Большие и маленькие, горячие и холодные, заряженные и не заряженные. В этой статье мы дадим классификацию основных видов звезд.

Одной из классификаций звезд является спектральная классификация . Согласно этой классификации звезды относят в тот или иной класс согласно их спектру. Спектральная классификация звезд служит многим задачам звездной астрономии и астрофизики. Качественное описание наблюдаемого спектра позволяет оценить важные астрофизические характеристики звезды, такие как эффективная температура ее поверхности, светимость и, в отдельных случаях, особенности химического состава.

Некоторые звезды не попадают ни в один из перечисленных спектров. Такие звезды называют пекулярными . Их спектры не укладываются в температурную последовательность O—B—A—F—G—K—M. Хотя зачастую такие звезды представляют собой определенные эволюционные стадии вполне нормальных звезд, либо представляют звезды, не совсем характерные для ближайших окрестностей (бедные металлами звезды, такие как звезды шаровых скоплений и гало ). В частности, к звездам с пекулярными спектрами относятся звезды с различными особенностями химического состава, что проявляется в усилении или ослаблении спектральных линий некоторых элементов.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Хорошо разобраться в классификации звезд позволяет диаграмма Герцшпрунга-Рассела. Она показывает зависимость между абсолютной звездной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды. Неожиданным является тот факт, что звезды на этой диаграмме располагаются не случайно, а образуют хорошо различимые участки. Диаграмма предложена в 1910 независимо друг от друга исследователями Э. Герцшпрунгом и Г. Расселом. Она используется для классификации звезд и соответствует современным представлениям о .

Большая часть звезд находится на так называемой главной последовательности . Существование главной последовательности связано с тем, что стадия горения водорода составляет ~90% времени эволюции большинства звезд: выгорание водорода в центральных областях звезды приводит к образованию изотермического гелиевого ядра, переходу к стадии красного гиганта и уходу звезды с главной последовательности. Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию белых карликов, нейтронных звезд или .

Желтый карлик

Находясь на различных стадиях своего эволюционного развития, звезды подразделяются на нормальные звезды, звезды карлики, звезды гиганты. Нормальные звезды, это и есть звезды главной последовательности. К таким, например, относится наше Солнце. Иногда такие нормальные звезды называются желтыми карликами .

Звезда может называться красным гигантом в момент звездообразования и на поздних стадиях развития. На ранней стадии развития звезда излучает гравитационную энергию, выделяющуюся при сжатии, до того момента пока сжатие не будет остановлено начавшейся термоядерной реакцией. На поздних стадиях эволюции звезд, после выгорания водорода в их недрах, звезды сходят с главной последовательности и перемещаются в область красных гигантов и сверхгигантов диаграммы Герцшпрунга-Рассела: этот этап длится ~ 10% от времени «активной» жизни звезд, то есть этапов их эволюции, в ходе которых в звездных недрах идут реакции нуклеосинтеза.

Звезды-гиганты

Звезда гигант имеет сравнительно низкую температуру поверхности, около 5000 градусов. Огромный радиус, достигающий 800 солнечных радиусов и за счет таких больших размеров огромную светимость. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную область спектра, потому их и называют красными гигантами.

Звезды карлики являются противоположностью гигантов и включают в себя несколько различных подвидов:

• Белый карлик - проэволюционировавшие звезды с массой не превышающей 1,4 солнечных массы, лишенные собственных источников термоядерной энергии. Диаметр таких звезд может быть в сотни раз меньше солнечного, а потому плотность может быть в 1 000 000 раз больше плотности воды.
• Красный карлик — маленькая и относительно холодная звезда главной последовательности, имеющая спектральный класс М или верхний К. Они довольно сильно отличаются от других звезд. Диаметр и масса красных карликов не превышает трети солнечной (нижний предел массы — 0,08 солнечной, за этим идут коричневые карлики).
• Коричневый карлик — субзвездные объекты с массами в диапазоне 5—75 масс Юпитера (и диаметром примерно равным диаметру Юпитера), в недрах которых, в отличие от звезд главной последовательности, не происходит реакции термоядерного синтеза c превращением водорода в гелий.
• Субкоричневые карлики или коричневые субкарлики — холодные формирования, по массе лежащие ниже предела коричневых карликов. Их в большей мере принято считать .
• Черный карлик - остывшие и вследствие этого не излучающие в видимом диапазоне белые карлики. Представляет собой конечную стадию эволюции белых карликов. Массы черных карликов, подобно массам белых карликов, ограничиваются сверху 1,4 массами Солнца.

