ЗВЁЗДЫ

ЗВЁЗДЫ

       

в обычном (стационарном) состоянии раскалённые газовые (плазменные) шарообразные небесные тела, находящиеся в гидродинамич. и тепловом равновесии. Гидродинамич. равновесие обеспечивается равенством сил тяготения и сил внутр. давления, действующих на каждый элемент массы З. Тепловое равновесие соответствует равенству энергии, выделяемой из недр З., и энергии, излучаемой с её поверхности. З. (кроме ближайшей З.— Солнца) находятся на столь больших расстояниях от Земли, что даже в самые сильные телескопы видны как светящиеся точки разл. яркости и цвета. Осн. видимая хар-ка З.— её блеск, к-рый определяется мощностью излучения (светимостью) З. и расстоянием до неё.

Осн. параметрами состояния З. явл. светимость L, масса M} и радиус R. Их численные значения принято выражать в солн. ед. (Lсолн=3,86•1033 эрг/с, Mсолн=1,99•1033 г, Rсолн=6,96•1010 см). Значения масс З. заключены в пределах от =0,03 до =60Mсолн. Светимости стационарных З. лежат в интервале от =10-4 до 105 Lсолн, а радиусы — от =10 км (нейтронные звёзды) до —103 Rсолн (сверхгиганты). З. представляют большой интерес для физики, т. к. в них реализуются условия, недостижимые в земных лабораториях (темп-ры до 109 К, плотности до 1014 г/см3, магн. поля напряжённостью до 1014 Э), и наблюдаются характерные для этих условий процессы. Огромную информацию даёт изучение спектров З. (определение их хим. состава, темп-ры поверхности, магн. полей, скоростей движения и вращения, расстояний до З.).

З. по состоянию в-ва в недрах разделяют на три главные группы: 1) нормальные З., гидростатич. равновесие к-рых поддерживается давлением классической идеальной плазмы, существующей благодаря термич. ионизации атомов (эффекты неидеальности становятся важными только в З. малой массы ?0,5Mсолн); 2) белые карлики, к-рые удерживаются в равновесии фермиевским давлением эл-нов вырожденной плазмы (ионизованной даже при низких темп-pax давлением); 3) нейтронные З. с высокой ср. плотностью (r?1012 г/см3), при к-рой ферми энергия эл-нов столь высока, что энергетически выгоден процесс нейтронизации вещества, т. е. слияние протонов и эл-нов, из-за чего в-во внеш. слоев З. состоит из ядер, обогащённых нейтронами, а внутренних — из свободных нейтронов (с малой примесью протонов и эл-нов).

Осн. источник излучения З. (фотонного и нейтринного, а также корпускулярного) — реакции термояд. синтеза (см. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ). На непродолжит. стадиях перехода от одной реакции к другой, сопровождающихся сжатием З., существенным становится также выделение потенциальной гравитац. энергии. Наиболее энергетически эфф. процессом, идущим при самой низкой темп-ре (=107 К), явл. процесс превращения водорода в гелий. Поскольку водородный цикл реакций обязательно содержит к.-л. реакцию, идущую по слабому взаимодействию, этот процесс явл. и самым медленным. Поэтому б. ч. наблюдаемых З. находится в стадии водородного горения в центре. При данном хим. составе условия теплового и механич. равновесия дают для этих З. однозначную связь светимости, массы и радиуса. Вследствие этого на диаграммах «светимость — темп-pa поверхности» и «масса — радиус» большинство З. группируется вдоль определ. линии, т. <н. главной последовательности. После выгорания водорода в центре, сжатия ядра и повышения его темп-ры (см. ВИРИАЛА ТЕОРЕМА) становится возможным (при достаточно большой массе З.) горение всё более тяжёлых элементов (повышение темп-ры создаёт условия для преодоления более высокого, чем у водорода, кулоновского барьера при слиянии тяжёлых ат. ядер).

Б. ч. своей жизни З. находятся в стационарном состоянии (напр., светимость Солнца примерно постоянна уже неск. млрд. лет). Равновесность З. при непрерывной потере энергии обусловлена сильным различием характерных времён протекающих в них процессов. Время установления механич. равновесия определяется отношением (радиус/ср. скорость звука), равным 103•r-1/2с (для Солнца =1 ч); время диффузии фотонов от центра к поверхности определяется отношением (гравитац. энергия/светимость), равным для Солнца =3•107 лет; время термояд. эволюции =10-3M с2/L (для Солнца =1010 лет).

