Как ученые измерили звезды? Гиганты звездного мира

Время чтения: 10 мин.

Если мы посмотрим в телескоп на одну из ближайших планет Солнечной системы – мы увидим её диск, который будет тем больше, чем мощнее телескоп. В самые мощные современные телескопы мы увидим и диск далеких объектов – например, Плутона – правда, изображение будет размытым и не расскажет нам ничего о таком далеком мире; нашим знаниям о Плутоне мы обязаны работе аппарата NASA «Новые горизонты».

Вычислить диаметр космического объекта по его видимому диску, зная расстояние до него, – не составляет труда. Нужно только определить его угловой размер, то есть угол, под которым объект виден наблюдателю:

Диск Луны нам хорошо виден – и вычисление её диаметра, зная расстояние, превращается в простую геометрическую задачу.

При наблюдении за объектами нашей Солнечной системы – планетами, их спутниками, астероидами, кометами, кольцами планет – телескоп помогает измерить видимый угол объектов, которые для невооруженного глаза сливаются в точку. Зная степень увеличения телескопа, угловой размер объекта и расстояние, можно вычислить истинный поперечник небесного тела.

Но звезды – совсем другое дело. Они слишком далеки от нас и в даже самый супер-мощный телескоп видны только точками. Более того, точка тем меньше, чем больше увеличение телескопа. Ярче, но геометрически меньше – т.к. в объективе звезда теряет лучи, которые окружают ее при рассматривании невооруженным глазом.

Телескоп при наблюдении за звездами дает нам два преимущества:

Во-первых, он усиливает яркость звезд – и, следовательно, умножает число звезд, доступных для наблюдения.

Во-вторых, телескоп увеличивает видимые расстояния между звездами – и тем открывает нам двойные, тройные и еще более сложные звезды там, где невооруженный глаз видит одиночную звезду. Например, только в XIX веке и только благодаря телескопу люди узнали о том, что Сириус – это двойная звезда, состоящая из яркого Сириуса А и маленького и тусклого Сириуса В.

Но сам по себе телескоп не дает возможности определить угловой размер звезды – все далекие светила видятся совершенно одинаковыми, крохотными точками. Диск звезды не позволяет увидеть даже самый продвинутый телескоп наших дней, будь то знаменитый “Хаббл”, и “Джеймс Уэбб” или “LBT”.

Тогда как же ученым удалось измерить поперечники звезд?

До XX века задача определения истинных диаметров звезд казалось неразрешимой. Но в 1920 году американский физик Альберт Майкельсон изобрел способ, позволяющий измерить размеры далеки светил, основанный на интерференции света.

Как же получается, что лучи света дают “полосатую картину”?

Представим себе, что в берег бьют две системы волн равной силы и одинаковой частоты, например волны, разбегающиеся от двух брошенных в воду камней. В некоторые точки берега гребни обеих волн будут приходить одновременно, волны сложатся, и колебание воды будет сильным, волна – высокой; в другие, наоборот, гребень одной волны будет приходить одновременно с впадиной другой, волны уничтожат друг друга, и вода останется спокойной.

То же происходит и со световыми волнами: при некоторых определенных условиях, освещая белый экран двумя лучами одного и того же цвета, можно получить интерференцию света. В тех точках, куда световые колебания приходят в одинаковых фазах, они должны складываться, и яркость света повышается; в других точках экрана, где волны обоих лучей приходят в противоположных фазах, с разностью в полволны, они взаимно уничтожатся, и два луча, сложившись, дадут темноту.

На этом явлении и основан способ измерения поперечников далеких звезд: объектив телескопа закрывают непрозрачной крышкой с двумя маленькими круглыми отверстиями (это и есть определенные условия – отверстия в непрозрачной крышке играют роль камней, брошенных в воду), расположенными по горизонтали симметрично относительно центра на определенном расстоянии друг от друга – в результате получается та самая интерференционная картина: темные и светлые полоски.

Если отверстия перед объективом сделать подвижными так, что расстояние между ними можно будет изменять, то по мере их раздвижения темные полоски будут становиться все менее ясными и, наконец, исчезнут. Зная расстояние между отверстиями в этот момент, можно вычислить угол, под которым источник света (звезда) виден наблюдателю.

