На рис. 6.3, г приведена диаграмма Г-Р нашего искусственного звездного скопления в возрасте 4,2 миллиарда лет. Ее вид существенно отличается от исходной диаграммы. Теперь только самая нижняя часть главной последовательности заполнена звездами. Видно, как более тяжелые звезды образуют изгиб вправо, после которого звезды размещаются вдоль ветви, круто идущей вверх. Эта диаграмма заметно отличается от предыдущих, поскольку легкие звезды развиваются не так, как тяжелые. На рис. 6.3, г показаны звезды типа нашего Солнца, которые перемещаются в область красных гигантов. Если сравнить нашу диаграмму для искусственного звездного скопления с диаграммой Г-Р шарового звездного скопления на рис. 2.9, то мы увидим, что ее характерная структура напоминает диаграмму для очень старого звездного скопления. Здесь мы подошли к границам возможностей современной теории развития звезд. Астроном, изучающий реальное звездное скопление, увидит, как и теоретик, что нижняя часть главной последовательности заполнена звездами и что более тяжелые звезды расположены вдоль кривой, которая вначале изгибается направо, а затем резко идет вверх. Однако наблюдатель увидит еще и множество звезд, светимость которых в видимой области спектра в сотни раз превышает светимость нашего Солнца и которые расположены вдоль горизонтальной линии на диаграмме Г-Р. Эта так называемая горизонтальная ветвь на диаграмме Г-Р шарового звездного скопления отсутствует на диаграмме Г-Р нашего искусственного, вымышленного скопления. Значит, в реальном скоплении имеются звезды, находящиеся на таких стадиях развития, которые современная теория еще не может описать. Вспомним, что когда в наших расчетах звезды проходили все известные стадии развития, мы удаляли их из нашего скопления и больше не рассматривали. Поэтому они отсутствуют на последней картинке.
Таким образом, наши расчеты смогли объяснить важные особенности диаграммы Г-Р наблюдаемого звездного скопления. Теперь мы уже точно знаем, почему заполнена звездами только нижняя часть главной последовательности и почему более тяжелые звезды перемещаются направо, в область красных гигантов. Мы надеемся, что наши компьютерные модели описывают реальные процессы в недрах звезд. Такое мнение подтверждается и другими результатами.
Пульсирующие звезды
Вернемся к развитию звезды, масса которой в 1 раз больше солнечной. Мы пока еще не обращали внимания на то, что наша звезда во время своего развития несколько раз пересекает примечательную полосу на диаграмме Г-Р, которая на рис. 6.2 ограничена двумя параллельными штриховыми линиями. В этой полосе расположены переменные звезды типа Дельты Цефея, так называемые цефеиды.
Звезда Дельта Цефея является одной из наиболее ярких в этом созвездии. В 1784 г. Джон Гудрайк заметил, что яркость этой звезды меняется. Позже мы еще вернемся к другому важному открытию этого рано умершего глухонемого английского астронома. Вскоре было обнаружено, что яркость этой звезды изменяется с периодом в 5 дней (рис. 6.4). Максимальная яркость этой звезды примерно в 2,5 раза превышает минимальную. Впоследствии было обнаружено много таких звезд. Периоды изменения их яркости различны, в интервале от одного до 40 дней. Температура их поверхности составляет примерно 5300 градусов. Величина их светимости показывает, что они не принадлежат к главной последовательности. Все цефеиды достигли в своем развитии области красных гигантов.
Рис. 6.4. Зависимость яркости звезды 5 Цефея от времени. Яркость этой звезды возрастает и убывает с периодом 5,4 дня.
Мы уже видели, что путь развития звезды с массой в 7 раз больше солнечной много раз проходит через эту стадию. Первый раз наша звезда пересекает полосу цефеид слева направо. Чтобы миновать эту полосу, такой звезде нужно около тысячи лет. Второй раз она проходит ее справа налево и для этого нужно уже 350000 лет. В это время в недрах звезды уже началось ядерное превращение гелия в углерод, поэтому звезда перемещается по диаграмме Г-Р медленно, ее движением «управляет» горение гелия. Что происходит со звездой, которая достигает на своем пути область, где расположены цефеиды? Почему изменяется ее светимость, когда она находится в полосе, показанной на рис. 6.2 пунктирными линиями? Чем определяется период изменения яркости? Сегодня мы знаем, что меняется не только светимость: звезда периодически увеличивается и уменьшается в размерах в такт с изменением яркости. Такая звезда пульсирует. Почему же пульсируют звезды, когда они находятся в определенной полосе на диаграмме Г-Р?
