Переменные звезды и их эволюция. Конечные стадии эволюции звезд и Солнца

Эволюционный путь звезды определяется ее массой, так как масса определяет количество горючего и с ее ростом увеличиваются температура в центре звезды и интенсивность термоядерных реакций. У звезд относительно небольшой массы (до 30 ) светимость L пропорциональна , где =3 — 5. Время жизни звезды пропорционально , т.е. , и для = 4, например,

получаем пропорциональное М^-3. Значит, если для Солнца порядка лет, то у звезды массой лет. Для очень

массивных звезд светимость не столь высока, и она пропорциональна массе, т. е. время жизни почти не зависит от массы и равно 3 — 5 млн лет.

Если звезда имеет массу, близкую массе Солнца, то возможен переход звезды в кратковременную — на несколько миллионов лет — стадию пульсаций (стадия цефеиды), после чего звезда станет белым карликом. Возможно, что Солнце через миллиарды лет тоже начнет расширяться, достигнет стадии красного гиганта, и, если к тому времени человечество не покинет Солнечную систему (или не уничтожит себя раньше этого срока), его судьба будет предрешена. Красные гиганты типа Бетельгейзе и Антареса развились из звезд Главной последовательности и были массивнее Солнца. Возможно, большие звезды станут инфракрасными гигантами.

Оценим размер Солнца в стадии красного гиганта. По закону Стефана—Больцмана светимость L пропорциональна квадрату радиуса и . Значит, радиус R пропорционален . Подставляя численные значения, получаем радиус Солнца в эпоху красного гиганта: а. е. Полученное значение показывает, что Солнце расширится до орбиты Меркурия (среднее расстояние 0,387 а.е., расстояние в перигелии — 0,31 а. е.) и поглотит только планету Меркурий.

Переменные звезды— это звезды, блеск которых меняется (беспорядочно или периодически). Они отличаются от звезд типа нашего Солнца, «жизнь» которых относительно стационарна. Затменно-переменными являются двойные звезды.

Отмеченное более тысячи лет назад арабскими астрономами изменение блеска звезды р Персея отражено в ее названии — Эль-Гуль, или «дьявол», что в Европе превратилось в Алголь. Причину колебаний ее блеска разгадал английский астроном-любитель Дж. Гудрайк, предположив «существование большого тела, вращающегося вокруг Алголя». Он же обнаружил (1784) пульсации звезды дельта Цефея с периодом меньше 0,2 суток. Еще раньше Д. Фабрициус заметил новую яркую звезду в созвездии Кита, блеск которой менялся с периодом в 348 дней, и назвал ее Мирой («Чудесная»). Такие долгопериодические переменные звезды — преимущественно звезды-гиганты «холодного» спектрального класса М. Впоследствии были обнаружены и классифицированы более 14 тыс. переменных звезд.

Физически переменные звезды на диаграмме «спектр — светимость» занимают широкую полосу в направлении от Главной последовательности в область гигантов и сверхгигантов. При переходе слева направо период пульсаций звезды обратно пропорционален корню квадратному из средней плотности звезды. А ведь чем дальше вправо к области сверхгигантов смещена звезда, тем больше ее радиус и меньше ее плотность! Итак, период пульсаций связан со всей структурой звезды. Вероятно, источником пульсаций в этих звездах служит энергия, высвобождающаяся в звездных недрах, которая способна преобразоваться в механическую за счет особенностей ее строения.

Цефеиды — важный тип физически переменных звезд (см. гл. 3), с периодом блеска от нескольких часов до суток. Изучение спектров цефеид показывает, что вблизи максимального блеска звезда приближается к нам с наибольшей скоростью, а вблизи минимума — удаляется (эффект Доплера). Значит, цефеиды периодически сжимаются и расширяются (см. рис. 3.7).

Радиус цефеиды почти в 30 раз больше солнечного, и зона двукратной ионизации гелия, составляющая всего 1—2 % радиуса, при средней температуре 40 000 К и плотности 3 10^-8 г/см³ составляет 10^-6 всей массы. Но именно эта, казалось бы, незначительная зона приводит к пульсациям, работая как поршневой двигатель: освобождение энергии при сжигании горючего (или приобретение энергии системой) происходит в момент максимального сжатия в цилиндре. В зоне ионизации гелия-И за счет поглощения энергии растет давление, газ расширяется и уменьшается плотность. Слой становится прозрачней, запасенная в нем энергия начинает усиленно высвечиваться. При достижении наибольшего расширения внешние слои под действием тяготения начнут падать вниз, но равновесное положение «проскользнут», произойдет сжатие, и цикл повторится. Более детальный анализ показал, что пульсировать способ-

ны только звезды, в которых зона ионизации попадает в резонанс со всей звездой. Это возможно только для гигантов и сверхгигантов, а при движении вправо от них отстройка от резонанса приводит к неправильностям в блеске звезды. Возможно, многие звезды проходят подобные стадии эволюции.

Новые звезды в нашей Галактике дают до сотни вспышек за год, но видеть удается только одну-две из них. Термин «новые» ввел Тихо Браге, наблюдавший вспышку в 1572 г., и, хотя это название не из удачных, так как вспышка свидетельствует не о рождении, а о гибели звезды, оно сохранилось. Недавно установили, что новые — это тесные двойные системы, состоящие из звезды позднего класса и горячей звезды, окруженной оболочкой плотного газа. Вспыхивает звезда с меньшей массой, перетягивание части массы к ней разогревает ее и приводит к взрыву. Зарегистрировано около 170 новых звезд в нашей Галактике и около 200 — в галактике Андромеды.

