Диаграмма Герцшпрунга и Рессела

Астрономы отвечают на все эти вопросы с помощью диаграммы, которая связывает температуру поверхности и светимость. Эта диаграмма помогла найти ключ к законам развития звезд. Поэтому мы вначале подробно остановимся на ее характеристиках. Она носит название своих создателей — датского астронома Эйнера Герцшпрунга и американца Генри Норриса Рессела. Сокращенно диаграмму Герцшпрунга-Рессела называют диаграммой Г-Р. На этой диаграмме по оси ординат отложена светимость звезды, а по оси абсцисс (справо налево) температура ее поверхности (рис. 2.1). Если по цвету звезды определить ее температуру, то в нашем распоряжении будет одна из величин, нужных для построения диаграммы Г-Р. Если известно расстояние до звезды, то по ее видимой яркости на небе можно определить светимость. Тогда в нашем распоряжении будут обе величины, необходимые для построения диаграммы Г-Р, и мы сможем поставить на этой диаграмме точку, которая соответствует нашей звезде. На рис. 2.1 схематически показано положение всех звезд, о которых мы говорили выше. По техническим причинам шкала температур на оси абсцисс неравномерна, но это нас не интересует. Светимость отложена по оси ординат. Число 1000 означает, например, что на этом уровне размещаются звезды, светимость которых в 1000 раз больше светимости Солнца. Солнце помещается на диаграмме напротив светимости 1, а поскольку температура поверхности Солнца составляет 5800 градусов, то оно оказывается почти в середине диаграммы Г-Р. Звезды, светимость которых больше солнечной, лежат выше. Звезды с более низкой светимостью, как, например, Сириус В — белый карлик из системы Сириуса, — лежат ниже. Звезды, которые горячее Солнца, как, например, Сириус А и Дзета Возничего В — горячая звезда из системы Дзета Возничего и Спика из созвездия Девы, лежат слева от Солнца. Более холодные звезды, как Бетельгейзе и красный сверхгигант из системы Дзета Возничего, лежат справа.

Рис. 2.1. Диаграмма Герцшпрунга — Рессела, на которой показаны некоторые уже известные нам звезды. Если известна температура поверхности звезды, то мы можем от соответствующей точки на температурной шкале подняться вверх по диаграмме. Если известна также ее светимость, то мы сможем провести линию слева направо от соответствующей точки на вертикальной шкале. В точке пересечения этих линий и будет расположена наша звезда. В качестве примера такие прямые проведены для Спики (температура поверхности 18000 °C, светимость составляет 10 тысяч светимостей Солнца). Таким же способом выбрано расположение точек для остальных звезд.

Точки на диаграмме Г-Р уже кое-что говорят нам о свойствах звезд. Поскольку холодные звезды излучают красный свет, а горячие — белый или голубой, то на диаграмме справа расположены красные звезды, а слева-белые или голубые. Вверху на диаграмме лежат звезды с большой светимостью, а внизу с малой. Справа вверху, таким образом, расположены холодные звезды с большой светимостью. Один квадратный сантиметр поверхности холодной звезды излучает в секунду очень малое количество энергии. Большая общая светимость звезды объясняется тем, что велика площадь ее поверхности: звезда должна быть очень большой. Поэтому справа вверху на диаграмме Г-Р мы видим большие звезды, их называют красными гигантами и красными сверхгигантами. Действительно, этот факт уже известен нам для одной из таких звезд: главная звезда системы Дзета Возничего так велика, что внутри ее поместилась бы вся орбита Земли.

Точно так же мы можем рассмотреть и левую нижнюю часть диаграммы. Там расположены горячие звезды с низкой светимостью. Поскольку квадратный сантиметр поверхности горячего тела излучает в секунду много энергии, а звезды из левого нижнего угла диаграммы имеют низкую светимость, то мы должны прийти к выводу, что они невелики по размерам. Слева внизу, таким образом, располагаются белые карлики. Одна из таких звезд — спутник Сириуса, который называется Сириус В.

Следовательно, уже из общих соображений можно, зная светимость и температуру поверхности, оценить размер звезды. Температура говорит нам, сколько энергии излучает один квадратный сантиметр поверхности. Светимость, равная энергии, которую излучает звезда за единицу времени, позволяет узнать величину излучающей поверхности, а, следовательно, и радиус звезды.

