1. всі зірки
2. * * *

Кожен атом у вашому тілі бере свій початок у вибухнула зірці. Це сама поетична річ з тих, що я знаю про фізику: ви все - зоряна пил.
Лоуренс Максвелл Краусс

Стародавні мудреці любили спостерігати за рухом світил по зоряному небу. А оскільки в поглядах на саму мудрість серед них ніколи не було єдиної думки, астрономічні знання отримували як містичне - пророкування долі, - так і суто практичне використання - для уточнення календаря і навігації. Але знання тисячоліттями залишалося вкрай обмеженим. Про зірках людям було відомо тільки те, що вони є. Тепер ми знаємо більше.

Діаграма Герцшпрунга-Рассела показує, що частина зірок не такі, як усі

Першою відомою характеристикою зірок стала світність. Звіздар стали на око сортувати небесні тіла за величинами. Розуміючи, що видима яскравість залежить від дистанції, ще стародавні греки намагалися визначити відстань до зірок за річним паралаксу, тобто зміни фону об'єкта в залежності від того, з якого боку від Сонця на нього дивиться спостерігач. Але вдалося це лише в 1837 році данцеві Фрідріху Струве. Після цього в оцінку світності зірок була внесена поправка на дистанцію.

Наступний крок був зроблений на початку минулого століття, коли спектральний аналіз дозволив перетворити колір зірки, до цього моменту оцінюється суб'єктивно, в точну чисельну характеристику. І в 1910 році з'явилася знаменита діаграма залежності між спектром і світністю, складена данцем Ейнаром Герцшпрунг і американцем Генрі Расселом. Узагальнивши накопичені дані, вчені виявили, що 80% світил шикуються в тягнеться з правого нижнього в лівий верхній кут лінію.

Відкриття мало два наслідки. По-перше, діаграма давала можливість, знаючи лише видиму світність і спектр, грубо оцінювати відстань до зірок, занадто далеких для застосування методу річного паралакса. По-друге, крім головної послідовності, на діаграмі чітко виднілося відгалуження. А якщо придивитися, то і не одне. Деякі їхні сузір'я не бажали підкорятися загальним правилом зростання яскравості з температурою.

З тих пір астрономія і астрофізика з захопленням шукають пояснення видимої на діаграмі картині. І зараз вже можна сказати, що головну послідовність утворюють «правильні» зірки, які синтезують гелій. Для такого об'єкта характерна тверда серцевина з «металевого» водню, розділена на внутрішнє ядро, в якому протікають термоядерні реакції, і зону променевого переносу, крізь яку виділена енергія з великими труднощами (чорний водень непрозорий і майже не проводить тепло) досягає зони конвекції. Остання теж складається з іонізованого водню, але вже рідкого, хоч і щільного, як ртуть. Цей шар знаходиться в постійному упорядкованому русі: розпечені маси піднімаються вгору, охолоджені опускаються вниз, до ядра. Жар зони конвекції живить тонкий випромінює шар - фотосфери, - бурхливий сяючий океан. Також зірка має і звичайну газову оболонку, звану хромосферою.

Будова зірки на прикладі Сонця (Kelvinsong / Wikimedia Commons)

Відгалуження на діаграмі утворюють світила, які використовують інші джерела енергії або відрізняються від зірок головної послідовності по влаштуванню. Зазвичай це або молоді, ще формуються зірки, або старі, що вмирають.

Близько 2% маси нашої галактики становлять газ і пил, здебільшого розсіяні, але іноді утворюють порівняно щільні хмари - туманності. Як правило, такі скупчення нестійкі, адже сила тяжіння до спільного центру мас незначна, а швидкість частинок хмари виявляється вище за другу космічну. Але газ постійно остигає, рух молекул сповільнюється, і нестійкість може змінити знак. Така туманність починає стискатися, і цей процес (гравітаційний колапс) вже незворотній. Температура в хмарі починає рости, але частина енергії, що виділяється несеться випромінюванням, і внутрішній тиск не може компенсувати зростаючу гравітаційну силу.

Утворення нових зірок в галактиках відбувається нерівномірно. Новонароджені гіганти швидко вибухають, розсіюючи галактичний газ, після чого галактика остигає три-чотири мільярди років. На зображенні «вибухнула галактика» М82

Наше Сонце вперше засяяло, будучи ще протозвездой - колапсуючої туманністю. Єдиним джерелом енергії в той момент було гравітаційне стиснення, тобто перетворення потенційної енергії падаючих до спільного центру пилинок в кінетичну, а значить і теплову енергію. Засяяло воно холодним, малиновим кольором, але неслабо, так як за розміром відповідало сучасній орбіті Марса, що забезпечувало колосальну випромінює поверхню.