Кроме перечисленных, существует еще несколько продуктов эволюции звезд :

• Нейтронная звезда . Звездные образования с массами порядка 1,5 солнечных и размерами, заметно меньшими белых карликов, порядка 10-20 км в диаметре. Плотность таких звезды может достигать 1000 000 000 000 плотностей воды. А магнитное поле во столько же раз больше магнитного поля земли. Такие звезды состоят в основном из нейтронов, плотно сжатых гравитационными силами. Часто такие звезды представляют собой .
• Новая звезда . Звезды, светимость которых внезапно увеличивается в 10000 раз. Новая звезда представляет собой двойную систему, состоящую из белого карлика и звезды-компаньона, находящейся на главной последовательности. В таких системах газ со звезды постепенно перетекает на белый карлик и периодически там взрывается, вызываю вспышку светимости.
• Сверхновая звезда - это звезда, заканчивающая свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Вспышка при этом может быть на несколько порядков больше чем в случае новой звезды. Столь мощный взрыв есть следствие процессов, протекающих в звезде на последней стадии эволюции.
• Двойная звезда - это две гравитационно связанные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс. Иногда встречаются системы из трех и более звезд, в таком общем случае система называется кратной звездой. В тех случаях, когда такая звездная система не слишком далеко удалена от Земли, в

Черные карлики

Постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые "черные" карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд. Однако финал жизни сравнительно массивных звезд может быть значительно, более драматическим.

Нейтронные звезды

Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, на том не остановится. Гравитационные силы в этом случае очень велики, что электроны вдавливаются внутрь атомных ядер. В результате изотопы превращаются в нейтроны способные прилетать друг к другу без всяких промежутков. Плотность нейтронных звезд превосходит даже плотность белых карликов; но если масса материала не превосходит 3 солнечных масс, нейтроны, как и электроны, способны сами предотвратить дальнейшее сжатие. Типичная нейтронная звезда имеет в поперечнике всего лишь от 10 до 15 км, а один кубический сантиметр ее вещества весит около миллиарда тонн. Помимо неслыханно громадной плотности, нейтронные звезды обладают еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая на столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнитное поле. В общем, вращаются все звезды, но когда звезда сжимается, скорость ее вращения возрастает - точно так же, как фигурист на льду вращается гораздо быстрее, когда прижимает к себе руки. Нейтронная звезда совершает несколько оборотов в секунду. Наряду с этим исключительно быстрым вращением, нейтронные звезды имеют магнитное поле, в миллионы раз более сильное, чем у Земли.

Каждый из нас порой смотрит в небо, на мириады мерцающих звёзд, и задаётся вопросом «Что же скрывает космос?». Вполне естественно мечтать о том, что находится далеко за пределами нашей досягаемости. Возможно, в какой-то солнечной системе, расположенной далеко от нас, другой вид живых существ смотрит на наше Солнце, которое с их перспективы является лишь маленькой точкой в небе, и гадает, какие же тайны скрываются за ней.

Несмотря на все попытки, мы никогда до конца не поймём все, что скрывает космология, но это не уменьшает нашего желания и стараний познать как можно больше. В этом списке собраны десять увлекательных типов звёзд: некоторые из них уже хорошо известны, а о некоторых учёные только строят гипотезы.

