Звезды в космосе - определение, строение, форма, интересные факты

Общие сведения

Самое распространенное определение звезды в астрономии — образование из раскаленного газа в форме шара. По мере развития жизненного цикла изменяется структура и состав светил. Поскольку невозможно увидеть их строение воочию, создаются модели, основанные на сложных вычислениях. В структуре звезд обычно выделяют:

• Ядро, в котором проходят реакции термоядерного синтеза (РТС). Здесь находятся только свободные ядра атомов и электроны, поэтому они упакованы гораздо плотнее, чем если бы это были целые атомы.
• Зона переноса лучистой энергии. Во время её прохождения лучи сохраняют количество энергии, но меняются качественно, увеличивая длину волны. Например, из недр Солнца выходят рентгеновские и гамма-лучи, а с поверхности — световые и инфракрасные.
• Зона конвекции, где происходит перемешивание газовых слоев. У более старых светил эта область меньше, а внешние со временем разрастаются.
• Фотосфера и хромосфера. На внешней поверхности звёзд часто наблюдаются выбросы газа — протуберанцы.

В космосе распространены самые разные звездные системы, состоящие из двух, трех и более звезд. Главное условие того, что объекты составляют систему — они должны вращаться вокруг общего центра тяжести. Самые горячие светила — белые и голубые гиганты. Холодные звезды бывают красными гигантами или почти остывшими коричневыми карликами.

Звездные параметры

Молодые звезды имеют практически одинаковый состав веществ. Это 73% водорода, 25% гелия и 2% металлических веществ (в астрономии к ним относят все, что не является водородом и гелием). Именно эти два процента и масса объекта имеют огромное значение и делают звезды такими разными. Они влияют на протекание РТС в ядре и металличность звезд. От этого зависят и все другие параметры. К ним относятся:

• Масса и радиус — вычисляются астрономическими методами, как и расстояние до звезды.
• Светимость — обозначается в цифрах по отношению к солнечной.
• Цвет зависит от типа и диапазона испускаемых волн.
• Спектральные классы, по которым можно узнать о химическом составе и температуре поверхности.

На возможность появления планет у светила или в звездной системе влияет металличность звезды. В науке используется также понятие абсолютной звездной величины, которая характеризует интенсивность потока звездного излучения. Поскольку расстояния до светил отличаются миллионами световых лет, то очень далекая звезда высокого класса может быть почти невидимая с Земли, а близкая, но слабая ярко сиять на небе. Поэтому при наблюдениях используется и такое понятие, как видимая звездная величина.

Процесс рождения

Звезды, как и все во Вселенной, проходят этапы зарождения, жизни и умирания. На это уходят миллиарды лет, но в космосе находятся объекты на разных этапах развития. Поэтому астрономы смогли составить некоторое представление о том, как развиваются звезды.

Теория появления протозвезд

На сегодня наиболее вероятной считается теория появления звезд из облака, образованного космической пылью и газом (водородом по большей части), которое имеет огромную массу из-за своих размеров. В поперечнике она может достигать 300 световых лет. В результате гравитационного сжатия газопылевого облака сначала образуется так называемая протозвезда. Причины, по которым может начаться процесс:

• столкновение двух подобных облаков;
• прохождение облака вблизи рукава спиральной галактики, где находятся плотные скопления светил;
• ударная волна, вызванная появлением сверхновой звезды в близлежащем пространстве;
• при столкновении галактик возможно множественное звездообразование.

Температура в центре протозвезды неуклонно возрастает и в какой-то момент достигает порога, после которого протоны молекул водорода могут преодолеть силы отталкивания и вступить в РТС и превратиться в гелий. Итог — образование гелиевого ядра и потока элементарных частиц.

При этом выделяется значительное количество тепловой энергии, разогревающее ядро протозвезды до сверхвысоких температур. Избыточная энергия устремляется к ее поверхности и вовне. Так в космосе рождается новое светило. В этот момент начинает возрастать внутри звездное давление, что не дает силам гравитации сжать светило до сверхплотного состояния. Ее внутреннее давление непрерывно возобновляется, что обеспечивает энергетическое равновесие и устойчивое состояние звезды.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Она графически изображает состояние звездных объектов на разных стадиях жизненного цикла. На диаграмме четко видны группы, сформированные согласно физическим характеристикам звезд, соответствующих разным этапам их эволюции. Стадия активного сжигания водорода, согласно этой диаграмме, относится к основной фазе жизненного цикла. В ней находится и Солнце. С его зарождения прошло около 5 млрд лет. Примерно столько же светилу осталось жить.

Распределение звезд на диаграмме Герцшпрунга-Рассела идет неравномерно: около 90% светил сконцентрировано на одной из диагоналей, которая называется главной последовательностью. Здесь находятся светила в стадии горения водорода.

Завершение жизненного цикла

Рано или поздно жизнь любого звездного объекта подходит к концу. Как это происходит, тоже зависит от массы светила. Меньше всего живут массивные светила: в них хоть и содержатся огромные запасы водородного топлива, но, чтобы не впасть в гравитационный коллапс, им приходится очень интенсивно их расходовать. Срок жизни таких светил составляет «всего лишь» десятки миллионов лет.

Небольшие звездочки могут существовать и сотни миллиардов лет. Солнце в этой градации находится примерно посередине. Светила, масса которых не более чем в восемь раз превышает солнечную, сначала превращаются в красные гиганты. Когда запасы водорода истощаются, силы гравитационного сжатия становятся больше внутри звездного давления, и звезда начинает сжиматься и уплотняться. У этого процесса два следствия:

• в РТС вступает водород из самых нижних слоев ядра;
• увеличение ядерной температуры приводит к началу вторичной РТС, в которую вступает гелий, преобразовываясь в углерод.

