У каждой звезды есть свой жизненный цикл: она появляется, какое-то время существует и рано или поздно умирает. Одни звезды живут долго, другие сгорают за какие-то миллионы лет; одни медленно угасают, другие «помирают с музыкой»: устраивают на прощание мощный взрыв. О том, как именно происходят эти процессы, исполнительный директор ПостНауки Лиана Хапаева поговорила с астрономом Дмитрием Вибе.
Как рождаются звезды
— Звезды рождаются, живут и умирают. Как и когда мы узнали об этом?
— В середине XIX века физики вывели закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не появляется и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Звезда не может существовать вечно: Солнце светит, теряет энергию, и эта энергия когда-нибудь иссякнет. Из этого следовал вывод, что звезды должны постоянно рождаться и умирать.
В XIX веке считалось, что Вселенная бесконечна во времени, поэтому если бы звезды одномоментно появлялись, какое-то время светились и гасли, то в такой Вселенной их не должно было быть. А если мы все-таки видим звезды, значит, что-то приводит к их появлению.
— Как появляются звезды?
— На рубеже XIX–XX веков считалось, что во Вселенной, помимо звезд, есть некое вещество, из которого они образуются. И если оно подчиняется действию тяготения, то можно представить, что в каком-то месте этого вещества скапливается так много, что оно под воздействием собственной массы начинает сжиматься. При сжатии газы нагреваются и могут достичь столь высокой температуры, что начнут светиться. А когда тепло, накопленное этой большой массой вещества, высветится, то тело погаснет, перестанет быть звездой. Этот механизм в состоянии поддерживать, например, свечение Солнца на протяжении нескольких десятков миллионов лет. Тогда ученым казалось, что это достаточно долго.
Но в начале XX века геологи поняли, что Земля существует уже несколько миллиардов лет. И оказалось, что этих нескольких десятков миллионов лет, о которых раньше говорили ученые, для Солнца недостаточно: сложно себе представить, что оно появилось существенно после Земли. Тогда в 1920-е годы знаменитый астрофизик Артур Эддингтон предположил, что источник энергии свечения звезд — термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Первоначальное гравитационное сжатие важно, но только как толчок к началу термоядерных реакций: чтобы они запустились, нужна высокая температура.
— Как родились самые первые звезды? Какими они были?
— Основной составной элемент звезд — водород. Первоначально Вселенная состояла по большей части из водорода и на 25% из гелия. Сейчас в ней содержится еще небольшой процент тяжелых элементов, но в целом ее состав не изменился. Поэтому может показаться, что звезды всегда рождались одинаково.
Но есть одна тонкость, которая приводит нас к пониманию, что, скорее всего, первые звезды были гораздо более массивными, чем современные. Эта тонкость связана со следующей особенностью протозвездного коллапса. Как я уже говорил, газ при сжатии нагревается, и это необходимо, чтобы в нем начались термоядерные реакции. Так вот, тонкость состоит в том, что он не должен начать нагреваться сразу. На начальном этапе сжатия протозвезда должна оставаться холодной, иначе растущее тепловое давление начнет противодействовать сжатию настолько эффективно, что остановит его. Чтобы сжатие все-таки продолжилось, вещество должно обладать способностью эффективно сбрасывать тепловую энергию, выделяющуюся при сжатии, то есть попросту охлаждаться. Интересная особенность вещества, из которого формируются звезды, заключена в том, что его способность остывать обеспечивается не водородом и гелием, а более тяжелыми элементами. Именно они способны поглощать энергию сжатия и превращать ее в излучение, которое выносит энергию за пределы протозвезды. В первоначальной Вселенной тяжелых элементов не было, и потому вещество остывало очень медленно. Чтобы победить в таких условиях растущее в ходе коллапса тепловое давление, нужна была очень большая масса. Так, наше Солнце имеет массу 2×1033 грамм, а первые звезды обладали массами, равными сотням и даже тысячам солнечных масс. Но жили они очень недолго, а в конце жизни взрывались. И, к сожалению, пока не удается найти внятных следов их существования.
Сколько живут звезды
— Получается, чем массивнее звезда, тем меньше она живет?
— Живи быстро, умри молодым. Время жизни звезды зависит от ее массы. Например, звезда типа Солнца живет порядка 10 миллиардов лет. Время жизни звезды, масса которой меньше солнечной примерно в 10 раз, измеряется уже триллионами лет. А вот самые массивные звезды, масса которых превышает солнечную в 100–150 раз, живут всего несколько миллионов лет.
— Это трудно. На протяжении 10 миллиардов лет жизни Солнца его облик почти не изменился. Сложно сказать, является ли какая-то звезда старой или молодой, если это одиночная звезда. Зато в скоплениях возраст звезд определяется довольно хорошо, ведь все они начали эволюционировать в одно и то же время, но делают это с разной скоростью, поскольку имеют разные массы. Смотря на такое скопление и понимая, сколько звезд в нем уже умерло, сколько перешло на позднюю стадию эволюции, а сколько выглядят еще ничего, можно судить о возрасте этого скопления и, соответственно, каждой звезды в нем.