Прежде чем с помощью диаграммы Г-Р ответить на наш вопрос об эволюции звезд со временем, сделаем еще одно замечание. Дело в том, что измерить интенсивность света, приходящего к нам от звезд, не так-то просто. Атмосфера Земли пропускает не все излучение. Коротковолновый свет (например, в ультрафиолетовой области спектра) не доходит до нас. Но и интенсивность света, прошедшего сквозь атмосферу, можно измерять по-разному. Человеческий глаз воспринимает лишь часть света, излучаемого Солнцем и звездами. Фотоэмульсия тоже чувствительна только к определенным длинам волн. Световые лучи разной длины, имеющие разный цвет, не одинаково сильно воздействуют на сетчатку глаза или фотопластинку. При определении светимости звезд учитывают лишь свет, который воспринимается человеческим глазом. Следовательно, для измерений надо использовать инструменты, которые с помощью цветных фильтров имитируют цветовую чувствительность человеческого глаза. Поэтому на диаграммах Г-Р часто вместо истинной светимости указывают светимость в видимой области спектра, воспринимаемой глазом. Ее называют также визуальной светимостью. [3] Следует сказать, однако, что при переходе от истиной светимости к визуальной диаграмма Г-Р изменяется незначительно. На диаграммах, приведенных в этой книге, указана визуальная светимость в тех случаях, когда на них изображены экспериментальные данные. Если на диаграммах приведены числа, полученные в результате расчетов на вычислительных машинах, то они соответствуют истинной, энергетической (или болометрической) светимости. На всех диаграммах указано, какая из величин светимости имеется в виду.

Ближайшие соседи Солнца

Теперь мы уже знаем все, что нужно для работы с диаграммой Г-Р. Для начала рассмотрим звезды, которые расположены недалеко от Солнца. Мы имеем в виду звезды, от которых свет идет к нам не более 70 лет. Это действительно недалеко, поскольку от наиболее удаленных звезд нашей Галактики свет доходит до нас за 70 тысяч лет. От самых дальних галактик Вселенной свет и радиоволны идут к нам уже многие миллиарды лет: они были испущены этими галактиками еще когда Вселенная была очень молода. Таким образом, звезды, о которых пойдет речь, расположены совсем рядом с нами. Но в то же время расстояние до них существенно больше, чем от Земли до Солнца. Солнечные лучи достигают земной поверхности всего за 8 минут. Самая близкая к нам звезда (она видна на небе в Южном полушарии) называется Проксима Центавра. Свет от этой звезды доходит к нам за 4,5 года.

Близкие звезды особенно важны для нас, поскольку мы можем относительно точно определить расстояния до них (см. приложение Б). Поэтому по их яркости легко вычислить истинную светимость. Мы имеем в виду светимость в видимой области спектра, измеренную с помощью фотометра с цветным фильтром, который имитирует цветовую чувствительность глаза. Температура поверхности измеряется с помощью дополнительного определения яркости с другим цветовым фильтром, как правило, голубого цвета. Зная яркость звезды в голубой области спектра и общую яркость в видимом диапазоне, который сдвинут в красную сторону, можно определить цвет звезды, а, следовательно, и температуру ее поверхности. Для каждой звезды, температура поверхности и светимость в видимой области спектра которой определены таким способом, можно поставить точку на диаграмме Г-Р. На рис. 2.2 приведены данные для звезд соседей Солнца. Хорошо видно, что диаграмма Г-Р заполнена точками неравномерно. Точки для большинства звезд лежат в пределах полосы, которая идет из левого верхнего края рисунка (от голубых звезд с большой светимостью) направо вниз к тусклым звездам красного цвета. Некоторые звезды расположены справа вверху в области красных гигантов. Слева внизу мы видим три белых карлика.

Рис. 2.2. Диаграмма Г-Р для звезд в окрестности Солнца. Большинство звезд имеют такие температуры поверхности и величины светимости, что их точки на диаграмме лежат в пределах узкой полосы, которая тянется из левого верхнего угла направо вниз. Эта полоса называется главной последовательностью. Некоторые звезды расположены справа вверху, они называются красными гигантами. Три звезды лежат слева внизу — это белые карлики.