Нарушение механич. равновесия, напр. снижение давления в З., приводит к сжатию З. и превращению части гравитац. энергии в теплоту. В результате внутр. давление возрастает, механич. равновесие восстанавливается. З. представляют собой, т. о., саморегулирующуюся систему. Если устойчивость З. нарушается, она становится нестационарной. Различные виды нестационарности имеют своё характерное время и могут проявляться в виде автоколебаний (цефеиды), гравитационного коллапса и др. При неустойчивости теплового равновесия нестационарность проявляется в виде вспышки с характерным временем диффузии фотонов. На поздних стадиях эволюции ядра З. становятся компактными, характерные времена сближаются, картина эволюции усложняется. Амплитуда проявлений нестационариости может быть самой разной: от долей процента при слабых пульсациях до вспышек с увеличением светимости в =1010 раз у сверхновых звёзд. У большинства З. малой массы наблюдаются также вспышки, не связанные с их внутр. равновесием. Они происходят в верхних слоях (атмосферах З.), по-видимому, из-за аннигиляции в к.-л. области атмосферы противоположных по направлению магн. полей (аналогично хромосферным вспышкам на Солнце).

Общая картина эволюции З. может быть охарактеризована след. образом: З. возникают в результате конденсации межзвёздных пыли и газа, богатого водородом (процесс звездообразования продолжается). Затем следует наиболее длит. стадия звёздной эволюции — период термояд. реакций превращения водорода в гелий в центре З. Когда водород в центре исчерпан, ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется, причём, несмотря на рост светимости, темп-ра поверхности падает — З. становится красным гигантом. После этого в ядре З. становится возможным термояд. загорание гелия и более тяжёлых элементов, сопряжённое в ряде случаев со сбросом водородной оболочки и образованием т. н. планетарной туманности. Остаток З. остывает, переходя в стадию белого карлика. В зависимости от нач. массы, а возможно и от момента вращения, З. могут закончить свою эволюцию взрывом сверхновой (с остатком в виде нейтронной звезды либо без остатка). Согласно общей теории относительности Эйнштейна, наиб. массивные З., если они сохранили свою массу вплоть до исчерпания термояд. горючего, должны коллапсировать в состояние чёрной дыры.

Справедливость осн. положений теории строения и эволюции З. подтверждается успешным объяснением: зависимости светимость — спектр. класс и др. закономерностей для З. главной последовательности; распространённости разных типов З.; пульсаций цефеид и др. Термояд. эволюция подтверждается распространённостью хим. элементов, а также наличием гелиевых З., углеродных З. и др. с аномалиями хим. состава на поздних стадиях. Теория предсказала подтверждающуюся наблюдениями зависимость масса — радиус для белых карликов, а также существование нейтронных З., открытых в виде пульсаров.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ЗВЁЗДЫ

- гигантские светящиеся плазменные (газовые) шары, равновесие к-рых обеспечивается балансом между силой гравитации и давлением горячего вещества (газа) и излучения. С Земли даже в самые сильные телескопы все 3. (за исключением Солнца)

Схематизированная диаграмма Герцшпрунга - Ресселла (L - светимость звезды, Т - эффективная температура).