Строго говоря, ответ на этот вопрос можно найти уже в книге Эддингтона о внутреннем строении звезд, которая вышла в 1926 г. Однако сэр Артур С. Эддингтон, умерший в 1944 г., так и не узнал, насколько близко он подошел к разгадке поведения пульсирующих звезд почти за двадцать лет до того. Следующий большой шаг в решении этой проблемы вслед за Эддингтоном сделал в 1952 г. советский математик Сергей Жевакин. Но вначале его работа была мало кому известна. Только в 1961–1961 годах Джон Кокс из Боулдера (Колорадо) и Норман Бейкер (Нью-Йорк) вместе со мной провели в Мюнхене более точные расчеты, которые подтвердили теорию Эддингтона — Жевакина для пульсации цефеид. Еще и сегодня мы не можем детально объяснить все свойства таких звезд, однако в основном понимаем, почему они пульсируют. Я покажу это на примере простой модели. Конечно же, такая модель позволяет объяснить только главные эффекты.
Термодинамическая модель для переменных звезд (цефеид)
Гравитационные силы удерживают звездное вещество от разлетания. В нормальной звезде давление газа и сила тяжести в точности уравновешивают друг друга. Простая модель позволяет рассмотреть некоторые особенности такого равновесия, о котором мы часто говорили выше. На рис. 6.5, а показан подвижный тяжелый поршень, который может перемещаться в цилиндре. В цилиндре под поршнем находится газ. Поршень сжимает этот газ и мешает молекулам газа разлететься. Сила тяжести прижимает поршень вниз, однако он не может опуститься до самого дна. Он находится на определенной высоте над дном цилиндра. Если поршень опустится ниже, то газ под ним дополнительно сожмется, его давление возрастет и вернет поршень обратно в положение равновесия. Когда поршень неподвижен, его вес в точности компенсируется давлением газа под ним. Такое состояние очень похоже на равновесие между силой тяжести и давлением газа в любой точке в недрах звезды.
Рис. 6.5. Сжатие газа поршнем в цилиндре позволяет смоделировать процессы в цефеидах, а-в цилиндре с поршнем (слева) и в недрах звезды (справа) сила тяжести и давление газа находятся в равновесии; б — если привести поршень в движение, то он будет колебаться, но силы трения скоро остановят его; в — через газ, находящийся в цилиндре, проходит излучение. Если в сжатом состоянии газ поглощает больше энергии, чем в разреженном, то давление газа будет действовать против сил трения и периодическое движение поршня не будет затухать.
Если же мы теперь специально выведем поршень из равновесия и немного прижмем его вниз, то поршень начнет колебаться. Если поршень опустится ниже положения равновесия, то давление сжавшегося газа превысит его вес и вытолкнет поршень обратно. Если же он поднимется выше положения равновесия, то давление газа упадет, и сила тяжести вновь вернет поршень вниз. Теперь поршень уже не будет оставаться в положении равновесия. Если он однажды придет в движение, то затем уже будет по инерции проскакивать положение равновесия и начнет колебаться вверх и вниз между двумя крайними точками. Газ при этом служит своего рода пружиной. При сжатии поршень передает газу часть своей энергии. Во время расширения газа эта энергия возвращается поршню. Потери энергии не происходит, поскольку в нашей модели трение пренебрежимо мало. При таких условиях поршень будет перемещаться в цилиндре бесконечно долго. Если трение отсутствует, то максимальное отклонение поршня от средней точки будет постоянным. Период движения поршня зависит от характеристик нашей модели, например от массы поршня и от средней температуры газа.
Поведение звезд в общих чертах напоминает нашу модель. Если сжать звезду равномерно со всех сторон, а затем «отпустить», то возросшее давление газа будет расталкивать звездное вещество во все стороны наружу, и диаметр звезды превысит равновесное значение. После этого сила тяжести окажется больше давления газа. Она будет возвращать газ в сторону центра звезды. Звезда начнет пульсировать. Если ее однажды вывести из равновесия, то затем эти пульсации будут продолжаться долго. Период пульсации звезды можно вычислить по аналогии с периодом пульсации нашего поршня, зная ее свойства: массу, распределение температуры по глубине, а также ее внутреннее строение.