В максимуме Новая звезда достигает абсолютной звездной величины М = -8. Такая яркость длится всего несколько дней. Может случиться, что она за несколько месяцев вернет свои прежние характеристики, и в звездных просторах это не выглядит катастрофой, но через сто или тысячу лет она может вновь взорваться (как вулкан имеет склонность к повторным извержениям). В 1885 г. взорвалась Новая S Андромеды: будучи слабой звездочкой 7-й величины, она вдруг стала светить ярче звезды 6-й величины. С учетом расстояния до нее она стала ярче всей галактики Андромеды, ее блеск достигал блеска миллиона простых новых звезд, или в 10 млрд раз превышал блеск Солнца. Это была вспышка Сверхновой звезды.

Сверхновыми звездами стали называть уже по аналогии звезды, производящие наиболее мощные взрывы. Вспышку Сверхновой наблюдали китайские астрономы еще в 1054 г. в созвездии Тельца, и сейчас остатки оболочки этой звезды наблюдаются в виде Крабовидной туманности. Со временем она рассеется в пространстве, но при вспышках образуются изотопы многих элементов с массовыми числами, большими 60. Именно эти вспышки обогащают газопылевые комплексы тяжелыми элементами, поэтому в молодых звездах наблюдается более высокое содержание тяжелых элементов, чем в старых. Вспышки Сверхновых наблюдали примерно раз в 150 — 300 лет в каждой галактике. Кроме расширяющейся оболочки газа, которая сбрасывается при вспышке, на месте вспышки остается нейтронная звезда, или пульсар. Грандиозная Сверхновая была зарегистрирована при обычном фотографировании звездного неба Р. Макнаутом (Австралия) 23 февраля 1987 г., а через 20 ч — И.Шелтоном (Чили), причем она произошла на расстоянии всего 16 тыс. св. лет в Большом Магеллановом облаке. Вспышка была потом детально исследована во

всех диапазонах длин волн, и от нее исходил мощный поток нейтрино. Эти исследования приоткрыли картину эволюции звезд, выделили проявление и роль в ней смены ядерного горючего, показали, что эта Сверхновая относилась к старым звездам.

Ранее это была звезда (красный гигант) с массой в 18 раз больше солнечной, она светила в 40 тыс. раз ярче Солнца и за 10 млн лет выработала энергию превращения водорода в гелий. Когда во внутренней области, где сосредоточено 30 % массы звезды, закончились термоядерные реакции, центральные слои стали сжиматься. Сжатие продолжалось десятки тысяч лет (от 6 до 1100 г/см³), при этом температура поднялась от 40 до 190 млн К. Эти изменения привели к «загоранию» следующего ядерного горючего — гелия, которого хватило еще на 1 млн лет. Внешние слои, содержащие водород, расширили звезду до 300 млн км, и она превратилась в красный гигант. После выгорания гелия настала очередь ядерного горения углерода на 12 тыс. лет при температуре ядра 740 млн К и плотности 240 г/см³' В результате сгорания углерода образовались магний, неон и натрий. Неон выгорел после углерода за 12 лет при температуре 1,5 млрд К и плотности 7,4 млн г/см³. После неона начинает гореть кислород, который сгорает за 4 года (Г= 2,1 млрд К и плотность в ядре 16 млн г/см³). После выгорания кислорода наступает очередь образовавшихся кремния и серы. Горение кремния формирует температуру в 3,4 млрд К и плотность 50 млн г/см³. Процесс выгорания кремния происходит уже за 7 суток. Ядро не уменьшило своей энергии из-за высокой температуры, но стало железным. Оно не обладает запасом ядерной энергии и не может противостоять тяготению, поэтому начинает стремительно сжиматься. За доли секунды ядро массой в 1,5 солнечных и радиусом в половину земного сжимается до радиуса около 100 км, т. е. становится почти нейтронным. Если бы оно сжалось до 10 км, то получилась бы нейтронная звезда. Но шло развитие рождения Сверхновой. Когда плотность достигла 270 млрд г/см³, нейтроны стали давить друг на друга, и процесс прекратился. Внешняя часть ядра, продолжающая падать с огромной скоростью, столкнулась с жестким ядром. В результате возникла ударная волна, которая устремилась к внешней поверхности звезды, но поток нейтрино обогнал ее, сорвал внешние оболочки и развеял их в пространстве. Через 160 тыс. лет этот поток нейтрино достиг Земли и был зафиксирован в подземных нейтринных лабораториях Японии, СССР и США.

Пульсарами назвали источники пульсирующего излучения, характер которого был не похож на известный ранее (типа цефеид). Радиоастрономы А. Хьюиш, С.Белл, И.Пилкингтон, П.Скотт и Р. Коллинз обнаружили на X = 3,68 м необычные радиосигналы, длящиеся 0,3 с (1968). Сигналы с точностью до 10^-8 с повторялись через 1,337 с в течение полугода, но амплитуда сигнала менялась. Такой характер сигнала напоминал передачи земных радиостанций, в которых на строго ритмичные высокочастотные сигналы накладываются колебания звуковой частоты.

