Общие сведения о звёздах и изучения звёзд
Звёзды, самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскалённых газов, по своей природе сходные с Солнцем. Солнце кажется несравненно больше звезды только благодаря близости его к Земле: от Солнца до Земли свет идёт 81/3 мин, а от ближайшей звезды (Центавра - 4 года 3 мес. Из-за больших расстояний от Земли звезда и в телескоп видны как точки, а не как диски (в отличие от планет). Число звёзд, видимых невооружённым глазом на обоих полушариях небесной сферы в безлунную ночь, составляет около 5 тыс. В мощные телескопы видны миллиарды звёзд.
Изучение звёзд было вызвано потребностями материальной жизни общества (необходимость ориентировки при путешествиях, создание календаря, определение точного времени). Уже в глубокой древности звёздное небо было разделено на созвездия. Долгое время звёзды считались неподвижными точками, по отношению к которым наблюдались движения планет и комет. Со времён Аристотеля (IV в. до н. э.) в течение многих столетий господствовали взгляды, согласно которым звёздное небо считалось вечной и неизменной хрустальной сферой, за пределами которой находилось жилище богов. В конце 16 в. итальянский астроном Джордано Бруно учил, что звёзды – это далёкие тела, подобные нашему Солнцу. В 1596 немецким астрономом И. Фабрициусом была открыта первая переменная звезда, а в 1650 италийским учёным Дж. Риччоли – первая двойная звезда. В 1718 английский астроном Э. Галлей обнаружил собственные движения трёх звёзд. В середине и во 2-й половине 18 в. русский учёный М. В. Ломоносов, немецкий учёный И. Кант, английские астрономы Т. Райт и В. Гершель и другие высказывали правильные идеи о той звёздной системе, в которую входит Солнце. В 1835-39 русский астроном В. Я. Струве, немецкий астроном Ф. Бессель и английский астроном Т. Гендерсон впервые определили расстояния до трёх близких звёзд. В 60-х гг. 19 в. для изучения звёзд применили спектроскоп, а в 80-х гг. стали пользоваться и фотографией. Русский астроном А. А. Белопольский в 1900 экспериментально доказал для световых явлений справедливость принципа Доплера, на основании которого по смещению линий в спектре небесных светил можно определить их скорость движения вдоль луча зрения. Накопление наблюдений и развитие физики расширили представления о звёздах.
В начале 20 в., особенно после 1920, произошёл переворот в научных представлениях о звёздах. Их начали рассматривать как физические тела; стали изучаться структура звезды, условия равновесия их вещества, источники энергии. Этот переворот был связан с успехами атомной физики, которые привели к количественной теории звёздных спектров, и с достижениями ядерной физики, давшими возможность провести аналогичные расчёты источников энергии и внутреннего строения звезды (наиболее важные результаты были получены немецкими учёными Р. Эмденом, К. Шварцшильдом, Х. Бете, английскими учёными А. Эддингтоном, Э. Милном, Дж. Джинсом, американскими учёными Г. Ресселом, Р. Кристи, советским учёным С. А. Жевакиным). В середине 20 в. исследования звёзд приобрели ещё большую глубину в связи с расширением наблюдательных возможностей и применением электронных вычислительных машин (американские учёные М. Шварцшильд, А. Сандидж, английский учёный Ф. Хойл, японский учёный С. Хаяси и другие). Большие успехи были достигнуты также в изучении процессов переноса энергии в фотосферах звёзд (советские учёные Э. Р. Мустель, В. В. Соболев, американский учёный С. Чандрасекар) и в исследованиях структуры и динамики звёздных систем (голландский учёный Я. Оорт, советские учёные П. П. Паренаго, Б. В. Кукаркин и другие).
Параметры звёзд
Основные характеристики звезды - масса, радиус (не считая внешних прозрачных слоев), светимость (полное количество излучаемой энергии); эти величины часто выражаются в долях массы, радиуса и светимости Солнца. Кроме основных параметров, употребляются их производные: эффективная температура; спектральный класс, характеризующий степень ионизации и возбуждения атомов в атмосфере звезды; абсолютная звёздная величина (т. е. звёздная величина, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии 10 парсек); показатель цвета (разность звёздных величин, определённых в двух разных спектральных областях).
Звёздный мир чрезвычайно многообразен. Некоторые звёзды в миллионы раз больше (по объёму) и ярче Солнца (звёзды-гиганты); в то же время имеется множество звёзд, которые по размерам и количеству излучаемой ими энергии значительно уступают Солнцу (звёзды-карлики). Разнообразны и светимости звёзд; так, светимость звезды S Золотой Рыбы в 400 тыс. раз больше светимости Солнца. Звёзды бывают разреженные и чрезвычайно плотные. Средняя плотность ряда гигантских звёзд в сотни тысяч раз меньше плотности воды, а средняя плотность белых карликов, наоборот, в сотни тысяч раз больше плотности воды.
