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.
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