Мир звезд

Что такое звезды

Ближайшая к нам звезда — это Солнце. Но сейчас мы поговорим о звездах вообще, то есть, в том числе и о тех, что можно видеть ночью.

Солнце мы тоже не станем исключать из повествования, наоборот, мы всегда будем сравнивать с ним другие звезды. До Солнца ≈150 000 000 км. Это в 270 000 раз ближе, чем до самой близкой, исключая само Солнце, звезды. Ясно, почему очень многое, что известно о звездах, мы знаем благодаря нашему дневному светилу.

Даже свет от ближайших звезд идет несколько лет, а сами звезды в самые мощные телескопы видны как точки. Впрочем, это не совсем так: звезды видны в виде крохотных дисков, но это связано с искажениями в телескопах, а не с увеличением. Звезд бесчисленное множество. Никто не в силах точно сказать, сколько существует звезд, тем более звезды рождаются и умирают. Можно лишь приближенно заявить, что в нашей Галактике около 150 000 000 000 звезд, а во Вселенной неизвестное число миллиардов галактик... А сколько звезд можно увидеть на небе невооруженным глазом известно точнее: около 4,5 тысяч. Более того, задавшись определенным пределом яркости звезд, близким по доступности глазу, можно это число назвать точнее, чуть ли не до единиц. Яркие звезды давно посчитаны и занесены в каталоги. Яркость звезды (или, как говорят, ее блеск) характеризуется звездной величиной, которую астрономы давно умеют определять. Так что же такое звезды?

Звезды - раскаленные газовые шары. Температура поверхности звезд различна. У некоторых звезд она может достигать 30 000 К,  а у других — лишь 3000 К (Кельвин (К) - единица измерения температуры, равная градусу Цельсия). Шкала Кельвина начинается при -273,15 градусах по Цельсию. Это - 0 по Кельвину. Температура не может быть ниже, чем -273,15 по Цельсию, следовательно, в Кельвинах она только положительна, ее еще принято называть абсолютной. Градус этой шкалы назван в честь известного физика, который и ввел такую температуру. Температура в Кельвинах называется, напомним еще раз, абсолютной. Наше Солнце имеет поверхность с температурой около 6 000 К. Надо оговориться, что говоря о поверхности, мы имеем в виду лишь видимую поверхность, так как никакой твердой поверхности у газового шара быть не может.

Нормальные звезды гораздо больше планет, но главное - гораздо массивнее. Мы увидим, что есть во Вселенной странные звезды, имеющие типичные для планет размеры, но во много раз превосходящие последние по массе. Солнце в 750 раз массивнее всех остальных тел Солнечной системы. Есть звезды, в сотни раз превышающие по размеру Солнце и во столько же раз уступающие ему в этом показателе. Однако массы звезд меняются в гораздо более скромных пределах - от одной двенадцатой массы Солнца до 100 его масс. Может быть, есть и более тяжелые, но такие массивные звезды очень редки. Нетрудно догадаться, прочитав последние строки, что звезды очень сильно отличаются по плотности. Есть среди них такие, кубический сантиметр вещества, которых, перевешивает большой груженый океанский корабль. Вещество других звезд настолько разряжено, что его плотность меньше плотности того наилучшего вакуума, который достижим в земных лабораторных условиях. К разговору о размерах, массах и плотности звезд мы еще вернемся в дальнейшем.

Как звезда светит, и из чего она сделана

Итак, звезды очень массивны. Масса Солнца — 2.1030 кг. Такое огромное количество вещества сжимает само себя силами гравитационного притяжения. Однако никто не видел, чтоб Солнце хоть сколько-то заметно уменьшилось, поэтому для того, чтобы звезды могли долгое время сохранять свой объем и размеры, необходимы силы, которые препятствовали бы гравитационному сжатию звезд. Чуть позднее мы с Вами эти силы найдем.

Оказывается, газом, из которого состоят звезды, в основном, является водород (обозначается латинской Н). В условиях больших температур на звездах, обычная для Земли двухатомная молекула водорода разделяется на два независимых атома, состоящих из одного протона и одного электрона. Но и   атомы водорода не могут при высоких температурах оставаться целыми. Они теряют свои электроны, в результате чего получается особый газ, состоящий из протонов и электронов. Этот газ называется плазмой. А атомы, лишенные своих электронов, называют ядрами соответствующих элементов (протон - ядро водорода).

Как мы уже сказали, звезда сама пытается себя сжать силами гравитации, результатом чего является повышение температуры звезды в центральных ее слоях до миллионов и десятков миллионов градусов. В таких условиях в плазме начинают возникать отличные от химических реакций - ядерные. В результате сложных процессов, четыре ядра водорода и два электрона образуют ядро нового химического элемента - гелия (Не), которое состоит из двух протонов, а также двух нейтронов, частиц, не имеющих заряда, возникающих в результате ядерной реакции слияния электрона и протона. Ход такой реакции образования тяжелых ядер из более легких называется ядерным синтезом, который замечателен тем, что в его процессе выделяется энергия. Выделяется она в виде фотонов (частиц, "несущих" свет) и еще  одних частиц - нейтрино. Нейтрино почти беспрепятственно проходят сквозь вещество звезды, не взаимодействуя с ним. А вот фотоны, или свет, оказывают на вещество давление, причем, так как в единицу времени происходит большое число превращений ядер водорода в ядра гелия, давление это очень велико и направлено из центра, где происходят ядерный синтез. Сила этого давления и уравновешивает гравитационное сжатие.