90 % всех звезд лежат в пределах указанной полосы. Астрономы называют эту полосу главной последовательностью. Сравнение с рис. 2.1 показывает, что Солнце, Сириус и Спика лежат на главной последовательности. В то же время холодные звезды в системе Дзета Возничего, а также Бетельгейзе и спутник Сириуса расположены за пределами главной последовательности. Звезды, которым соответствуют точки на главной последовательности диаграммы Г-Р, астрофизики называют звездами главной последовательности. Они-то в основном и составляют ближайшее окружение Солнца, а гиганты и карлики являются среди них исключениями.

Звезды главной последовательности обладают одним важным свойством, которое связано с их массой. Мы знаем массу звезд лишь для некоторых из этих светил. Ее можно точно определить, только когда вокруг звезды движется спутник. Мы уже знаем, что траектории планет, движущихся вокруг нашего Солнца, позволяют вычислить его массу. Движение спутника Сириуса позволило нам узнать, что Сириус А содержит примерно в 2,3 раза больше вещества, чем Солнце, и что масса его спутника близка к солнечной. Этот метод дал возможность определить массу некоторых звезд (принцип, лежащий в его основе, коротко изложен в приложении В). Наиболее тяжелые звезды главной последовательности содержат примерно в 30–50 раз больше вещества, чем Солнце. Масса самых маленьких звезд составляет несколько десятых солнечной массы.

Для звезд главной последовательности, масса которых была определена по движению их спутников, выполняется важная закономерность: в каждой точке главной последовательности расположены звезды с определенной массой (рис. 2.3). Звезды с малой массой расположены внизу, а наиболее тяжелые звезды-вверху. Если идти вдоль главной последовательности снизу вверх, то масса звезд постепенно возрастает. Поскольку при этом увеличивается и светимость звезд на диаграмме Г-Р, то можно сказать: чем выше светимость звезды главной последовательности, тем больше ее масса. Если сравнить две звезды главной последовательности, то у звезды с большей светимостью и масса будет больше. Пойдем и дальше: массу звезды можно непосредственно определить по ее светимости, если известно, что звезда принадлежит к главной последовательности. На рис. 2.4 показано, как возрастает светимость с увеличением массы звезд главной последовательности. Астрономы называют эту закономерность диаграммой масса-светимость. В частности, эта закономерность выполняется для звезд, которые нам уже знакомы: речь идет о Солнце, Сириусе А и Спике, которые принадлежат к главной последовательности. Для белого карлика Сириус В этот закон не выполняется — звезда не лежит на главной последовательности.

Рис. 2.3. Диаграмма Г-Р с главной последовательностью (она схематически показана красной линией). В каждой точке главной последовательности расположены только звезды с определенной массой. (Астрономы часто пользуются массой Солнца в качестве единицы измерения. Для нее принято пользоваться символом М.)

Рис. 2.4. Если построить диаграмму, по вертикальной оси которой отложена светимость, а по горизонтальной масса звезды, то звезды главной последовательности будут лежать в пределах узкой полосы: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Такая кривая называется соотношением между массой и светимостью. Но это соотношение выполняется только для звезд главной последовательности. Показанный на диаграмме спутник Сириуса (Сириус В) имеет меньшую светимость, чем звезда главной последовательности с равной массой. Спутник Сириуса не попадает на показанную зависимость.

Таким образом, мы установили определенный порядок среди звезд, расположенных неподалеку от Солнца, и нашли две закономерности: на диаграмме Г-Р существует главная последовательность, а для звезд этой главной последовательности имеется определенная связь между массой и светимостью.

Что же теперь можно сказать о развитии звезд? Вернемся к нашей аналогии с мотыльком-однодневкой. Мы видим звезды с различными свойствами. Так же и мотылек-однодневка видит, что люди отличаются друг от друга. Для главной последовательности мы установили определенный закон, описывающий свойства звезд, но пока не знаем, что это означает. Мотылек-однодневка тоже может разделить людей на определенные классы по некоторым признакам, например по величине их ушей, но при этом он ничего не сможет сказать о том, как люди изменяются с годами.

Но мы можем помочь нашему мотыльку одной подсказкой. Мы скажем ему, что школьные классы состоят из людей одинакового возраста. Это и позволит мотыльку прийти к выводу, что пол и цвет волос никак не связаны с возрастом и что люди разного пола и с разным цветом волос просто различаются по некоторым индивидуальным признакам. В то же время он заметит, что размеры тела тесно связаны с возрастом. К счастью, астрономы тоже сумели найти на звездном небе «школьные классы», которые состоят из звезд одинакового возраста.