Мне удалось найти картинку, наглядно показывающую, как с помощью интерференции света определяется угловой размер звезды:

Альберт Майкельсон и его прибор, позволяющий определить угловой размер звезд: угол Альфа внизу – тот самый угол, при котором исчезают полоски и который совпадает с видимым угловым размером звезды – углы Альфа наверху, справа и слева.

Таким образом, с 1920 года перед учеными упала завеса тайны о размерах звезд. Во Вселенной стали находиться как звезды-карлики, сопоставимые по размерам с Юпитером или даже с Землей, так и звезды-гиганты, поражающие воображение своими размерами.

Например, с помощью упомянутого прибора – интерферометра – астрономы выяснили, что Вольф 359 – светило в созвездии Льва – красный карлик с диаметром всего 17% от солнечного, а Сириус А – главная звезда системы Сириус – в 2,5 раза больше нашей звезды:

Но в сравнении с многими другими светилами Сириус совсем невелик. Самые известные крупные (и очень яркие) звезды, рядом с которыми Сириус кажется маленькой горошиной – это:

Солнце, Сириус, Поллукс, Арктур, Альдебаран – сравнительные размеры.

Поллукс – оранжевый гигант в созвездии Близнецов, находится в 34 световых годах от Земли и его диаметр в 8,8 раз превышает солнечный.

Арктур – красная гигантская звезда, самая яркая в созвездии Волопаса, её поперечник превосходит диаметр Солнца в 25 раз, а расстояние до неё составляет 37 световых лет.

Альдебаран – оранжевый гигант в созвездии Тельца, удаленный от нас примерно на 65 световых лет. Поперечник – в 45 раз больше солнечного.

Самые крупные из известных ученым гигантских звезд – красные (до них мы дойдем чуть ниже). Но есть и голубые, и белые сверхгиганты, диаметр которых также в десятки раз превышает солнечный. Самая известная в северном полушарии звезда – Полярная (альфа Малой Медведицы) – имеет в поперечнике 52 млн км, находясь по своему размеру между Арктуром и Альдебараном:

Слева направо: Арктур, Полярная звезда, Альдебаран. Полярная звезда в реальности – не ярко голубая, а скроее – белая с желтоватым оттенком. Кадр с канала KOSMO.

А Ригель – голубой сверхгигант, самая яркая звезда в созвездии Ориона (бета) – обгоняет по размеру и Альдебаран:

Сравнительные размеры, Ригеля, Альдебарана и других звезд. Солнце среди этих гигантов – просто крупинка.

Голубыми гигантами становятся звезды, которые “рождаются” тяжелыми – их начальная масса после формирования составляет от 20 до 50 масс Солнца. Они очень горячие (температура Ригеля – 12130 К, но температура некоторых голубых гигантов доходит до 50 000 К) и яркие – в частности, Ригель по абсолютной яркости в 120 000 раз ярче нашего светила и является седьмой по видимой яркости звездой на нашем небе. Радиус Ригеля в 79 раз больше солнечного, а расчетная масса в – в 21 раз больше.

Перейдем к самым крупным красным супергигантам, известным ученым.

Альфа Ориона – красный сверхгигант Бетельгейзе – была первой звездой, размеры которой удалось определить. Результаты вычисления стали тогда потрясением для астрономов: её диаметр оказался превышающим диаметр орбиты Марса! Если Бетельгейзе поместить в центр Солнечной системы, то она поглотит не только Марс, но и существенную часть пояса астероидов:

Как выглядела бы Бетельгейзе в центре Солнечной системы. Кадр с канала KOSMO.

А так выглядят гиганты Ригель и Альдебаран в сравнении с Бетельгейзе Антаресом – ярчайшей звездой в созвездии Скорпиона, поперечник которой в 800-900 раз больше, чем у нашего Солнца:

Сравнение размеров Солнца, звезд-гигантов и звезд-сверхгигантов.

