Почти все о звездах
А.Г.Тоточава,
кандидат физико-математических наук Москва
В серии «Астрономия и астрофизика», выходящей при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, опубликована очередная коллективная монография — «Звезды». Ее авторы — сотрудники Государственного астрономического института им.П.К.Штернберга (МГУ), Института астрономии РАН и Института теоретической и экспериментальной физики РАН. Все они: В.П.Архипова, С.И.Блинников, С.А.Ламзин, М.Е.Прохоров, С.Б.Попов, Н.Н.Самусь, В.Г.Сурдин, Ю.А.Фадеев и Д.Ю.Цветков — известные специалисты по изучению разных аспектов эволюции звезд: от стадии зарождения до последних, самых впечатляющих, секунд их жизни. Как и предыдущие выпуски этой серии, книга «Звезды» в основном рассчитана на студентов младших курсов естественно-научных специальностей, стремящихся расширить кругозор в период выбора своего направления научных исследований. В качестве современного обзора она будет полезна широкому кругу читателей, даже школьникам старших классов, хотя при чтении придется мобилизовать знания по физике, особенно спектроскопии и ядерной физике.
Охват тем в этой книге чрезвычайно широк. Первые главы посвящены звездам как светлым точкам ночного небосвода: описаны созвездия и отдельные интересные звезды в несколько необычном ключе. Например, кроме истории открытия и принципов наименования звезд и созвездий рассказано о том,
© Тоточава А.Г., 2009
как звезды переходят из одного созвездия в другое, какие звезды были в прошлом и какие станут в будущем ярчайшими на нашем небе, какие звезды получили имена астрономов и почему. Особенно интересен рассказ о звезде Пшибыльского, имеющей уникальный химический состав: она содержит очень редкий металл гольмий в таком количестве, которого не наберется в сумме в миллиардах известных нам звезд и планет!
Далее следует рассказ о том, почему ночью небо темное и почему мы видим на нем звезды. Два этих факта настолько привычны, что обычно мы не задаем себе такие вопросы. Но, как оказалось, ответы на них требуют знаний фундаментальных свойств нашего мира и особенностей эволюции человека. Ведь далеко не все животные видят ночью звезды, а некоторые, напротив, видят их значительно лучше, чем человек. Попутно обсуждается один старинный предрассудок — якобы днем из глубокого колодца можно увидеть звезды. Расчеты и опыты доказывают, что это невозможно. Однако некоторые люди могут видеть звезды днем. Что это за люди и как им это удается, вы узнаете, прочитав главу «Почему мы видим звезды».
Следующий раздел — о наблюдаемых характеристиках звезд. Технический прогресс обеспечивает непрерывное и стремительное накопление данных о них вот уже 400 лет. Телескоп, спектроскоп,средства фотографии и электроники позволили детально изучить движение и излучение небесных светил, в результате чего наши представления о Вселенной со-
£ $
^ $ $
АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА
ЗВЁЗДЫ / * *
а - *
ЗВЕЗДЫ / Ред.-сост. В.Г.Сур-дин.
М.: Издательство физико-математической литературы, 2008.428 с. (Астрономия и астрофизика).
3
а
вершенно изменились. Каждый из четырех прошедших веков ознаменовался прорывом в определенном направлении, но только последнее столетие позволило проникнуть в тайны звезд.
В XVII в. Земля потеряла для нас свою уникальность: благодаря телескопу блуждающие огоньки планет превратились из «живых звезд» в удивительные миры, будоражившие фантазию естествоиспытателей.
XVIII в. стал веком небесной механики: ряды точных наблюдений позволили перейти от эмпирических законов Кеплера к рафинированному анализу и прогнозу движения планет на основе механики Ньютона.
XIX в. славен многими достижениями, но принципиальным для астрономов стало создание методов изучения звезд. Если в начале того века были сомнения в принципиальной познаваемости недосягаемых небесных тел, то к его концу астрономы поняли, как можно изучать физические условия, химический состав, движение и распределение в пространстве звезд и галактик. А наивысшим достижением XX в., без сомнения, стала физика звезд.
Первые интуитивные попытки понять механизм работы звезды предпринимались еще в начале XX в. Но для полновесной теории внутреннего строения звезд потребовались «три кита» — точные данные о наблюдаемых параметрах звезд, теория ядерных реакций и быстродействующие компьютеры. Усилиями астрономов, физиков и инженеров-электронщиков эти три слагаемых были созданы к середине столетия. Разумеется, запрос шел не от естествоиспытателей: теория ядерных реакций и мощные компьютеры потребовались военным. Фактически создатели ядерных бомб стали и отцами теории эволюции звезд. Нет смысла отрицать, что физика звезд — дитя атомной бомбы.