К настоящему времени открыто уже более двухсот пульсаров. Регистрируя излучение пульсаров на различных, но близких час-

тотах, удалось по запаздыванию сигнала на большей длине волны (при предположении о некоторой плотности плазмы в межзвездной среде) определить расстояние до них. Оказалось, что все пульсары находятся на расстояниях 100 — 25000 св. лет, т.е. принадлежат нашей Галактике, группируясь вблизи ее плоскости. Возможно, что большинство открытых пульсаров находится в том же спи-ральном рукаве, что и Солнце. Пульсар NP 0531 в центре Крабо-видной туманности отождествляли со звездой, которую считают остатком от вспышки Сверхновой в 1054 г. С развитием рентгеновской астрономии было замечено, что основную долю энергии пульсары излучают в этом диапазоне, и рост периода излучения пульсаров со временем позволяет оценить их возраст. Пульсирующий характер излучения объясняют быстрым вращением звезды и наличием сильного магнитного поля с индукцией до 100 млн Тл. Если магнитная ось не совпадает с осью вращения, то образуется «магнитный конус», попав в который заряженная частица может ускориться до скоростей, близких к световым, излучая энергию в направлении своего движения. Возникает узконаправленный пучок нетеплового излучения, и этот радиоимпульс регистрируется на Земле. Для пульсаров с периодом 0,5 — 2 с возраст составляет от 10⁶ до 30 10⁶ лет, т.е. это сравнительно молодые объекты Галактики. Но явление пульсара не связано с пульсациями самой нейтронной звезды. При плотности нейтронной звезды 10¹⁵ г/см³ период пульсаций равен всего 0,001 с, что в сотни раз меньше наблюдаемых периодов у пульсаров. Поэтому была разработана модель вращающейся нейтронной звезды, у которой ось вращения не совпадает с магнитной.

В 1985 г. появилась гипотеза, что источник рентгеновского излучения Лебедь Х-3 представляет собой кварковую звезду. В 1989 г. в центре взорвавшейся СН 1987 А обнаружили пульсар с частотой вращения до 2000 об/с, самый быстрый из известных, и также предположили, что он является кварковой звездой. Считается, что после такой вспышки остаток звезды должен превратиться в белого карлика и туманность.

Массы звезд определяют их конечные судьбы. Гипотезу о том, что возможно существование звезд огромной плотности, состоящих только из нейтронов, высказал Ландау еще в 1932 г. сразу же после открытия нейтрона. Через два года эту идею развили В. Ба-аде и Ф. Цвикки. Они показали, что такие звезды могут образовываться при взрывах Сверхновых — конечная стадия эволюции массивных звезд. Если в ядре звезды образовались атомы железа, оно будет далее сжиматься и разогреваться под действием сил гравитации. Железо начнет распадаться на протоны и нейтроны, затем протоны, взаимодействуя с электронами, превратятся в нейтроны. Получится компактная нейтронная звезда. Снаружи нейтронное ядро будет обрамлять железная кора температурой до 10⁶ К.

Размеры звезды примерно 12^-15км при средней плотности 10¹⁸ кг/м³. При такой огромной плотности нейтронная жидкость является вырожденной и подчиняется принципу запрета Паули, препятствующему дальнейшему сжатию. В центре нейтронной жидкости возможна примесь кваркового вещества.

Если давление вырожденных нейтронов при вспышке Сверхновой не сможет предотвратить дальнейшее сжатие ядра, начнется гравитационный коллапс. Когда скорость убегания (или вторая космическая) станет равной скорости света, коллапс неотвратим. Этот размер сжатия получил название гравитационного радиуса, определяемого массой звезды. Для Земли он составляет около 1 см, а для Солнца — 3 км. Если он достигнут, звезда станет черной дырой. Теория черных дыр, предсказанных ОТО, разработана достаточно подробно. Чтобы покинуть черную дыру, надо развить вторую космическую скорость, превышающую скорость света, что невозможно. Поэтому ни один объект не сможет покинуть ее поле. Вблизи черных дыр резко меняются свойства пространства-времени. Считают, что таков конец эволюции самых массивных звезд. Черная дыра может проявить себя, если она входит в состав двойной звездной системы, в которой вторая звезда — яркий гигант. Предполагают, что массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений, центрах галактик и квазаров. Возможно, маленькие черные дыры возникали и в самом начале расширения Вселенной. Тогда их можно было бы искать по рождению вблизи них элементарных частиц, как следует из теории. Сейчас «подозреваемыми» объектами на черные дыры являются Лебедь Х-1, Скорпион Х-1, Стрелец А и др.

Итак, звезды эволюционируют, и эволюция их необратима. Грандиозные неравновесные процессы происходят в пульсирующих звездах — цефеидах, в недрах звезд — мощные термоядерные процессы, обеспечивающие выделение огромного количества энергии. В конечные этапы жизни в звездах возникают некие упорядоченные состояния, которые не могут быть описаны классической физикой. В нейтронных звездах и белых карликах вещество переходит в новые квантовые состояния, которые ограничивают энергетические потери.

9.4. Галактика, ее форма и строение. Солнечная система в Галактике

Наша галактическая система — рядовая звездная система. На небе в ясную безлунную ночь хорошо видна яркая белесоватая полоса — Млечный Путь. Он простирается (при вечерних наблюдениях) через созвездия Скорпиона, Стрельца, Орла и дальше вверх к созвездиям Лебедя, Цефея и Кассиопеи. При утренних

наблюдениях можно проследить его другую ветвь: по созвездиям Персея, Возничего, Тельца, Близнецов, Ориона и Большого Пса. В южном полушарии он проходит через созвездия Паруса, Киля, Южного Креста и Центавра. Таким образом, Млечный Путь образует на небе полный круг. Греки назвали Млечный Путь галактическим (молочным) кругом. Его светлое сияние происходит в основном из-за свечения бесчисленного количества слабых звезд.

Представление о том, что Млечный Путь состоит из огромного числа звезд, восходит еще к Демокриту. Его догадку подтвердил Галилей с помощью своего телескопа. У. Гершель обратил внимание на то, что в направлении созвездия Геркулеса звезды как бы раздвигаются, а на противоположной стороне — сближаются. Такое впечатление получается при движении по дороге, по обеим сторонам которой высажены деревья, поэтому Солнце движется по отношению к ближайшим звездам и расстояния до них неодинаковы.