10. Гипергигант

Довольно скучный тип звёзд, по сравнению с остальными звёздами в этом списке, он был включён сюда только из-за его размера. Для нас трудно представить, насколько на самом деле огромны эти монстры, но радиус самой большой звезды, известной науке на сегодняшний день (NML Cygni) в 1 650 раз больше радиуса нашего солнца, и составляет 7,67 астрономических единиц (1 147 415 668,296 километров). Для сравнения, орбита Юпитера находится на расстоянии 5,23 астрономических единиц от нашего солнца, а орбита Сатурна на 9,53 астрономических единиц. Из-за своих огромных размеров, большинство гипергигантов живут в лучшем случае, меньше, чем пару дюжин миллионов лет, перед тем как превратиться в сверхновые. Гипергигант Бетельгейзе (Betelgeuse), который находится в созвездии Ориона, должен превратиться в суперновую в течение следующих нескольких сотен тысяч лет. И когда он это сделает, он будет светить ярче, чем луна, больше года, а также будет виден в течение дня.

9. Гиперскоростная звезда


В отличие от всех других звёзд в этом списке, гиперскоростные звёзды в целом являются обычными звёздами, не обладающими какими-либо отличительными или интересными качествами, кроме того, что они мчатся сквозь пространство на безумных скоростях. Гиперскоростные звёзды, скорость которых достигает более 1.5-3 миллионов километров в час, появляются в результате того, что звёзды приближаются слишком близко к центру галактики - который отбрасывает звёзды на сверхвысоких скоростях. Все известные гиперскоростные звёзды в нашей галактике двигаются со скоростью, превышающей космическую более чем в два раза. Следовательно, в конечном итоге они полностью вылетят из галактики и будут дрейфовать в темноте на протяжении всей своей жизни.

8. Цефеиды


К Цефеидам или же к пульсирующим переменным звёздам, относятся звёзды, масса которых превышает массу нашего солнца в 5-20 раз. Эти звёзды регулярно увеличиваются и уменьшаются в размере, что создаёт впечатление пульсации. Цефеиды расширяются из-за неимоверно сильного давления внутри их плотных ядер, но как только они расширяются, давление спадает, и они опять съёживаются. Этот цикл расширений и съёживаний продолжается на протяжении всей их жизни, пока звезда не перестаёт существовать.

7. Чёрный карлик


Если звезда слишком мала для того, чтобы стать нейтронной или просто взорваться в суперновую, она, в конце концов, превращается в белого карлика - неимоверно плотную и тусклую звезду, которая израсходовала всё своё топливо и в ядре которой больше не идёт деление атомного ядра при цепной реакции. Зачастую, белые карлики, размер которых не превышает размер Земли, медленно остывают путём электромагнитного излучения. После очень долгого времени, белые карлики, наконец, совсем перестают излучать свет и тепло - становясь, таким образом, той звездой, которую учёные и называют чёрным карликом, и которая практически незаметна для наблюдателя. Переход в состояние чёрного карлика означает конец звёздной эволюции для многих звёзд. Считается, что на данный момент во вселенной не существует чёрных карликов, потому что для того, чтобы они образовались, требуется слишком много времени. Наше солнце дегенерирует в чёрного карлика приблизительно через 14,5 миллиардов лет.

6. Оболочечные звёзды


Когда люди думают о звёздах, они представляют себе огромные обжигающие сферы, плавающие в пространстве. На самом деле, из-за центробежной силы, большинство звёзд немного сплюснутые или плоские у полюсов. Для большинства звёзд это сплющивание достаточно незначительное, чтобы не обращать на него никакого внимания, но в звёздах некоторых пропорций, которые вращаются на дикой скорости, это сплющивание настолько сильное, что придаёт им форму мяча для регби. Из-за своих высоких вращательных скоростей, эти звёзды также отбрасывают огромные количества материи вокруг своих экваторов, создавая вокруг себя «оболочку» газа - формируя, таким образом, оболочечную звезду. На изображении выше, та белая, немного прозрачная масса, которая окружает приплюснутую звезду Ахернар (Альфа Эридана) и является «оболочкой».

