Восприятие космоса в старые времена отличалось от нашего. Если Солнцу и Луне ещё «разрешалось» изменять положение, то звёзды считались неподвижными и постоянными, с ними ничего не могло происходить, поскольку они были божественны. Но очевидное не скроешь, и люди увидели, что звёзды тоже переменны, то есть меняют свой блеск. Смотришь на небо – новая звезда, потом раз – погасла.
Профессор Иван Леонидович Андронов, доктор физико-математических наук, завкафедрой в Одесском национальном морском университете — представитель Одесской школы переменных звёзд. Данная статья подготовлена по материалам беседы с И.Л. Андроновым в кулуарах Гамовской конференции 2019 года в Одессе.
Звезда дьявола Алголь
В 1596 в Европе одну из таких наблюдаемых звёзд, которая с периодом около года то исчезала, то появлялась, окрестили Мира, по-латыни «удивительная». Такого рода звёзды стали с тех пор звать мириды, а сегодня в науке для них существует термин «переменные звёзды». Есть мириды, которые меняются десятки тысяч раз в течение года, такие, например, как мира Кита. Другая знаменитая переменная звезда – Алголь арабов, «звезда Дьявола». Это затменная звезда, то есть двойная, более яркого партнёра в которой в ходе взаимного вращения на время (несколько часов) затмевает другой, свечение ослабевает, а людям казалось, что она им… подмигивает. Научную модель этого процесса лишь в ХVI столетии предложил англичанин Джон Гудрайк.
Переменные звёзды – это значит, накапливаются условия, когда звёзды становятся нестабильны. Солнце тоже будет красным гигантом через 4,5 млрд лет.
Одесская школа переменных звёзд В.П. Цесевича
Одесскую школу переменных звёзд основал Владимир Платонович Цесевич. Он прожил в Одессе с 1944-го до своей смерти в 1983 году. На весь Советский Союз существовало лишь четверо специалистов по переменным звёздам: Б.В. Кукаркин и П.П. Паринага в Москве и академик Шайн Г.А. в Крыму, именем которого назван крупнейший крымский телескоп.
В Маяках под Одессой в астрономической обсерватории находится третья в мире по величине коллекция пластинок звёздного неба после Гарварда (США) и Зоннеберга (Германия) по результатам исследования переменных звёзд.
Big Bang одессита Джорджа Гамова
Изначально была флуктуация, которая начала расширяться, и произошел Большой Взрыв. Его научно, до нынешних нобелевских лауреатов, предсказал одессит Джордж Гамов. В результате Биг-Бэнга образовалось всё вещество, которое имеется во вселенной. Оно было сверхплотным, а когда начало расширяться, то плотность уменьшалась, и стали образовываться атомы. Изначально, при большой плотности, какое-то количество атомов водорода в результате термоядерных реакций превратилось в гелий. Сейчас мы наблюдаем эти процессы в звёздах. Первоначально вселенная была из водорода и гелия.
Мы с вами из газов не состоим. Образоваться жизни из того, что было на начальной стадии вселенной, было нельзя.
Рождение звезды из облака
Существовали лишь какие-то облака. Любая флуктуация приводит к тому, что будут образовываться сгустки. За счет просто хаотических движений, большие массы будут притягивать к себе из менее массивных облаков всё больше вещества. Сконденсированное вещество обращается в звёзды.
Сгусток может быть звездой, только если в нём есть свой источник энергии. Если масса звезды больше 8 % от солнечной массы, только в этом случае зажигается термоядерная реакция. Если нет, давление препятствует реакции и образуются субзвезды. Это скрытая масса вселенной. Объекты, которые имеют тяготение, но мы их не видим. В них нет энергии, оно тёмное, маленькое, при этом может существовать миллиарды лет.
Если звезда массивная, то давление в центре достаточно большое для термоядерных реакций, которые дают активную жизнь звезды.
Звёзды в паре
При этом звезда редко когда родится одна. Фрагменты облака формируют большую массу, а когда она начинает сжиматься, то разбивается на кусочки.
Интересно, что сжатие приводит в действие закон сохранения момента импульса, известный ещё из школьной программы. Фигуристы притягивают руки к себе, уменьшая его, вследствие чего начинают быстро вращаться. Это вращение препятствует тому, чтобы гигантская звезда стала шариком: бока растаскивает. Её может просто разорвать на экваторе. Поэтому 80% звёзд рождаются в паре, и тогда этот момент импульса уходит на вращение одного тела вокруг другого. Звезда одиночная родиться просто не может, их мизерный процент. Просто у них могут быть очень слабые компаньоны, и сияние их сразу не видно. Как заметил российский академик Боярчук, «оптимисты считают, что все звезды двойные, а пессимисты — что только 80%».