Я привожу новые данные: прежде Антарес считался больше Бетельгейзе. На сегодня выяснено, что это не так.

Следует иметь ввиду, что звезды, подобные Бетельгейзе и Антаресу (а уж более крупные звезды – и подавно) – не имеют четкого края, поскольку их внешние оболочки – это слои крайне разреженного газа. К тому же Бетельгейзе окружает гигантская газовая туманность, состоящая из активных протуберанцев и частиц звездного ветра. Поэтому диаметр Бетельгейзе определен тоже приблизительно и находится в пределах от 880 до 1200 диаметров Солнца.

К тому же гигантские звезды пульсируют, становясь то больше, то меньше.

Масса таких звезд невелика: ведь красные супергиганты представляют собой звезды массой от 0,8 до 20 масс Солнца на финальном этапе своей жизни. Когда водородное топливо в недрах звезды заканчивается, она начинает перерабатывать водород, содержащийся во внешних слоях. Ядро, в котором прекращается выработка энергии, постепенно сжимается под воздействием собственного тяготения. Этот процесс будет сопровождается выделением дополнительной энергии и тепла, в результате чего звезда раздувается, становясь красным гигантом, но вещества в ней, конечно, не прибавляется. Красный гигант – это светило очень низкой плотности, состоящее из разреженных газов. Поэтому масса Бетельгейзе составляет всего около 17 солнечных, Антареса – 12-13 масс нашего светила.

Самым огромным звездам осталось жить максимум несколько миллионов лет – по меркам Вселенной это короткий срок. Заканчивают свою жизнь супергиганты (и красные, и голубые, и белые) так: звезда либо сбрасывает свои внешние слои, и остается только сжавшееся ядро – белый карлик, либо (если звезда более тяжелая, чем 8-10 Солнц) – взрывается как сверхновая, превращаясь в пульсар – маленькую нейтронную, невероятно тяжелую звезду, или же – в черную дыру (для самых тяжелых звезд).

Наконец, мы добрались до гипергигантов – звезд, рядом с которыми наше Солнце – просто крупинка.

NML Лебедя – красный гипергигант в созвездии Лебедь. Это одна из крупнейших звезд, известных в настоящее время, с радиусом, равным 1642— 2775 радиусам Солнца. Абсолютная яркость светила – в 272 тысячи раз больше яркости Солнца, однако звезда невидима с Земли невооруженным глазом – её отделяет от нас 5300 световых лет. Немного уступает ей известная звезда VY Большого Пса – гипергигант с поперечником в 1300-1540 солнечных. Вот как рядом с ними выглядит Бетельгейзе:

Сравнение Бетельгейзе с гипергигантами.

UY Щита – красный гипергигант в созвездии Щита – звезда, до недавнего времени считавшаяся самой крупной из всех известных светил:

Сравнение размеров звезд.

Диаметр этой огромной звезды – 1708 солнечных (2,4 млрд км), а на пике пульсаций – 1900 солнечных диаметров. Помещенная в центр Солнечной системы, она охватила бы орбиту Юпитера. Гигант долгое время был скрыт от наших глаз – его наблюдению мешают облака космической пыли в созвездии Щита – не будь их, звезда была бы видня с Земли даже невооруженным глазом, несмотря на расстояние до неё в 9500 световых лет, т.к. её светимость превосходит солнечную в 340 000 раз.

Наконец, самая большая из всех известных на сегодня звезд, диаметр которой определен в 2020 году – Стивенсон 2-18, находящаяся так же в созвездии Щита.

Поперечник этого красного гипергиганта – 1,5 млрд км что в 10 раз больше расстояния от Земли до Солнца, или 2150 радиусов нашего светила. Если бы Стивенсон 2-18 оказался на месте Солнца, он поглотил бы не только Юпитер, но и Сатурн вместе с его кольцами и спутниками:

Если бы Стивенсон 2-18 оказался на месте Солнца, из планет нашей системы остались бы целы только Уран и Нептун.

В нашей системе осталось бы только две планеты – Уран и Нептун, которые из ледяных гигантов превратились бы в горячие миры, потеряв часть своей массы.

