Красные гиганты и белые карлики
Астрономы располагают все звезды на особой диаграмме, называемой Цвет-Светимость. По оси абсцисс этой диаграммы откладывается температура звезд (по ряду исторических причин, в нуле абсцисс располагаются самые высокие температуры, дальше вдоль оси они уменьшаются).
Мы видели, что цвет звезд и их температура - это почти одно и то же, поэтому на оси абсцисс иногда еще изображают обыкновенную полосу спектра - от голубого до красного. По оси ординат откладывается светимость. Именно поэтому такая диаграмма и называется Цвет-Светимость (иногда - Спектр-Светимость). Давайте посмотрим, как будут располагаться те звезды, о которых мы до сих пор говорили, на этой диаграмме (а мы говорили о нормальных звездах, источником энергии которых является синтез гелия из водорода).
Самые высокие температуры имеют голубые звезды, они же обладают наибольшей светимостью. Следовательно, на нашей диаграмме их следует поместить в левом верхнем углу. Красные карлики расположатся в нижнем правом углу, у них маленькая температура и низкая светимость. Солнце расположится ближе к середине диаграммы. Видно, что все звезды, о которых мы говорим, располагаются вдоль одной линии. Эту линию принято называть Главной последовательностью.
Но оказывается, во Вселенной есть красные звезды огромных размеров, из-за чего их светимость сопоставима со светимостью голубых гигантов. Их называют красными гигантами. В то же время, в космосе обнаружено великое множество белых маленьких звезд, обладающих низкой светимостью из-за небольших размеров. Их называют белыми карликами. Памятуя о том, что цвет звезды однозначно определяется ее температурой поверхности, мы без труда поместим красные гиганты и белые карлики на нашей диаграмме (см. рисунок выше). Кроме всего этого, астрономы обнаружили некоторое относительно небольшое количество звезд, которые могут произвольно располагаться на нашей диаграмме.
У них также не наблюдается зависимости светимости от цвета, присущей звездам Главной последовательности. Дальше, мы попробуем выяснить, откуда берутся такие "неправильные" звезды. Все звезды большую часть жизни являются членами Главной последовательности. Говорят, что звезда на ней находится. После того, как в центральной части (ядре) звезды закончится водород, звезда перестанет обладать источником энергии. Ядро, которое теперь состоит в основном из гелия, начинает сжиматься под действием сил гравитации, так как нет больше сил, сдерживающих сжатие. Реакции же ядерного синтеза гелия из водорода продолжаются в тонком слое, примыкающем к ядру.
Сжатие ядра приводит, как и при рождении звезды, к увеличению давления и температуры, а повышение температуры вызывает ускорение ядерного синтеза в слое, граничащем с ядром (вспомним, что в горячих звездах эти реакции протекают быстрее). Энергия, высвобождаемая в результате сжатия ядра и горения водорода, увеличивает давление, идущее из центра звезды, под действием него звезда расширяется до гигантских размеров.
При этом, плотность и температура внешних слоев падает. Мы получаем огромную (и из-за этого яркую) холодную красную звезду - красный гигант. Звезда не сразу становится таковым. Если в каждый момент времени описывать ее состояние положением на диаграмме Цвет-Светимость, то звезда оставит на ней след (трек), ведущий от Главной последовательности к области красных гигантов. Звезда проходит бесчисленное число состояний, каждое из которых описывается положением на диаграмме. Говорят, что звезда покидает Главную последовательность и перемещается в область красных гигантов. Такими звездами, в частности, являются Бетельгейзе (альфа Ориона) и Антарес, самая яркая звезда в созвездии Скорпиона.
У них небольшое гелиевое ядро, слой горящего водорода (где происходит синтез гелия) и сильно разряженные вышележащие слои. Диаметр Антареса превосходит солнечный в 400 раз. Если бы Солнце раздулось до таких размеров, то погребенными в верхних слоях его остались бы Меркурий, Венера, Земля, Марс и множество астероидов. Именно такая участь уготована Солнечной системе. На этом этапе жизни звезда часто становится переменной - у нее периодически или неправильным образом меняются размеры и светимость. Звезды как бы пульсируют. Есть несколько видов переменных, для некоторых из них установлены важные соотношения между их светимостью и периодом, в течение которого они меняют свой блеск. Самым известным типом переменных звезд являются цефеиды - большие и яркие желтые звезды. Период колебания их яркости пропорционален светимости.
Зная, что к группе каких-то звезд, находящихся рядом в пространстве, принадлежит цефеида, мы всегда сможем найти расстояние до этих звезд, высчитав светимость цефеиды из периода колебаний ее блеска. Так как цефеиды - яркие звезды, их различают даже в ближайших галактиках, тем самым, точнее определяя расстояния до них. Цефеиды получили свое название от звезды Дельта Цефея - первой открытой переменной такого типа. Полярная звезда тоже является цефеидой.