Основателем звездной астрономии считается У. Гершель. Из наблюдений он заключил, что протяженность Галактики порядка 5800 св. лет, а ее толщина — 1100 св. лет. Он не знал о существовании межзвездного газа, поглощающего излучение звезд, поэтому его размеры Галактики приуменьшены в 15 раз. В XX в. были определены форма и масштабы этой гигантской звездной системы и установлено место, которое занимает в ней наше Солнце. Солнечная система находится между спиральными рукавами, один из которых виден в направлении на центр Галактики в созвездии Стрельца, а другой — в противоположном направлении, в созвездии Персея. Именно в направлении на созвездие Стрельца Млечный Путь выглядит наиболее ярко.

Галактика — это гигантская звездная система, состоящая почти из 200 млрд звезд, и Солнце — одна из них. Вообще галактики — огромные вращающиеся звездные системы. Они различаются и по внешнему виду, и по характеристикам. Помимо звезд в галактики входит межзвездное вещество: газ, пыль, частицы космических лучей. Некоторые галактики похожи на нашу Галактику по ряду свойств и по внешнему виду. По их фотографиям можно заключить, что это достаточно тонкий диск с утолщением в центре. В этом месте Галактика простирается на область с радиусом 25 кпк и толщиной около 2 кпк, на расстоянии в 10 кпк от центра находится Солнечная система (рис. 9.8). Она движется вокруг центра Галактики почти по окружности со скоростью 250 км/с. Орбита Солнца лежит в плоскости Галактики, и один оборот длится 250 млн лет. Масса центральной части Галактики порядка 3 • 10⁴¹ кг. Предполагают, что большая масса рассредоточена на периферии Галактики в области радиусом около 100 кпк. Многие звезды образуют группы — скопления. Эволюционные процессы связаны с такими характеристиками звезд, как возраст, химический со-

Рис. 9.9. Подсистемы Галактики:

1 — гало; 2 — промежуточная подсистема; 3 — диск; 4 — старая плоская подсистема; 5 — молодая плоская подсистема

став, характеристики движений и пространственное расположение.

Возраст звезд меняется в большом диапазоне значений: от 15 млрд лет (возраст Вселенной) до сотен тысяч лет — самых молодых. Есть звезды, образующиеся на наших глазах. Все звезды, по терминологии Бааде (1944), принято называть звездным населением (рис. 9.9). В плоскости Галактики расположены звезды молодые и среднего возраста — население I, или диска (звезды Главной последовательности спектральных классов О и В — самые молодые и горячие, G, К, М— карлики). Это — рассеянные звездные скопления, горячие звезды — гиганты и сверхгиганты, Сверхновые звезды, долгопериодические цефеиды, молекулярные облака, светлые и темные туманности. Возраст их порядка 10⁷— 10⁸ лет, они недавно образовались из межзвездного газа, потому находятся вблизи него в плоскости. Межзвездного газа по массе немного — около 5 % общей массы, и он сконцентрирован в спиральных рукавах. Наше Солнце находится посередине между двумя спиральными рукавами. Самые старые — население II, или гало (шаровые скопления, содержащие до миллиона звезд; рассеянные скопления, содержащие лишь 100 — 1000 звезд; субкарлики и переменные типа RR Лиры); к старым относят красные карлики, красные гиганты и цефеиды. Их возраст порядка 10¹⁰ лет. Старые объекты находятся ближе к центру Галактики. Промежуточную группу по возрасту занимают звезды, заполняющие диск Галактики толщиной около 1 кпк. Это новые звезды, планетарные туманности, яркие красные гиганты, расположенные в ядре Галактики.

Сравнительно молодые звезды верхней части последовательности входят обычно в состав рассеянных скоплений, непосредственно наблюдают около 1000 из них, и все они относятся к диску. Кроме рассеянных, в Галактике более 100 шаровых скоплений, представляющих собой достаточно компактные образования из 10⁵—10⁶ звезд. Они названы так потому, что в центре скопления блеск звезд сливается в яркий фон. Ближайшее шаровое скопление можно видеть в созвездии Центавра даже невооруженным глазом в виде размытого пятна. Шаровые скопления очень устойчивы, образуют сферическую подсистему. В них много бело-голубых звезд и мало красных гигантов; многие из них являются источниками мощного рентгеновского излучения. Это объясняют аккрецией межзвездного газа на черные дыры, находящиеся в центре шаровых скоплений.

Межзвездный газ относят к населению диска, так как он ближе всего к молодым звездам по химическому составу, расположению и характеру движения. В спектрах были открыты линии межзвездного натрия, калия, железа, титана и водорода (по косвенным данным, например, потому что водород образует вместе с атомом

л

углерода молекулу СН). Измерения взаимных положений компонент в спектрах позволили составить схемы обращения облаков вокруг центра Галактики. Советские астрономы Г. А. Шайн и В.Ф. Газе, фотографируя небо сквозь светофильтры, выделяющие отдельные линии водородной серии Бальмера, открыли более 200 туманностей, не видимых на обычных фотографиях (1951). Сейчас установлено, что средняя плотность водорода в межзвездной среде порядка 0,1 частицы в 1 см³, а в плотных облаках — до нескольких тысяч. Соотношение водорода и гелия в межзвездной среде оценивается как 9:1. В спиральных рукавах плотность водорода примерно на порядок выше, чем между рукавами.