Потім наше світило увійшло в бурхливу стадію молодої зірки. В серцевині центрального потовщення розміром з орбіту Меркурія, оточеного холодним пиловим диском, матерія вже спресований до рідкого стану, але тиск ще не досягло необхідного для запуску термоядерних реакцій рівня. Проте, водень час від часу «спалахував», так як нерівномірність осадження речовини з диска створювала ефект імплозії - зіткнення ударних хвиль, спрямованих від периферії до центру. Детонації в свою чергу породжували зустрічну ударну хвилю, зриваючу і виштовхують в порожнечу зовнішні оболонки зірки. Але гравітація кожен раз тріумфувала, і стиснення відновлювалося.

Лише коли водень в ядрі формується зірки перейшов в «металеву фазу», протікання термоядерних реакцій стало безперервним. З цього моменту виділення енергії змогло зрівноважити втрати на випромінювання, і стиск майже припинилося. «Майже» воно припинилося тому, що водень, вигорить, перетворюється в більш щільний гелій. Чотири з половиною мільярди років тому наше Сонце досягло зрілості, вступивши на головну послідовність.

Класифікація зірок в астрономії традиційно проводиться на підставі спектра випромінювання - єдиною характеристики, яку можна виміряти безпосередньо. Абсолютна світність і маса зірки обчислюються вже на її основі. Вся ця сортування по «квітам», «гілкам» і «треках» здається незрозумілою для неспеціаліста - і не дивно. Адже в реальності спектр - характеристика вторинна, змінюється з віком і залежить від маси зірки. Величну картину космосу простіше розшифрувати, попередньо поставивши з ніг на голову. Властивості і долі сонць визначаються приналежністю до однієї з дев'яти «вагових категорій».

Хмара газу і пилу навколо коричневого карлика (ілюстрація)

Бурі карлики - найлегші з світил. Лише недавно стало відомо, що тіла масою 0,012 - 0,077 сонячних (або від 12 до 77 «юпітерів») можна вважати справжніми зірками, що володіють термоядерним джерелом енергії. Тиску в їхніх надрах недостатньо для запуску синтезу гелію, але його вистачає для протікання реакцій з найнижчим порогом. Термоядерним пальним для коричневих карликів служать дейтерій і літій.

Бурі карлики (зображений T-карлик) не просто справжні зірки, а найчисленніша категорія зірок. Планети на орбітах бурих карликів вже виявлені, але чи може там хтось жити - питання

Проте, відмінності бурих карликів від зірок головної послідовності великі. Температура і світність більших зірок постійно зростають у міру того, як водень перетворюється в більш щільний гелій і тиск в ядрі збільшується. Бурі ж карлики, навпаки, через витрати ізотопів безперервно тьмяніють - приблизно на 10-20% за мільярд років. Коли запаси пального виснажуються остаточно, карликова зірка перетворюється в збільшений аналог Юпітера. Інша цікава особливість цих світил - неповна іонізація речовини. В їх атмосферах містять сполуки кисню і водню: головним чином чадний газ і метан.

До другої категорії відносяться найменші з зірок головної послідовності - червоні і частково оранжеві карлики масою від 0,077 до 0,5 «сонць», вже достатньою для того, щоб чотири ядра водню зливалися в ядро гелію. Однак горіння водню в тілах такої маси ще нестабільно. Зірка пульсує. Стиснення веде до збільшення тиску і зростання інтенсивності реакцій, але підвищене виділення енергії тягне за собою нагрів ядра, розширення, зниження тиску і різке уповільнення синтезу. Аналогічні процеси протікають і в надрах більших зірок, але якщо сонячна активність коливається в межах часток відсотка, то світність червоного карлика може змінюватися на 40%, а в деяких випадках навіть в рази. Найменш стабільні карлики іменуються «спалахуючими зірками» і вважаються найчисленнішої різновидом змінних.

