Диковины и заурядность
Мир звезд исключительно разнообразен и не раз преподносил ученым сюрпризы. Познакомимся хотя бы с плотностями звезд.
Среди употребительных в быту материалов славится своей плотностью свинец. Масса свинцового кубика с ребром в 1 см равна 11,3 г. Плотность золота составляет 19,3 г/см3. Такую же плотность имеет и вольфрам. Еще большей плотностью – соответственно 21,5 и 22,4 г/см3 – отличаются платина и иридий. Именно из сплава платины и иридия изготавливали столетие назад эталон метра.
Плотности золота, вольфрама, платины и иридия уже превосходят те плотности, которые, по современным представлениям, должны встречаться в недрах Земли, даже в ее ядре.
В Галактике же обнаружилась особая категория слабосветящихся звезд, вещество которых находится в чудовищно уплотненном состоянии. Из-за цвета и малых размеров за ними укрепилось название белых карликов. Белые карлики гораздо меньше Солнца. Многие из них меньше Земли, а некоторые даже меньше Луны.
Масса 1 см3 белого карлика достигает сотен тонн. Спичечная коробка такого вещества при взвешивании на Земле окажется в несколько раз тяжелее самого большого груженого товарного состава. Но астрономы знают о существовании и еще более плотных, так называемых, нейтронных звезд. Плотность вещества нейтронной звезды в миллион миллиардов раз превышает плотность воды. Чайная ложка такого вещества весила бы миллиард тонн, т. е. была бы эквивалентна по массе 200 миллионов слонов. Если бы Зёмля уплотнилась до состояния нейтронной звезды, ее поперечник составил бы всего 100 метров.
Интересно, что встречаются на небе звезды и с противоположными свойствами: огромные по размерам и очень разреженные. Они относятся к группам красных гигантов и сверхгигантов. Диаметр гиганта Бетельгейзе, например, в тысячу раз больше солнечного. Если бы он оказался на месте Солнца, то внутри его поместилась бы не только орбита Земли, но и орбита Марса. Зато уж плотность Бетельгейзе, особенно во внешних слоях, невелика. Она в десятки и сотни тысяч раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли. Представьте себе кинозал. Пусть в этом зале пустота, вакуум. Чтобы создать в нем описываемую плотность, человеку достаточно один-единственный раз выдохнуть. Воздух от одного выдоха легких, заполнив равномерно зал, создаст плотность, равную плотности вещества звезды-гиганта.
Вспомним о звездочках из Большой Медведицы – Мицаре и Алькоре. Расположены ли они в действительности бок о бок или видны рядом по воле случая, на одном луче зрения? Ведь бывает же Луна видна «совсем рядом» с телевизионной антенной соседнего дома. Может, так же и Мицар с Алькором: одна звезда несравненно дальше другой (кстати, одна яркая, а другая слабая)?
Сравнительные размеры некоторых звезд.
Конечно, иногда такое встречается. Но как для данной пары, так и для большинства других дело вовсе не в случайной близости. И убедительное свидетельство против случайности – обилие «парных» звезд. Почти каждая вторая звезда на небе особенно в окрестностях Солнца – двойная. По теории вероятностей такого наплыва случайных совпадений произойти никак не может.
Оказывается, пара Мицар и Алькор – типичные представители распространенной и удивительной категории звезд. Эти двойные звезды связаны между собой силами взаимного притяжения, реально объединены в пары. Слабая звезда – спутник – обращается вокруг яркой, главной звезды, или, если говорить точнее, обе звезды обращаются вокруг общего центра масс. Для некоторых двойных систем путем точнейших долголетних наблюдений удалось проследить путь спутника вокруг главной звезды, вычислить период обращения. Но такие двойные звезды – исключения. Чаще всего периоды обращения в наблюдаемых парах исчисляются столетиями и тысячелетиями.
Пора перестать удивляться сюрпризам звездного неба. Двойные звезды – это ли удивительно, если существуют и тройные. Приблизительно одна треть из числа двойных звезд являются тройными.