Межзвездная среда ослабляет свет звезд примерно на 0,6 зв. вел. на 1 пк, как доказал в 1847 г. русский астроном В.Я.Струве, а советский ученый П. П. Паренаго вывел формулу учета этого ослабления. Межзвездная среда похожа на пыль, концентрация которой в 100 раз меньше газовой. Частицы пыли похожи на ледяные загрязненные кристаллики, температура которых 17 К. Газопылевые облака поглощают свет далеких звезд, их поглощатель-ная способность пропорциональна . Например, ядро Галактики удается наблюдать только в инфракрасном и радиодиапазонах. В центре Галактики обнаружен мощный источник радиоизлучения Стрелец А. В нем предполагают наличие массивной черной дыры, окруженной газовым диском диаметром около 1 млрд км. Из ядра, линейные размеры которого около 4000 св. лет, с огромными скоростями (до 600 км/с) выбрасываются сгустки вещества, масса которых за год оценивается в 1 массу Солнца. В основном облака концентрируются вблизи галактической плоскости.

Ядро Галактики изучено плохо, так как центральная область почти недоступна для наблюдений из-за сильного поглощения в межзвездной среде. Наблюдения в разных областях спектра позволили установить, что размер ядра составляет около нескольких килопарсек (кпк). Плотность звезд достигает 10⁷ звезд/пк³, тогда как вблизи Солнца — одна звезда на 10 пк³. В центре Галактики находится источник нетеплового излучения (Стрелец А), вероятно, очень быстрые электроны, которые возникают при вспышках сверхновых звезд или пульсаров, ускоряются в магнитных полях. Мощное излучение от ядра существует в радиодиапазоне и в инфракрасной области. Есть предположения, что это массивное бы-стровращающееся плазменное тело «магнетоид», или черная дыра.

Движения старых и молодых звезд в Галактике имеют различия: у старых — большие эксцентриситеты орбит, а молодые движутся почти по окружностям. Получаются две подсистемы: молодые звезды быстро вращаются внутри почти неподвижной системы более старых звезд.

Галактический год — период вращения Солнца вокруг центра Галактики. Направляя радиотелескоп в разные участки Млечного

Пути, ученые изучили распределение водорода в пространстве облаков, линия водорода на = 21 см оказалась расщепленной. Так установили спиральные рукава, вдоль которых образуются молодые звезды.

Лучевые скорости звезд определяют по доплеровскому смещению спектральных линий. Сравнение фотографий звезд, сделанных через достаточно большие интервалы времени, дает наличие двух составляющих — лучевой (направленной к наблюдателю) и тангенциальной, которые представляют пространственную скорость. Если лучевую составляющую определяют по эффекту Доплера, то для определения тангенциальной составляющей нужно знать и расстояние до звезды. Звезды гало и диска Галактики различны и по своим пространственным скоростям: у звезд гало скорости в 4 —5 раз больше.

Различное содержание тяжелых элементов звезд гало и диска позволили выстроить последовательность жизни звезд. Предполагают, что Галактика как система звезд образовалась примерно 13 млрд лет назад. На «догалактической» стадии вещество Вселенной не содержало никаких элементов, кроме водорода (3/4) и гелия (1/4). Гравитационные силы сжимали облако, и возникли первые неоднородности, среди которых выделились области с большой плотностью. В них начался процесс звездообразования, возникли и первые скопления звезд. Появились шаровые и рассеянные скопления, в них сформировалось некоторое количество звезд классов О и В. Они «сгорели» за 1 млрд лет, закончив свою эволюцию вспышкой Сверхновой звезды.

Более тяжелыми элементами обогатили межзвездную среду оболочки взрывающихся звезд. Первые поколения звезд содержат элементы более тяжелые, условно их называют металлами, и «ме-талличность» звезды часто характеризуют величиной:

где — число атомов железа и водорода соответственно

(см. рис. 9.7).

Появление тяжелых элементов говорит о том, что, прежде чем попасть в эти звезды, первичное вещество подверглось каким-то ядерным превращениям и обогатилось тяжелыми элементами. Большинство звезд имеют малую массу, которой недостаточно для выработки тяжелых металлов путем термоядерных реакций. Такие звезды, как наше Солнце, способны только превращать водород в гелий, поэтому их химический состав не меняется и соответствует тем химическим элементам, из которых они образовывались. Тот факт, что молодые звезды гораздо богаче металлами, чем старые (у Солнца металлы составляют 2 — 3 % массы) и что межзвездная среда имеет близкий процент содержания металлов, говорит о том, что звезды генетически связаны с межзвездным газом.

9.5. Многообразие мира галактик. Содержание и значение

Закона Хаббла

Мир галактик столь же разнообразен, как и мир звезд. Долгое время туманные пятнышки, наблюдаемые в телескопы, считали туманностями, относящимися к Галактике (воспринимаемой как вся Вселенная). Это — огромные вращающиеся системы звезд, разнообразные по внешнему виду и физическим характеристикам, размером 1 — 100 кпк. В них находится от 10⁷ до 10¹² звезд. Небольшие галактики часто являются спутниками больших галактик. Невооруженным глазом можно увидеть ближайшие к нам галактики — Магеллановы Облака (в Южном полушарии) и туманность Андромеды (в Северном полушарии), они входят в Местную группу галактик (рис. 9.10). Остальные галактики видны только в телескоп как пятнышки. Классификация галактик в каталогах — М с номером. Так, М31 — туманность Андромеды. В каталоге, составленном в СССР в 60-е гг. XX в., более 30 000 галактик.