видны как светящиеся точки на фоне чёрного ночного неба. Потеря энергии 3. на излучение компенсируется выделением в недрах 3. ядерной энергии, гравитац. сжатием 3., остыванием её вещества. Осн. часть излучающего наблюдаемого вещества во Вселенной заключена в 3. Остальное известное вещество, существующее преим. в форме газа, активно взаимодействует со 3., служит строительным материалом для новых поколений 3. и способствует перемешиванию продуктов их эволюции - хим. элементов тяжелее гелия. <Осн. источник информации о 3.- их наблюдения во всех доступных диапазонах длин волн эл.-магн. излучения , в т. ч. с космич. аппаратов, <позволивших устранить влияние земной атмосферы на результаты измерений. <Большинство 3. сосредоточены в галактиках- гравитационно связанных комплексах 3. размером 10²²-10²³ см, содержащих 10⁸-10¹² звёзд в каждой. Примерно 10^-3 от числа 3. нашей Галактики включены в гравитационно связанные звёздные скопления - рассеянные и шаровые. Практически все 3. входят в состав двойных звёзд или звёздных систем более высокой кратности. В наиб. тесных двойных звёздных системах приливные силы могут придавать 3. несферич. форму (эллипсоидальную, грушевидную и др.). Диапазон характерных масс 3. составляет 0,1 - 100 M₈ (масса Солнца M₈~2.10³³ г). В 3. с массой M< ~ 0,1 M₈ невозможно термоядерное горение водорода, а 3.с M> ~ 100 M₈ неустойчивы. Светимость 3. изменяется в широком диапазоне: (10^-3- 10⁶)L₈ (светимость Солнца L₈~4.10³³ эрг/с). Радиусы звёзд~(10^-2-10³)R₈ (радиус Солнца R₈~6,96.10¹⁰ см). Хим. состав вещества оболочек большинства 3.: 75% водорода, 23% гелия и ок. 2% более тяжёлых элементов (состав определяют спектроскопически). Хим. состав ядер 3. может значит. отличаться от состава поверхностных слоев, доступных наблюдениям (за счёт увеличения в недрах 3. содержания Не и более тяжёлых элементов, синтезируемых в ходе термоядерных реакций). Ок. 1% всех 3. обнаруживают значит. аномалии состава. <Традиц. методом изучения 3. остаётся анализ их положения на Герцшпрунга - Ресселла диаграмме (рис.) (на основании данных об эффективной температуре Т _э излучения 3. и её полной светимости L). Светимость L и темп-pa Г _э позволяют найти радиус излучающей поверхности - фотосферы 3. с помощью ф-лы 4psT⁴ _эR²=L, где s~5,75.10^-6 г. <с ^-3.К ^-4 (см. Стефана - Больцмана закон излучения). Темп-pa Т _э3. может быть оценена неск. способами, напр., сравнением распределения энергии в спектре излучения 3. с Планка законом излучения или по относит. интенсивностям спектральных линий разл. элементов, чувствительных к темп-ре. Светимости 3. оцениваются по интегральному (на всех длинах волн) потоку излучения при известном расстоянии до них. Лучшим методом определения расстояния до звёзд остаётся измерение их параллакса (см. Расстояний шкала). На диаграмме Герцшпрунга - Ресселла 3. образуют неск. довольно чётких последовательностей, объяснение причин существования к-рых составляет одну из осы. задач совр. теории эволюции звёзд. Большинство 3. (~ 90%) на диаграмме находится в пределах сравнительно узкой полосы (d lgL х0,4) - т. н. главной последовательности (ГП), простирающейся от 3. со светимостью L ~ 10⁶ L₈, массой M~10² M₈ и радиусом R~30R₈ до 3. с L~10^-3L₈, M~10^-1 M₈ и R~0,1R₈.Надёжно установлено, что в их недрах происходит термоядерный синтез гелия из водорода, сопровождающийся выделением значит. энергии, к-рую 3. затем излучает. Для 3. ГП найдено, что их светимости L, радиусы R и времена жизни t _вж являются однозначными ф-циями масс: L/L₈ ~(M/M_{8 О})⁴, R/R₈ ~ (M/M₈)^0,7 и для 3. с массами M=1 -10 M₈ время t _вж~10¹⁰(M₈/M)³ лет. Солнце также относится к 3. ГП (3. солнечного типа наз. иногда жёлтыми карликами). Со стороны низких светимостей к 3. ГП примыкают т. н. коричневые (тёмные) карлики с M х0,1M₈. Темп-pa в их недрах недостаточна для осуществления термоядерных реакций. Излучают такие 3. за счёт постепенного охлаждения их вещества. Обнаружение таких 3. крайне осложнено низкой светимостью, поэтому не исключено, что часть невидимого гравитирующего вещества нашей Галактики и Вселенной в целом заключена в таких карликах, образовавшихся, вероятно, <в осн. на ранних стадиях эволюции Вселенной (см. Скрытая масса). Со стороны холодных 3. к ГП примыкают 3.-гиганты. Их радиусы меняются в пределах (1-100)R₈, а светимости - (1-1000)L₈. Большинство 3. этого типа имеют массу M~1M₈. Ядра 3.-гигантов состоят из гелия; водород горит в тонком слое (слоевом источнике энергии), окружающем вырожденное гелиевое ядро. <Между ветвью гигантов и ГП находится горизонтальная ветвь, включающая 3. с L = 50L₈ и R ~ (0,3- 10)R₈. В ядрах этих 3. горит гелий, времена их жизни ~10⁸ лет. <Со стороны высоких светимостей к ветви гигантов примыкают красные 3. т. н. асимптотич. ветви с L~(10³-10⁴)L₈ и R ~(10²-10³)R₈. Исследование спектров 3. асимптотич. ветви обнаружило значит. аномалии хим. состава их оболочек: повышенное обилие углерода и элементов - продуктов s-процесса (см. Ядерная астрофизика), образованных в недрах этих 3. и вынесенных наружу конвекцией. Эти 3. имеют вырожденное углеродно-кислородное ядро и окружающий ядро двойной слоевой источник энергии, в к-ром происходит последовательное превращение водорода в гелий и гелия в углерод и кислород. Время жизни 3. асимптотич. ветви ~10⁶ лет, а массы (1-8)M₈.Самыми яркими красными 3. являются красные сверхгиганты с L ~(10⁴-10⁶)L₈ и R~ (10²- 10³)R₈. В ядрах большинства этих 3. горит гелий. Время их жизни неск. сотен тысяч лет. Их эволюция заканчивается взрывом сверхновых звёзд второго типа. <К горячим 3. ГП справа примыкают голубые сверхгиганты с L ~(10⁴-10⁶)L₈, R ~ (30-200)R₈ и М ~(10- 100)M₈. В их недрах горит гелий и водород. Важным эволюц. фактором для наиб. ярких из них является истечение вещества из оболочки. Время жизни массивных 3. на этой стадии ~10⁵-10⁶ лет. Слева от ГП К ярчайшим 3. примыкают Вольфа - Райе звёзды, отличающиеся очень интенсивным истечением вещества (скорость потери массы до 10^-4 M₈ в год). Водород в атмосферах этих 3. практически отсутствует, что позволяет их рассматривать как позднюю стадию эволюции массивных 3., уже потерявших водородную оболочку. Масса 3. Вольфа - Райе (7-30)M₈, время жизни ~10⁵ лет. <Левее ГП в сравнительно узкой полосе помещаются остывающие вырожденные карлики с M~lM₈ и R~10^-2R₈ (ядра планетарных туманностей, белые карлики и др.). Темп-pa ядер планетарных туманностей T _э ~ (5-10).10⁴ К. Поэтому они являются источниками фотонов жёсткого УФ-излучения, к-рые перерабатываются самой туманностью в фотоны с меньшей энергией, что делает туманности яркими в оптич. диапазоне и легко идентифицируемыми. Большинство вырожденных карликов состоят из углерода и кислорода с незначит. примесью более тяжёлых элементов. В оболочках большинства вырожденных карликов найден водород. <К самым горячим 3. относятся нейтронные звезды с М~1,5M₈ и R ~ 10 км. Сила гравитации в них уравновешена давлением нейтронного газа. Одиночные нейтронные 3. с возрастом t _вж х10⁷ лет проявляют себя обычно как радиопульсары (см. Пульсары), а нейтронные 3. в двойных звёздных системах - как рентг. источники. <Излучение подавляющего большинства 3. за всё время их наблюдений (за время существования астрономии как науки) практически неизменно. Наряду с ними существуют отд. группы 3., излучение к-рых переменно (см. Переменные звёзды). Наиб. известны переменные (пульсирующие) 3. из т. н. полосы неустойчивости на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла(долгопериодич. цефеиды и др.). Причина пульсаций 3. цефеидного типа - периодич. задержка излучения в зоне второй ионизации гелия в звёздных оболочках (см. Пульсации звёзд). Период пульсаций цефеид (1 - 100 сут, изредка больше) однозначно связан с их светимостью, что даёт возможность использовать эти 3. в качестве надёжных индикаторов расстояния. В месте пересечения полосы неустойчивости с горизонтальной ветвью располагаются пульсирующие 3. типа RR Лиры (с периодом ок. 12 ч), d Щита (с периодом в неск. часов), на пересечении с последовательностью вырожденных карликов - 3. типа ZZ Кита (с периодом ок. минуты). Существуют ещё неск. классов периодич. и квазипериодич. переменных 3. Переменность нек-рых 3. сводится к непериодически повторяющимся вспышкам (см. Вспыхивающие звёзды). С уменьшением амплитуды переменности блеска число переменных 3. быстро увеличивается. <К числу переменных 3. могут быть отнесены новые звёзды и сверхновые звёзды. Новые 3. за неск. дней увеличивают свою светимость от 1L₈ до ~10⁴L₈ и остаются яркими в течение неск. недель, после чего их блеск постепенно убывает, возвращаясь к исходному. Взрыв новой 3. сопровождается сбросом газовой оболочки массой ~ (10^-4-10^-6)M₈. Выделяемая при взрыве энергия составляет ~10⁴⁵-10⁴⁶ эрг. Число вспышек новых в Галактике ~50 в год, но из-за поглощения излучения межзвёздной пылью только несколько из них удаётся обнаружить с Земли. Повторные новые вспыхивают с интервалом ~10²-10⁴ лет. Светимость сверхновых 3. в максимуме блеска достигает светимости средней галактики (~10⁹L₈). Продолжительность максимума блеска составляет неск. месяцев, энергия взрыва ~10⁵⁰-10⁵¹ эрг. В ходе вспышки сверхновой состояние 3. кардинально изменяется: она либо полностью разрушается, либо её ядро превращается в нейтронную 3., а оболочка сбрасывается. <Лит.: Физика космоса. Маленькая энциклопедия, 2 изд., М., 1986. А. В. Тутуков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.