Переменная звезда — та, блеск (яркость) которой меняется со временем из-за физических процессов внутри или около звезды. Эту истинную переменность звезд стоит отличать от их мерцания и другой переменности, вызванной непостоянством земной атмосферы.
Но при наблюдениях с Земли не так-то просто отделить собственные колебания яркости звезды от вызванных влиянием атмосферы. Поэтому точность фотометрии, т. е. измерений потока излучения от звезд, до 1990-х годов была невысока: не лучше 0,1 m (звездной величины). И число переменных звезд не превышало 30000.
Космические телескопы, и прежде всего телескоп Hipparcos, к концу XX века совершили революцию в исследовании переменности звезд: фотометрия миллионов звезд с точностью лучше 0,01" показала, что почти все звезды в той или иной мере являются переменными. Например, наше Солнце меняет яркость примерно на 0,001m в течение 11-летнего солнечного цикла. Но мы, как и астрономы-профессионалы, для удобства будем рассматривать как переменные только звезды с существенной амплитудой переменности. Сведения о них собираются и систематизируются в Общем каталоге переменных звезд (ОКПЗ) Государственным астрономическим институтом им. П. К. Штернберга (ГАИШ) в Москве.
Переменные звезды долгое время обозначались одной или двумя большими латинскими буквами
перед названием созвездия, например, BW Cam — переменная в созвездии Жирафа. А когда такие сочетания букв были исчерпаны, их стали обозначать большой буквой V (от слова variable — «переменная») с последующим номером, например, V838 Моn — переменная в созвездии Единорога.
Все переменные звезды с заметной амплитудой колебаний яркости можно разделить на четыре большие категории. Здесь причина переменности наблюдаемого нами потока излучения — частичные или полные затмения одной звезды в паре другой звездой. Вторая категория — пульсирующие переменные звезды. К ним, кстати, относится большинство известных ныне переменных звезд с существенной амплитудой. Здесь причина переменности — пульсации звезды, т. е. изменения ее размера, плотности, яркости, цвета, температуры, спектра и других характеристик. Причины пульсаций различны, но все они вытекают из физических свойств вещества звезды. Третья категория — эруптивные, т.е. взрывающиеся, или вспыхивающие, переменные звезды. Это нестабильные звезды, как правило, на грани перехода с одной стадии эволюции на другую. Четвертая категория — вращающиеся переменные звезды с неодинаковой яркостью поверхности. Можно сказать, что это звезды с пятнами или полосами разной яркости. К ним относится и Солнце, но его пятна ничтожны по сравнению с гигантскими пятнами некоторых звезд.
Затменно-переменные звезды
Угасания звезды Алголь (Ветта Персея) были замечены еще в древности, а объяснены в 1783 году Джоном Гудрайком. Примерно каждые 69 часов звезда на 10 часов меркнет — это видно невооруженным глазом. Поэтому Алголь — в таблице переменных звезд в Практикуме № 40. За «подмигиванием» звезды скрывается тесная пара «вальсирующих» Алголя, в которой одна периодически заслоняет другую. Конечно, мы наблюдаем затмения в этой паре только потому, что обе звезды и Земля находятся примерно на одной прямой (отклонение меньше 8°). И это значит, что вообще-то в паре Алголя затмения не полные: как Луна на нашем небе иногда частично заслоняет Солнце, так и здесь одна звезда частично заслоняет другую — частные затмения. При этом общий свет двух звезд пары гаснет на 1,З m. Если бы плоскость орбиты звезд наклонилась к линии «звезда-Земля» на 27°, то затмения нами не наблюдались бы, и Алголь не считался бы переменной звездой. А если бы угол сократился до 3°, затмения стали бы полными, и тогда мы увидели бы гораздо более глубокие угасания Алголя — более чем на З m (т. е. на полчаса Алголь становился бы не виден глазу). По старинным летописям астрономы выяснили, что такое бывало. Как медленно покачивается из стороны в сторону ось быстро вращающегося волчка, так и плоскость орбиты Алголя поворачивается с периодом около 20 ООО лет. В начале нашей эры Алголь не был переменной звездой. Вот почему его «подмигивания», хорошо заметные глазу, не упоминают древние астрономы Гиппарх и Птолемей, хотя они изучили небо при составлении своих звездных каталогов. С 161 по 1482 год нашей эры затмения были, как и сейчас, частичными. А в 1482-1768 годах — полными. Что и привлекло внимание Джона Гудрайка и других астрономов XVIII века. Частичные затмения продолжатся до 3044 года.