Вид галактики на фотобумаге несколько отличен от ее вида на негативе и зависит от того, в каких лучах был снят. Коллектив Астрономического института при Московском университете во главе с Б.А.Воронцовым-Вельяминовым составил «Морфологический каталог галактик» (MGC) из 30 000 галактик ярче 17-й звездной величины и атлас взаимодействующих галактик. Оказалось, что некоторые галактики отличаются мощным радиоизлучением, которое больше оптического. Их назвали радиогалактиками (например, Лебедь А). Позднее стало ясно, что галактики не покоятся относительно расширяющегося неде-формируемого фона, а имеют собственные движения, изучение которых позволит определить протяженность неоднородностей в распределении массы, а эти неоднородности очень велики и отражают сложные процессы начала расширения.

Деление галактик на спиральные, эллиптические и неправильные, основанное на внешнем виде, было введено в 1925 г. американским астрономом Э.Хабблом, изучившим более тысячи галактик (рис. 9.11). Его классификация отражает и существенные физические различия между галактиками.

Спиральные галактики состоят из двух подсистем — дисковой и сферической. Сферическая часть напоминает эллиптическую галактику, дисковая — сжата и содержит много межзвездной пыли, газа и молодых звезд. Более молодые и яркие звезды сгруппированы в спиральные рукава. Оказалось, что почти половина галактик имеют спиральную форму. В центре таких галактик — красивое и яркое ядро, большое и тесное скопление звезд. Из ядра выходят закручивающиеся вокруг него ветви, состоящие из молодых звезд и облаков нейтрального газа. Таковы галактики Млечный Путь и туманность Андромеды. Эллиптические галактики несколько похожи на них, но с меньшими рукавами. Среди наиболее ярких галактик они составляют 25 %; считают, что они состоят из более старых звезд (возраста Солнца или старее), так как имеют красноватый оттенок. Они почти не содержат межзвездного газа, и там не формируются новые звезды. Вращение в них происходит с небольшими скоростями (менее 100 км/с), а равновесие поддерживается за счет хаотических передвижений звезд по радиально вытянутым орбитам. Такую галактику наблюдают в созвездии Девы, она имеет почти шаровидную форму и весьма активна. В ядре эллиптической радиогалактики Кентавра А удалось обнаружить на расстоянии в 10⁶ св. лет отдельные детали размером в 100 св. лет, отражающие бурную активность. Неправильные галактики имеют небольшую массу и размер, в них много межзвездного газа. Заметны как очаги звездообразования какие-то клочки. Примером таких галактик являются наиболее близкие к Земле две небольшие галактики Магелланова Облака, которые даже называют спутниками Млечного Пути. До Большого Облака около 200 тыс. св. лет, до Малого — всего 170 тыс. св. лет. В Большом Облаке в 1987 г.

Рис. 9.11. Галактики:

а — спиральная галактика NGC 6814, похожая на Млечный Путь; б — схема

спиральных рукавов Галактики по радионаблюдениям нейтрального водорода;

в — схема классификации галактик (по Э. Хабблу)

наблюдалась вспышка Сверхновой звезды, а при помощи обсерватории «Квант» орбитального комплекса «Мир» в 1999 г. было зарегистрировано жесткое рентгеновское излучение. Наблюдения с помощью «Кванта» и другого российского рентгеновского телескопа «Гранат» позволили подтвердить гипотезу о том, что в центре нашей Галактики — черная дыра, масса которой в миллионы раз больше солнечной.

Отдельные звезды в галактиках стали различать только в 30-е гг. В 1923 г. Хаббл с помощью 2,5-метрового рефлектора открыл в спиральной туманности созвездия Андромеды несколько перемен-

ных звезд (т.е. с меняющимся блеском) и цефеиду. По периоду колебаний блеска цефеиды он определил ее звездную величину и расстояние до нее — 900 тыс. св. лет. Туманность М31 находится вне нашей Галактики. Поправка на поглощение излучения межзвездным газом увеличила это расстояние до 2,2 млн св. лет, что превышает более чем в 20 раз размеры нашей Галактики. Хаббл подсчитал число галактик до 20-й звездной величины на 1283 участках неба. Он нашел, что на один квадратный градус на небесной сфере приходится в среднем 130 галактик. Небесная сфера содержит 41 253 квадратных градуса, поэтому общее число галактик до 20-й звездной величины составляет 5,4 млн (звезды до 20-й величины можно наблюдать в 2,5-метровый телескоп Хаббла).

Галактики распределены почти равномерно по всем направлениям, хотя образуют скопления и группы. Тесным является скопление из 40 тысяч галактик в созвездии Волосы Вероники (Северное полушарие), находящееся на расстоянии около 400 млн св. лет и занимающее почти 12°. Иногда группы столь тесные, что галактики как бы проникают друг в друга. Так, в нашу Галактику частично заходит галактика Малое Магелланово Облако. Радиусы больших скоплений (около тысячи галактик) составляют до 1 — 4 Мпк или даже 10 Мпк. Такое скопление наблюдается в созвездии Девы, находящемся на расстоянии 15 Мпк от нас — оно и есть центр Местного сверхскопления галактик, куда входит и Местная группа галактик. Размеры таких скоплений растут в связи с общим расширением Вселенной.

Лучевые скорости галактик первым определил Слайфер (1912), используя эффект Доплера. К 1925 г. он измерил скорости 41 галактики, из них 36 удалялись от нас со скоростями до 1000 км/с, и лишь несколько приближались. Хаббл измерил расстояния до галактик по цефеидам и ярким звездам и установил (1929), что скорости «разбегания» галактик растут пропорционально расстоянию до них. Закон Хаббла: V= Hr, где H— постоянная, получившая название постоянной Хаббла (см. рис. 3.8).