Планеты спасают звезду
Аналогично планеты. Если бы все планеты Солнечной системы упали на солнце со своими моментами импульса, то тогда оно вынуждено было бы вращаться в 50 раз быстрее и его просто бы разорвало от быстрого вращения. Солнце в 330 тысяч раз массивнее Земли. Если бы Луна упала на Землю, то её бы тоже разорвало.
Вселенная позаботилась о том, что этот избыток, 98% импульса Солнечной системы, идёт на планеты. А Солнце, которое почти в тысячу раз массивнее всех планет вместе взятых, имеет только 2% этого вращения. Слава богу, мы живём.
Гелий это звёздная зола
Наше Солнце – как раз звезда-одиночка. Сейчас она вышла в режим стационарного горения. Реакция выгорания водорода в звёздах длится миллиарды лет. Наша звезда светит уже 5 миллиардов лет, у неё хватает запасов горючего. Водород — при условии того, что в центре достаточное давление и температура — превращается в гелий, и выделяется энергия. А когда горючее кончится, то есть весь полностью водород станет гелием, который в 4 раза массивней водорода – звезда станет Красным Гигантом. Гелий это звёздная зола, то, что остаётся после костра. Произойдёт это через четыре с лишним миллиарда лет. То есть мы живём в середине цикла жизни Солнца.
Гелий в 4 раза тяжелее, а энергии уже не выделяется, потому что это космический шлак, который сжимается до тех пор, пока не начинает гореть сам. Три ядра гелия объединяются в одно, и мы получаем углерод.
Так мы приближаемся к тому, что у нас в жизни есть.
Красно Солнышко
Более тяжёлое гелиевое ядро притягивает к себе вещество (водород) существенно сильнее, то есть повышается давление, повышается температура, и реакции идут более интенсивно, возрастает энергия выделения. Через 4,7 миллиарда лет это пойдёт вообще практически скачком, когда за какую-нибудь сотню тысяч лет будет в сотни раз больше светимость Солнца. За счёт этого поднимется атмосфера. Получается противоречивый процесс: ядро сжимается, но при этом выделяется энергии больше, то есть Солнце расширяется. Оно постепенно разогревается, что не связано с глобальным потеплением.
В центре температура будет огромная, но на периферии расширившейся атмосферы, куда энергия будет излучаться через куда большую площадь, станет в результате холоднее. Мы привыкли, что чем горячее объект, тем больше он излучает. Здесь наоборот. Если сейчас эффективная температура фотосферы 5 860 градусов, то станет менее трёх тысяч. То есть Солнце станет красным.
Красный гигант поглотит Меркурий, Венеру и нас
Через 4,7 млрд лет Солнце расширится в сотни раз, и мы окажемся внутри звезды. Солнце поглотит Меркурий, Венеру и скорее всего Землю. Понятно, что в таком окружении — 3 тысячи градусов — всё испаряется, плавится и падает внутрь звезды, где совсем всё испаряется при миллионах градусов. Но до этого 4 с лишним миллиарда лет.
Мы войдем в атмосферу Солнца, расплавятся породы, смешаются с атмосферой Солнца, и инопланетяне зарегистрируют в нём повышенное содержание кислорода, углерода, азота – чего в Солнце сейчас нет, ну может порядка 1%.
Разросшаяся империя превращается в туманность
Дальнейший процесс – как расширяющаяся империя: не в состоянии тяготение удержать эту массу, и периферия начнёт расширяться, частично теряться в пространстве. На больших расстояниях тяготение ослабевает, и атмосфера становится разрежённая. Это ещё более горячее ядро, и оболочка красного гиганта разлетается, рассеивается в пространстве наружу, уходит на очень большие расстояния, потому что её просто выдувает космическим ветром, который идёт изнутри. Эта стадия называется планетарной туманностью. Когда открыли первую, у неё были очень сильные спектральные линии кислорода, а они зелёные, вот и напомнили первооткрывателям зеленоватые планеты Уран и Нептун. Поэтому ошибочно и назвали явление «планетарными туманностями», хотя это остатки звезды. Красный гигант это ещё звезда, а потом нету никакого спектрального равновесия, в отличие от звезды, очень резкие спектральные линии.