Пульсирующие переменные звезды
Звезда б Цефея и ей подобные пульсируют: то раздуваются и, соответственно, охлаждаются и тускнеют, то сжимаются, нагреваются и становятся ярче. Кстати, это напоминает работу автомобильного двигателя: недра звезды выступают в роли горючего, а оболочка — в роли поршня. Горючее превращается в газ, давление которого толкает поршень. Как и в двигателе, процесс имеет несколько этапов. В общем случае энергия звезды, рвущаяся к поверхности из глубин, в неком слое на промежуточной глубине расходуется на распад молекул на атомы или на ионизацию вещества — то есть накапливается в этом слое и до поверхности не доходит. Когда все вещество в упомянутом слое превратится в атомы или ионизируется, энергия глубин больше не задерживается в нем, прорывается к внешним слоям звезды и идет на ее расширение. Расширение оболочки охлаждает и особый слой, где запасалась энергия. Фактически краткое время, пока звезда имеет максимальный размер и яркость, она выпускает в космическое пространство энергию, запасенную в этом особом слое. Он остывает: атомы соединяются в молекулы, или ионы — в атомы. Остывшая звезда сжимается под воздействием притяжения собственных частиц, и цикл повторяется. Помним, что любая звезда находится в равновесии двух сил: взаимного притяжения собственных частиц и давления горячего вещества из глубин. Пульсации — по сути, борьба этих сил, идущая с переменным успехом.
Ближайшая к Земле цефеида, звезда типа Цефея — Полярная звезда. К тому же она является тройной системой. Близкая звезда-спутник летает вокруг центральной звезды с периодом около 30 лет. Но, кроме одного наблюдения, выполненного телескопом «Хаббл», Полярная и ее звезда-спутник всегда наблюдались совместно, а орбитальные характеристики вычислялись по изменениям их общей яркости. Однако все осложняется тем, что Полярная меняет яркость из-за пульсаций, да еще и имеет некие странные долгопериодические изменения яркости: за XX век амплитуда ее переменности уменьшилась с 8 % почти до нуля (в XXI веке Полярная почти не пульсирует!) при том, что в среднем за последний век она стала ярче на 15 %. Выходит, главные открытия по физике Полярной звезды и всех цефеид еще впереди. И хотя Полярная не отмечена в Практикуме № 40, но поглядывайте на нее — вдруг явно вспыхнет или погаснет у вас на глазах. Кстати, как Полярная, многие пульсирующие звезды с гигантскими оболочками пульсируют неправильно. Отсюда — большое разнообразие непериодических и полупериодических гигантов.
Звезды производят алмазы. И об их добыче уже можно задуматься, потому что эти драгоценности интенсивно рассеиваются звездами в пространство вместе с остальной пылью. Особенно интенсивно пыль, газ, включая молекулы и органические вещества, теряют сильно раздувшиеся звезды-гиганты и сверхгиганты. На периферии их прохладных оболочек притяжение звезды столь мало, что частицы вещества запросто покидают звезду Напоминаем, что такая звезда в итоге должна сбросить свою оболочку в виде планетарной туманности и стать белым карликом. Поэтому звезды на грани такого превращения исключительно интересны: они особенно сильно пульсируют и меняют яркость с большой амплитудой; являются самыми красными, даже невероятно красно-бордовыми из-за сильного поглощения света запыленной оболочкой; в спектре демонстрируют удивительные вещества оболочки, например, фуллерены, кристаллы из 60 и более атомов углерода; и обречены пребывать в этом состоянии столь недолго, что можно дождаться радикальных изменений у нас на глазах. Для десятка таких звезд астрономы ждут вспышки и сброса оболочки уже в этом столетии!
Звезда Омикрон Кита каждые 332 дня появляется на небе среди ярчайших звезд (звездная величина 2 m), а затем исчезает для глаза (10 m, в телескоп «Галилей-200» видна на пределе). Астроном Давид Фабрициус в 1596 году назвал ее Mira, что по-латински значит «удивительная». Астрономы удивлялись ей до XXI века! Для объяснения переменности Миры и ей подобных звезд (они называются мириды), вроде бы не годились оба механизма: затмевающий спутник у нее не наблюдался, а чтобы объяснить столь невиданные перепады яркости, нужны пульсации в сотни раз. Представьте, что Солнце каждый год то раздувалось бы на половину Солнечной системы, то сжималось бы до своего нынешнего размера. Звезде просто неоткуда взять столько энергии, да и вряд ли она пережила бы такие пульсации!