5. Нейтронная звезда


Как только звезда становится суперновой, от неё обычно остаётся только нейтронная звезда. Нейтронные звёзды очень маленькие и очень плотные шары, состоящие из (как вы уже догадались) нейтронов. Во много раз плотнее, чем ядро атома, и размером меньше дюжины километров в диаметре, нейтронные звёзды действительно представляют собой замечательный продукт физики.

Из-за чрезвычайной плотности нейтронных звёзд, любой атом, который вступает в контакт с их поверхностью, практически моментально разрывается на части. Все не нейтронные субатомные частицы сначала распадаются на свои постоянные кварки, а затем «переформировываются» в нейтроны. В результате этого процесса высвобождается огромное количество энергии, которой настолько много, что в результате столкновения нейтронной звезды с астероидом среднего размера, произошёл бы взрыв гамма-излучения с высвобождением гораздо большего количества энергии, чем наше солнце смогло бы выработать за всё время своего существования. Уже только по одной этой причине, любая нейтронная звезда, находящаяся недалеко от нашей солнечной системы (на расстоянии нескольких сотен световых лет) представляет собой вполне реальную угрозу уничтожения Земли выбросом смертельной радиации.

4. Звезда тёмной энергии


Из-за многих проблем связанных с нашим текущим пониманием чёрных дыр, особенно в отношении квантовой механики, много альтернативных теорий было выдвинуто для объяснения наших наблюдений.

Одной из этих теорий является теория о звезде тёмной материи. Существует теория, что когда огромная звезда разрушается, она превращается не в чёрную дыру, а в пространственно-временную, мутирующую тёмную материю. Из-за квантовой механики, эта звезда должна обладать довольно уникальным свойством: за пределами своего горизонта событий она должна притягивать всю материю, в то время как внутри, вне своего горизонта событий, она будет отторгать всю материю. В теории это происходит потому, что тёмная материя обладает «негативной» силой тяготения, которая отталкивает всё, что приближается к ней, точно так же, как одинаковые полюса магнита отталкиваются друг от друга.

Кроме того, в соответствии с этой теорией, как только электрон проходит через горизонт событий звезды тёмной энергии, он превращается в позитрон, также известный как антиэлектрон, и отбрасывается. Когда эта античастица сталкивается с нормальным электроном, они взаимно уничтожаются, образуя при этом небольшой выброс энергии. Считается, что этот процесс, в крупном масштабе, способен объяснить огромное количество радиации, которая выбрасывается из центра галактик - именно оттуда, где по альтернативным теориям и располагаются чёрные дыры.

По большей части - легче всего представлять звезду тёмной энергии в виде чёрной дыры, которая отбрасывает материю и не обладает сингулярностью.

3. Железная звезда


Звёзды создают более тяжёлые элементы с помощью ядерного синтеза - процесса, в ходе которого более лёгкие элементы сливаются для образования более тяжёлых элементов. В результате этого процесса происходит высвобождение энергии. Чем тяжелее элемент, тем меньше энергии высвобождается при его слиянии. Типичным путём преобразования элементов для звёзд считается следующий: водород преобразуется в гелий, затем гелий в углерод, углерод в кислород, кислород в неон, неон в кремний, а затем - в конечном итоге - кремний в железо. Для синтеза железа требуется больше энергии, чем высвобождается, поэтому железо является последней ступенью в любой стабильной реакции ядерного синтеза. Большинство звёзд умирает до того, как они начинают синтезировать углероды, но те из них, которые достигают этой ступени, или следующей за ней, обычно вскоре после этого взрываются в сверхновую.

Железная звезда, которая состоит полностью из железа, но, тем не менее, продолжает парадоксальный выброс энергии. Но каким же образом? С помощью туннельного эффекта. Туннельный эффект - феномен, при котором частица преодолевает барьер, который при обычных условиях она бы не смогла преодолеть. Например: если вы кинете мячик об стену, обычно он ударится об неё и отскочит. Однако, согласно квантовой механике, существует небольшой шанс, что мяч пролетит сквозь стену и ударится о человека, стоящего позади стены.

