район космоса через 10 тысяч лет.

Сотни миллиардов звезд Галактики миллиарды лет создают единое гравитационное поле, которое уравнивает энергии звезд. Быстрые звезды замедляются, а медленные ускоряются. Представьте огромный город, не знающий транспорта — миллиарды медлительных пешеходов: должны быть исключительные причины, чтобы в таком обществе кто-то выделился из толпы. Быстрые звезды на астрономов производят такое же впечатление, как на средневековых жителей — ведьмы, летящие по небу на метлах. Они нарушают священный закон — закон сохранения энергии. Чтобы у одной звезды в Галактике энергия прибавилась, нужно, чтобы у другой — уменьшилась. Долгое время этих обманутых ведьмами бедолаг не могли найти, зато сами «скоростные ведьмы» очень заметны. Сравним самые яркие летние звезды — белую Вегу и красный Арктур, которые видны даже во время белых ночей на петербургском небе. Очень различаются. Вега — местная жительница, всю жизнь — соседка Солнца. Юная беленькая звездочка, без причуд. А вот рыжеволосый Арктур, красный гигант, древний настолько, что никто не знает его возраста. Он проносится мимо нас со скоростью 120 км/с. Только в этот миллион лет он является нашим соседом. Сам не местный. Как недавно выяснилось, он вообще прилетел из другой галактики и переметнулся к нам то ли до, то ли во время ее гибели. Гражданства Млечного Пути он не получит — никто и ничто его теперь не затормозит и здесь не оставит. Арктуру придется пронзить Галактику насквозь и скитаться миллиарды лет в межгалактическом пространстве (кстати, таких межгалактических звезд открывается все больше!).

Все скоростные звезды — это беглецы из нашей или других галактик. И они большая редкость — меньше тысячи звезд сейчас пытается убежать из нашей Галактики, в то время как сотни миллиардов звезд спокойно живут в ней. Одинокой звезде приобрести бешеный импульс неоткуда. Астрономы искали и недавно наконец нашли напарников звезд-беглецов: в звездной паре более массивная звезда-сверхгигант взорвалась, превратилась в нейтронную звезду или черную дыру, а менее массивная звезда-спутник в результате этого взрыва приобрела скорость в сотни и тысячи км/с. Семейная ссора с изгнанием спутника жизни на край Галактики.

Есть и галактический РАГС. Развод звездной пары оформляет сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути. Не бескорыстно. Завлекает пару поближе к себе. Поглощает более массивную звезду («накопившую больше имущества в браке»), а другую звезду выбрасывает из Галактики. Черная дыра разлучница! Среди таких выброшенных звезд очень распространены красные гиганты, поскольку их много в центре Галактики, около центральной черной дыры. Причина для этого: в центре Галактики плотность вещества больше, чем на краю, межзвездные облака массивнее, и звезды из них получаются массивнее, со средней массой 0,8 массы Солнца. Они и превращаются в красных гигантов. Около Солнца преобладают маломассивные красные карлики, в среднем массой 0,2 массы Солнца.

По материалам: Телескоп

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Наш сайт посвящен новостям в сфере высоких технологий, а также инноваций в мире интернета, автопромышленности.

Представлены материалы по развитию технологических компаний и стартапов. Интересным будет информация по настройке и хакингу гаджетов и устройств на Android, Apple iOS и прочее. Покажем как правильно выбирать устройства для покупок.

В процессе наших экспериментов с сайтами по оптимизации и настройке, в рубрике Вебмастер Мы делимся своим опытом в том как создать свой сайт на популярных платформах Joomla, Wordpress, настроить его и оптимизировать.

Самые популярные метки