Ситуация стала проясняться, когда обнаружился очень тусклый спутник Миры — белый карлик. Но он расположен так далеко от основной звезды, что напрямую не может влиять на нее. В 2007 году ультрафиолетовый телескоп GALEX обнаружил, что Мира летит в пространстве с огромной скоростью более 100 км/с и оставляет позади себя исполинский хвост газа и пыли длиной в 13 световых лет. Этот хвост дотягивается не только до спутника звезды, но и до соседних звезд. Пришлось пересмотреть и потери вещества: Мира каждый год теряет массу, равную массе Луны. В этом потоке много черной сажи — углерода и его соединений. Ну в точности — дымящий паровоз на полном ходу! А звезда-спутник Миры, «вагончик паровоза», собирает часть этой копоти на себя. Настолько много, что слой копоти на «вагончике» во много раз превышает вес самого вагончика и, кстати, делает его еще менее заметным: искали его 200 лет. В результате, спутник Миры, летая вокруг нее, управляет потоком ее вещества: пропускает или задерживает и, таким образом, проявляет или заволакивает Миру. Когда проявляет — ее звездная величина взлетает до 2m. Кстати, сажа, графит и алмаз — это все один и тот же углерод. Алмазы, кристаллизующиеся в ядре Миры, можно поискать в дыму этого «космического паровоза». Похожую роль выполняет и невидимый пока спутник звезды R Скульптора (рис. 5): теряемое звездой вещество он превращает в видимую нами спираль.
Световое эхо
RS Кормы (RS Pup) — цефеида, меняющая яркость в 5 раз с периодом 41,4 дня. При взгляде на ее окрестности кажется, что от нее разлетаются облака газа (рис. 6). На самом деле в разных фазах пульсации звезды ею по-разному подсвечиваются окружающие ее неподвижные облака пыли. Они состоят из нескольких слоев и поэтому выглядят как светящиеся кольца вокруг звезды. Суть возникающего здесь эффекта светового эха состоит в том, что наблюдатель видит свет звезды, пришедший к нему разными путями: напрямую и отразившись от разных участков пылевого облака. Для большого облака (как в случае RS Кормы) роль играет скорость света: свет, отраженный близкой к звезде частью облака, приходит к нам заметно позже, чем напрямую. А свет, отраженный далекой частью облака, приходит еще позже. Из-за этого далекие от звезды части облака «загораются» для нас позже, и, таким образом, возникает видимость распространяющихся светлых колец. Особенно впечатляюще световое эхо звезды V838 Единорога.
Недавно астрономы воспользовались световым эхом для того, чтобы в прямом смысле слова увидеть далекое прошлое. Вспышку сверхновой SN1572 увидели в 1572 году — это свет пришел по прямой. А в 2008 году очень слабое отражение той вспышки было замечено как световое эхо на облаках Млечного Пути. Вспышку сверхновой Кассиопея А около 1660 года вообще на Земле не заметили из-за заслонивших ее космических облаков. Но световое эхо, отражение той вспышки на других космических облаках увидели в 2010 году.
Эруптивные переменные звезды
Редкие сильные вспышки присущи разным звездам. Например, перетекание вещества с обычной звезды на белый карлик может вызывать повторяющиеся мощные взрывы, которые по традиции называются новыми звездами. Вспыхивают молодые звезды типа Т Тельца. Возможны и вспышки при разрушении планеты около молодой звезды.
Вращающиеся переменные звезды
В 1984 году космический телескоп IRAS обнаружил у звезды Веги пылевой диск. Такие характерны для очень юных звезд, возрастом менее 100 млн лет, вокруг которых из газопылевого диска формируются планеты. Вега старше — около 450 млн лет. В поисках разгадки ученые обнаружили, что Вега очень быстро вращается: на ее экваторе скорость 280 км/с. Для сравнения — скорость вращения Солнца в 140 раз меньше — всего 2 км/с. При такой скорости Вега — вовсе не шар, а сильно сплющенный эллипсоид, поэтому экватор Веги заметно дальше от ее центра и потому холоднее полюсов. Температура связана с яркостью. Поэтому экватор Веги — темная полоса, а полюса — светлые шапки.
Мы все время видели один из полюсов и не подозревали, что волчок-то полосатый. Если однажды Вега повернется к нам так, что будет попеременно наблюдаться то полюсами, то боками, она станет переменной звездой.
Световое эхо - эффект, возникающий в астрономии, когда свет от вспышки светила приходит к наблюдателю, отражаясь от «экранов» вдали от светила, позже, чем свет, пришедший по прямой. При этом в некоторых случаях возникает видимость удаления отражающего свет «экрана» от светила-источника со скоростью выше скорости света.
Кроме того, скорость вращения Веги на экваторе равна скорости отрыва вещества от звезды центробежными силами. Иногда сгустки вещества действительно отрываются от Веги и присоединяются к окружающему ее диску. Поэтому, хотя звездный ветер и сдувает вещество диска в космос, но диск постоянно пополняется новым веществом от звезды. Конечно, диск около звезды должен вращаться, иначе он упадет на звезду. Из-за вращения разные части диска в разное время слегка заслоняют нам саму Вегу. Так возникают небольшие колебания ее яркости, обнаруженные недавно.
Газопылевые диски вокруг звезд иногда играют столь важную роль, что не ясно, к какой категории отнести некоторые переменные звезды.