Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Тема. Подвійні та нестаціонарні зорі

1. Звичайні зорі. Подвійні зорі різних типів. Змінні зорі. Пульсуючі змінні зорі

Звичайні зорі. Протягом свого тривалого життя кожна зоря може як збільшувати, так і зменшувати всі свої основні параметри — температуру, світність та радіус. Зорі на головній послідовності перебувають у стані гравітаційної рівноваги, коли зовнішні шари за рахунок гравітації тиснуть до центра, в той час як тиск нагрітих газів діє в протилежному напрямку — від центра (рис. 1.1).

Зоря в стані гравітаційної рівноваги не змінює своїх параметрів, адже інтенсивне випромінювання енергії з поверхні компенсується джерелом енергії в надрах — термоядерними реакціями. Такий процес триває доти, доки половина гідрогену в ядрі не перетвориться на гелій, і тоді інтенсивність термоядерних реакцій може зменшитися. Тривалість такої стаціонарної фази в житті зорі, коли її параметри довгий час залишаються сталими, залежить від її маси. Розрахунки показують, що такі зорі, як Сонце, у стані рівноваги світять не менше, ніж 10 млрд років. Більш масивні зорі спектральних класів О, В, у надрах яких термоядерні реакції протікають інтенсивніше, у рівновазі світять 100 млн років, а найдовше «мерехтять» маленькі червоні карлики — їхній вік може перевершувати 1011 років.

Подвійні зорі — системи, які складаються з двох зір, що описують замкнені орбіти навколо спільного центра мас під дією взаємного тяжіння. Інколи трапляються системи з трьох і більше зір; у такому випадку систему називають кратною зорею.

Іноді буває, що дві фізично не пов’язані між собою зорі випадково проектуються на небосхилі поряд. Такі зорі називають оптично подвійними — на противагу «справжнім», фізично подвійним. Класичним прикладом таких зір є Алькор і Міцар (рис. 1.2) у сузір’ї Великої Ведмедиці. Обидві зорі подвійної системи обертаються по еліптичних орбітах навколо спільного центра мас цих зір. Якщо відстань між компонентами дуже велика, орбітальний період може вимірюватися роками, іноді століттями. Для тісних систем їх орбітальний період може становити лише кілька годин. Якщо досить масивні зорі обертаються на близькій відстані одна від одної, то це призводить до того, що зрештою дві зорі зіллються в одну (рис. 1.3).

Змінні зорі — зорі, у яких спостерігають зміни блиску хоча б в одному спектральному діапазоні.

Змінні зорі типу Алголь (відома подвійна зоря β Персея) — фотометричні подвійні, в яких у проміжках між затемненнями блиск є сталим або ж змінюється в малих межах. Змінні зорі називають фізично-змінними, якщо зміни блиску зумовлені процесами, що відбуваються в самій зорі або на її поверхні, і оптичними у випадку, якщо блиск зорі змінюється внаслідок дії зовнішніх щодо неї причин, наприклад під час періодичних затемнень іншою зорею.

Рис. 1.1. Зоря в стані рівноваги: зовнішні сили гравітації врівноважені силами газового тиску

Рис. 1.2. Алькор і Міцар

Рис. 1.3. Подвійні зорі. Взаємне тяжіння та подальше злиття

Туманність у сузір'ї Оріон можна побачити навіть неозброєним оком. Відстань до неї близько 1000 св. років

Рис. 1.4. Розташування деяких типів змінних зір на діаграмі Герцшпрунга-Рассела

Перші дев’ять змінних зір у кожному із сузір’їв позначають літерами латинського алфавіту від R до Z і додають назву сузір’я, наприклад Т Тельця. Зорі, відкриті пізніше, позначають двома літерами того самого алфавіту (від RR до QZ). За такою схемою позначають 334 зорі в кожному сузір’ї. Наступні відкриті змінні зорі позначають літерою V і додають номер та назву сузір’я, наприклад V335 Лебедя (рис. 1.4).

За особливостями змін блиску і причинами, що зумовлюють їх, змінні зорі поділяють на шість головних класів: еруптивні; пульсуючі; змінні зорі, що обертаються; спалахуючі й новоподібні; тісні подвійні затемнювані системи; джерела сильного змінного рентгенівського випромінювання.

