Начало 20-го века стало переломным историческим периодом для астрономической науки. Именно в этот период произошли главные открытия А. Эйнштейна, Э. Хаббла и других великих ученых. Вместо простого описания движений небесных тел и явлений, наука оказалась перед решением новых проблем, связанных с изучением движущих сил и причин появления различных объектов. Возникла необходимость в классификации открытых светил — так появилась Диаграмма Герцшпрунга-Рассела.
Оглавление
История параллельного открытия
Диаграмма звездной системы была не первым открытием, совершенным почти одновременно двумя учеными из разных частей света. Датчанин Герцшпрунг создал свой вариант диаграммы в 1905 году и опубликовал его в немецком журнале, посвященном технике фотографии. Аудитория этого печатного издания была невелика, поэтому о его открытии всему научному сообществу стало известно только в 1930-х годах, после чего его фамилия появилась рядом с коллегой.
Почти одновременно с Гецшпрунгом, в 1909 году, американец Рассел создал свою диаграмму, посвященную закономерностям развития звезд в космическом пространстве. Долгое время диаграмма назвалась только его именем.
Оба ученых, независимо друг от друга, выстроили систему координат, в которой на горизонтальной оси отмечались показания температуры звезд, а по вертикальной – сила их свечения. Неравномерное построение графика помогло астрономам увидеть закономерности в образовании и существовании разных типов светил.
Жизненный путь звезд
Построение диаграммы Герцшпрунца-Рассела наглядно представляют развитие звезды, которое включает несколько этапов и не останавливается. Светила, подобно любым живым существам, имеют свои периоды рождения, бурной деятельности, старения, а затем и полного разрушения. Все ступени развития можно видеть по линии на графике, которую астрономы назвали треком эволюции.
Наибольшее количество всех звезд расположено в Главной космической последовательности. В ней же все звезды находятся на протяжении около 90 % срока своего существования. Положение светила в диаграмме указывает на возможное время его стабильного состояния. В левом верхнем углу графика располагаются звезды с наибольшей температурой и интенсивностью выгорания водорода, что говорит о их непродолжительной жизни, по меркам Вселенной. Тусклые звезды, находящиеся в правом нижнем углу, наоборот, могут прожить десятки миллиардов лет, благодаря меньшей интенсивности происходящих в них процессов. Центр нашей солнечной системы находится примерно посередине. Срок жизни Солнца после рождения насчитывает около 5 млрд лет, что по диаграмме может составить половину всего отмерянного срока. Когда в звезде произойдет полное выгорание водорода, она войдет в период гравитационного сжатия. В результате запускается ядерный синтез гелия в ядре, с превращением светила в красный гигант. В этот момент звезда покидает линию главной последовательности, чтобы вспыхнуть ненадолго, а затем сжаться до состояния белого карлика.
Что такое последовательность звезд?
Само по себе, появление последовательностей на графике не являлось целью авторов диаграммы. Они всего лишь наглядно проиллюстрировали закономерности, существующие между энергетической силой звезд и их свечением. Динамика Вселенной напрямую зависит от особенностей термоядерных реакций в космических телах.
По оси Х диаграммы, в левом направлении, увеличиваются температурные значения звезд. Вертикальная ось Y растет вверх, отображая данные о свечении объектов. Распределение светил по их астрофизическим данным показывает несколько последовательностей. Из нижнего правого угла системы координат в противоположном направлении протянута средняя последовательность, названная Главной. График показывает пропорциональную зависимость яркости звезды от ее температуры, то есть самые горячие светила излучают больше света.
Справа, в верхнем секторе сгруппировались светила красного свечения, реакции в которых сопровождают низкой температурой, но в соединении с ярким излучением. К ним относятся различные виды гигантов. В самом низу графика расположились белые карлики, распознаваемые по тусклому свечению.