Незважаючи на нерівномірність горіння, з віком червоні і помаранчеві зірки безперервно нарощують температуру і світність, поки нарешті не змінять колір. Свою кар'єру зірка легкої ваги завершує вже як блакитний карлик. Правда, для цього потрібно неймовірно багато часу: від 50 мільярдів до трильйона років. Карлики дуже економно витрачають водневе пальне, але в безмірно віддаленому майбутньому догорять і вони, перетворившись в гелієві кулі, покриті водневим панциром.

До третьої категорії належать помаранчеві, жовті і жовто-білі зірки середньої ваги - до 2,5 сонячних мас. У них водень горить стабільно, а світність і спектр з віком змінюються незначно. За термін від 1 до 50 мільярдів років (з збільшенням маси довговічність світила падає стрімко) помаранчева зірка стане жовтою, а жовта побіліє.

Вражаючі і хитромудрі метаморфози почнуться, коли водень в ядрі буде витрачено. Тоді тверда серцевина зірки починає стискатися. Видавлені з ядра «потопаючим» гелієм на кордон конвективного зони залишки водню на короткий час відновлюють реакцію, внаслідок чого зовнішні шари речовини виштовхуються назовні, а зірка роздувається в 2,5 рази, перетворюючись в яскравий субгігант. Ядро ж за законом збереження імпульсу відчуває додаткове стиснення - імплозію, завдяки якій температура в центрі зірки короткочасно підскакує до 100 мільйонів кельвінів. А цього вже досить для початку термоядерних реакцій за участю гелію.

Горіння гелію в сонцеподібної зірки припиняється майже відразу, але виділилася за час гелієвої спалаху енергії вистачає, щоб температура в конвективної зоні зросла до мільйонів градусів і горіння водню почалося у всьому обсязі зірки. Збільшивши світність в 100 тисяч разів, а радіус в сотні разів, вона перетворюється в червоний гігант. Після чого збагачений гелієм і дрібкою більш важких елементів водень, занадто розпечений, щоб гравітація ядра могла його утримати, випаровується. Гелиевое ж ядро продовжує стискатися, в кінцевому рахунку перетворюючись в крихітний надщільний білий карлик. Через кілька мільярдів років позбавлене внутрішнього джерела енергії тіло остигає. І білий карлик стає «чорним карликом».

Зірки четвертої категорії - білі і біло-блакитні, від 2,5 до 8 сонячних мас - з віком навіть не змінюють відтінок світіння. Істотні відмінності з попереднім типом виявляються в момент гелиевой спалаху. Така зірка не виходить зі стадії субгігант, бо сильніша гравітація перешкоджає розльоту речовини, а виділилася енергії виявляється недостатньо для того, щоб запалити зрослу масу водню конвективного зони. Розширення швидко змінюється стисненням, і горіння гелію в ядрі «входить в режим», ставши цефеидой. Зірка пульсує з чітким ритмом. Однозначна зв'язок між періодом пульсації і світністю дозволяє вимірювати за такими зірками галактичні дистанції.

Лише після вигоряння гелію в ядрі цефеида, зіщулившись в останній раз, спалахує по всьому об'єму, перетворюється в червоний гігант і розсіюється, залишаючи після себе білий карлик масою близько 0,7 сонячної з ув'язненим в гелієву оболонку ядром з вуглецю, азоту і кисню. Але в разі, якщо зірка була подвійною (а зазвичай так воно і є), починається найцікавіше. Дочекавшись, коли другий компонент системи увійде в фазу червоного гіганта і стане втрачати масу, вуглецевий карлик починає захоплювати чуже речовина. Гравітація цього тіла достатня, щоб в падаючому на його поверхню водні спалахнули термоядерні реакції. В результаті зірка оживає і, в залежності від темпів і регулярності надходження пального, перетворюється в «нову», «повторну нову», «карликову нову».

Ті, хто має масу до 12 сонячних біло-блакитні зірки п'ятої категорії в кінці життєвого шляху також проходять стадію жовтого змінного гіганта. Але разюче відрізняються в плані можливих «посмертних пригод». Є думка, що залишається після їх загибелі вуглецевий білий карлик масою до 1,4 сонячних може, охолонувши, перетворитися на гігантський алмаз. Хоча і тільки на час. У наступні 101500 років холодний синтез - тобто можливе при даній щільності речовини «туннелирование» нуклонів з одного ядра в інше - перетворить його в «залізну зірку». Але не факт, що на той час буде існувати Всесвіт.

