Астрономия. Популярные лекции - Владимир Георгиевич Сурдин

Таким образом, вся видимая жизнь Солнца укладывается в несколько этапов. Сначала оно родилось из облака разреженного газа и бóльшую часть жизни живет, почти не меняясь (сейчас мы находимся в середине жизненного пути Солнца). Потом светимость возрастает, и наконец происходят резкие изменения: оболочка начинает быстро распухать, ее гравитационная связь с ядром звезды становится незначительной, и под давлением излучения ядра оболочка сбрасывается и «растворяется» в окружающем пространстве — из звезды возникает так называемая планетарная туманность. Ядро остается, но термоядерных источников энергии у него уже нет, оно расходует свой запас тепла, постепенно охлаждаясь, сжимается и становится плотным объектом. В зависимости от массы из обычной звезды получается либо белый карлик, либо нейтронная звезда, либо черная дыра.

Пертурбации, происходящие со стареющей звездой типа Солнца, особенно сильно проявляются на диаграмме «светимость — температура поверхности». Если предыдущие 9 млрд лет Солнце едва-едва передвигалось в пределах главной последовательности (пока расходовался водород ядра), то, начав превращаться в красный гигант, оно будет стремительно увеличивать размер и светимость, пока водород продолжает «гореть» вокруг гелиевого ядра. Когда оно не выдерживает своего веса, вспыхивает гелий, температура возрастает, и звезда «зависает» на другой последовательности звезд, которые светят благодаря «горению» гелия. Но он быстро (примерно за 100 млн лет) выгорает, и звезда снова становится красным гигантом, уже более ярким. Наконец звезда сбрасывает оболочку и постепенно гаснет.

Рис. 12.7. Условная траектория Солнца на диаграмме Г — Р после покидания им главной последовательности, где свечение звезд обусловлено превращением водорода в гелий.

Это было лишь схематичное описание процесса, а при аккуратном расчете проявляются многие детали. В частности, выявляются критические точки жизни Солнца (рис. 12.7). Так, особенно сильно меняется светимость: Солнце будет светить (и греть Землю) в 4 тысячи раз сильнее, чем сейчас. Радиус в какой-то момент становится больше 200 сегодняшних радиусов Солнца. А сегодня его радиус в 200 раз меньше радиуса земной орбиты. Значит, однажды граница Солнца достигнет Земли. Людей на ней к тому времени давно уже не будет, но что при этом произойдет с самой планетой?

Рис. 12.8. Расчет эволюции плотности и элементного состава в центре водородно-гелиевой звезды с массой Солнца.

Земная орбита тоже не останется неизменной, ведь звезда при расширении будет терять массу, сбросит почти половину. А раз звезда «худеет», планеты по спирали удаляются от нее, потому что гравитация ослабевает. Может, это спасет Землю? Специалисты долго думали, как произвести точные расчеты, учтя всевозможные факторы, чтобы узнать, сгорит ли Земля или сможет уйти от Солнца. И такой расчет был сделан (Schröder K.-P., Smith R. C. Mon. Not. R. Astron. Soc., 2008, v. 386, p. 155–163). Что же он показал?

Радиус орбиты Земли будет постепенно расти, она действительно немного отдалится от Солнца. Но при приближении Солнца вступят в силу такие физические эффекты, как приливное трение, а впоследствии — и газодинамическое сопротивление в атмосфере Солнца. Таким образом, Земля притормозит, приблизится к Солнцу и нырнет внутрь. Марс, однако, сохранится, Юпитер тоже. Ну а Меркурий, Венера и, как выяснилось, Земля будут поглощены превращающимся в красный гигант Солнцем. Само оно этого, конечно, не заметит: масса Солнца будет в 200 тысяч раз больше массы Земли, так что оно проглотит ее и не подавится. Марс в этом смысле более перспективен, потому что, хотя он всего лишь в полтора раза дальше от Солнца, чем Земля, до него оно не доберется.

Рис. 12.9. Эволюционный путь Солнца на диаграмме Герцшпрунга — Рассела. Пунктир — протозвездная стадия (P — protostar). Точка А — начало главной последовательности (ZAMS — zero age main sequence); A — E — главная последовательность; E — F — покраснение; F — H — ветвь красных гигантов; I–L — горизонтальная ветвь. RGB: tip — вершина ветви красных гигантов; AGB: tip — вершина асимптотической ветви гигантов. Затем происходят тепловые пульсации, сброс планетарной туманности и переход к белому карлику.

А как другие звезды главной последовательности будут вести себя на диаграмме Герцшпрунга — Рассела, когда состарятся? Все они эволюционируют в направлении к красным гигантам. Если масса звезды чуть меньше массы Солнца, то от главной последовательности она уходит почти вертикально вверх (т. е. даже при тысячекратном увеличении мощности температура поверхности меняется незначительно). Но чем больше исходная масса звезды, тем меньше она «подпрыгивает» на диаграмме, т. е. температура меняется, а светимость — нет. В чем тут дело?

Рис. 12.10. Эволюция звезд разной массы после покидания главной последовательности. Тонкие диагональные прямые — линии постоянного радиуса, пунктир — начальная главная последовательность. Для звезды с массой 1 M☉ расчет доведен до момента возгорания гелия в центре звезды, для звезд с массой 2, 3 и 5 M☉ — до начала горения углерода, а для еще более массивных звезд — до окончания горения углерода в центральной области. Указано нынешнее положение Солнца и некоторых ярких звезд, а также положение звезды Sk1-69° 202 незадолго до ее взрыва, породившего вспышку сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке.

Физика этого явления очень проста. Массивные звезды являются настолько мощными источниками излучения, что главную роль в поддержании их равновесия, т. е. в противодействии гравитационным силам, играет давление не газа, а излучения. И они не могут стать еще более мощными источниками излучения, иначе их просто разорвет давление света. Такая звезда находится уже на пределе, или, как говорят, в условиях критической светимости, выше которой светимость быть не может. Возрастание мощности приводит к тому, что звезда начинает быстро расширяться, реакции в ней при этом замедляются, а тепловыделение и светимость остаются практически на том же уровне. Поэтому эволюция массивных звезд значительно сильнее отражается на температуре их поверхности, чем на светимости.

А от маломассивных звезд в правом нижнем углу на диаграмме никаких линий не нарисовано. Они светят настолько слабо, что еще многие миллиарды, а то и триллионы лет будут оставаться на главной последовательности, и ничего с ними происходить не будет. Потом они