Сначала Хаббл считал, что Н = 500 км/(с • Мпк). В настоящее время H считают от 50 до 100 км/(с Мпк). С помощью красного смещения Хаббла оценивали расстояние до галактик и до края видимой Вселенной — Метагалактики. Поскольку увеличение красного смещения сопровождается уменьшением яркости галактики, то заключили, что закон V= Hr действительно отражает расширение Метагалактики. При Н = 50 кмДс-Мпк) и =0,3 получается = 19,6 ( ) млрд св. лет.

Существование дискретного источника радиоизлучения в созвездии Лебедя впервые доказали в 1946 г. Дж.Хей, С.Парсонс и Дж.Филлипс (Англия). Впоследствии радиоисточники стали обозначать латинскими буквами после названия созвездия по мере убывания интенсивности по алфавиту. К 1950 г. был составлен каталог из 50 радиоисточников, а через

5 лет — уже из 1936. Некоторые оказались ложными, некоторые отождествлялись с другими галактиками, часть из них принадлежала нашей Галактике (в ряде случаев это были остатки вспышек Сверхновых), хотя первоначально источник Телец А отождествляли с Крабовидной туманностью. Излучение некоторых оказалось тепловым, причем спиральные и неправильные галактики имели слабое радиоизлучение, светимость эллиптических галактик в дециметровом диапазоне превышала его в сотни раз. В 100 раз ярче были эллиптические галактики с протяженной оболочкой. Источник Лебедь А имел нетепловой характер излучения, распределение его по частотам отличалось от закона Рэлея—Джинса. Сравнение оптического (в 5-метровый телескоп это была слабая, как бы сдвоенная, звездочка 18-й величины) и радиочастотного изображений показало, что мощность излучения в радиодиапазоне не только в полтора раза выше, но и больше в миллион раз, чем у обычной галактики. При этом мощное радиоизлучение идет от областей, отстоящих от самой галактики на 10 тыс. св. лет по обе стороны. Спектры излучения содержали сильные эмиссионные линии, которые могли образоваться в результате столкновения облаков газа, и в связи с этим решили, что имело место весьма редкое явление — столкновение двух галактик.

Механизм нетеплового радиоизлучения — синхротронный, его вызывают электроны высоких энергий, входящие в состав космических лучей, которые при движении в сильных магнитных полях генерируют радиоволны разных частот. Это излучение сильно поляризовано. Значит, оно порождено тормозным излучением и есть выделенное направление в распределении магнитных полей. По измеренной интенсивности излучения находят плотности энергии заряженных частиц и напряженности магнитных полей. Так, выяснили, что протяженные компоненты радиоизлучения — это намагниченные облака разреженного газа, насыщенные космическими лучами.

Развитие техники радиоинтерферометрии повысило разрешающую способность радиотелескопов и позволило выяснить, что двойная структура источников — типичное явление. Из 500 радиогалактик 75 % — двойные, а остальные представляют собой малую яркую область, окруженную оболочкой. Ближайшая радиогалактика NGC 5128 находится в созвездии Центавра и удалена от нас всего на 5 Мпк. На фотографиях видна широкая темная полоса поглощающей свет пылевой материи. Этот источник, как и источник Лебедь А, состоит из двух компонент, расположенных за пределами оптической области. В самом центре выделяется мощный почти точечный источник радиоизлучения. Подобные ситуации стали наблюдать при сравнении картин неба в разных диапазонах длин волн. Такова галактика М 82 в созвездии Большой Медведицы. Около 3 млн лет назад из нее было выброшено вещество объемом в 6 млн солнечных масс, и часть его получила скорости, близкие к световым, т.е. произошел взрыв с выбросом энергии в 10⁶⁵ Дж, эквивалентный одновременной вспышке 10 млн Сверхновых. Для взрыва объекта Лебедь А выброс энергии оценивается в 10 тысяч раз больше. Такие огромные значения энергии, превышающие в несколько раз гравитационную энер-

гию связи всех звезд в радиогалактике, имеют своим источником область галактического ядра, где генерируются релятивистские электроны.

Активные спиральные галактики с развитыми ядрами открыты американским астрономом К. Сейфертом (1943). Он описал 12 таких галактик (галактики Сейферта). Диаметры ядер около 10 пк, а почти 1/3 занимают излучающие области. В их спектрах много эмиссионных линий водорода, гелия и тяжелых элементов, а в спектрах обычных галактик больше линий поглощения. Известно около ста таких объектов; мощность их меняется со временем, т.е. там происходят какие-то грандиозные процессы. В 1963 г. советский астроном Б. Е. Маркарян вьщелил 600 галактик с повышенной долей излучения в ультрафиолетовой области (галактики Маркаряна). В них много звезд — горячих гигантов. Ядра этих галактик, как и галактик Сейферта, очень активны.

Амбарцумян связывал их активность со взрывами в их ядрах. По его теории (1955), ядра активных галактик могут содержать также массы дозвездного вещества с неизвестными пока свойствами и источниками энергии. И. С. Шкловский считал, что ядра галактик — единые сильно намагниченные вращающиеся плазменные тела. Слои этих тел вращаются с разными скоростями, и магнитная энергия периодически скачкообразно превращается в энергию ускоренных заряженных частиц, вследствие чего и происходит выбрасывание струй в направлении вращения. Сам он пишет так: «Возможно, что в центральных областях галактик реализуется какая-то гигантская, циклически работающая машина. После взрыва плазменного тела туда постепенно натекает газ из окружающей среды, что приводит к образованию нового плазменного тела. Все же многое, может быть, самое важное, остается загадочным и непонятным». Стало привычным отождествлять радиоисточники либо с туманностями, либо с галактиками. По оценкам, ожидали незначительные потоки радиоизлучения от самых близких звезд, но источники давали намного большие потоки.