Але карлика може і не залишитися зовсім. Тиск в надрах «трупа» світила цієї категорії настільки велике, що горіння захопленого в іншої зірки водню може призвести до «вуглецевого детонації», а через величезну щільності речовини синтез більш важких ядер з вуглецю відбувається за принципом ланцюгової реакції. Перетворившись на наднову I типу, карлик повністю розпорошується, поставляючи галактиці необхідні для формування планет кремній і кисень.

Для біло-блакитних зірок масою від 12 до 18 «сонць» - до цієї категорії відносяться Антарес і Бетельгейзе - старість стає періодом розквіту. На стадії жовтого гіганта вони не пульсують, а рівно сяють, спалюючи гелій в «штатному» режимі. Стадія ж червоного надгіганта для них стійка: навіть палаючи по всьому об'єму, водень не може покинути глибоку гравітаційну яму. Чи не здатним порушити величне благоліпність виявляється навіть вуглець, що згорає в ще не досяг надщільного стану ядрі мирно, без вибуху.

Що відбувається, коли в коллапсирующие ядрі зірки, зовнішні шари якої все ще забезпечують додатковий тиск, детонує кремній - не дуже зрозуміло. Але закінчується справа вдесятеро більше потужним спалахом наднової, що перетворює матерію гіганта в рвану туманність зразок Крабовидной. І освітою пульсара - нейтронної зірки масою 1,5 - 2 сонячних, що має щільність на порядок більшу, ніж у білих карликів.

Порівняння розмірів Сонця і блакитного гіганта Денеба

Денеб, одна з найяскравіших зірок, відноситься до сьомої категорії - блакитним гігантам від 18 до 30 сонячних мас. Світила цього рангу втрачають частину маси ще на етапі формування, коли тиск випромінювання просто здуває зовнішні шари протозвёздной туманності. Але далі вони все-таки займають своє місце на головній послідовності і проходять ідентичний попередньому типу шлях розвитку - за єдиним винятком. Утвориться після їх згасання нейтронна зірка масою близько 2,5 сонячних нестабільна, і через невизначений термін за вибухом наднової може послідувати в 100 разів більше потужний спалах - гіпернової. Купа нейтронів стискається в займає вдесятеро менший обсяг куля кварк-глюонної плазми - кварковую зірку.

Те, що діється в надрах блакитних надгігантів масою від 30 до 80 «сонць», навіть страшно уявити. Ці зірки спалахують як наднові вже через 30 мільйонів років після народження. І якщо 90% їх маси при цьому повертаються в галактичний круговорот речовин, то решта 10% «йдуть зі світу». Утворюється чорна діра.

Нарешті, блакитні гіпергіганти - світила вищої дев'ятої категорії - ніколи не вступають на головну послідовність. Їх світність може перевищувати сонячну в мільйон разів, а маса приблизно в 500 разів. Але тільки на момент початку термоядерних реакцій. Інтенсивність синтезу в гіпергіганти така, що тиск випромінювання відразу ж починає виганяти водень з гравітаційної ями, в глибині ж він повністю вигорає перш, ніж зірка остаточно сформується, переставши бути «молодий».

Напрацьований гелій, в свою чергу, відразу включається в процес горіння. Потім в глибині ядра детонує вуглець ... Але це лише «псевдосверхновая». Скинувши в простір залишки водню і втративши три чверті початкового речовини, гіпергігант перетворюється в порівняно стабільну (адже з втратою маси знижується і тиск в надрах) зірку Вольфа-Райе - палаючий куля, що складається здебільшого з гелію. Температура фотосфери зірки може бути дуже висока, але спостерігачеві вона здається багряної. Утворений при згорянні гелію вуглець заповнює хромосферу поглинають світло хмарами сажі.

Завершується кар'єра гіпергіганта вражаючим вибухом гіпернової, лише вдесятеро менш потужним, ніж в разі колапсу нейтронної зірки в кварковую. Природа цього вибуху невідома, результатом ж виявляється освіту чорної діри в 5-15 сонячних мас.

всі зірки

Маса визначає долю зірки не повністю. Вплив на еволюцію світила можуть надавати швидкість обертання або взаємодія з іншими тілами. Обмін речовиною в подвійних системах практично неминучий. Зустрічаються і змінні типу W Великої Ведмедиці - пари настільки тісні, що зірки в них зливаються в єдине гантелеобразная тіло. У щільних ж скупченнях не рідкісні «блакитні відсталі» зірки, які отримали додатковий водень, поглинувши один з компонентів «кратної» системи.

