19 сентября отмечается День астрономии – одной из древнейших наук, которая изучает строение, происхождение и развитие небесных тел и систем, в том числе звезд. Ученый Пермского Политеха рассказал, как эти космические объекты омолаживаются за счет своих соседей, поют, остывают до минусовой температуры и превращаются в гигантские алмазы, а также откуда внутри них черные дыры и правда ли, что чайная ложка их вещества может весить больше всего человечества.
Звезда — это огромный раскалённый шар, внутри которого постоянно идут ядерные реакции: одни атомы превращаются в другие, и при этом выделяется столько энергии, что она начинает светиться.
– Именно по этому признаку она отличается от планет, комет, астероидов и спутников. Это холодные тела, которые лишь отражают чужое излучение. Звезда же — это самодостаточный источник света и тепла, работающий за счёт интенсивных внутренних реакций в своём ядре, – комментирует эксперт в области астрономии Пермского Политеха Евгений Бурмистров.
Мы состоим из звездной пыли
– Действительно, каждый атом в нашем теле когда-то был частью звезды. После Большого взрыва Вселенная состояла в основном из водорода и гелия — самых легких элементов. Все остальные, включая углерод, кислород, кальций и железо, были «выкованы» позже, внутри звезд, в ходе термоядерных реакций. Когда массивные звезды исчерпывали топливо, они взрывались, разбрасывая эти элементы по космосу, где они становились строительным материалом для новых звезд, планет и, в конечном счете, для жизни, – отмечает Евгений Бурмистров.
Кальций в ваших костях и железо в крови — это буквально осколки древних звездных ядер. Так что, когда вы смотрите на ночное небо, то созерцаете свое собственное происхождение: мы все — звездная пыль, которая обрела способность думать и чувствовать.
Чайная ложка нейтронной звезды весит больше всего человечества
Нейтронные звезды – это остатки массивных светил, которые очень сильно сжались под действием собственной гравитации после взрыва. Их радиус не превышает 10–20 км – для сравнения у Солнца он равен примерно 696 000 км. Во Вселенной их относительно немного, примерно 0,1 % от общего числа звёзд.
Маленькая горсть вещества нейтронной звезды действительно превышает по массе суммарный вес всех людей на Земле.
– Дело в экстремальной плотности. Представьте: гигант массой в полтора-два раза больше Солнца сплющивается в шар диаметром всего около 20 километров. В обычных условиях атомы и их ядра разделены большими промежутками, но в нейтронной звезде их буквально «вдавливает» друг в друга. В результате электроны и протоны сливаются в одну крайне плотную частицу – нейтрон, – отвечает Евгений Бурмистров.
Иными словами, вся звезда оказывается спрессована до размеров небольшого города. Поэтому в одной чайной ложке такого вещества сосредоточена масса порядка 2–2,5 миллиарда тонн. Это в 3–6 раз больше веса целого человечества, который равен приблизительно 400–500 миллионам тонн.
Звезды-вампиры «высасывают энергию» из своих соседей
У некоторых звезд есть супер-способность – они будто останавливают время и вообще не стареют. Обычно светила тускнеют и краснеют, но часть из них сохраняет яркий голубой цвет и высокую температуру, характерные для новых, только появившихся космических тел. Секрет кроется в том, что они питаются за счет соседних звезд, расположенных в непосредственной близости от них самих. Астрономы называют их «звёздами-вампирами». Самый известный пример — система Алголь в созвездии Персея, удалённая от нас примерно на 93 световых года.
– Такие «вампиры» всегда располагаются рядом с меньшим, более слабым светилом и постепенно перетягивают на себя водород с его поверхности. Этот химический элемент — главное топливо любой звезды. Благодаря нему в её недрах идут термоядерные реакции, выделяющие огромное количество тепла. Пока запасов достаточно, звезда горит ярко и горячо. Но когда они истощаются, реакции замедляются, и объект начинает стареть — тускнеть, остывать, менять цвет с голубого на красный. Однако, получив свежую порцию водорода от соседки, светило вновь становится голубым, – объясняет Евгений Бурмистров.
По сути, звезда-вампир «перезагружает» свой возраст, используя чужую энергию, и поэтому остается моложе, чем ее ровесники.
Звезды могут превращаться в гигантские алмазы
На расстоянии около 50 световых лет от Земли в созвездии Центавра находится объект BPM 37093. Это белый карлик — остывшее и сжавшееся ядро когда-то яркой звезды. Со временем оно почти полностью превратилось в гигантский алмаз.
– Сам по себе алмаз — это просто углерод, частицы которого расположены в строго определенном порядке. В обычных условиях при нормальном давлении углерод существует в виде графита, например, в стержне простого карандаша, — его атомы лежат слоями и легко отделяются друг от друга. Но если сжать его с огромной силой, частицы перестраиваются в очень плотную и прочную кубическую решетку — так и получается драгоценный камень. Согласно современным гипотезам, внутри белого карлика давление настолько колоссальное – в миллионы раз больше, чем нужно для образования земных алмазов, – что углеродное ядро звезды на протяжении миллиардов лет сжималось и затвердевало, принимая ту самую упорядоченную структуру, – рассказывает Евгений Бурмистров.
Это не единственный пример — таких «алмазных» белых карликов во Вселенной много, просто BPM 37093 стал первым и самым известным.