Есть и другие, косвенные методы определения возраста звезд, например гирохронология. Скорость вращения звезды тоже зависит от ее возраста. Если вы видите быстро вращающуюся звезду, то можно с некоторой уверенностью говорить, что эта звезда молодая. А если посмотреть на наше Солнце, которое делает оборот за месяц, то можно заподозрить, что эта звезда уже какое-то время пожила. Скорее всего, на ранней стадии эволюции оно делало оборот за несколько суток.
Как звезды умирают
— Солнце не очень массивная звезда, и ее смерть приведет к тому, что она станет белым карликом. Как еще могут умирать звезды?
— Есть несколько видов звездных смертей. Сценарий Солнца — сброс оболочки и постепенное угасание — характерен для звезд, обладающих массой в диапазоне от половины солнечной до десяти масс Солнца. Звезды малых масс предположительно живут триллионы лет, и поэтому у нас нет ни малейших шансов проверить эти расчеты на практике, как и сказать наверняка, что будет с ними происходить по окончании этого срока. Вероятно, по истечении запасов термоядерного топлива они тоже будут постепенно превращаться в какие-то остывающие остатки звезд.
А вот звезды с массами более десяти солнечных уже не будут так спокойно сбрасывать оболочку, как наше Солнце. Они заканчивают жизнь взрывом, который называется вспышкой сверхновой. Последнее яркое событие такого рода произошло в 1987 году, когда вспыхнула сверхновая в Большом Магеллановом Облаке. Вспышка сверхновой — колоссальный взрыв, разлет оболочки со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. Потом эта разлетающаяся оболочка еще долго наблюдается на небе в виде туманности.
Взорвавшись, звезды с массой более десяти масс Солнца оставляют после себя нейтронные звезды, масса которых не может быть больше приблизительно двух масс Солнца. Если в конце жизни звезды масса ее ядра превышает это значение, то в центре получится уже не нейтронная звезда, а черная дыра, и звезда просто упадет внутрь самой себя и исчезнет. Сопровождается ли образование черной дыры вспышкой сверхновой — уже вопрос численного моделирования. Не исключено, что вспышки в этом случае нет.
— Как понять, давно ли умерла звезда?
— Возраст белого карлика можно определить по его температуре: одиночный белый карлик только остывает. Если знать, какая температура у него была вначале и какой она стала сейчас, то можно посчитать, сколько ему миллиардов лет. А если это вспышка сверхновой, то определить момент, когда умерла породившая разлетающуюся оболочку звезда, можно по скорости разлета этой оболочки.
Узнать время смерти звезды можно также по скорости вращения пульсаров. Если нейтронная звезда, образовавшаяся в результате вспышки, наблюдается как пульсар, то можно определить скорость ее вращения и скорость замедления вращения, а значит, и возраст пульсара.
— Мы говорим, что звезды рождаются, эволюционируют и умирают. Значит, они живые?
— Иногда даже среди астрономического сообщества звучат мысли, что мы злоупотребляем этой терминологией. Конечно, мы любим звезды, и нам хочется сделать их одушевленными. Но на самом деле, конечно, они неживые. Артур Эддингтон в одной из своих книг прямо писал, что звезды — простые объекты, особенно в сравнении с Землей и живыми существами. По структуре и образу существования мы сложнее звезд в неимоверное количество раз. Звезда — это очень просто.
Жизнь и смерть Солнца
— Вы сказали, что Солнце вращается относительно медленно и это значит, что оно уже взрослая звезда.
— Да, зрелая. Но у нее еще много времени.
— А что повидало Солнце?
— Это сейчас Солнце существует в относительной изоляции от других звезд. Но юность у него была, скорее всего, бурная. Есть основания полагать, что в начале своей эволюции оно находилось в окрестностях богатого и довольно плотного звездного скопления и испытывало воздействие более массивных звезд. Потом — возможно, в результате распада этого скопления — Солнце обрело свободу.
— Солнце движется?
— Конечно. Оно вращается вокруг центра Галактики. Мы живем в огромном плоском звездном диске, находимся на расстоянии порядка 25 тысяч световых лет от его центра и на самом деле летим сейчас вокруг центра Галактики со скоростью около 250 километров в секунду. Это базовое движение, помимо которого Солнце совершает колебательные движения относительно плоскости галактического диска. Но параметры этого движения известны хуже. Поскольку мы внутри Галактики, нам сложно определить, где у нее плоскость симметрии.
— Сколько лет Солнцу?
— А сколько ему еще осталось?
— Примерно столько же.
— Что ждет Солнце в будущем?
