Лев Шильник - Удивительная космология
Диаграмма Герцшпрунга – Рассела
Таким образом, большинство звезд расположились по диагонали в виде широкой полосы, идущей от верхнего левого угла диаграммы, где лежали горячие и яркие звезды, к нижнему правому углу, населенному холодными и тусклыми красными карликами. Эту широкую диагональную ленту назвали главной последовательностью.
Звезды, лежащие на главной последовательности, располагаются не абы как, но подчиняются определенным правилам. Сразу же выявилась взаимосвязь между температурой звезды и ее радиусом, поскольку оказалось, что звезда с определенной температурой поверхности не может быть сколь угодно большой, а значит, и ее светимость тоже укладывается в некие фиксированные параметры. Кроме того, светимость связана с массой звезды. Если идти вдоль главной последовательности от спектральных классов О-В до К – М, то массы звезд непрерывно уменьшаются. Скажем, у звезд класса О массы достигают нескольких десятков солнечной, тогда как у звезд класса В они не превышают 10 масс Солнца. Наше Солнце, как известно, имеет спектральный класс G2, поэтому оно будет находиться почти в середине главной последовательности, немного ближе к ее правому нижнему краю. У звезд более поздних классов массы заметно меньше солнечной; например, красные карлики спектрального класса М легче Солнца в 10 раз. Физическую причину всех этих закономерностей удалось понять только после создания теории термоядерных реакций.
Однако на главную последовательность попадает далеко не все звездное население. Красные гиганты и сверхгиганты (их традиционно принято называть красными, хотя среди них есть и желтые звезды) образуют отдельную ветвь, которая широкой полосой растет от середины главной последовательности и уходит в правый верхний угол диаграммы. Нам уже хорошо знакомы эти звезды с огромной светимостью и низкой температурой поверхности. На фоне основной массы звездного населения гигантов сравнительно немного. А в нижнем левом углу диаграммы разместились белые карлики – горячие звезды с низкой светимостью, что говорит об их очень малых размерах. Забегая немного вперед, скажем, что белые карлики представляют собой закономерный финальный этап эволюции некоторых звезд. Термоядерные реакции в их недрах давно уже не идут, и они медленно остывают. Итак, напрашивается вывод, что и красные гиганты, и белые карлики – это своего рода производственные отходы, определенная стадия эволюции звезд, покинувших главную последовательность. А поскольку вопросы жизни и смерти – одни из наиболее животрепещущих, настало время поближе познакомиться с рождением и эволюцией звезд.
По современным представлениям, звезды рождаются внутри газово-пылевых облаков, которые начинают сжиматься под действием собственных гравитационных сил. Межзвездная среда только на первый взгляд кажется ничем не заполненным пустым пространством, а в действительности она содержит значительные количества газа и пыли, которые распределяются весьма неравномерно. Больше всего газа и пыли концентрируется в галактических спиральных рукавах, и здесь же обнаруживаются так называемые ассоциации молодых звезд, что является дополнительным аргументом в пользу их рождения из газово-пылевых облаков. Помимо молекулярного водорода и атомарного гелия, такие облака содержат мелкие частицы космической пыли, сложенные более тяжелыми элементами. И хотя никому еще не удалось от начала до конца проследить все фазы формирования звезды, в самом общем виде этот процесс можно представить следующим образом.
После обособления и уплотнения фрагмента облака наступает фаза его быстрого сжатия. Плотность сгустка стремительно растет, а его прозрачность неуклонно падает, поэтому накапливающееся тепло не может его покинуть, и сгусток начинает разогреваться. Радиус такой протозвезды намного превосходит радиус Солнца, но она продолжает сжиматься, потому что давление газа и температура внутри облака не в состоянии уравновесить гравитационные силы. Когда температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, в ее недрах вспыхивают термоядерные реакции синтеза. Температура и давление продолжают расти, и наступает такой момент, когда они начинают эффективно противодействовать силам гравитационного сжатия. Протозвезда становится полноценной звездой и довольно быстро «садится» на главную последовательность.