Основные положения скользящей эволюции звезд
Основываясь на закономерностях, которые стали наглядно видны, благодаря диаграмме, Рассел смог построить жизненный путь звезды по этапам. Звезда постепенно перемещается от правого верхнего угла графика в левый конец центральной линии, названной Главной последовательностью. После этой точки звезда начинает постепенно сжиматься, хотя ее температура не увеличивается, а плотность внутреннего вещества не соответствует состоянию газа. Под продолжающимся воздействием силы тяготения светило продолжает уплотняться и уменьшаться в диаметре, дойдя до показателей желтого карлика.
Затем ее ждет этап превращения в красного гиганта, который сменяется превращением в черный пепел, сжавшийся до бесконечно малой точки. На диаграмме эволюция звезды выражена в ее постепенном скольжении из левого верхнего угла в правый нижний. Оказалось, что от массы и степени раскаленности звезды зависит расход ее топливного запаса. Чем они больше, тем быстрее закончится жизнь звезды и ее нахождение на центральной линии диаграммы Герцшпрунга-Рассела.
Исключения из главной последовательности
По цвету звезды астрономы давно научились определять ее температуру. Красное свечение показывает сравнительно невысокую степень излучаемого тепла, что доказывает и слабая яркость космического объекта. Судя по спектральным линиям красных светил, их температура меньше нашего Солнца в 400 раз. Среди них характерным примером может служить звезда Барнарда, но в космосе существуют также красные звезды с гораздо большей светимостью. Датчанин Герцшпрунг выдвинул предположение, что они относятся к другой категории величин небесных тел, которые исключаются из общих закономерностей диаграммы.
Красные гиганты
Одну из групп, составляющих исключения, представляют красные гиганты. Они находятся на той стадии существования, когда истощенный запас водорода сменяется яркой вспышкой запуска реакции гелия. Они излучают свет большой яркости, но быстро выгорают и входят в состояние белого карлика. Размер гигантских звезд измеряется с помощью прибора интерферометра, изобретенного астрономом Майкельсоном. Сначала снимают показания углов между разными лучами, исходящих из точек поверхности небесного светила. Затем полученные числа вставляют в формулу вместе с известным расстоянием до данной звезды. Таким способом было получен размер красного гиганта под названием Бетельгейзе, который больше нашего Солнца в 350 раз.
Красные карлики
В самом конце Главной последовательности в диаграмме находятся самые маленькие звезды красного цвета. Предположительно, сроки их жизни больше, чем у гигантских собратьев, так как они существуют в относительно стабильных условиях планет, расположенных поблизости. Малые объекты чаще всего находятся в старых звездных скоплениях, которые группируются в невидимых участках галактики. Дальность расположения и маленькая яркость красных карликов затрудняет наблюдение за ними, хотя они могут способствовать развитию жизни в своих системах. Кроме двух крайних состояний красных звезд, диаграмма не показывает их промежуточных положений. Примером красного карлика является Проксима Центавра.
Белые карлики
В нижней части диаграммы находятся белые карлики, которые проходят последний этап своего звездного пути. Они обладают небольшим радиусом, но значительной массой, из-за высокой плотности внутреннего вещества. Низкий уровень светимости отправляет их в левый нижний сектор диаграммы. Они отличаются тусклостью, по сравнению со звездами Главной последовательности. Вокруг Регула обращается белый карлик.
Инфракрасные гиганты
Сравнительно короткое время жизни красных гигантов, подобное вспышке, приводит к неизбежному вырождению. При этом излучаемый ими спектр может превращаться в инфракрасный, который невидим для человека. Они становятся настолько холодными, что, даже оставаясь в своих гигантских размерах, не поддаются обнаружению. Так, в 19-м веке была обнаружена звезда, названная Эпсилон Возничего. При дальнейшем наблюдении астрономы заметили периодическое уменьшение и увеличение ее яркости. Когда появились более совершенные средства исследования, оказалось, что периодически красную звезду заслоняет ее парный компонент, который невозможно обнаружить невооруженным глазом.