Представить размер такой невероятно огромной звезды человеческому воображению нелегко. Свет, самый быстрый во Вселенной, облетел бы Стивенсон 2-18 по экватору только за 8,5 часов – за это время солнечные лучи достигают Плутона! Причем – в самой дальней точке его орбиты. Для сравнения: нашу Землю по экватору фотоны света могут облететь 7 раз всего за одну секунду.

Сравнительный размер Стивенсон 2-18 и UY Щита. Солнце – песчинка. В приближении показан сравнительный размер Солнца и Земли.

Как и со звездой UY Щита, наблюдение Стивенсон 2-18 затрудняют облака космической пыли и газа, которые рассеивают и поглощают исходящий от звезды свет, поэтому гипергигант нельзя увидеть с Земли без мощного телескопа.

Наблюдению за самой крупной известной звездой мешают облака космической пыли и газа. Кадр с канала KOSMO.

Светимость звезды в 440 00 раз превосходит солнечную, а её температура, как и у всех красных гигантов, сравнительно невысока и составляет 3200 К – почти вдвое ниже, чем на солнечной поверхности. Это означает, что большая часть излучения Стивенсон 2-18 приходится на видимый и тепловой (инфракрасный) спектр, а доля губительного рентгеновского и ультрафиолетового излучения сравнительно мала.

Масса этого огромного светила пока не определена, однако предполагается, что его строение должно быть сходно с UY Щита, NML Лебедя и другими красными супергигантами. А звезды такого класса, как уже упоминалось, отличаются очень маленькой плотностью и состоят из чрезвычайно разреженного газа. Плотность Стивенсон 2-18 должна примерно равняться плотности земной атмосферы на высоте 90 км над уровнем моря,

Наглядно: на какой высоте атмосфера Земли имеет такую же плотность, как гипергигант Стивенсон 2-18 (кроме ядра, конечно). Кадр с канала KOSMO.

тогда его масса составит около 20 масс нашего Солнца. Даже удивительно, как в таких условиях поддерживается термоядерные реакции – хотя в недрах звезд плотность газов должна быть высокой. Такие гиганты едва стабильны – ученые все время замечают переменность в их свечении. Финальная стадия жизни красных гипергигантов подразумевает, что любая из этих звезд может вот-вот взорваться – завтра, сегодня. Не исключено, что с какой-то из них это уже произошло, но вспышку сверхновой и появление пульсара или черной дыры на Земле заметят только спустя тысячелетия – так как все эти звезды удалены от нас на тысячи световых лет.

Может ли в зоне притяжения красных сверхгигантов существовать жизнь? С одной стороны – зона обитаемости такой звезды благодаря её высокой светимости, низкой температуре и колоссальным размерам должна быть огромной – её середина долна находится на расстоянии 663 а.е. от центра светила, т.е. примерно в 20 раз дальше орбиты Плутона:

Зона обитаемости Стивенсон 2-18. Кадр с канала KOSMO.

Площадь зоны обитаемости, получается, в миллиард раз больше, чем у нашего Солнца! Поэтому, хотя подтвержденных экзопланет вокруг гипергигантов не обнаружено, ученые считают возможным их существование.

С другой стороны, короткий срок жизни красных гигантов и их нестабильное поведение делают маловероятным существование планет в системах звезд этого типа.

Не исключен, однако, и такой вариант: вокруг солнцеподобной звезды вращались планеты, на какой-то из них зародилась жизнь, появилась цивилизация, потом звезда стала раздуваться, поглотив ближние миры, превратилась в красный гигант, и разумные существа переселились на более далекие планеты. Возможно, подобное будущее ожидает и земную цивилизацию – если, конечно, у нас хватит разума не уничтожить себя к тому моменту. когда Солнце начнет раздуваться, превращаясь в огромное красное светило.

Вселенная бесконечно преподносит нам сюрпризы и удивительные открытия. Возможно, через несколько лет астрономы обнаружат звезду, превышающую своими размерами и Стивенсон 2-18.

Источник: https://dzen.ru/a/ZN9enMoQ9zmse_b-