Итак, звезды очень массивны, поэтому силы гравитации стремятся их сжать. В результате этого сжатия в центральных областях звезд температура поднимается до миллионов градусов, из-за чего становятся возможными ядерные реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода. Как следствие этих реакций, выделяется энергия, излучение которой и создает давление, уравновешивающее силы, сжимающие звезду.

Мы разобрались с тем, почему звезды не сжимают себя сами из-за своей гигантской массы. Но ведь здесь же кроется загадка об источнике энергии, позволяющем звездам так долго светить. Как мы знаем, в центре звезд происходят ядерные реакции с выделением энергии, которая, потом, излучается звездами в пространство. Чем массивнее звезда, тем больше она себя стремиться сжать, тем сильнее разогревается ее центральная часть, тем быстрее и чаще проходят там ядерные реакции, тем больше энергии выделяется, тем более яркой кажется звезда.

Температура, светимость и цвет звезды

Как известно, нагреваемый металл сначала начинает светиться красным светом, потом желтым и, наконец, белым при увеличении температуры. Также и со звездами. Красные - самые холодные, а белые (или даже голубые!) - самые горячие. Вновь вспыхнувшая звезда будет иметь цвет, соответствующий выделяемой в ее сердцевине энергии, а интенсивность этого выделения, в свою очередь, зависит от массы звезды. Значит, все нормальные звезды тем холоднее, чем они более красные, если так можно выразиться.

Тяжелые звезды - горячие и белые. Легкие, немассивные и относительно холодные - красные. Теперь мы знаем, что самые высокие температуры соответствуют голубым звездам (белым), самые низкие - красным. Уточним, что в этом абзаце шла речь о температурах видимых поверхностей звезд, ведь как мы уже знаем, в центре звезд (в их ядрах) температура гораздо выше, но и она наиболее велика в массивных голубых звездах.

Энергия, излучаемая звездами, настолько огромна, что мы можем их видеть на тех далеких расстояниях, на которые они от нас удалены: десятки, сотни, тысячи световых лет! Энергия Солнца управляет всеми основными передвижениями воды и воздуха на Земле. Все топливо, которое мы сжигаем - остатки растений, когда-то поглощавших излучение Солнца.

По современным представлениям, излучение энергии звезд вызывает уменьшение их массы. В этом смысле, следует понимать, что энергия и масса - одно и то же. Излучаемая энергия связана с теряемой массой простым соотношением Е=m.c², где с - скорость света, E — энергия, m - масса. Солнце теряет ежесекундно миллионы тонн. Однако за 5 миллиардов лет своего существования оно израсходовало лишь половину имеющегося в его недрах ядерного горючего.

Возникает вопрос: а какие звезды дольше живут: те, что обладают большой массой и характеризуются большой скоростью протекания ядерных реакций, или те, что маломассивны, и излучают мало энергии? Оказывается, что скорость протекания ядерного синтеза пропорциональна массе звезды в четвертой степени. Следовательно, массивные звезды сгорают быстрее, чем немассивные. Самые тяжелые сжигают весь водород за несколько сот тысяч лет, а легкие красные звезды могут светить, "не торопясь", несколько десятков миллиардов лет. Солнцу таких миллиардов осталось еще 5, значит, оно - звезда в среднем возрасте и свой водород сжигает без особого усердия.

Основным итогом этой части является вывод о том, что многие характеристики звезд зависят в значительной степени от их масс. Более массивные нормальные звезды имеют большие температуры поверхности и недр. Они же быстрее сжигают свое ядерное горючее - водород, из которого, в основном, состоят все звезды. О том, какая же из двух нормальных звезд массивнее можно судить по ее цвету: голубые тяжелее белых, белые - желтых, желтые - оранжевых, оранжевые - красных.

НЕКОТОРЫЕ ИНТЕРЕСНЫЕ СВЕДЕНИЯ

• Чем массивнее звезды, тем меньше их в космосе. Большинство звезд - красные и желтые (как наше Солнце) карлики...

○...с другой стороны, массивные звезды светят гораздо ярче. Большинство карликов остается вне поля нашего зрения, так как они слишком тусклы.

• По иронии судьбы, ближайшая из звезд - красный карлик.

○ Если идти до этой звезды пешком (представим, что она стоит на месте), то дойдешь к исходу первого миллиарда лет.

• За это время, ближайшими к Солнцу могли бы побывать сотни и тысячи других звезд.

○Солнце излучает столько энергии, что если направлять всю ее на ледяную дорогу длиною 20 000 000 км, она бы за секунду испарилась. Мост изо льда от Земли до Солнца в этом случае продержался бы ≈8 секунд, причем в первую же секунду бы растаял.

• Если на месте Солнца зажечь голубой гигант, то коль скоро бы он поместился в пределах земной орбиты (скорее всего, это у него получится), то очень быстро вся вода на Земле испарилась бы, жизнь стала бы невозможной.

○В случае красного карлика на месте Солнца, мы бы получили на месте Земли ледяную планету.

• Самая яркая звезда на ночном небе - Сириус из созвездия Большого Пса. Это белая звезда с температурой поверхности 10 000 К. Это одна из ближайших звезд, свет от нее идет почти 9 лет, можно сходить и к ней...

○... но по возвращении мы рискуем уже не узнать Солнце, оно к тому времени сильно изменится. Как?

[download id=86]