Диаграмма Герцшпрунга-Рассела: главная последовательность звёзд, исключения из неё, теория скользящей эволюции звёзд

Зависимость между спектральными классами звезд и их абсолютными величинами была систематизирована независимо друг от друга двумя учеными: Эйнаром Герцшпрунгом (Дания) и Генрихом Нортоном Расселом (США). Первым свою научную работу опубликовал датчанин в 1905-м году. Он построил диаграмму цвет-светимость и поместил на образовавшийся график все известные науке звезды. Представленная в немецком журнале диаграмма Герцшпрунга осталась незамеченной научным сообществом. Рассел сформулировал свою концепцию позже, в 1909-м году. Длительное время диаграмма спектр-светимость носила его имя. И только в 1930-х годах обнаружился вклад датского ученого, и справедливость была восстановлена.

 Что такое главная последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела

Диаграмма Герцшпрунга на вертикальной оси отображает абсолютные звездные величины в порядке их возрастания. На горизонтальной оси слева направо отображены спектральные классы по убыванию температуры. Звезды с более высокой температурой имеют, как правило, и более высокую светимость. Такие объекты располагаются на диаграмме вверху слева. Холодные звезды обычно отличаются меньшей светимостью и отражаются на диаграмме в нижнем правом углу. Почти 90% известных звезд располагаются по диагонали между верхним левым углом и правым нижним. Совокупность этих объектов получила название «главная последовательность диаграммы Гецшпрунга-Рессела».

Оставшиеся в незначительном количестве звезды, сформировали на диаграмме отдельные совокупности. Выше главной последовательности располагались короткоживущие гиганты и сверхгиганты, ниже – долгоживущие звезды-карлики. Главная последовательность содержит звезды, находящиеся на основном этапе своей эволюции. Основные характеристики звездных последовательностей представлены в таблице.

Параметры	Звезды главной последовательности	Белые карлики	Гиганты и сверхгиганты
Размер, R☉ (в радиусах Солнца)	0,12-16	0,01-0,001	10-1000
Спектральный класс	O-M	B-K	F-M
Светимость, L	10−4-106	0,01-0,1	105-106
Длительность жизни, лет	~10 млрд	~1015	~100 млн
Температура, °К	3000-50000	3500-30000	3000-20000

Теория скользящей эволюции звезд

В начале прошлого столетия ученые считали, что все звезды в процессе своей эволюции сжимаются. Рассел на основании своей диаграммы предложил следующие этапы звездной эволюции:

1. Изначальное газопылевое облако в процессе вращения сжимается, что приводит к его нагреванию.
2. Сформировавшийся центр туманности представляет собой огромный объект, излучающий в инфракрасном диапазоне.
3. По мере дальнейшего нарастания давления, звезда разогревается до видимого красного спектра, превращаясь в красный гигант.
4. Дальнейшее сжатие увеличивает температуру объекта до желтого, белого и голубого спектра. В диаграмме Герцшпрунга-Рассела эволюционирующая звезда перемещается влево и вверх.
5. На этапе голубой звезды нагревание по непонятным причинам прекращается (это слабое место теории, удовлетворительных объяснений этому явлению не нашлось), но процесс сжатия продолжается.
6. На следующих этапах звезда уменьшается в размерах и остывает от голубого спектра до красного, превращаясь в красный карлик. На диаграмме положение такого объекта будет перемещаться от левого верхнего угла вниз и вправо.
7. Исчерпавшая энергию звезда гаснет. На ее месте остается черный карлик.

Вышеприведенное объяснение получило название «Теория скользящей эволюции звезд». Такая гипотеза казалась правдоподобной, некоторые ее постулаты подтверждались экспериментально, но она не давала ответов на все вопросы. По мере развития науки, диаграмма Герцшпрунга пополнялась новыми звездами и их новыми последовательностями, что позволило усовершенствовать теорию Рассела.

Современная наука считает, что звезды формируются из холодного газового облака, коллапсирующего под силой собственной гравитации. При этом выделяется тепло, которое разогревает газовое облако. Когда температура достигает нескольких млн К, начинается термоядерная реакция. Этот этап считают рождением звезды. Основным классом звезд, в которых протекает преобразование водорода в гелий, является главная последовательность. Перспективы эволюции нового космического объекта оценивают исходя из его начальной массы:

1. Протозвезды, с массой в несколько раз больше массы Солнца, сжимаются до горячих звезд класса О и В. Эти объекты яркие, горячие и имеют большой радиус. Чем крупнее звезда, тем быстрее выгорает водород, и тем быстрее наступает следующий этап эволюции – гигант (сверхгигант). На этой фазе термоядерные реакции протекают с участием гелия. По мере преобразования всего гелия в углерод, звезда раздувается и сбрасывает оболочку. Остается ядро, которое трансформируется в звезду, состоящую из нейтронов, либо в черную дыру.
2. Протозвезды, с массой близкой к массе Солнца, сжимаются до звезд класса Продолжительность жизни таких объектов около 10 млрд лет на главной последовательности. Затем звезда поднимается выше по диаграмме Герцшпрунга-Рессела на фазу красного гиганта. Этот этап занимает около 10% всей жизни объекта, завершается сбросом наружного слоя и образованием белого карлика.
3. Протозвезды, с массой в несколько раз меньше массы Солнца, образуют красный карлик. Низкая температура способствует умеренному течению термоядерных реакций, поэтому существуют такие звезды очень долго – от десятков млрд до десятков трлн лет. Отсутствие гелия не дает возможности трансформироваться в красный гигант. Со временем красный карлик выгорает, постепенно сжимается, что приводит к разогреву, и превращается сначала в голубой, а потом в белый карлик.
4. Протозвезда, с массой менее 0,08 массы Солнца, не может стать звездой. Масса и давление такого объекта недостаточны для запуска термоядерных реакций; он излучает только в инфракрасном диапазоне. К таким «несостоявшимся» звездам относятся планеты-гиганты Солнечной системы.

По мере старения нашей галактики, главная последовательность будет становиться беднее, зато число карликов будет возрастать.

Исключения из главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела: красные гиганты и красные карлики

Красный спектр излучения звезды, согласно данным диаграммы Герцшпрунга-Рессела, предполагает ее невысокую температуру, и, как следствие, слабую светимость. Спектральные линии излучения красных звезд показывают температуру поверхности около 36000 К, что в 400 раз меньше, чем температура поверхности Солнца. К таким тусклым объектам относится звезда Барнарда. Однако, некоторые красные звезды (например, Бетельгейзе), имеют яркость и светимость в тысячи раз превосходящие Солнце. Герцшпрунг предположил, что эти исключения из главной последовательности диаграммы можно объяснить разными размерами звезд красного спектра.

Проверить эту гипотезу удалось при помощи интерферометра Майкельсона. Используя этот прибор, можно измерить угол между лучами с разных точек поверхности космического объекта. По специальной формуле, учитывающей угол и расстояние до звезды, вычисляют ее размер. Расчеты показали, что диаметр Бетельгейзе больше солнечного в 350 раз, а объем – в 40000000 раз. Находясь на месте Солнца, такая звезда поглотила бы все планеты земной группы. Эти объекты назвали красными гигантами.

Маленькие звезды красного спектра получили название красные карлики. Эти объекты широко распространены во Вселенной, особенно в старых скоплениях и в невидимой части Вселенной. Низкая светимость затрудняет их обнаружение и изучение. Красными карликами замыкается главная последовательность. Время жизни красных карликов очень продолжительное, условия на близлежащих планетах стабильные, что предполагает возможное развитие жизни.

Интересно, что объектов красного спектра с промежуточными размерами не существует. Диаграмма Герцшпрунга содержит только красные карлики и красные гиганты.

 Красные гиганты и инфракрасные гиганты

По мере вырождения красных гигантов, спектр их излучения может смещаться в инфракрасную, невидимую для человека, зону. Красные гиганты и инфракрасные гиганты расположены на диаграмме над главной последовательностью справа.  Во Вселенной есть гигантские объекты, настолько холодные, что даже огромные размеры не позволяют их обнаружить.

В качестве примера можно привести двойную звезду Эпсилон Возничего. В 19-м веке астрономы обнаружили, что этот объект периодически становится тусклым, затем светимость восстанавливается. Современные исследования показали, что Эпсилон Возничего – система двойной звезды, одна из которых периодически затмевает другую. Один из компонентов — яркая звезда класса F, белый сверхгигант с диаметром в 190 раз больше солнечного. Второй компонент относится к спектральному классу В, имеет радиус в 2700 раз больше солнечного. Несмотря на огромные размеры, увидеть его невооруженным глазом невозможно. Это связано с низкой температурой поверхности (16000 К), что обусловливает испускание излучения в инфракрасном диапазоне.

Исследование Вселенной показало, что инфракрасные объекты не являются редкостью в космосе. Современное оборудование позволяет изучать объекты, излучающие в холодном спектре: коричневые карлики, молодые разогревающиеся звезды, межгалактическую пыль, следовое излучение погибших космических объектов, а также пополнять список известных человеку галактик. Так, при помощи специального телескопа Spitzer была обнаружена уникальная система, состоящая из четырех инфракрасных галактик.

Как думаете, все ли знает современная наука об эволюции звезд? Или нас еще ждут новые открытия?