Это пример квантового туннелирования. Конечно, вероятность такого случая бесконечно мала, но на атомном уровне такое происходит достаточно часто - особенно в таких огромных объектах, как звёзды. Обычно, для того чтоб синтезировать железо, необходимо большое количество энергии, так как в нём присутствует некоторый барьер, предотвращающий синтез - это значит, что железо поглощает больше энергии, чем отдаёт. При туннельном эффекте железо может синтезироваться без того, чтобы поглощать энергию. Для облегчения понимания представьте два небольших мячика, катящихся навстречу друг другу, а при столкновении они вдруг становятся одним целым. Обычно такое слияние потребовало бы огромную энергию, но туннелирование позволяет производить его без энергии вообще.

Синтез железа через туннельный эффект, явление очень редкое, поэтому железная звезда должна была бы обладать невероятно большой массой, чтоб в ней постоянно проходила реакция ядерного синтеза. По этой причине, и потому что железо достаточно редкий элемент во Вселенной - считается, что до появления первой железной звезды пройдёт 1 квингентиллион лет (10 в 1503 степени). 



2. Квази-Звезда


«Мерцай, мерцай, квази-звезда!
Далека ты, иль близка?
Так отлична от других,
Светом ослепляешь их.
Мерцай, мерцай, квази-звезда!
В мыслях, я с тобой всегда»
Георгий Антонович Гамов, «Квазар», 1964 год.

Гипергиганты - самые большие из звёзд, обычно превращаются в чёрные дыры, масса которых в десять раз больше массы нашего Солнца. Естественно возникает вопрос: откуда могут появляться сверхмассивные чёрные дыры в центре галактик, массой в миллиард звёзд? Ни одна обычная звезда не может быть настолько большой, чтоб породить такого монстра! Конечно, можно подумать, что чёрные дыры постепенно разрастаются, поглощая материю, но, вопреки широко распространённому мнению, это очень медленный процесс. Более того, большинство сверхмассивных чёрных дыр образовались в первые несколько миллиардов лет жизни нашей Вселенной, что не дало бы достаточного времени любой обычной чёрной дыре разрастись до тех монстров, которые можно увидеть сейчас. Согласно одной из теорий, первые звёзды третьего поколения, которые были больше нынешних гипергигантов и состоящие из гелия и водорода, быстро погибали и создавали огромные чёрные дыры, которые впоследствии соединялись в одну сверхмассивную чёрную дыру. Согласно другой, более вероятной, теории сверхмассивные чёрные дыры - «дети» квази-звёзд. В первый миллиард лет, во Вселенной передвигались огромные облака гелия и водорода. Если материя, содержащаяся в этих облаках, достаточно быстро сжималась - она могла породить большую звезду с небольшой чёрной дырой в центре - квази-звезду, яркостью в миллиард звёзд. Обычно такой сценарий бы привёл к образованию сверхновой звезды, после чего «оболочка» звезды и окружающая её материя вырвалась бы в окружающий космос. Но, если облако материи, окружающее звезду, достаточно большое и плотное, материя выдержит взрыв и начнёт поглощаться чёрной дырой. «Подкормленная» огромным объёмом материи чёрная дыра разрослась бы до огромных размеров за небольшой промежуток времени. В качестве примера: представьте, что у вас есть небольшая бомба, окруженная картоном. Если бомба взорвётся, как суперновая, картон улетит, а чёрная дыра, образовавшаяся в результате взрыва, не смогла бы поглотить материю. Но, если вместо картона будет толстый слой бетона, взрыв не смог бы сдвинуть стену, которую бы впоследствии смогла бы поглотить чёрная дыра.

1. Бозонная звезда


Во вселенной существуют два типа частиц: бозоны и фермионы. Самым простым отличием между ними является то, что фермионы являются частицами с полуцелым значением спина, в то время как бозонные частицы обладают целым значением спина. Все элементарные и составные частицы, такие как электроны, нейтроны и кварки являются фермионами, в то время как к бозонам относятся фотоны и глюоны. В отличие от фермионов, два или более бозона может находиться в одном месте.