Чтобы «пробежать» самую раннюю фазу своей эволюции, звезде требуется сравнительно немного времени. Скорость появления на свет зависит от веса младенца. Тяжелые звезды рождаются гораздо быстрее легких. Например, у нашего Солнца, по некоторым оценкам, ушло на это дело примерно 30 миллионов лет, а звезды, втрое превосходящие его по массе, выскакивают как из пушки – всего лишь за 100 тысяч лет. А вот у красных карликов, масса которых на порядок меньше солнечной, роды растягиваются на сотни миллионов лет, но зато и живут такие звезды намного дольше. Масса звезды определяет не только обстоятельства ее появления на свет и первые шаги в этом мире, но и накладывает властный отпечаток на всю ее последующую судьбу. Но сначала разберемся с процессами, протекающими в звездных недрах, которые обеспечивают новорожденной безбедное существование.
Любая звезда представляет собой саморегулирующийся ядерный реактор, обеспечивающий длительное и стабильное производство энергии. В звездных недрах набирают обороты реакции термоядерного синтеза, в ходе которых водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, поэтапно трансформируется во все более тяжелые элементы. Основной ядерный цикл звезды – это превращение водорода в гелий, потому что водорода в процентном отношении в ее составе больше всего. Например, наше Солнце, благополучно прожившее на белом свете около 5 миллиардов лет, содержит чуть больше 80 % водорода. Остальные 20 % приходятся на гелий и другие, более тяжелые элементы, но гелия, разумеется, несопоставимо больше. Трансформация водорода в гелий в основном осуществляется через так называемый протон-протонный цикл, а поскольку он очень медленный, то обеспечивает стабильное горение звезды на протяжении 10 миллиардов лет. В дебри физико-химических процессов, совершающихся в недрах звезд, мы не полезем, а отметим только, что время жизни звезды на главной последовательности (то есть период ее относительно спокойного существования) зависит в первую очередь от ее исходной массы. Нашему Солнцу и подобным ему звездам уготована долгая и размеренная жизнь (не меньше 5 миллиардов лет), а красные карлики проживут еще дольше.
Любая звезда представляет собой раскаленный плазменный шар (гелиевые и водородные плазмы, как выражаются астрофизики), а бушующие в ее недрах термоядерные реакции играют двоякую роль: во-первых, поддерживают на необходимом уровне давление и температуру, которые противостоят гравитационному сжатию, а во-вторых, обогащают звезду тяжелыми элементами. Средний химический состав наружных слоев звезды выглядит примерно так: на 10 тысяч атомов водорода приходится 1 тысяча атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, один атом углерода и 0,3 атома железа. Относительное содержание других элементов еще меньше. Однако накопление тяжелых элементов (а без них невозможно возникновение планет земного типа и, по всей видимости, жизни) наиболее активно происходит в массивных звездах, которые ощутимо тяжелее Солнца. Гелий в центрах таких звезд начинает превращаться в элементы углеродного цикла (углерод, кислород, азот и т. д.), а они, в свою очередь, трансформируются в еще более тяжелые элементы вплоть до железа. Наше Солнце, как известно, сравнительно небольшая звезда (желтый карлик спектрального класса G2), и расчеты показывают, что если бы оно первоначально на 100 % состояло из водорода, ему потребовалось бы не менее 20 миллиардов лет, чтобы достичь современного соотношения водорода, гелия и других элементов. Между тем солнечный «век» насчитывает не больше 5 миллиардов лет. Каким же образом Солнцу удалось столь быстро обогатиться тяжелыми элементами, если его массы для этого явно недостаточно?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть, что происходит со звездами на главной последовательности. Как мы помним, находясь на главной последовательности, звезда стабильно излучает на протяжении долгого времени, и ее положение на диаграмме «спектр – светимость» не меняется. Однако расход водородного топлива, поддерживающий термоядерные реакции синтеза в недрах, неодинаков у разных звезд. Звезды, сравнимые с Солнцем по массе, живут весьма экономно, поэтому запасов водорода им хватит надолго. Красные карлики – еще большие скряги: бережно считая каждый грош, они проживут вдвое, а то и втрое-вчетверо дольше нашего Солнца. А вот массивные звезды – великие транжиры и моты: самые тяжелые из них будут находиться на главной последовательности всего лишь несколько миллионов лет. Бурная жизнь в молодые годы приводит к ранней старости.