Если взять бытовую аналогию – мы и одежда единое целое, а если взять её повесить в шкаф, то будет планетарная туманность: мы отдельно, а оболочка отдельно.
Планетарные туманности – как в книге Ивана Ефремова «Туманность Андромеды» или недавнем фильме «Гравитация» — это очень красивые объекты: оболочку раскидывает по пространству, а ядро продолжает сжиматься, потом может углерод с водородом объединяться в азот, кислород — углеродно-азотный цикл. То есть большинство химических элементов, из которых мы состоим, образованы из того, что недра звезды выкидывают в космос. Оболочка обогащена шлаком. Я не знаю, как бы вы выглядели водородной, но себя лично я не представляю без других элементов.
Белый карлик это гигантский кристалл
Существо сбросило оболочку, и получился белый карлик. Кубический сантиметр вещества которого весит тонну. Он в сотни тысяч раз массивнее Земли, но имеет её размер. При этом магнитное поле тоже в миллионы раз сильнее земного. И это будущее нашего Солнца.
Ядро планетарной туманности (как переходное состояние от красного гиганта к белому карлику) слишком горячее, и оно не сжато настолько сильно, чтобы вещество стало веществом белого карлика. Без оболочки же центр начнёт остывать, постепенно, сперва температура опустится до 30, потом 10 тысяч градусов. Когда ядро планетарной туманности остынет, то и будет белый карлик. Всего сотни миллионов лет длится процесс – по сравнению с нашей эпохой миллиардов лет это мелочи.
Чем отличается белый карлик от обычного объекта: в обычном у нас плазма, то есть, ионизированный газ, а там настолько плотное состояние вещества, что это кристалл – гигантский кристалл. То есть там все электроны принадлежат всем ядрам, кристаллическая решётка, и всё это имеет порядка тонны в кубическом сантиметре.
А дальше белый карлик остывает и просто остаётся белым карликом навеки. Становится тусклым и слабо наблюдаемым – ну, разве что в инфракрасном диапазоне.
Если же у него есть звезда-компаньон, с которой он черпает вещество, то тогда это вещество разгоняется, падает на белого карлика и даёт катаклизмические переменные.
Нейтронная звезда
Вот если бы рядышком с нашим Солнцем была бы какая-нибудь звезда, которая приблизилась бы настолько близко, что Солнце своим тяготением забрала бы от неё часть атмосферы и достигла бы критического предела в 1,44 солнечной массы – тогда бы хорошо бабахнуло!
Если звезда в 10 раз массивнее Солнца, то это приводит к коллапсу. Давление внутри звезды не может справиться с давящим на неё веществом сверху, поэтому – утрируя, без квантовой механики, на пальцах, как бы – электроны вдавливаются в ядра. В результате получается, что у нас уже нету ядер отдельного химического элемента, а протоны становятся нейтронами, и всё это заполняется одним гигантским образованием, которое называется нейтронной звездой. Звезда не может противостоять силе тяготения и схлопывается в точку. Это катастрофическое сжатие называется коллапсом.
Будет сжиматься, и тут очередная революция. Гелий уже не в состоянии держать повышенную гравитацию самого себя – происходит взрыв сверхновой. Их несколько десятков в год регистрируется. Звезда взрывается настолько сильно, что становится в миллиарды ярче нормальных. Это про нейтронную звезду (пульсар, если обладает очень сильным магнитным полем и, соответственно, быстро вращается) либо – если оно ещё массивнее – чёрную дыру.
Мы продукты звёздной пыли
Мы, человечество, являемся продуктами вспышки сверхновых. 5 миллиардов лет назад недалеко от облака, из которого сформировалась Солнечная система, произошёл гигантский взрыв сверхновой звезды. Он двоякий: с одной стороны, жило себе облако, а тут взрыв, оно перешло критический предел и начало сжиматься, и взрывная волна привела к образованию Солнечной системы и окрестностей. А с другой стороны, замусорило газ, который был элементами, из которых состоим и мы.
Так выглядит цикл жизни звёзд: из газо-пылевого облака образуется звезда, стадия сжатия продолжается сотни тысяч лет – это детство; взрослость — когда проходят термоядерные реакции десяток миллиардов лет; и потом сжатие ядра и выброс вещества, в зависимости от масс разного химического состава. То есть мы – продукты звёздной пыли, — как сказал астроном Карл Саган: » Азот в нашей ДНК, кальций в наших зубах, железо в нашей крови, углерод в нашем глазном яблоке были созданы в сердцах умирающих звезд».