Ночью, когда ты будешь смотреть на небо, ты увидишь мою звезду, ту, на которой я живу, на которой я смеюсь. И ты услышишь, что все звёзды смеются. У тебя будут звёзды, которые умеют смеяться!
љ Антуан де Сент-Экзюпери
Мы уже разобрались с внутренним строением наших звездных кошек и их пушистостью (светимостью и спектральным классом). Пора бы обратить свое внимание на характер наших пушистых световыми лучами питомцев и стадии их взросления, от детской непоседливости до постепенного затухания к старости - или на их эволюцию.
Начнем, пожалуй, с нрава наших кошек или тех их особенностей, которые могут проявляться в течение всей жизни, вне зависимости от стадии эволюции. Речь идет о переменности звезд. Переменные звезды - это такие звезды, блеск которых изменяется достаточно для того, чтобы это могло быть обнаружено с современным уровнем техники. Переменность может быть вызвана физическими изменениями внутри звезды, в таком случае звезды называются физическими переменными. Как у котенка, который голоден или что-то болит, неожиданно прорезается звонкий гундосящий голосок. А голод и боль возникают периодически у всех живых существ. Если же переменность вызвана вращением котенка по орбите или его перекрытием другими котятами, то она называется геометрической. Физическая и геометрическая переменность могут сочетаться, как сочетаются друг с другом бузящие голодные котята из одного помета. При этом переменность не является преференцией одних только звездных котят. Она может появляться и исчезать на разных этапах эволюции звезды, о чем ниже.
Классификация переменных звезд сложна и учитывает форму кривой блеска звезды, амплитуду и периодичность его изменений и физические процессы, которые эту переменность вызывают.
Некоторые типы переменных звезд, например цифеиды (их прототипом для названия стала δ Цефея) или сферхновые используются в астрономии как стандартные свечи - объекты, которые при известной светимости и принадлежащие тому или иному спектральному классу, используются для измерения расстояний.
Всех переменных котят можно разделить на следующие виды в зависимости от особенностей характера: пульсирующие переменные (звезды, чья переменность периодична и вызвана изменениями радиуса и температуры); эруптивные переменные (звезды, переменность которых вызвана активностью в хромосфере и короне); катаклизмические переменные (резкая переменность этих звезд всегда связана с взрывными, катаклизмическими процессами); затменные переменные или двойные звезды (система из двух звезд, вращающиеся вокруг общего центра масс и периодически перекрывающие друг друга); вращающиеся переменные (звезды, чья переменность обусловлена их вращением вокруг своей оси, на что влияют эллипсовидная форма, звездные пятна и пр.)
В детство могут впадать звезды на любых этапах эволюции, т.е. в любом возрасте, по определенным законам их эволюции. Давайте перейдем к ее рассмотрению.
Эволюция звезды - это изменение ее характеристик с течением времени. Этот процесс различен для звезд с разной изначальной массой. Понятие "жизнь звезды" описывает процессы, происходящие в небесном теле с момента, когда его единственным источником энергии становятся термоядерные реакции, протекающие внутри, и до момента, когда эти реакции заканчиваются. Но до первых и после последних небесное тело также существует. На разных стадиях эволюции звезды эти реакции тоже отличаются, но наиболее эффективные и длительные из них - это протон-протонный цикл и CNO-цикл, в которых из четырёх протонов образуется ядро гелия. Они происходят в ядрах звёзд главной последовательности. Если звезда достаточно массивна, то на более поздних этапах эволюции синтезируются и более тяжелые элементы: углерод в тройном гелиевом процессе, а в самых массивных звездах и более тяжелые элементы, вплоть до железа. Все эти процессы называются звездным нуклеосинтезом.
Самый первый вопрос - откуда звезды вообще появляются в космическом пространстве? В космосе плавают подстилки для будущих котят и кошек - облака холодного межзвездного газа, который начинает сжиматься при возникновении гравитационной неустойчивости, или неустойчивости Джинса (нарастание со временем пространственных флуктуаций (любое случайное отклонение от какой-либо величины) скорости и плотности вещества под действием сил тяготения). Этот этап называется начальной стадии эволюции звезды. Изначально могут сжиматься только крупные облака газа, но со временем сжатие становится неравномерным и с наибольшей скоростью происходит в нескольких областях облака. Именно поэтому звезды никогда не формируются поодиночке, только группами: в составе звездных ассоциаций (группы гравитационно несвязанных или слабосвязанных звезд) и звездных скоплений (визуально и гравитационно связанные группы звезд, которые движутся как единое целое в составе галактики). После того, как в облаке формируется гидростатически равновесное ядро (направленные в противоположные стороны гравитационные силы и силы давления среды уравниваются), оно может считаться протозвездой.
Протозвезда светит вначале в дальнем инфракрасном диапазоне, а потом, по мере сжатия и повышения температуры, становится видна в оптическом спектре. В это время также формируются протопланетные диски вокруг звезды, которые со временем станут планетарной системой. Т.е. все, как у котят: рождаются пометом в несколько особей и сразу формируют вокруг себя будущие планетарные системы из игрушек.