Окрему категорію складають зірки хімічно-пекулярні (незвичайні) - вуглецеві, барієві, ртутно-марганцеві, а також «кремнієві» Ar-зірки і Amзвёзди, в спектрі яких посилені лінії відразу декількох важких металів. Звичайно ж, «ртутні» зірки складаються аж ніяк не з ртуті. Частка цього металу в їх масі не вище, ніж в складі більшості інших світил. Просто деякі моменти - обмін масою, уповільнене обертання, занадто сильне магнітне поле - таким чином впливають на рух речовини в конвективної зоні, що в фотосфери потрапляють важкі хімічні елементи, які в нормальній ситуації повинні «тонути».

Ахернар - в півтора рази сплющена шаленим обертанням біло-блакитна зірка в сім разів масивніше Сонця. Завдяки відцентрової силі, на екваторі «з'їдає» 85% тяжіння, він оточений диском витікає речовини і, цілком ймовірно, завершить свою еволюцію вже як світило нижчою «ваговій категорії»

Планетарна туманність - результат повільного і величного розсіювання червоного гіганта середньої маси. Легкі гіганти не залишають після себе досить щільна хмара, важкі ж - вибухають в кінці еволюції

У сучасному космосі вибухи наднових - наймасштабніші і, отже, найбільш цікаві з точки зору науки події. Проблема лише в тому, що з чотирьох катастрофічних процесів, що об'єднуються під назвою «наднова», наукове пояснення має тільки один, найслабший, - термоядерна детонація вуглецю на білому карлику.

Події, що передували народженню нейтронної зірки, зрозумілі лише в загальних рисах. При синтезі заліза з кремнію виділення енергії мізерно, а тиск випромінювання не дозволяє зупинити подальше стиснення зірки. Ядра ж заліза, зливаючись, породжують ще більше важкі, а потім і надважкі і нестабільні елементи. І тут-то горезвісний конфлікт теорії відносності і квантової механіки переходить в фазу силового протистояння. Гігантська ядро ​​має негайно розпастися ... а йому нікуди! Гравітаційне стиснення змушує матерію приймати стану, заборонені з точки зору квантової механіки ... З найбільш загальних міркувань ясно: щось буде! Але що конкретно? Мова математики безсилий описати зіткнення непереборної сили з незламним перешкодою.

Або колапс нейтронної зірки. Звичайно, перетворення нуклонів в кварк-глюонну плазму цілком можливо. У перші сто секунд після Великого вибуху траплялося ще й не таке! Але де Великий вибух, а де нейтронна зірка з її смішними з позицій фізики високих енергій мільйонами кельвінів? Гіпотеза, втім, все одно вважається переконливою. Бо альтернативні шляхи отримання такої ж кількості променевої енергії мають на увазі щось на зразок зіткнення звичайної зірки із зіркою з антиматерії. А це вже перебір навіть з точки зору астрофізиків, здатних уявляти найнеймовірніші процеси.

Якщо слабкі «вуглецеві» наднові виробляють переважно кремній і кисень, то більш потужні «нейтронні» збагачують галактичний газ в першу чергу залізом і нікелем

Нарешті, з утворенням чорних дір теж не виникає питань - але лише при розгляді проблеми на спрощеному рівні «сферичного коня у вакуумі». Сучасні моделі гравітаційного колапсу, включаючи і самі екстравагантні, трактують матерію як нескінченно стискається ідеальний газ. А щоб друга космічна швидкість зрівнялася зі швидкістю світла і виник горизонт подій, щільність тіла масою 3 - 15 сонячних повинна перевищити щільність гіпотетичної кваркової зірки, речовина якої поводиться як нестисливої рідина ... І нічого, якби проблема обмежувалася цим. На жаль, при колапсі над- і гіпергіганти кваркова матерія стискатися не може навіть теоретично. Бо не утворюється. Інакше вибухало б на пару порядків сильніше.

* * *

... Проте, існування чорних дір «зоряної» маси підтверджено численними спостереженнями та ніяких сумнівів не викликає.

Чи дивно, що незрозумілі і навіть неможливі з точки зору науки об'єкти все-таки видно? Для астрономії це норма. Знання обмежена, Всесвіт нескінченний. Орбітальні і наземні обсерваторії невтомно просівають міріади світил, відшукуючи нові загадки космосу. Бо якщо вже на зорі ми можемо тільки дивитися, цей процес хоча б не повинен стати нудним.