У некоторых типов звёзд блеск периодически изменяется; такие звёзды называются переменными звёздами. Грандиозные изменения, сопровождаемые внезапными увеличениями блеска, происходят в новых звёздах. При этом за несколько суток небольшая звезда-карлик увеличивается, от неё отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве. Затем звезда вновь сжимается до небольших размеров. Ещё большие изменения происходят во время вспышек сверхновых звёзд.
Изучение спектров звёзд позволяет определить химический состав их атмосфер. Звёзд, как и Солнце, состоят из тех же химических элементов, что и все тела на Земле.
В звёзде преобладают водород (около 70% по весу) и гелий (около 25%); остальные элементы (среди них наиболее обильны кислород, азот, железо, углерод, неон) встречаются почти точно в том же соотношении, что и на Земле. Для наблюдений пока доступны лишь внешние слои звезды. Однако сопоставление данных непосредственных наблюдений с выводами, вытекающими из общих законов физики, позволило построить теорию внутреннего строения звезды и источников звёздной энергии.
Солнце по всем признакам является рядовой звёздой. Имеются все основания предполагать, что многие звёзды, как и Солнце, имеют планетные системы. Вследствие дальности расстояния пока ещё не удаётся непосредственно увидеть такие спутники звёзд даже в самые мощные телескопы. Для их обнаружения необходимы тонкие методы исследования, тщательные наблюдения в течение десятков лет и сложные расчёты. В 1938 шведский астроном Э. Хольмберг заподозрил, а позднее советский астроном А. Н. Дейч и другие установили существование невидимых спутников у звезды 61 Лебедя и других близких к Солнцу звёзд. Наша планетная система не является исключительным явлением. На многих планетах, окружающих другие звёзды, также вероятно существование жизни, и Земля не представляет в этом отношении исключения.
Звёзды часто расположены парами, обращающимися вокруг общего центра масс; такие звёзды называются двойными звёздами. Встречаются также тройные и кратные системы звёзд.
Взаимное расположение звёзд с течением времени медленно изменяется вследствие их движений в Галактике. Звёзды образуют в пространстве огромные звёздные системы - галактики. В состав нашей Галактики (к которой принадлежит Солнце) входит более 100 млрд. звёзд. Изучение строения Галактики показывает, что многие звёзды группируются в звёздные скопления, звёздные ассоциации и другие образования.
Звёзды изучаются в двух дополняющих друг друга направлениях. Звёздная астрономия, рассматривающая звёзды как объекты, характеризующиеся теми или иными особенностями, исследует движение звезды, распределение их в Галактике и в скоплениях, различные статистические закономерности. Предметом изучения астрофизики являются физические процессы, происходящие в звёздах, их излучение, строение, эволюция.
Массы звёзд
Массы могут быть определены непосредственно лишь у двойных звёзд на основе изучения их орбит. У спектрально-двойных звёзд измерения смещений спектральных линий вследствие эффекта Доплера позволяют определить период обращения компонентов и проекции максимальной скорости каждого компонента на луч зрения. Аналогичные измерения можно провести и у некоторых визуально-двойных звёздах. Этих данных достаточно для вычисления отношения масс компонентов. Абсолютные значения масс определяются, если система является в то же время и затменно-двойной, т. е. если её орбита видна с ребра и компоненты звезды попеременно закрывают друг друга. Изучение масс двойных звёзд показывает, что между массами и светимостями звёзд главной последовательности существует статистическая зависимость. Эта зависимость, распространённая и на одиночные звёзд, позволяет косвенно, определяя светимости звёзд, оценивать и их массы.
Светимости звёзд и расстояния до них
Основной метод определения расстояний до звезды состоит в измерении их видимых смещений на фоне более далёких звезд, обусловленных обращением Земли вокруг Солнца. По смещению (параллаксу), величина которого обратно пропорциональна расстоянию, вычисляют и само расстояние. Однако такой способ измерений применим только к ближайшим звездам.
Зная расстояние до звезды и её видимую звёздную величину m, можно найти абсолютную звёздную величину М по формуле:
М = m +5-5 lg r,
где r – расстояние до звезды, выраженное в парсеках. Определив средние абсолютные звёздные величины для звезды тех или иных спектральных классов и сопоставив с ними видимые звёздные величины отдельных звезд этих же классов, можно определить расстояния и до удалённых звезды, для которых параллактические смещения неощутимы. Абсолютные звёздные величины некоторых типов переменных звёзд (например, цефеид) можно установить по величине периода изменения блеска, что также позволяет определять расстояния до них.
Расстояния оцениваются также по систематическим компонентам лучевых скоростей и собственных движений звёзд, обусловленным особенностями вращения Галактики и движением Солнца (вместе с Землёй) в пространстве и зависящим, от удалённости звезды. Чтобы исключить влияние собственных скоростей отдельных звезд, определяют расстояние сразу до большой группы их (статистические или групповые параллаксы).