У кожному з цих класів є об’єкти різної природи, що належать до різних типів змінності блиску. Водночас одні й ті самі об’єкти можуть змінювати блиск майже з усіх можливих причин або з будь-яких їхніх комбінацій, що дає підстави для віднесення їх одразу до кількох класів. Окрім того, є унікальні об’єкти, що не вкладаються у зазначені рамки класифікації.

Рис. 1.5. Цефеїда

Рис. 1.6. Планетарна туманність утворюється, коли порушується рівновага і зоря скидає зовнішні шари

Окремі типи змінних зір називають за зорею-прототипом. Змінні зорі типу δ Цефея називаються цефеїдами (рис. 1.5), зорі типу RR Ліри — ліридами, зорі типу W Діви — віргінідами. Тривалий час усі ці групи об’єднували під назвою цефеїди. Проте і раніше їх поділяли на довгоперіодичні (або класичні цефеїди, прототип — зоря δ Цефея) і короткоперіодичні (прототип — зоря RR Ліри). Виділення окремих типів — лірид і віргінід — супроводжувалося змінами в наукових уявленнях щодо масштабів Галактики і галактичного світу в цілому.

Загальноприйнятою теорією, що пояснює зміни, які відбуваються в цефеїдах, є теорія пульсацій. Відповідно до цієї теорії цефеїди — це пульсуючі гігантські газові кулі, які в момент максимуму блиску мають найменший об’єм і найвищу температуру. Потім відбувається розширення зорі, причому її температура знижується. Досягнувши найбільшого розширення, зовнішні шари під дією сил тяжіння починають падати вниз, «проскакують» через середнє положення рівноваги і знову стискаються. Цикл починається спочатку.

Період пульсацій цефеїд залежить від маси та радіуса зорі, наприклад δ Цефея пульсує з періодом 5,4 доби. Пульсації приводять до того, що цефеїда з часом перетворюється на гіганта, який може поступово скинути свою оболонку. Такі об’єкти астрономи назвали планетарними туманностями (рис. 1.6).

Види цефеїд

Цефеїди аномальні

Зорі типу BL Волопаса з аномальними для своєї світності періодами пульсацій

Цефеїди довгоперіодичні

Зорі з періодами пульсацій понад одну добу

Цефеїди карликові

Пульсуючі змінні зорі з періодами пульсацій 1-6 год

Цефеїди класичні

Пульсуючі змінні зорі високої світності, які мають стабільні криві блиску

Цефеїди короткоперіодичні

Зорі типу RR Ліри, зміни блиску яких перебувають в межах від 12 до 35 діб

Цефеїди сферичної складової

Пульсуючі змінні зорі, які мають стійкі криві блиску з періодами пульсації від 1 до 30 діб

2. Нові та Наднові зорі

Нові та Наднові зорі. Зорі з масою у кілька разів більшою, ніж сонячна, закінчують своє життя грандіозним вибухом. У 1054 р. китайські астрономи спостерігали надзвичайно яскраву нову зорю, яку було видно вдень протягом кількох тижнів. Цю незвичайну зорю помітили також літописці в Київській Русі, адже це був рік смерті Ярослава Мудрого. Вважалося, що поява нової зорі віщувала «Боже знамення» на сумну подію. Сьогодні на тому місці, де спалахнула ця таємнича зоря, видно Крабоподібну туманність (рис. 2.1). Зорі спектральних класів O і B, які протягом кількох днів збільшують свою яскравість у сотні мільйонів разів, називають Новими. Наразі астрономи практично не мають розбіжностей щодо фізичних процесів спалаху Нових. Вважається, що спалах відбувається на поверхні білого карлика, що входить до тісної подвійної системи. Речовина з зорі-компаньона перетікає на білий карлик, збільшує його масу, запускає ядерні реакції, які розігрівають білий карлик, що призводить до вибуху. Спалах Нової спричиняє скидання оболонки (зі швидкістю близько 1000 км/сек), яку згодом іноді можна спостерігати у вигляді туманності. Маса скинутої оболонки менша за 0,001 маси Сонця. Отже, спалахнувши, зоря не руйнується повністю. Інколи Нова випромінює майже стільки ж енергії, скільки виділяють разом усі зорі в Галактиці — такі зорі мають назву Наднові. Наднова зоря — це вибух зорі, яка вже вичерпала внутрішні запаси речовини для термоядерних реакцій, через що перестає світитися з середини, а її оболонка починає стрімко падати на ядро, що спричиняє вибух.

