Каждый атом твоего тела произошел от взорвавшейся звезды. И, возможно, атомы твоей левой руки принадлежали другой звезде, не той, из которой атомы правой. Это самая поэтичная вещь, которую я знаю о физике: мы все сделаны из звездной пыли.
љ Лоуренс Краусс
Над поверхностью бурлящей похлебки жизни, источающей в земную атмосферу токсичные миазмы, безмолвно нависает небесный купол. Если в дневное время на планете Земля наше небо еще пытается скрыть людские прегрешения под плотно прикрытой эмалированной крышкой голубого цвета, но ночью Вселенная срывает ее с земного казана, оставляя в человеческой памяти лишь кроваво-красные раны заката.
Приятно обманывать самих себя, что под синей крышкой голубого неба Космос не увидит нашей мелочной возни, но это лишь иллюзия, помогающая не потерять рассудок под гипнотическим взглядом триллионов космических глаз - звезд. У них не бывает дня и ночи, и смотрят они на нас непрерывно.
Неудивительно, что с древнейших времен звездному небу люди поклонялись. Но шли столетия, человеческая раса росла как численно, так и умственно, и ее извечное любопытство и постоянное накопление знаний при помощи все совершенствовавшейся техники позволили ученым многое узнать о природе звезд. Об этом мы сегодня и поговорим.
К изучению звезд существует несколько разных подходов, компиляция которых дает наиболее подробную информацию об изучаемом объекте.
Так, первый из них - это наблюдательные характеристики светящихся объектов, то есть та информация, которую мы можем получить с поверхности планеты при наблюдении за светилами с учетом всех искажений, которые вносят в нее атмосфера Земли и удаленность звезды от планеты. Стоя на ее поверхности, наблюдению невооруженным глазом доступно около 3000 звезд, расположенных над горизонтом. Всего же на небе около 6000 звезд, которые можно наблюдать, просто задрав голову к небу. Поэтому звездный узор над головой в северном полушарии выглядит совершенно иначе, чем в южном. Кроме того, существует понятие "видимая звездная величина" - это мера освещенности, создаваемой звездами. Интересно, что чем больше освещенность, тем ниже звездная величина (у Солнца, ближайшей к нам звезде, звездная величина составляет −26,72m, а ярчайшей звездой ночного неба является Сириус со звёздной величиной −1,46m).
Также важно определить расстояние до звезды. Для этого существуют различные методы, различающиеся по характеристикам объекта изучения. Так, расстояние до самых близких звезд измеряется методом годичных параллаксов. Это изменение координат звезды, вызванное изменением положения наблюдателя из-за орбитального движения Земли вокруг Солнца. Для звезд, расположенных дальше от нашей планеты, используются другие методы. Один из них - фотометрический метод, изучающий потоки и интенсивность электромагнитного излучения небесных тел.
Еще один способом изучения звезд является фиксация спектров их излучения. Спектр - это распределение значений физической величины (обычно энергии, массы или частоты). То есть определение точек "от" каких и "до" каких значений колеблется электромагнитное, радиационное и прочие излучения звезды. Спектры звезд представляют собой непрерывные спектры с линиями поглощения. Спектр поглощения - это спектр, возникающий при прохождении электромагнитного излучения через поглощающую излучение с определенной длиной волны среду. Кроме того, в звездных спектрах встречаются и эмиссионные линии - это наиболее яркие участки спектра, указывающие на избыток фотонов (безмассовых частиц света, двигающихся со скоростью света), излучаемых звездой. Таким образом, звёздный спектр можно представить в образе серой кошки (сам непрерывный спектр) с белыми эмиссионными (на них показатели спектра "выше" среднего серого уровня) и черными (на них показатели, наоборот, "ниже") полосами.
Для описания звездных спектров часто используется понятие абсолютно черного тела. Это такое физическое тело, которое полностью поглощает все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Однако эти тела вовсе не окрашены в черный цвет космического ужаса. Дело в том, что поглощая энергию, эти тела нагреваются, а, значит, и сами становятся источником электромагнитного излучения. Плотность вещества звезды слишком высока, чтобы сквозь нее мог "пролететь" фотон света, поэтому он в ней "застревает". Противоречивая черная душа нашей удивительной кошки на самом деле таковой лишь кажется.
Для нас, как прилежных исследователей, изучивших нашу звездную кошку внешне, пришло время переходить к следующему этапу познания, а именно к "препарированию" объекта звезды.