И вновь в качестве примера послужат нам Мицар и Алькор. Алькор – спутник Мицара. Но уже в небольшой телескоп видно, что сам Мицар тоже состоит из двух звезд. Они удалены друг от друга значительно меньше, чем от Алькора. Впрочем, если уж вести рассказ до конца, то уточним, что главная звезда Мицара, в свою очередь, тоже двойная. Таким образом, вся система, представляет собой четверную звезду. Бывают системы и из пяти, шести и большего числа звезд.
Ну, а если звезды в системе из двух звезд расположены очень тесно одна к другой? Увидим ли мы их в телескоп как двойную звезду? Можем и не увидеть. Они будут сливаться воедино, казаться одной звездой. А могут ли существовать такие очень тесные пары? Да, могут. И именно их существованием объясняется, например, странное подмигивание «дьявольского» глаза Медузы.
Как мы уже говорили, звезда Алголь – глаз Медузы из созвездия Персея – регулярно меняет свой блеск в три раза. Кривая изменения блеска Алголя показана на рисунке. Секрет заключается в том, что Алголь – тесная двойная система.
Вокруг яркой центральной звезды вращается более темный спутник. Луч зрения земного наблюдателя оказался очень близок к плоскости орбиты спутника, и поэтому для нас спутник время от времени частично заслоняет главную звезду. На рисунке этому моменту соответствует точка А. Блеск Алгол я в таком положении минимален.
Изменение блеска затменно-переменной звезды Алголь.
Продолжая двигаться на орбите, спутник отходит в сторону. Тогда он перестает загораживать яркую центральную звезду. Блеск Алголя – ведь наш глаз воспринимает суммарный блеск обеих звезд – резко возрастает. Когда спутник приходит в положение Б, он сам оказывается закрытым главной звездой. Но поскольку спутник довольно темный, то общий блеск падает лишь немного. Спутник выходит из-за главной звезды – блеск Алголя достигает прежнего уровня. Истекает положенное время, и темный спутник опять возвращается к точке А. Яркая звезда затмевается, цикл повторяется, глаз Медузы «моргает».
Изменение блеска небесных светил, их переменность, обусловлено иногда и физическими причинами. Такие звезды действительно светят с переменной яркостью. Они пульсируют, то раздуваясь, то сжимаясь. Блеск их в связи с пульсацией становится то больше, то меньше. Этим звездам суждено было сыграть исключительную роль в определении расстояний в наблюдаемой нами части Вселенной.
Среди миллиардов звезд Галактики находятся звезды, способные взрываться. Вспышка звезды – весьма величественное зрелище во Вселенной. Иногда одна-единственная взорвавшаяся звезда способна светить с такой же силой, как все остальные 100 млрд. звезд в Галактике, вместе взятые. Часто до взрыва такая звездочка бывает настолько слаба, что астрономам на Земле она не известна. Потом она неожиданно разгорается и бывает видна даже днем, при свете Солнца. Называют эти звезды как в старину, новыми и сверхновыми.
Новые звезды вспыхивают часто: мы регистрируем их один-два раза в год, а всего в Галактике вспыхивает, по-видимому, до сотни новых звезд в год. Блеск их возрастает в течение нескольких дней. Относительно нормального состояния он увеличивается в среднем всего в десятки тысяч раз.
Причины взрыва новых звезд видят в том, что все они – очень тесные двойные пары. Близкое соседство приводит к тому, что вещество одной звезды начинает перетекать на другую, образуя газовую оболочку. Когда ее масса достигает критической величины, в оболочке возникают термоядерные реакции, – в этот момент для земного наблюдателя вспыхивает новая звезда. Вскоре оболочка отрывается от звезды и, расширяясь, постепенно рассеивается в пространстве. После вспышки снова начинается перетекание вещества, и через определенное время все повторяется вновь.
Следы взрыва Сверхновой звезды 1054 года: Крабовидная туманность.
Иное дело сверхновые звезды. Те вспыхивают редко: в среднем один раз в сто лет. А наблюдаются они и того реже: один раз лет за пятьсот.
Старинные китайские летописи сохранили для потомков весть о «звезде-гостье», вспыхнувшей летом 1054 г. в созвездии Тельца. Сначала звезда была исключительно яркой и ее видели днем. Потом блеск ее стал спадать, и через два года она совсем исчезла.