Существуют звезды с черной дырой внутри
В этом году астрономам удалось обнаружить совершенно новый тип космического тела – черную дыру, которая окружена плотным звездоподобным коконом из водорода. Объект по размерам сопоставим со всей Солнечной системой, излучает яркий красный свет и, по расчетам ученых, сформировался через 660 миллионов лет после Большого взрыва. Солнечной системе и Земле около 4,6 миллиарда лет — то есть этот «кокон» появился гораздо раньше, чем наша планета.
Вероятнее всего, объект возник следующим образом. Когда звезда исчерпала все свои ресурсы и у нее закончилось топливо, ее опустевшее ядро стремительно начало сжиматься в точку с огромной плотностью, поглощая все на пути. Так на его месте появилась чёрная дыра. Ученые полагают, что во Вселенной таких небесных тел множество, но пока что нашли и изучили только этот.
– Вместо типичного для звезд термоядерного синтеза — процесса, при котором легкие атомы сливаются в более тяжелые, выделяя огромное количество энергии, — здесь свет рождается за счет активности черной дыры. Падающее на нее вещество закручивается в диск, слои которого движутся с разной скоростью и трутся друг о друга; это разогревает материю до миллионов градусов, и она начинает светиться. Такой механизм — самый эффективный способ производства энергии во Вселенной: в нее превращается до 40 % массы вещества, тогда как синтез дает лишь около 0,7 %. Именно поэтому объект светит в сотни миллиардов раз ярче обычной звезды, оставаясь при этом черной дырой, скрытой от нас оболочкой, – отвечает Евгений Бурмистров.
Бывают звезды с минусовой температурой
Мы привыкли считать звёзды самыми горячими объектами во Вселенной, но это не всегда так. Существуют космические тела, которые формируются так же, однако их температура может опускаться ниже нуля.
Такие объекты называются коричневыми карликами — это промежуточное звено между планетами и звёздами. Всё дело в том, что температура любого светила напрямую зависит от термоядерного синтеза: пока в его недрах идут реакции, она горячая и излучает ультрафиолет. У коричневых карликов массы не хватает для стабильного запуска этого процесса — они могут лишь ненадолго начать синтез, но без постоянного источника энергии быстро остывают.
– Самый яркий пример — объект WISE 0855–0714. Его ядро так и не разогрелось до температур, при которых водород превращается в гелий. Без этого постоянного источника энергии он с самого начала был обречён на медленное остывание. И всё же он светит — но не за счёт реакций, а за счёт остаточного тепла, накопленного при сжатии. Гравитация резко сплюснула его до крошечных размеров, и вот уже миллиарды лет он постепенно отдаёт эту энергию в космос, остывая всё сильнее. Сейчас его температура колеблется по разным данным от –3 до –48 °C, а излучает он в основном в инфракрасном диапазоне, невидимом для глаза, — поделился Евгений Бурмистров.
На текущий момент известно около 3000 коричневых карликов, но сколько из них обладают минусовой температурой пока сказать сложно. Приблизительные оценки показывают, что в одной только нашей Галактике их может быть от 25 до 100 миллиардов.
Некоторые звезды, включая наше Солнце, действительно «поют», а точнее издают колебания, которые распространяются в ее недрах и заставляют поверхность слегка пульсировать.
– Внутри светила постоянно происходит движение вещества: раскаленная плазма поднимается из глубин к поверхности, остывает там и снова опускается вниз, как кипящая вода в кастрюле. Эти потоки создают «толчки», которые заставляют всю звезду сжиматься и расправляться обратно. Эти колебания и создают акустические волны, которые распространяются по всей толще объекта, – делится Евгений Бурмистров.
Услышать эти «песни» напрямую мы не можем, потому что их звук лежит в диапазоне примерно 0,003 герц, который человеческое ухо не способно уловить. Но ученые распознают их с помощью астросейсмологии — метода, который фиксирует микроскопические изменения яркости и движения поверхности звезды. По этим колебаниям исследователи определяют размер, массу, возраст и внутреннее строение светила.
Но не все звёзды пульсируют: примерно 30 % светил, которые по теории должны были бы колебаться, остаются «молчащими», и почему так происходит, учёные до сих пор не знают.
Звезды могут рождаться парами
Множество звезд во Вселенной существуют не в одиночестве, как наше Солнце, а в парах или целых группах. Двойные системы, в которых несколько светил связаны гравитацией и вращаются вокруг общего центра, — самый распространенный тип, они встречаются в 75 % случаев, но есть и тройные, и даже с шестью звездами.
– Причина в том, что облако газа и пыли, из которого формируются светила, почти всегда распадается на несколько сгустков, а не сжимается в один — гравитация и вращение буквально разрывают его на части, и каждая становится отдельной звездой. Если они находятся достаточно близко, то связываются гравитацией и образуют единую систему, вращаясь вокруг общего центра масс. Взаимное притяжение удерживает их от распада миллиарды лет. А вот чтобы получилась одна звезда, исходное облако должно быть идеально однородным, что в реальности случается гораздо реже, – говорит Евгений Бурмистров.
Если бы у нашей планеты было четыре солнца, восходы и закаты превратились бы в настоящее световое шоу: светила всходили бы в разное время, отбрасывая несколько теней, а день сменялся бы причудливыми сумерками. Однако у этого были бы разрушительные последствия. Земля получала бы в четыре раза больше тепловой энергии, из-за чего океаны бы испарились, а атмосфера рассеялась.