Рис. 2.1. Крабоподібна туманність, яка утворилася після спалаху Наднової у 1054 р.

Нова зоря — зоря класу вибухових змінних, блиск якої раптово збільшується на 7-20m

Наднова — зоря, світність якої несподівано зростає і за декілька діб досягає (108-1010) L

Пульсари — галактичні об'єкти, джерела строго періодичного імпульсного випромінювання

Тобто Нова зоря — це результат перетікання речовини з однієї зорі на білий карлик, а Наднова — це кінець життя досить масивної зорі, коли в неї зупиняється термоядерний синтез у надрах.

Крабоподібна туманність у сузір’ї Тельця є залишком такої Наднової. Вірніше, якщо врахувати, що ця туманність розміщується на відстані 6500 св. років від Землі, то спалах Наднової стався ще 7500 років тому.

Для допитливих

Після спалаху Нової або Наднової залишається ядро, у якому відсутнє джерело енергії. Така зоря поступово зменшує свій радіус і світить тільки завдяки гравітаційному стисненню — потенціальна енергія зорі перетворюється на тепло. При стисненні маса залишається сталою, тому збільшується густина, і зоря перетворюється на білого карлика.

Якщо початкова маса зорі була в кілька разів більшою, ніж сонячна, то білий карлик може перетворитись на нейтронну зорю, радіус якої не перевищує кількох десятків кілометрів, а густина сягає фантастичної величини 1015 г/см3. Першу нейтронну зорю випадково відкрили в Кембриджському університеті в 1967 р. За допомогою невеликої антени астрономи зареєстрували радіосигнал, який повторювався з постійним періодом 1 с. Уночі в тому напрямку, звідки надходили імпульси, не було видно жодної зорі, тому астрономи навіть висунули гіпотезу про радіосигнал штучного походження від позаземної цивілізації. Потім спостереження показали, що такі періодичні сигнали надходять на Землю від сотень інших невидимих джерел, які було названо пульсарами. Один із пульсарів було виявлено навіть у центрі Крабоподібної туманності.

Рис. 2.2. Спалах Наднової у сусідній галактиці Велика Магелланова Хмара (1987 р.)

Рис. 2.3. Еволюція зір

Останній спалах Наднової астрономи спостерігали в 1987 р. у сусідній галактиці — Великій Магеллановій Хмарі. Вибухнула гігантська зоря спектрального класу В, яка кілька тижнів світила яскравіше від усіх зір у галактиці (рис. 2.2). Приблизно за 20 год перед спалахом Наднової було зареєстровано ударну хвилю нейтринного потоку, який тривав 13 с і за потужністю був у десятки тисяч разів більший, ніж енергія в оптичному діапазоні.

Таким чином, у 1987 р. астрономи вперше отримали інформацію про далеку космічну подію, яка відбулася майже 200 тис. років тому. Після спалаху зорі всі планети, які оберталися навколо неї, випарувалися і перетворилися на газопилову туманність, з якої в майбутньому може утворитися нове покоління зір. Тобто у Всесвіті спостерігається своєрідний кругообіг речовини: зорі — спалах зір — туманність — і знову народження молодих зір (рис. 2.3).

Контрольні запитання

  • 1. Які існують типи змінних зір?
  • 2. Чи є Сонце найгарячішою зорею в Галактиці? Поясніть свою думку.
  • 3. Які зорі змінюють кількість випромінюваного: фотометричні подвійні чи фізично-змінні?
  • 4. Як ви розумієте термін «тісна подвійна зоряна система»? Поясніть.
  • 5. Що означає термін Нова зоря?
  • 6. Дві зорі мають однакову температуру поверхонь, але різні світності. Як ви вважаєте, їхні розміри однакові? Чому?
  • 7. До якого спектрального класу належить Сонце? Обґрунтуйте свою відповідь.
  • 8. Яка відстань до Полярної зорі, якщо її річний паралакс становить 0,003"?
  • 9. Поясніть сутність теорії пульсацій цефеїд. Наведіть приклади.
  • 10. Яка природа спалаху Нової зорі?
  • 11. Із двох зір можна побачити лише одну. Поясніть, як дізнаєтесь про подвійність зорі.
  • 12. Поясніть, чому зорі з меншою початковою масою більше часу перебувають у стадії звичайної зорі, ніж зорі з більшою початковою масою.