В XVIII в. французский «ловец комет» Мессье, чтобы легче было отыскивать кометы, составил подробный список видимых в телескоп «туманных пятен». Под номером один в список попал объект необычной формы, напоминающий растопырившего ноги краба. Впоследствии этот объект так и назвали Крабовидной туманностью. Она находится в созвездии Тельца.
Тщательные повторные измерения показали, что Крабовидная туманность расширяется. А по расчетам, 900 лет назад она должна была выглядеть точкой. После сопоставления всех данных выяснилось: Крабовидная туманность – оболочка Сверхновой, скинутая ею в результате взрыва. Она находится в том самом месте, где 900 лет назад отметили появление Сверхновой старинные летописи.
Две вспышки Сверхновых в Галактике последовали одна за другой в 1572 и 1604 гг. Первую из них наблюдал известный датский астроном Тихо Браге, вторую – австрийский ученый Иоганн Кеплер.
В XX в., когда инструментальное оснащение астрофизики стало неизмеримо богаче, чем в предшествующие столетия, вспышек, доступных для наблюдений сверхновых, как назло, не происходило. Чувство некоторого удовлетворения астрономы наконец-таки испытали в конце февраля 1987 г. Правда, Сверхновая SN 1987 А вспыхнула не в нашей Галактике, но зато в ближайшем соседстве – в Большом Магеллановом Облаке. Она была открыта 24 февраля канадским астрономом на обсерватории Лас Кампанас в Чили. Максимум блеска Сверхновой в оптическом диапазоне пришелся на 27 февраля, после чего он несколько уменьшился, но потом вновь стал возрастать. Уярчение наблюдалось вплоть до 20 мая 1987 г. Эта звезда стала первой со времени Кеплера сверхновой, которую можно было заметить невооруженным глазом.
Большой комплекс исследований Сверхновой SN 1987 А был выполнен с помощью аппаратуры советской орбитальной астрономической обсерватории «Астрон».
Возможно, что взрывы новых и сверхновых звезд оказывали в далеком прошлом какое-то влияние на развитие жизни на Земле. В 1957 г. советские астрофизики И. С. Шкловский и В. И. Красовский полушутя, полусерьезно выдвинули гипотезу о возможной причине вымирания динозавров. Известно, что в конце мелового периода крупные рептилии на Земле погибли. Чем больше продолжительность жизни живого существа, тем больше сказываются на его потомстве изменения радиационной обстановки. Вспышка не очень далекой сверхновой могла привести к увеличению потока космических лучей в сотни раз. В результате такого облучения, по мысли этих ученых, и могли погибнуть динозавры.
Впрочем, загадка динозавров остается пока что для ученых неразрешимой. Для объяснения их поголовного вымирания к началу кайнозойской эры, т. е. примерно 65 миллионов лет назад, выдвинуто, по крайней мере, 8 предположений. В качестве причин, помимо взрыва близкой сверхновой, называются:
– резкий скачок магнитного поля Земли;
– распространение эпидемического заболевания, так называемая, эпизоотия;
– переизбыток кислорода в атмосфере Земли;
– резкое охлаждение океана;
– падение астероида;
– столкновение Земли с ядром кометы;
– изменение состава морской воды.
Не менее трех из предложенных гипотез имеют касательство к астрономии, и одну из них мы еще обсудим в дальнейшем.
Однако вернемся к вспышкам сверхновых. А не может ли в одну прекрасную минуту взорваться Солнце? Не может ли вдруг его светимость резко увеличиться или, наоборот, внезапно уменьшиться? Астрономы убеждены, что с Солнцем такого произойти не может. Подобно своим ближайшим соседям по Галактике, оно действительно относится к самым обыкновенным, самым заурядным звездам.
Плотность вещества в центре Солнца достигает 150 г/см3. Температура верхней оболочки Солнца, по сравнению с 15 000 000 К внутри, очень скромна – всего около 6 000 К. У самых же горячих звезд температура верхних слоев доходит до 50 000 К и более.
Солнце нельзя отнести ни к чересчур «молодым», ни к чересчур «старым» звездам. У него «средний возраст». Наше «степенное» Солнце не способно ни энергично пульсировать, ни взрываться. Ему уготована судьба подавляющего большинства обычных звезд.