Следующий этап формирования звезды - это ее взросление до звезд главной последовательности (что такое главная последовательность - см. в предыдущей статье). В это время в котятах начинаются самостоятельные процессы термоядерного синтеза гелия из водорода. 90% звезд относятся к звездам главной последовательности.
Характеристики этих звезд в первую очередь зависят от их массы, и в гораздо меньшей степени от их химического состава или возраста: чем больше массы звезды, тем больше ее температура, радиус и светимость, а срок ее жизни на главной последовательности - меньше. Перекормленные толстые кошки, увы, живут меньше. Для измерения светимости и массы звезд приняты такие внесистемные единицы измерения, как соответственно L⊙ и M☉, что соответствует светимости Солнца и массе Солнца.
Стадия главной последовательности заканчивается, когда в ядре звезды остается слишком мало водорода, и он не может сгорать так же, как раньше.
Гелий накапливается в ядре звезды, а водорода становится все меньше, поэтому он начинает сгорать в слоевом источнике вокруг ядра. В этот момент звезда переходит вначале на стадию субгигантов, а потом на ветвь красных гигантов. Исключением являются только звезды массой менее 0,2 M☉, поскольку являются полностью конвективными (конвекция - явления перемешивания вещества потоками самого вещества) и гелий в них распределен равномерно.
Субгиганты - это стадия эволюции звезд, когда они охлажадются и увеличиваются в размере, но светимость практически не меняется. У массивных звезд эта стадия завершается очень быстро, и поэтому на диаграмме Герцшпрунга - Рассела область, занимаемая субгигантами, столь мала, что называется пробелом Герцшпрунга. Субгиганты - это звезды того же спектрального класса, но более яркие, чем звезды главной последовательности, но более тусклые, чем сверхгиганты.
Красные гиганты - это звёзды, сжигающие водород в оболочке вокруг ядра, постепенно увеличивая свой размер и светимость, а их ядра состоят из гелия, термоядерные реакции там не идут. Эти звезды имеют низкие температуры и, соответственно, их спектральные классы - К и М. Звезды имеют массы не менее 0,2 M☉ и не более 10 M☉.
Звезды по завершении ветви красных гигантов начинают сжигать гелий. Если масса звезды составляет 2,3 M☉, то гелий загорается взрывообразно. Это явление называется гелиевая вспышка и происходит она после ветви красных гигантов. После вспышки звезда переходит на горизонтальную ветвь. Это стадия эволюции звезд небольшой массы и металличности (относительное содержание в звезде элементов тяжелее водорода). Светимости этих звезд лежат в небольшом диапазоне, а вот температуры их сильно варьируются. Их ядра практически полностью состоят из гелия, а внешние оболочки по химическому составу мало отличаются от межзвездной среды, разве что гелия побольше. Постепенно мощность горения водорода в слоевом источнике вокруг ядра падает, а мощность горения гелия увеличивается. Пока основная энергия выделяется за счет горения водорода, температура звезды увеличивается, а когда энергия начинает выделяться за счет горения гелия - падает. Со временем гелия в слоевом источнике становится настолько мало, что он продолжает гореть в ядре, и звезда переходит на следующую стадию эволюции - асимптотическую ветвь гигантов (где процессы похожи на процессф ветви красных гигантов).
Если же звезда тяжелее 2,3 M☉, то гелий в ней загорается постепенно, и наша звездная кошка попа попадает в голубую петлю. Это стадия эволюции звезд промежуточной массы, в ядрах которых горит гелий, и поверхность звезды вначале становится горячее, потом снова охлаждается. Все это отображается "движением" звезды по диаграмме Герцшпрунга - Рассела.Когда я таком ядре накапливаются углерод и кислород, оно начинает сжиматься из-за малого количества гелия. Для звезд массой менее 8 M☉ эта стадия оказывается последней: они сбрасывают оболочку и становятся белыми карликами, состоящими из углерода и кислоррода.
В более массивных звездах ядро также начинает сжиматься, но они становятся сверхгигантами. В ней начинаются термоядерные реакции с участием углерода. Как и в случае красных гигантов, для звёзд с массой 8-10 M⊙ в результате углеродной детонации, а в более массивных звёздах постепенно. Вскоре могут начаться реакции и с другими, более тяжелыми элементами (вплоть до железа), и звезда становится "многослойной, как луковица" (љ мультфильм "Шрек"). После чего звзеда может ка сбросить оболочку, став белым карликом из кислорода, неона и магния, так и взорваться как сверхновая. Тогда от нее остается либо нейтронная звезда, либо черная дыра (подробнее см. в статье про черные дыры).
Таким образом, выделяется три объекта, в которые может превратиться звезда на конечной стадии своей эволюции: белый карлик, черная дыра и нейтронная звезда. И если про черную дыру мы уже говорили, то о белых (а так же множестве других) карликах, нейтронных звездах, звездных системах и их населениях мы поговорим с вами в следующий раз. Потому что сегодняшних звездных кошек мы "загладили" до такой степени, что наши ментальные ладони покрылись мозолями, а питомцы лишились шерсти.