Уже первые сферически-симметричные модели звезд, не учитывающие ни вращения, ни наличия магнитного поля, ни особенностей химического состава, в целом, тем не менее, прилично описывали наблюдаемые звездные характеристики. В научно-популярной литературе часто цитируется высказывание знаменитого английского астрофизика Фреда Хойла, что «нет ничего проще звезды». Однако вот как вспоминает эту историю английский астроном Питер Фелгетт:
«Как очевидец могу сказать, что замечание о простоте звезд было сделано Фредом Хойлом (тогда еще не сэром) на коллоквиуме, который он проводил в старой обсерваторской библиотеке в Кембридже. Насколько я помню, фраза Хойла, произнесенная с его изумительным северным акцентом, звучала так: "В принципе звезда имеет довольно простую структуру". В ответ на это профессор Ред-ман заметил: "Вы бы тоже выглядели довольно простым, Фред, с расстояния в десять парсек"».
Глубокий смысл этого замечания открывается нам постепенно. Чем детальнее мы изучаем звезды, тем более сложными выглядят их структура и поведение. Так что впору согласиться с высказыванием английского астронома Джона Брауна: «Вопреки известной реплике Фреда Хойла, звезды не так уж просты; по крайней мере, когда изучаешь их с расстояния в 5 микропарсек, как в случае с Солнцем».
К началу XXI в. астрономы накопили колоссальный материал о свойствах и поведении звезд всевозможных типов. Базовые представления о физике звезд были подтверждены прямыми наблюдениями: современные нейтринные детекторы уверенно видят процессы, происходящие в недрах Солнца, и непосредственно фиксируют продукты термоядерных реакций. В целом удалось понять и основные физические процессы, ответственные за кризисные
эпохи в жизни звезд — за их формирование, динамическую перестройку и гибель. В нескольких разделах книги «Звезды» последовательно рассказано о принципах классификации светил по мощности их излучения, температуре поверхности, химическому составу атмосферы. Исследование оптических спектров — главный метод изучения звезд. Спектральная классификация постоянно развивается; новое в этой области — недавнее обнаружение и начало изучения коричневых карликов, объектов переходного типа между звездами и планетами. Пока еще не ясно, много ли коричневых карликов в Галактике, но их уникальные свойства уже вне сомнения.
За последние два столетия у астрономов несколько раз складывалось впечатление, что картина Вселенной в общем уже нарисована, осталось положить лишь последние мазки. Но всякий раз это впечатление оказывалось ложным. 30 лет назад наш крупнейший астрофизик И.С.Шкловский в очередном издании своего бестселлера «Звезды: их рождение, жизнь и смерть» писал: «Если задать наивный детский вопрос, какие из космических объектов во Вселенной "самые главные", я не колеблясь отвечу: звезды. Почему? Ну, хотя бы потому, что 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах. У многих, если не у большинства, других галактик "звездная субстанция" составляет более чем 99.9% их массы. Похоже на то, что плотность крайне разреженного, пока еще с достоверностью не обнаруженного межгалактического газа слишком мала, поэтому основная часть вещества во Вселенной сосредоточена в галактиках, а следовательно, в звездах. <...> На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. Это означает, что большая часть вещества Вселенной "скрыта" в недрах звезд и
имеет температуру порядка десятка миллионов градусов при очень высокой плотности...». В те годы невозможно было представить, насколько эта картина окажется далека от реальности, насколько сильно изменятся представления астрономов о составе Вселенной. Если иметь в виду среднюю плотность энергии-массы во Вселенной, теперь уже почти нет сомнений, что около 72% ее принадлежит неведомой анти-гравитирующуй сущности, условно называемой темной энергией. Если же ограничиться обычной гравитирующей массой, на которую приходится около 28% средней плотности Вселенной, то примерно 24% заключено в темном веществе неизвестной природы и только около 4% — в обычном барион-ном веществе, представленном в клеточках таблицы Менделеева. Именно в эти 4% умещаются все звезды, планеты, межзвездная и межгалактическая среда. Но и в этой скромной 4%-й группе роль звезд оказалась не самой важной. Почти 4/5 массы барионного вещества заключено в межгалактическом газе, и только 0.5% средней плотности Вселенной сосредоточено в звездах! Даже если не принимать в расчет загадочную темную энергию и непонятное темное вещество (хотя наша Галактика в основном «сделана» именно из него), то и в подгруппе обычного вещества звездам принадлежит лишь около 10% массы. Как ни крути, но тезис о том, что Вселенная — это звезды, оказался неверным.
Следует ли из этого, что несколько десятилетий назад астрономы совершенно неверно представляли себе жизнь Вселенной? Чтобы проверить это, продолжим читать Шкловского:
«Основная эволюция вещества Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находился (и находится) тот "плавильный тигель", который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселен-
£
í
$
$
Планетарная туманность NGC 2440 лежит на расстоянии около 4 тыс. св. лет от нас в направлении созвездия Корма. Она образована умирающей звездой, некогда похожей на Солнце. Сама газовая туманность — сброшенная звездой оболочка, а яркая точка в центре туманност
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.