Белые карлики, нейтронные звёзды, пульсары и чёрные дыры

Эти звезды были названы белыми карликами, так как сначала среди них были обнаружены звёзды белого цвета, а значительно позже — желтого и других цветов.

БЕЛЫЕ КАРЛИКИ

Размеры белых карликов небольшие, всего лишь тысячи и десятки тысяч километров, т.е. сравнимы с размерами Земли. Но их массы близки к массе Солнца, и поэтому их средняя плотность — сотни килограммов в кубическом сантиметре.
Примером такой звезды служит спутник Сириуса,обозначаемый обычно как Сириус В. У этой звезды с температурой поверхности 25 000° К диаметр чуть превышает диаметр Земли, а масса равна солнечной, так что средняя плотность превышает 100 кг/см³.
Из-за высокой плотности атомы внутри белых карликов раздавлены, электроны не связаны с ядрами и ведут себя независимо от них. В отличие от других звёзд термоядерные реакции в недрах белых карликов не протекают. Их недра состоят из ядер гелия и других тяжелых элементов.
Эти звёзды светят за счёт запасов тепловой энергии, выработанной в процессе предыдущих этапов эволюции. Через миллиарды лет запасы такой энергии иссякнут, белые карлики остынут и перестанут светиться.

НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ

В 1967 г. астрономы с помощью радиотелескопов обнаружили удивительные радиоисточники, которые испускали периодические импульсы радиоизлучения. Эти объекты назвали пульсарами.
Периоды импульсов пульсаров, которых сейчас известно около 1800, заключены в пределах от нескольких секунд до 0,001 с. Удивляла высокая стабильность повторения импульсов. Так, первый открытый пульсар, который обозначается как PSR 1919, расположенный в неприметном созвездии Лисички, имел период повторения импульсов Т = 1,33730110168 c.

Высокая стабильность периода, доступная только в современных атомных часах, заставила
вначале предположить, что астрономы имеют дело с сигналами, посылаемыми внеземными цивилизациями.
В конце концов было доказано,что явление пульсара ответственны быстро вращающиеся нейтронные звёзды с сильным магнитным полем. Узконаправленное радиоизлучение формируется в области магнитных полюсов. Поэтому период следования импульсов радиоизлучения равен периоду вращения нейтронной звёзды. Эти необычные звёзды имеют радиусы около 10 км и массы, сравнимые с солнечной. Плотность нейтронной звезды фантастическая: ρ = 4,7 · 10¹⁷ кг/м³ она сравнима с плотностью вещества в ядрах атомов. При такой плотности вещество звезды состоит из плотноупакованных нейтронов. По этой причине такие звёзды получили название нейтронных звёзд.
Их существование было предсказано ещё в 30-х гг. ХХ в. советским физиком Л.Д. Ландау. Он теоретически доказал, что в определённых условиях под действием внешнего давления, вызванного большой массой звезды, атомы в её недрах могут быть разрушены. При этом
протоны и нейтроны, входящие в ядра атомов, сблизятся настолько тесно, что плотность возрастёт до 2·10¹⁷ кг/м³. Протоны, захватив свободные электроны от разрушенных атомов, превратятся в нейтроны, так что возникнет сверхплотная нейтронная звезда с размерами, составляющими десятки километров.

ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ

В конце XVIII в. известный астроном и математик П. Лаплас привёл простые, основанные на теории тяготения Ньютона рассуждения, которые позволили предсказать существование необычных объектов, получивших название чёрные дыры.

Известно, что для преодоления притяжения небесного тела с массой М и радиусом R нужна вторая космическая скорость:

При меньшей скорости тело станет спутником небесного тела, при V>V₂ оно навсегда покинет небесное тело и никогда не вернётся к нему. Для Земли V₂ = 11,2 км/с, на поверхности Солнца V₂ = 617 км/с. На поверхности нейтронной звезды с массой, равной массе Солнца, и радиусом около 10 км V = 170000 км/с и составляет всего около 0,6 скорости света.
При ещё меньших размерах вторая космическая скорость будет превышать скорость света. По этой причине даже свет не сможет покинуть небесное тело и дать информацию о процессах, происходящих на его поверхности.
Таким образом, если тело с массой М имеет радиус

то ни один сигнал не покинет его и не достигнет внешнего далекого наблюдателя. Этот предельный радиус называется гравитационным радиусом. Для чёрной дыры солнечной массой М = 2 · 10³⁰ кг гравитационный радиус равен R = 3 км,
Чёрные дыры благодаря своему гравитационному полю могут захватывать вещество, находящееся в окружающем пространстве.

В настоящее время обнаружены чёрные дыры в составе двойных звездных систем. Так, в созвездии Лебедя наблюдается тесная двойная система: одна из звезд, излучающая видимый свет, — обычная звезда спектрального класса В, другая невидимая звезда малого размера излучает рентгеновские лучи и имеет массу около 10 масс Солнца. Эта невидимая звезда представляет собой чёрную дыру размером около 30 км.
Рентгеновское излучение испускает не сама чёрная дыра, а нагретый до нескольких миллионов градусов газовый диск, вращающийся вокруг черной дыры радиусом около 200 км. Этот диск состоит на вещества, которое чёрная дыра своим тяготением вытягивает из яркой звезды.