Звезда является массивным самосветящимся небесным телом, состоящим из газа (одно из трех основных агрегатных состояний вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его элементами и их высокой подвижностью) или плазмы (четвертое классическое состояние вещества, состоящее из ионизированного, т.е. обладающего электрическим зарядом, газа). В ее ядре на определенном этапе эволюции обязательно происходят термоядерные реакции. Газ или плазма - это мышечный корсет нашей кошки, а термоядерные реакции - ее пищеварительная система и процессы в ней, в ходе которых происходит преобразование атомных ядер одних веществ в атомные ядра других (в случае звезд - водорода в гелий). Для этого исходные ядра должны обладать большой кинетической энергией (мера движения материальных точек, образующих рассматриваемую систему) для того, чтобы преодолеть т.н. "кулоновский барьер" - силу электромагнитного отталкивания между ними. Кинетическую энергию ядер можно представить в виде температуры, следовательно, нагревая вещество, можно достичь термоядерной реакции. Именно эту взаимосвязь ядерной реакции и нагревания вещества отражает понятие "термоядерная реакция".
Как и в процессе пищеварения живых организмов на Земле (например нашего с вами), по ходе его проистекания внутри звезды вырабатывается колоссальное количество тепла и энергии, благодаря чему звезды и светятся. Разобравшись с самыми глубинными процессами в организме звездной кошки, необходимо также разобраться и с поверхностными. Начнем с "мышц" звезды и процессов, проистекающих в них.
Внутри звезды (кроме коричневых карликов и протозвезд) энергия вырабатывается, как было сказано выше, в ходе термоядерных реакций. Те, в свою очередь, проходят либо в ядре звезды (где температура и давление максимальны) либо, в случае красных гигантов, в слоевом источнике вокруг инертного ядра. Далее эта энергия передается от ядра звезды к ее поверхности. Это происходит двумя способами: лучистым переносом и конвекцией. Лучистый перенос характерен для веществ, достаточно прозрачных для быстрого переноса энергии фотонами. Конвекция же возникает тогда, когда вещество оказывается слишком непрозрачным для лучистого переноса, из-за чего возникает сильный температурный градиент между его внутренними и внешними слоями, и вещество начинает перемешиваться. Зоны звезды, в которых энергия переносится тем или иным способом, называются соответственно "зоной лучистого переноса" и "конвективной зоной".
Наконец, наше "препарирование" звездной кошки добралось до ее внешних слоев кожи и шерсти, или, иными словами, до атмосферы звезды. Звездная атмосфера - это область, которая делает кошку похожей на кошку, иначе говоря, та область, в которой формируется непосредственно наблюдаемое излучение звезды. "Шкурка" звездной кошки состоит из нескольких слоев.
Фотосфера - это эпидермис "шкурки", являющийся самой нижней и непрозрачной частью атмосферы звезды. В ней формируется непрерывный спектр излучения. Для земного наблюдателя фотосфера выглядит как поверхность звезды. Эпидермис кошки темнеет к своему внешнему краю (лимбу). Потемнение к краю - это оптический эффект, более подробно который мы рассмотрим в следующих статьях.
Из эпидермиса фотосферы растет подшерсток. Этот следующий слой атмосферы называется "обращающим слоем". Как и любая шерсть, он имеет меньшую температуру и плотность чем кожа, на которой она растет. Здесь образуются линии поглощения в спектре.
Следующий слой уже непосредственно шерсти имеет более высокую температуру, чем фотосфера, и называется "хромосферой". В нем формируются эмиссионные линии спектра. Однако этот слой отсутствует у горячих звезд.
И, наконец, на всем этом меховом многообразии покоится так называемая "корона". Это самый горячий слой атмосферы отличающийся очень высокой температурой, но и очень низкой плотностью вещества одновременно. Поэтому увидеть корону можно только при полном звездном затмении, ведь низкая плотность вещества обуславливает и его низкую светимость. Зато корона компенсирует это сиянием рентгеновского излучения.
Как и некоторые животные, некоторые звездные кошки склонны к линьке. Это стационарное истечение вещества звезды из атмосферы в космос называется "звездным ветром". Чем массивнее звезда, тем сильнее она "линяет", а "линька" маломассивных светил уносит лишь небольшую часть их массы. Однако со временем она значительно замедляет скорость их осевого вращения. Наличие звездного ветра указывает на то, что атмосфера звезды неустойчива (вспомните ваших линяющих по сезонам питомцев и их безумные выходки в этот период).
Многие из нас любят кошек. Или других шерстяных питомцев. Поэтом изучены они достаточно подробно вне зависимости от места их обитания - на земле или в космосе - чтобы весь объем информации не уместился в ограниченном объеме одной статьи. Нам еще предстоит разобраться в видовом разнообразии звездных кошек, способах их классификаций по различным параметрам и эволюции этих небесных тел (нередко оканчивающейся взрывом звезды, из атомов которых состоят наши левые и правые руки, ноги и другие части тела в том числе). В третьей же статье про звезды мы погрузимся в темный океан пугающих мифов и легенд, связанных со звездным небом, которые не закончили свое существование в ходе развития научного подхода, а, наоборот, приобрели еще более пугающие формы.
До встречи в следующих выпусках!