— Примерно через 5 миллиардов лет оно начнет превращаться в красный гигант. Из-за исчерпания запасов водорода внутреннее устройство Солнца станет меняться, начнется перестройка его структуры, одним из результатов которой станет его существенное расширение: по данным некоторых расчетов, Солнце поглотит и Землю. Когда все эти процессы закончатся, оно сбросит оболочку, и она будет разлетаться в разные стороны. А в центре Солнечной системы останется будущий белый карлик — оголенное солнечное ядро. И белый карлик уже ничего не будет делать. Он будет просто медленно остывать.
Но не надо сразу начинать бояться: это будущее очень отдаленное. У нас есть еще пара миллиардов лет, чтобы принять какое-то решение: уходить на другие тела Солнечной системы или вообще покинуть ее.
— То есть Солнце начнет раздуваться, когда выгорит весь водород и станет гореть гелий?
Как изучают звезды
— Как астрономы наблюдают за звездами?
— Современные астрономические наблюдения — процесс сложный и дорогостоящий. Зато теперь мы можем регистрировать излучение во всем диапазоне электромагнитного спектра — от гамма-лучей до длинноволнового радиоизлучения. Кроме того, с начала XX века регистрируются космические лучи. Мы можем наблюдать нейтрино и в последние годы — гравитационные волны. Из космоса приходит большое количество информации. Если обладать достаточной сноровкой, эти данные можно регистрировать, а вооружившись знаниями физики, их можно расшифровывать и переводить в форму физических моделей, описывающих реальность.
— Как мы находим новые звезды?
— Звезд огромное количество, и, конечно, не все они описаны. Но такого вида деятельности, как открытие новых звезд, не существует.
— То есть мы просто описываем звезды, которые видим?
— Количество описываемых тем или иным способом звезд зависит от того, что именно мы хотим описать. Чем больше мы хотим знать о звезде, тем больше нужно наблюдений и времени. И поэтому хорошо исследованных звезд мало. Сейчас осуществляется мегапроект: космический телескоп Gaia Европейского космического агентства готовит каталог звезд в обширной окрестности Солнца, в который уже включили больше полутора миллиардов звезд. Но их в нашей Галактике сотни миллиардов.
— А как делаются снимки звезд?
— Если говорить о видимом диапазоне, то процесс фотографирования принципиально не отличается от обыкновенного. Сегодня такая фотография доступна не только профессионалам, но и любителям астрономии. Собственно, астрономия и фотография всегда шли рука об руку, даже само слово «фотография» придумал астроном Джон Гершель.
Но когда мы уходим из видимого диапазона, появляется много проблем. Коротковолновое излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение — не достигает поверхности Земли. Значит, такие телескопы нужно выводить в космос, а это дорого. Излучение в длинноволновой области, в инфракрасном диапазоне, тоже в основном не проходит через нашу атмосферу. И такие телескопы нужно не только выводить в космос, но и охлаждать до очень низких температур, ведь они и сами являются источниками инфракрасного излучения.
С радиодиапазоном большая часть проблем в последнее время связана с тем, что мы очень «шумим» сами. Например, Пущинской радиоастрономической обсерватории даже пришлось менять рабочие частоты своих телескопов, после того как широко распространилась мобильная связь.
— Почему на фотографиях звезды такие красивые?
— Даже когда мы смотрим на снимки видимого диапазона, цвета в них усилены из-за выдержки. Если сравнить фотографию какой-нибудь туманности и то, как она реально выглядит в телескопе, скорее всего, вы будете разочарованы. А если изображение сделано, например, в рентгеновском диапазоне, то цвета на нем будут еще и условными. На фотографиях в рентгеновском, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне все раскрашено руками: мы просто не воспринимаем глазами эти цвета.
— Бывает ли так, что звезда уже давно взорвалась, а мы все еще получаем свет, который от нее исходит?
— Всякий раз, когда мы говорим о каком-то событии в космосе, мы не учитываем время, которое понадобилось свету, чтобы до нас долететь. На самом деле мы говорим не о моменте, когда произошло событие, а о времени, когда мы его заметили. Так что небо в определенном смысле машина времени.
Но на самом деле в мире звезд все происходит очень медленно. Почти все звезды, видимые на небе невооруженным глазом, находятся недалеко от нас, и свет от них шел десятки лет, может, сотни лет. Поэтому в большинстве случаев они выглядят так же, как и в тот момент, когда излучили этот свет.
А вот когда мы смотрим на туманность Андромеды, ближайшую к нам галактику, то видим ее такой, какой она была 2,5 миллиона лет назад. И конечно, какая-то часть звезд, которые мы в ней видим, уже не существует. Когда мы начинаем смотреть еще дальше в космос, то можем заглянуть назад в прошлое на миллиарды лет и понять, как выглядела Вселенная вскоре после образования. Так что мы действительно видим все события в космосе с большой задержкой. Но это скорее плюс, чем минус, потому что благодаря этому мы получаем возможность не только видеть сиюминутную Вселенную, но и наблюдать, как она развивалась во времени.