ДВОЙНЫЕ И КРАТНЫЕ ЗВЁЗДЫ

Телескопические наблюдения показали существование большого количества физически связанных двойных и кратных звезд. Невооруженным глазом можно увидеть несколько двойных звёзд. Мицар — средняя звезда в «ручке ковша» созвездия Большая Медведица — имеет слабенький спутник 5^m Алькор на угловом расстоянии 5′ Наблюдения в крупные телескопы показали, что эти две яркие звезды входят в состав шестикратной звёздной системы, все они связаны общим тяготением.
Хорошо знакомая нам Полярная звезда является тройной звёздной системой, также тройной является ближайшая к Земле α Центавра.
Большой интерес у астрономов вызывает изучение двойных звёзд. Длительные наблюдения за ними позволяют определить элементы эллиптических орбит, по которым они вращаются вокруг друг друга, а по ним определить массу каждой звезды в отдельности. Это пока единственный прямой метод определения масс звёзд.

ЗАТМЕННО-ПЕРЕМЕННЫЕ ЗВЁЗДЫ

Если плоскость их орбиты в двойной системе проходит через наблюдателя, то видно, как одна звезда периодически закрывает другую, и наблюдаются периодические изменения блеска этой двойной системы. С древнейших времён известна такая переменная звезд β Персея, что отражено в её названии —
Алголь, которое в переводе с арабского означает «Глаз дьявола». Недаром древние греки называли
её «Глаз горгоны Медузы, убитой героем Персеем»
Её блеск меняется в пределах от 2,2^m до 3,4^m периодом 2,87 суток.
Изменения блеска этой звезды связаны с её двойственной природой. Большая по размерах
холодная звезда периодически закрывает маленькую, но более яркую звезду, которая обращается
вокруг неё.

Период изменения блеска равен периоду обращения одной звезды вокруг другой.
Алголь и многие другие похожие по своей природе переменные звёзды получили название затменно-переменные звёзды.
Изучение характера изменения блеска и спектров звёзд, входящих в эти двойные системы, позволило определить их массы, радиусы и свойства атмосфер.

ПУЛЬСИРУЮЩИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ ЗВЁЗДЫ

Особый класс переменных звезд составляют пульсирующие переменные звезды, которые меняют свой блеск при пульсациях и изменениях температуры поверхности. Такой известной переменной является звезда красный сверхгигант Мира(Удивительная) в созвездии Кита. Она то исчезает совсем, становясь звездой 9,1^m, то делается красной и яркой звездой 3,5″. Но самой известной пульсирующей переменной звездой является звезда σ Цефея, имеющая чёткий период изменения блеска 5,4 суток. Кривая изменения её блеска представлена на рисунке.

Как было показано российским астрофизиком С.А. Жевакиным, причиной пульсаций звёзд является сравнительно тонкий слой вещества звезды, расположенный на определённой глубине и состоящий из частично ионизованного гелия. При сжатии звезды этот слой делается плотнее, поэтому он задерживает энергию, идущую из центра звезды. Это приводит к увеличению давления, препятствующего сжатию. В силу чего сжатие в итоге прекращается, и начинается процесс расширения. При расширении звезды указанный слой делается более прозрачным, энергия просачивается наружу, давление падает и становится таким, что сила тяготения останавливает расширение и заставляет звезду сжиматься. Затем всё повторяется сначала. Слой частично ионизованного гелия по своему действию напоминает клапан в дизельном моторе, который в момент сжатия впрыскивает внутрь цилиндра энергию и толкает поршень. Поэтому описанный механизм пульсаций звёзд получил название дизельного или клапанного механизма.
Только у звёзд-гигантов и сверхгигантов строение таково, что слой частично ионизованного гелия расположен на достаточной глубине, чтобы эффективно работал клапанный механизм, поддерживающий пульсации переменных звёзд. У обычных звезд и Солнца пульсации не возникают.
Переменные звёзды, похожие по характеру переменности на звезду σ Цефея, получили название цефеиды.
Причина переменчивости блеска цефеид радиальные пульсации. Атмосферы цефеид то расширяются, то сжимаются. При сжатии атмосфера звезды разогревается, а при расширении охлаждается. Мы видим цефеиду наиболее яркой, когда она сравнительно небольшая, но
горячая.
Пульсации цефеид проявляются не только в изменениях блеска. Учёным удалось определить взаимосвязь периода переменности цефеид и их светимости: чем больше период переменности, тем больше светимость.
Хорошо известная нам Полярная звезда является одной из ближайших цефеид.
Цефеиды являются звёздами высокой светимости, поэтому видны даже в далёких галактиках, и их используют для измерения расстояний до галактик. Определив период изменения блеска из наблюдений, по зависимости период — светимость можно определить светимость звезды, а по ней расстояние до цефеиды, а если она входит в звёздную систему (звёздное скопление, галактику), то и расстояние до этой звёздной системы.
Такой метод является одним из важнейших методов измерения расстояния до галактик. Поэтому цефеиды называют маяками Вселенной.

Задачи:

1. В 1054 году в нашей Галактике вспыхнула сверхновая. В настоящее время на этом месте наблюдается Крабовидная туманность. Измерение лучевых скоростей газа в туманности показало, что она расширяется со скоростью около 1200 км/с от центра. Угловые размеры туманности около 5′. Оценить примерное расстояние до Крабовидной туманности.
2. Пульсар NP 0531 знаменитый пульсар в Крабовидной туманности имеет период Т = 0,033 с. Оценить его плотность.

Контрольные вопросы:

1. Как устроены звёзды белые карлики
2. Как устроены и проявляют себя нейронные звёзды
3. Что представляют собой чёрные дыры
4. Что такое двойные и кратные звёзды
5. Что такое цефеиды