В чем состоит источник звездной энергии?
По современным представлениям основным источником звездной энергии служат реакции термоядерного синтеза, протекающие в недрах звезд и сопровождающиеся выделением огромного количества энергии. Главную роль здесь играет превращение водорода (самого распространенного во Вселенной элемента) в гелий. Этот процесс может идти двумя путями, первым из которых является последовательное присоединение друг к другу четырех протонов (ядер водорода) и объединение их в ядре гелия (протон-протонная реакция). Второй путь процесса термоядерного синтеза состоит в присоединении протонов к более сложным ядрам, начиная с ядра углерода, с последующим распадом образовавшегося нового сложного ядра на ядро углерода и гелия (углеродный цикл). Протон-протонная реакция играет решающую роль при температурах менее 16 миллионов градусов Кельвина; при более высоких температурах преобладает углеродный цикл. С ростом температуры до 100 миллионов кельвинов возможно выделение энергии при образовании ядер углерода непосредственно из ядер гелия (гелиевая реакция).
Какие звезды называют белыми карликами и как велика их средняя плотность?
Белые карлики представляют собой звезды с малой массой (не более 1,4 солнечной) в последней стадии эволюции. Когда такая звезда подходит к заключительному циклу термоядерных реакций, ее ядро коллапсирует под собственным весом, образуя сверхплотный объект из выродившейся материи, состоящей из «упакованных» вместе атомных ядер и электронов. Гравитационный коллапс в белых карликах не бесконечен: как и в черных дырах, его останавливает квантовый эффект, связанный с давлением, оказываемым электронами. Эти звезды характеризуются средней температурой поверхности 20–30 тысяч градусов, именно поэтому их называют не просто карликами, а белыми карликами, тогда как звезды типа Солнца (около 6000 градусов) называют желтыми. Поскольку масса белого карлика сопоставима с массой Солнца, а радиус – с радиусом Земли, то плотность его очень велика: один кубический сантиметр материи типичного белого карлика весит около тонны. Известен белый карлик (АС +70°8247), средняя плотность которого составляет 36 тонн на кубический сантиметр! Сегодня известно несколько тысяч белых карликов, которые, как полагают астрономы, составляют около 10 процентов всех звезд, но из-за низкой светимости их трудно обнаружить. Белый карлик обречен в конце концов погаснуть, медленно остывая и превращаясь в черного карлика. Похоже, что этот процесс идет настолько медленно, что с начала истории Вселенной и до сегодняшнего дня ни один черный карлик еще не образовался.
Какие звезды называют красными гигантами и как велика их средняя плотность?
Красные гиганты – это огромные холодные звезды. Они превышают Солнце по диаметру в десятки и сотни раз, а по массе – от 1,5 до 15 (сверхгиганты – до 50) раз. Температура их поверхности составляет 3–4 тысячи градусов Кельвина. Красные гиганты имеют сложное внутреннее строение. Их ядро богато гелием с небольшой примесью тяжелых элементов, но не является источником ядерной энергии, поскольку в нем не происходит ядерных реакций. Плотность вещества в ядре красного гиганта настолько велика, что оно по своему строению близко к белому карлику. Вокруг ядра расположен тонкий энерговыделяющий слой, где и протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Затем следует очень протяженная оболочка, занимающая около 90 процентов радиуса звезды. В этой оболочке заключено более половины массы красного гиганта. Несмотря на высокую плотность в ядре, средняя плотность красного гиганта намного ниже солнечной и, как правило, не превышает одного миллиграмма на кубический сантиметр. Так, средняя плотность красного сверхгиганта Бетельгейзе составляет всего шесть десятитысячных миллиграмма на кубический сантиметр, или 1 /2000 плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении!
Что такое коричневые карлики?
Согласно современным теоретическим представлениям, только объекты с массой, превышающей массу Юпитера в 80 и более раз, становятся настоящими звездами. Объекты с массой менее 17 масс Юпитера обречены стать планетами. Коричневыми карликами называют объекты с промежуточной между двумя вышеописанными типами массой. Они слишком велики, чтобы считаться планетами, но недостаточно велики, чтобы внутри них возникли термоядерные реакции, характерные для звезд (в их недрах могут протекать термоядерные реакции только с самыми «легкогорящими» изотопами). Существование этих едва теплых, а потому темных и трудноразличимых объектов удалось экспериментально доказать только в последнее время (с помощью космического телескопа «Хаббл»).
Что представляют собой физические двойные звезды и как их различают по способу наблюдения?
До XVIII века считалось, что двойственность звезд есть следствие вполне случайного их расположения, при котором они хотя и видны одна вблизи другой, но в пространстве далеки друг от друга. Однако в начале XIX века английский астроном Уильям Гершель открыл, что некоторые двойные звезды предствляют собой физически связанные пары. Такие двойные звезды стали называть физическими двойными (в отличие от оптических двойных, не связанных физически). Физическая двойная звезда – это пара звезд, которые находятся в пространстве достаточно близко друг к другу и, подчиняясь закону всемирного тяготения, вращаются вокруг общего центра масс. Физические двойные звезды подразделяют на три основных класса: визуально-двойные, спектрально-двойные и зетменные двойные. Указанная классификация отражает не сущностную разницу между двойными звездами, а способы, которыми их определяют (разделяют их компоненты). К визуально-двойным относят все двойные звезды, доступные непосредственному разделению на компоненты (хотя бы с помощью больших телескопов). В настоящее время в каталоги занесено уже более 70 тысяч визуально-двойных звезд. Спектрально-двойные звезды невозможно увидеть раздельно с помощью современных оптических средств. Но их двойственность обнаруживается по периодическим изменениям в их спектре – смещениям или разделениям спектральных линий. Если оба компонента двойной звезды имеют одинаковый блеск и особенно если они принадлежат к одному спектральному классу, то периодическое раздвоение линий и их слияние проявляются особенно ясно. Если же видны линии спектра только одного компонента, то они периодически колеблются около некоторого среднего положения. Принцип Доплера дает этому исчерпывающее объяснение: смещение и раздвоение линий происходит вследствие орбитального движения компонентов вокруг общего центра масс, причем плоскость орбиты составляет не очень большой угол с лучом зрения. В настоящее время известно около 2500 спектрально-двойных звезд. Затменными двойными называют такие звезды, у которых плоскость орбиты их компонентов составляет достаточно малый угол с лучом зрения наблюдателя, вследствие чего одна звезда может на время полностью или частично заслонить другую. Открыто уже более 4000 затменно-двойных звезд.
Как велики периоды обращения двойных звезд?
Самые большие периоды обращения имеют физические двойные звезды, компоненты которых расположены далеко друг от друга – на тысячи и десятки тысяч астрономических единиц (то есть в тысячи и десятки тысяч раз дальше, чем Земля от Солнца). Это так называемые широкие пары. Их периоды обращения должны достигать сотен тысяч и даже миллионов лет. Так, например, звезда Проксима Кентавра движется в пространстве вместе с яркой двойной звездой альфа Кентавра, совершая оборот вокруг нее за несколько миллионов лет. На небе их разделяет угловое расстояние в 2 градуса, что соответствует линейному расстоянию не менее 10 тысяч астрономических единиц. Самый короткий период обращения, составляющий всего 81 минуту 38 секунд, имеет затменная двойная звезда WZ Sge в созвездии Стрелы. (Пока это минимальный из известных орбитальных периодов во Вселенной. Даже периоды обращения искусственных спутников Земли дольше.)