В 1963 г. голландский астрофизик М.Шмидт исследовал спектр достаточно яркой звезды 13-й величины, отождествленной с радиоисточником ЗС 273. Линии водорода были смещены на огромную величину, соответствующую скорости 42 000 км/с, а по закону Хаббла расстояние до источника должно быть около 600 Мпк, или 2 млрд св. лет. Две другие линии совпадали с линиями дважды ионизованного кислорода и ионизованного магния. Затем нашли источник с красным смещением линий, т.е. он удалялся от нас. Если это смещение связано с эффектом Доплера, то первый источник ЗС 273 приближался со скоростью света, равной 48 000 км/с, а второй — удалялся со скоростью света 0,8 с = 240000 км/с. При этом обнаружили, что рядом находится очень много объектов, которые движутся вместе, т. е. это далекие галактики. Тогда откуда

А

такая яркость? Астрономы А.С.Шаров и Ю.Н.Ефремов изучили старые фотографии этого объекта и оказалось, что объект сильно изменил свой блеск. Выходило, что галактика, состоящая из триллионов звезд, организует звезды, чтобы они синхронно меняли свой блеск?! Значит, излучали не звезды, а нечто иное, мощность которого соответствовала мощности ядер сейфертовских галактик. Зная расстояние до них и видимую звездную величину, можно подсчитать светимость — она фантастически большая: 10⁵³ Дж/с. Эти космические объекты нового типа получили название квазизвезд, или квазаров.

Квазаров сейчас известно уже около тысячи. Внешне похожие на звезду, они излучали в сотни раз больше энергии, чем наша Галактика с ее почти 200 млрд звезд. Квазары занесены в каталоги, имеется статистика их свойств. Похоже, что в раннюю эпоху Вселенной квазаров было больше. Почти все они излучают и в рентгеновском диапазоне, и тоже переменно. Переменность потоков мощного излучения свидетельствует о том, что квазары должны быть невелики — около 10¹³ м. Они распределены почти равномерно по направлениям, но находятся на разных расстояниях. Свет от ближайшего к нам квазара идет 1 млрд лет, а от самого удаленного — 12 млрд лет, значит, мы видим их такими, какими они были от 1 до 12 млрд лет назад, тем самым прослеживая время образования этих необычных объектов до образования Солнечной системы.

Спектр квазаров по распределению энергии соответствует синхро-тронному излучению: много излучают в ультрафиолете и мощное инфракрасное излучение в широкой полосе около 70 мкм. Излучение в рентгеновском диапазоне велико: для квазара ЗС 273, например, оно по мощности в 50 раз больше в радиодиапазоне и вдвое превышает оптическое. За время жизни (порядка 10⁶—10⁷ лет) квазар излучает около 10⁶⁷ Дж. Для обоснования источника такой огромной энергии предложено много вариантов, но пока ни один не может быть принят. Если это аннигиляция, то из связи энергии с массой такая энергия эквивалентна потере 5 млн солнечных масс (Л/с), но известно, что состояние звезд с массой 100 М_C неустойчиво (притяжение верхних слоев не уравновешивается ростом давления с глубиной). Термоядерный источник в 140 раз менее эффективен аннигиляционного. Может, равновесие поддерживается быстрым вращением массивной звезды вокруг оси, магнитными полями и вихревыми движениями в оболочке. В квазарах почти нет легких элементов. Считают, что они произошли от огромного взрыва в прошлом. Если это — образование типа «сверхзвезды», то равновесие в них поддерживается быстрым вращением вокруг оси, магнитными полями и вихревыми движениями в оболочке. Может быть, квазары похожи и на N-галактики с меньшей светимостью.

«Первичным источником энергии квазаров и активных ядер галактик должна быть энергия гравитационного взаимодействия центрального, компактного тела и падающей на него плазмы», — считал Шкловский. На снимках видны выбросы сгустков горячей

плазмы, движущиеся с огромной скоростью (0,27 с, как у объекта SS 433) в противоположных направлениях от уплощенного газового диска, который образуется вокруг компактного объекта, возможно, нейтронной звезды.

После открытия квазаров, связанного с отождествлением спектров слабых источников в разных диапазонах, такие исследования продолжались. Астрофизик А. Сендидж заинтересовался голубыми звездами, излучающими в ультрафиолете, но не зарегистрированными в радиодиапазоне. Эти объекты удалялись от нас с большими скоростями. Их сначала назвали «контрабандистами», а затем квазагами.

Черные дыры должны быть в ядрах гигантских эллиптических галактик, они появились в центре галактик в процессе эволюции. Так считают многие исследователи вслед за Зельдовичем и Новиковым. Черные дыры могут возникать разными способами, и их «питание» осуществляется за счет падения вещества — аккреции (от лат. accretio — приращение). Так современная всеволновая (от радио- до гамма-диапазона длин волн) астрономия начинает подступать к изучению источников энергии Вселенной, но нестационарность мира галактик твердо установлена. В 2000 г. было сообщено об открытии трех гигантских черных дыр (в 50—100 раз массивнее Солнца) в созвездиях Овен и Дева. Одна расположена на расстоянии в 25 млн св. лет, а две другие удалены примерно на 100 млн св. лет. До этого были известны всего 20 черных дыр, которые массивнее Солнца в несколько раз. Саму черную дыру нельзя видеть, но был получен снимок «действия» черной дыры в галактике Кентавр А — она заглатывала шлейф горячего газа.

Поиск по сайту: