Другие физические переменные и вспыхивающие звезды

 

Кроме цефеид, накопилось много других звезд, зачисленных в разряд физических переменных. У всех них, кроме блеска, меняется так или иначе спектр, что и указывает на изменение физических свойств этих звезд. Однако у одних, как и у цефеид, блеск меняется периодически, хотя и не так правильно, у других же изменений блеска полуправильны или даже совершенно неправильны.

 

Рис. 155. Кривая изменения блеска долгопериодической переменной звезды χ Лебедя. На этом и на следующих рисунках на горизонтальной оси отложено число дней, отсчитываемых от определенного момента (так называемые «юлианские дни»)

Наиболее интересную группу представляют долго‑периодические переменные звезды. Их периоды больше 100 дней, но не более 700 дней. От максимума до максимума у них проходит не всегда одно и то же число дней, несколько меняется и форма кривой блеска и блеск в максимуме. Изменение блеска почти у всех них составляет несколько звездных величин, т. е. громадное; блеск меняется иногда в несколько тысяч раз. Их называют иногда миридами, по имени ‑ Мира (Удивительная), которое дали звезде о Кита. В наибольшем блеске эта звезда хорошо видна глазом, будучи 3‑4‑й, а иногда даже 2‑й величины. Примерно через каждые 330 дней она достигает минимума, 9‑й звездной величины, когда ее видно лишь в телескоп. От максимума до максимума иногда проходит и меньше времени, до 320 дней, а иногда и больше ‑ до 370 дней.

Как и у цефеид, изменения блеска мирид сопровождаются изменениями температуры и спектра, в котором, кроме темных линий, по временам появляются яркие линии водорода и другие линии. Все мириды ‑ звезды‑гиганты спектрального класса М, холодные, красные, большие и разреженные. У них также наблюдается периодическое колебание лучевой скорости, но максимум блеска соответствует моменту наибольшего удаления от нас. По‑видимому, причина изменения блеска мирид вызвана, как и у цефеид, пульсацией, но менее правильной и осложненной как колебаниями прозрачности их атмосфер, так и периодическими извержениями горячих газов из недр звезды на поверхность, на что указывает появление ярких линий в спектре.

 

Рис. 156. Кривая изменения блеска неправильной переменной звезды

Остальные физические переменные звезды чаще всего также являются красными гигантами и даже сверхгигантами с неправильными, непериодическими колебаниями блеска. Несмотря на эту неправильность, их можно разбить на ряд групп, в зависимости от характера этой неправильности.

У одних звезд все время происходят мелкие неправильные колебания блеска. У других он долгое время почти не меняется и.лишь иногда, неожиданно, но ненадолго ослабевает. У третьих время от времени бывают неправильные вспышки. Есть звезды, у которых по временам, иногда надолго, появляется какое‑то подобие периодичности. Причины всех этих колебаний блеска нам пока еще не вполне ясны. Из этих своего рода «больных» и «припадочных» звезд выберем для рассмотрения сравнительно недавно открытые звезды типа Т Тельца (иначе ‑ RU Возничего) и вспыхивающие звезды. За последнее время они привлекали к себе особое внимание.

Первые из них являются неправильными переменными звездами, но не красными гигантами, а звездами умеренной или небольшой светимости и преимущественно спектральных классов F‑G. Колебания их блеска порядка 1‑2 зв. величин сопровождаются колебаниями яркости широких линий, наблюдаемых в их спектрах наряду с линиями поглощения. Вид этих ярких линий свидетельствует об истечении газов с поверхности таких звезд. Кроме того, в их спектрах по временам появляется «непрерывная эмиссия» ‑ излучение в непрерывном спектре, маскирующее отчасти линии поглощения и, по‑видимому, имеющее нетепловую природу. Непрерывная эмиссия вызывается еще не известными нам процессами.

Звезды типа Т Тельца встречаются в виде немногочисленных, широко рассеянных групп, открытых В. А. Амбарцумяном и названных им Т‑ассоциациями. Многие из них открыты в области обширных облаков разреженного газа и пыли, называемых диффузными туманностями. Эти звезды считаются одними из наиболее молодых, быть может, возникающими путем сгущения отдельных участков названных туманностей. Некоторые из звезд типа Т Тельца окружены «собственными» крохотными газовыми или газопылевыми туманностями, что подтверждает это предположение.

К звездам типа Т Тельца, по‑видимому, примыкают по своей природе «объекты Хербига ‑ Аро». Два названных ученых открыли в области темных пылевых туманностей крайне слабые звездочки, окруженные крохотными туманностями. Их спектры с яркими линиями сходны со спектрами звезд типа Т Тельца и имеют, кроме того, линии крайне разреженных газов. Их блеск меняется неправильно, но светимость гораздо ниже, чем светимость звезд типа Т Тельца. Некоторые из таких объектов Хербиг открыл на месте, где прежние снимки ничего не показывали, как будто они возникли впервые за срок всего лишь в несколько лет. Полной уверенности в этом еще нет, так как самый первый снимок этих мест был сделан сравнительно незадолго до их открытия. Быть может, еще раньше эти объекты тоже были бы видны, а во время первого снимка имели лишь временное ослабление блеска. Возможно, что объекты Хербига ‑ Аро ‑ это начальная стадия возникновения из диффузной материи звезд типа Т Тельца путем сжатия. Это не противоречит возможности истечения с их поверхности небольшого количества газа, причины чего еще не ясны. Во всяком случае объекты Хербига ‑ Аро больше всего похожи на зарождающуюся звезду.

Вспыхивающие звезды типа UV Кита являются красными карликами класса М очень малой светимости. В их спектре наблюдаются линии излучения водорода, гелия, кальция и железа. Большую часть времени блеск этих звезд почти постоянен, но иногда звезда совершенно неожиданно вспыхивает, усиливаясь в блеске в несколько раз за немногие минуты и уже через несколько минут он становится нормальным. Оказалось, что в моменты вспышек звезды UV Кита посылают в пространство мощное радиоизлучение.

По характеру усиления ультрафиолетового излучения и другим изменениям в спектре вспышки звезд типа UV Кита сходны с хромосферными вспышками на Солнце. Они тоже сопровождаются всплесками радиоизлучения. Но вспышки этих звезд сопровождаются излучением энергии, в 100‑1000 раз большей, и отношение энергии, излученной в радиодиапазоне, к энергии, излученной в оптической области спектра, в тысячу раз больше, чем при хромосферных вспышках. Вероятно, по какой‑то причине звезды типа UV Кита выбрасывают по временам облака горячих газов, содержащих много релятивистских электронов, торможение которых в магнитном поле, очевидно, имеющемся у звезды, создает радиоизлучение.

Ввиду низкой светимости из звезд этого типа видны лишь ближайшие к нам, а из‑за скоротечности вспышек замечают их редко. Поэтому к 1967 г. обнаружили только 11 таких звезд, хотя в нашей звездной системе их может быть до миллиарда.

Характерный пример международной кооперации в астрономии представляет возникшая «служба вспыхивающих звезд». В некоторых обсерваториях, в том числе в СССР, по многу часов подряд следят за вспыхивающей звездой ‑ не вспыхнет ли она, а в Англии и Австралии в то же время следят за ней с помощью радиотелескопа. Так организация исследований помогает сделать случаи удачных наблюдений более частыми, т. е. более «счастливыми».

Изучением переменных звезд в Советском Союзе, помимо специалистов, занимается большая армия любителей, среди которых есть много школьников. При аккуратном и взможно более частом определении блеска переменных звезд можно получить результаты, имеющие серьезное научное значение.

Успехи советской науки в области изучения переменных звезд обусловили то, что московским астрономам поручен учет международных исследований по переменным звездам: обозначение их, каталогизация и т. д.

 

Пухлые атмосферы

 

Спектр ‑ это паспорт звезды, он запечатлевает ее физическое состояние, если только мы сумеем в нем разобраться. В паспортах тех звезд, о которых будет сейчас идти речь, мы стали разбираться лишь за последние два десятка лет, и у некоторых звезд они совсем особенные. У подавляющего большинства звезд, о которых говорилось до сих пор, спектры того же класса, что у Солнца, ‑ непрерывные спектры, перерезанные темными линиями. Яркие линии только на время появляются в спектре долгопериодических переменных звезд и, по‑видимому, свидетельствуют о периодических мощных извержениях раскаленных газов на их более холодную поверхность.

Но вот у некоторых горячих звезд спектральных классов А, В и О в спектрах наблюдаются отдельные узкие яркие линии, а чаще всего некоторые темные линии ограничены со стороны красного конца спектра примыкающими к ним яркими линиями. Замечательно, что это встречается именно у горячих звезд, и, в общем, чем горячее звезды, тем ярче эти линии в их спектре и тем больший процент звезд их обнаруживает. Едва заметные яркие линии на краю некоторых темных встречаются у таких особенно ярких звезд класса А0, как, например, Денеб (α Лебедя). У звезд класса В, более горячих, эти линии заметны лучше, а в спектрах звезд класса О, еще более горячих, они первыми бросаются нам в глаза.

Причина этого вскрылась только недавно и состоит в том, что у этих звезд необычайно обширные, пухлые атмосферы. Такими, как их называют, протяженными атмосферами обладают самые горячие звезды, имеющие наибольшую светимость.

Обращающий слой, как известно, поглощает свет, идущий от более горячей, лежащей под ним поверхности звезды или фотосферы, но сам по себе испускает те самые длины волн света, которые поглощает. Поглощая свет, падающий на него снизу от звезды, он излучает его затем во все стороны, и потому к нам от него доходит только часть света, имеющего длину волны, которая поглощается обращающим слоем. В соседних же длинах волн спектра, для которых обращающий слой прозрачен, свет фотосферы достигает нас не ослабленным, и в результате в видимом спектре звезды наблюдается темная линия определенной длины волны. На краю Солнца, где за обращающим слоем нет фотосферы, дающей непрерывный спектр, к нам идет излучение самого обращающего слоя и наблюдается спектр из ярких линий.

У Солнца обращающий слой и хромосфера сравнительно с самим шаром Солнца очень тонки ‑ как скорлупа на яйце, и те их части, которые проектируются за край Солнца, очень узки, дают мало света, дают слабый спектр излучения. Этот спектр можно видеть без труда только во время полных солнечных затмений, когда его не «заглушает» непрерывный спектр фотосферы. Последний получается от света неба, т. е. от земного воздуха, рассеивающего свет этой фотосферы. Свет неба попадает в щель спектроскопа вместе со светом хромосферы, потому что хромосфера видна на фоне неба. Вне затмения яркие линии спектра, даваемые кольцом хромосферы, слишком слабы на фоне яркого спектра фотосферы и почти не видны.

Но у звезд, у которых хромосфера имеет толщину, сравнимую с величиной радиуса звезды, излучение толстого хромосферного кольца сравнимо с излучением фотосферы, и яркие линии на фоне непрерывного спектра становятся видны. У звезд с такими пухлыми атмосферами их протяженную хромосферу можно сравнить со скорлупой зеленого ореха.

Пухлыми атмосферами нередко обладают горячие звезды, потому что чем они горячее, тем больше ультрафиолетовых лучей в составе их света, а именно ультрафиолетовые лучи вызывают наиболее сильное давление света на атомы газа. У этих звезд давление света на атомы в их атмосфере противоборствует силе тяготения, прижимающей атмосферу к поверхности звезды, уменьшает вес атомов и, вероятно, поэтому позволяет имшодниматься на большую высоту над поверхностью. Поэтому атмосфера распухает, становится протяженной, пухлой.

Однако очень пухлые атмосферы встречаются и у весьма холодных звезд.

Некоторые астрономы считают, что быстрое вращение звезды сильно способствует образованию обширных атмосфер. Действительно, горячие звезды вращаются вокруг своей оси быстрее других. Тогда под действием центробежной силы притяжение атомов звездой ослабевает, и они еще легче удаляются от ее поверхности. Если это действительно так, то пухлые атмосферы протяженны больше всего в плоскости экватора такой звезды, где центробежная сила больше. Сама звезда может быть почти круглой, а атмосфера ее может быть по форме подобна репе или плоской тыкве. В некоторых случаях около звезды, может быть, образуется даже нечто, подобное кольцу Сатурна, только газовое. Увидеть его, конечно, в телескоп нельзя ‑ слишком все это далеко от нас, но такое допущение объяснило бы многие особенности в спектрах некоторых звезд с яркими линиями.

Размеры протяженной хромосферы и яркость линий в спектре зависит не только от температуры звезды и скорости ее вращения, но также от светимости звезды и от силы тяжести на ее поверхности, а последняя зависит от соотношения между размером и массой звезды.

 

Звезды, истекающие газом

 

Описанные выше звезды удерживают обширные и пухлые атмосферы так же, как Земля удерживает свою атмосферу. Но в коллекции звездных спектров можно проследить непрерывный переход от спектров с отдельными узкими тонкими линиями к спектрам, содержащим отдельные необычайно широкие яркие полосы наряду с темными линиями и далее без них. Если темные линии есть, то каждая из них, как правило, примыкает к яркой полосе со стороны фиолетового конца спектра и очень сильно смещена со своего нормального положения. Между тем середина яркой полосы занимает почти нормальное положение в спектре, соответствующее линии данного химического элемента. Чаще всего вид широких ярких полос в спектре имеют излучения нейтральных атомов водорода, гелия и ионизованных атомов азота, углерода и кислорода.

Если темные линии считать смещенными со своего места вследствие эффекта Доплера, т. е. благодаря движению соответствующего газа в атмосфере звезды, то оказывается, что эти темные линии на краю ярких полос образованы газами, несущимися к нам со скоростью, доходящей в иных случаях до 2000 км/сек!

Звезды, которые по линиям их спектра могли бы быть отнесены к звездам спектрального класса О, но имеют в спектре широкие яркие полосы, называют звездами типа Вольфа ‑ Райе ‑ по имени двух французских ученых, которые первыми обнаружили и описали их еще в прошлом столетии. Разгадать природу этих звезд удалось только теперь.

Звезды этого класса ‑ наиболее горячие среди всех известных. Их температуры, измеренные автором этой книги, заключены в пределах от 40 до 100 тысяч градусов! Наиболее же горячие из обычных звезд класса О (без ярких полос в спектре) имеют температуру поверхности только в 30 000°.

 

Рис. 157. Спектр звезды типа Вольфа ‑ Райе

Такие огромные температуры сопровождаются столь мощным излучением потока ультрафиолетовых лучей, что легкие атомы водорода, гелия, а при очень высокой температуре и атомы других элементов, по‑видимому, не выдержав давления света снизу, с огромной скоростью взлетают вверх. Скорость их движения под действием давления света так велика, что притяжение звезды ни в силах их удержать. Непрерывным потоком они срываются с поверхности звезды и почти не удерживаемые мчатся прочь в мировбе пространство, образуя как бы атомный дождь, но направленный не вниз, а вверх. Странный горячий дождь! Под таким душем сгорело бы все живое на планетах, если таковые окружают эти звезды на свое собственное несчастье.

Непрерывный дождь атомов, срывающихся с поверхности звезды, образует вокруг нее сплошную, но непрерывно рассеивающуюся в пространство атмосферу.

 

Рис. 158. Яркие полосы в спектрах звезд Вольфа ‑ Райе образуются совокупностью атомов, движущихся в их обширных атмосферах наружу под разными углами к линии нашего зрения

Атомы газа, ее составляющие, непрерывно обновляются за счет звезды, истекающей газом. Вместо яркой линии мы видим в спектре такой звезды широкую полосу как совокупность множества линий, смещенных с нормального места на различную величину и слившихся друг с другом. Каждая из них образована атомами, летящими под каким‑нибудь углом к линии, по которой мы смотрим на звезду. Чем больше этот угол, тем меньше проекция скорости атома на луч зрения, т. е. тем меньше его лучевая скорость, а лишь ее величиной (а не пространственной скоростью) обусловлена величина сдвига линий в спектре по принципу Доплера. Благодаря обширности излучающей атмосферы звезды Вольфа ‑ Райе за телом звезды скрыты от нас лишь немногие атомы, удаляющиеся от нас с наибольшей скоростью. Атомы же, приближающиеся к нам с наибольшей скоростью, проектируются на звезду и потому, как полагается, дают темную линию поглощения в спектре. Она смещена, очевидно, к фиолетовому концу спектра на величину, соответствующую скорости их приближения к нам, т. е. на величину скорости, с которой атомы покидают поверхность звезды.

Как долго может истекать газом звезда типа Вольфа ‑ Райе? Подсчеты привели ленинградского профессора Н. А. Козырева к выводу, что в год звезда Вольфа ‑ Райе выбрасывает массу газа, равную примерно одной десяти‑ или стотысячной доле массы Солнца. Как говорится, «если дальше так пойдет ‑ до чего ж это дойдет!», ‑ и не истечет ли такая звезда газом нацело, без остатка? Масса звезд типа Вольфа ‑ Райе в среднем в десяток раз превышает массу Солнца. Истекая газом с такой скоростью, звезда Вольфа ‑ Райе не может просуществовать дольше, чем 104‑ 105 лет, после этого от нее уже ничего не останется. Независимо от этого есть данные, позволяющие считать, что и в действительности звезды в подобном состоянии существуют не дольше десяти тысяч лет, скорее даже значительно меньше. Вероятно, с уменьшением их массы до некоторого значения температура их падает, выброс атомов прекращается, прекращается и дальнейшее саморазрушение звезды.

В настоящее время на всем небе известно всего лишь около сотни таких саморазрушающихся звезд, из которых в СССР ни одна, к сожалению, не видна невооруженным глазом. Вероятно, лишь немногие, наиболее массивные звезды достигают, как мы думаем, в своем развитии таких высоких температур, когда начинается потеря газа. Быть может, как думает автор этой книжки, это явление можно сравнить с кровопусканием, полезным для полнокровных и тучных людей, так что, освободившись этим путем от излишка своей массы, звезда может продолжать нормальное, «здоровое» развитие.

Большинство звезд типа Вольфа ‑ Райе (имеющих массы в среднем раз в 10 больше солнечной) являются очень тесными спектрально‑двойными звездами. Их партнер в паре всегда оказывается также массивной и горячей звездой класса О или В. Многие из таких звезд наблюдаются нами как «дьявольские», т. е. как затменно‑двойные звезды, периодически загораживающие друг друга от нас.

Знакомство со звездами, имеющими яркие линии или полосы в спектре, хотя и редко встречающимися, во всяком случае значительно обогатило наши представления о звездах вообще.