При этом энергия выделяется настолько интенсивно, что звезду как бы раздувает изнутри. Солнце, когда достигнет этой стадии, в диаметре превысит орбиту Венеры. Тем не менее, количество совокупной энергии не увеличивается. Поскольку поверхность излучения становится намного больше, происходит остывание светила до красной части видимого спектра. Таким образом, оно становится красным гигантом.

Последняя стадия развития объектов, подобных Солнцу — белые карлики. Она наступает, когда ядро остывает до температуры, при которой невозможна дальнейшая РТС, а силам сжатия начинают сопротивляться свободные электроны, не участвующие в реакции (вырожденный электронный газ). Это приводит к стабилизации звезды в виде белого карлика, излучающего в пространство остаточное тепло до полного остывания.

Сверхновые и пульсары

После выгорания гелия в ядре звезды остается достаточно энергии для запуска новых РТС. В результате образуются углерод, кремний, магний и другие материалы, вплоть до железа. При этом, когда начинается новая реакция в ядре, предыдущая продолжается в оболочке. Считается, что все химические элементы во Вселенной так и появились — из недр умирающих массивных светил.

Железо не может быть топливом для РТС без притока энергии извне и накапливается в ядре. Его протоны вступают в реакции с электронами вырожденного газа, образуя нейтроны. Этот процесс происходит практически мгновенно. Все свободные электроны исчезают и, поскольку силам гравитационного сжатия больше нечему противодействовать, со звездой случается гравитационный коллапс.

Энергия столкновения внешней оболочки и нейтронного ядра так высока, что она с огромной силой отскакивает назад и разлетается во все стороны с высочайшей скоростью. Происходит буквально взрыв звезды и превращение ее в сверхновую. С Земли это выглядит как ослепительная вспышка.

Если звезда весила около 10—30 солнечных масс, то после разлета оболочки ее стабилизируют вырожденные нейтроны. В результате образуются быстро вращающиеся объекты диаметром около 15 км, излучающие электромагнитные импульсы с частотой собственного вращения. Они называются пульсарами. Но если масса светила превышала 30 солнечных, ничто не способно остановить ее коллапс. Она сжимается до чёрной дыры — области с настолько большой массой и гравитацией, что её не могут покинуть даже частицы света.

Созвездия и интересные факты

За звездами люди вели наблюдение с давних времен и для удобства разделили звездное небо на области или созвездия, в которых видели существующих или мифологических животных, птиц, героев легенд или какие-то предметы. Самые красивые и яркие получили собственные названия, происхождение которых связано с мифами и историями разных народов. Собственные имена есть и у многих светил. Чаще всего это арабские, греческие или латинские слова. Список названий звезд, заметных в Северном полушарии:

1. Арктур — α Волопаса. Светит ярче всех на небе северных широт. Это оранжевый гигант спектрального класса К. Поскольку таких светил не встречается в галактике Млечный путь, можно предположить, что это старое светило образовалось в более древней галактике.
2. Вега — α Лиры, третья из самых заметных светил Северного полушария и первая, которую сфотографировали (не считая Солнца) и установили спектр излучения. Вокруг этого молодого светила вращается диск из космической пыли, поэтому он испускает сильное инфракрасное излучение. Похожие космические объекты называют Вега-подобными.
3. Полярная звезда — α Малой Медведицы, всегда находится на севере, поэтому ее издавна использовали в морской навигации и называли путеводной звездой. Это звездная система с больши́м главным светилом, двумя спутниками и еще одной более далекой парой. Основная звезда относится к классу цефеид — равномерно пульсирующих звезд.
4. Фомальгаут — α Южной рыбы, звезда осеннего неба и единственная хорошо видимая в северных широтах в это время года.

После изобретения телескопа были открыты множество новых звездных объектов, которым присваиваются буквенно-числовые индексы. Из них можно узнать информацию о свойствах светила и его небесных координатах.

Другие светила

На небе практически всегда можно наблюдать множество звезд. Самые красивые небесные светила:

• Альтаир — α Орла, одна из ближайших к Земле звезд. Белый и раскаленный, он относится к классу А. Очень быстро вращается вокруг своей оси, поэтому ему присуще гравитационное затемнение.
• Альнилам — ε Ориона, горячий голубой гигант, постепенно расширяющийся до сверхгиганта.
• Капелла — α Возничего. Ее название означает «козочка». Это двойной объект, состоящий из гигантов. Одна из звезд чуть горячее и желтого цвета, вторая — оранжевого.
• Спика — α Девы, система из двух подобных бело-голубых гигантов. Это переменная звезда, поэтому ее звездная величина постоянно меняется.
• Денеб — α Лебедя, один из самых больших объектов по абсолютной величине, известных астрономам. О его настоящей величине можно получить представление по следующему факту: это двадцатая по яркости звезда на небе. Светила, на столько же удаленные от Земли, как Денеб, вообще не видны невооруженным глазом.
• Ригель — β Ориона, громаднейший бело-голубой сверхгигант. Соперничает по абсолютной величине с Денебом. Это яркое светило красиво освещает расположенную рядом туманность под названием Голова Ведьмы.

Наблюдение за космическими телами и явлениями — очень увлекательное занятие. Не менее интересно изучать то, как они возникли.