Чтоб облегчить понимание: фермионы это здания, а бозоны это призраки. В одном месте может находиться одно здание, так как невозможно построить два здания на одном и том же месте, но тысячи призраков могут находиться в одном месте или здании, так как они нематериальны (у бозонов на самом деле есть масса, это всего-лишь пример). Количество бозонов в одном месте неограниченно. Все известные звёзды состоят из фермионов, но если существуют стабильные бозоны, обладающие некоторой массой, то гипотетически могут существовать и бозонные звёзды.

Учитывая, что гравитация зависит от массы, представьте, что может случиться, если существует такой тип частицы, что в одной точке пространства может сосуществовать бесконечное количество частиц такого типа. Вернувшись к нашему примеру - представьте, что каждый призрак обладает какой-то, даже небольшой массой, а теперь поместите миллиарды призраков в одну точку - получится точка, обладающая огромной массой, которая будет притягивать другие объекты своей огромной гравитационной силой. Таким образом, бозонные звёзды могут обладать бесконечной массой, сконцентрированной в бесконечной малой точке пространства. Согласно теориям, бозонные звёзды, если они существуют, расположены в центрах галактик.

Чёрный карлик - это белый карлик, который остыл до температуры реликтового излучения (космического микроволнового фона), и поэтому стал невидим. В отличие от красных карликов, коричневых карликов и белых карликов, чёрные карлики - это гипотетические объекты во Вселенной.

Когда звезда эволюционировала в белого карлика, она больше не имела источника тепла и сияла всего лишь потому, что всё ещё была горячая. Как будто что-то достали из духовки. Если оставить белого карлика в покое, со временем он остынет до температуры, окружающей его среды. В отличие от сегодняшнего ужина, который остывает за счёт конвекции, теплопроводности и излучения, белый карлик охлаждается только через излучение.

Так как давление вырождения электронов останавливает его от коллапса, который приведёт к , белый карлик - это фантастический проводник тепла (физика газов Ферми объясняет проводимость как белых карликов, так и металлов!). То, как быстро остынет белый карлик легко вычислить... это зависит только от первоначальной температуры, массы и состава (большинство из них состоят из углерода и кислорода; некоторые - преимущественно из кислорода, неона и магния; другие из гелия). И как минимум часть ядра белого карлика может кристаллизоваться, кривая охлаждения будет иметь небольшую шишку в этом месте.

Не чёрный карлик... пока ещё. Белый карлик Сириус B.

Вселенной всего около 13,7 миллиарда лет, поэтому даже белый карлик, образовавшийся 13 миллиардов лет назад (что маловероятно; , которые стали белыми карликами, понадобился миллиард лет или около того), имел бы всё ещё температуру в несколько тысяч градусов. Самый холодный белый карлик, наблюдаемый на сегодняшний день, имеет температуру немногим меньше 3000 Кельвин. Его ждёт долгий путь прежде, чем он станет чёрным карликом.

Получается, ответить на вопрос, сколько времени понадобится белому карлику, чтобы остыть до температуры реликтового излучения, довольно сложно. Почему? Потому что есть много интересных эффектов, которые могут быть важны, последствия их учёные ещё не моделировали. Например, белый карлик будет содержать немного , и какая-то часть её может распадаться через интервалы времени в квадриллионы лет, генерируя тепло. Вещество тоже не вечно, протоны тоже могут распадаться, генерируя тепло. И реликтовое излучение становится холоднее со временем, поскольку .

В любом случае, если мы говорим, условно, что белый карлик, имеющий температуру 5 Кельвин, становится чёрным карликом, тогда ему потребуется, по меньшей мере, 10 15 лет на то, чтобы стать чёрным карликом.

Ещё кое-что, не бывает белых карликов-одиночек; у одних есть компаньоны, образуя вместе , например, другие могут блуждать в газопылевом облаке... падающая масса тоже генерирует тепло, и если на поверхности накапливается достаточное количество водорода, то эта звезда может разорваться как водородная бомба (это называется ), немного разогревая белого карлика.

Название прочитанной вами статьи "Звезда чёрный карлик" .