Диаграмма мироздания

Закончив первоначальное накопление информационного капитала, всякая наука стремится к систематизации знания. Но чтобы решить эту задачу, нужно не просто разложить все «по полочкам», а найти познавательный алгоритм, обнаруживающий закономерности и позволяющий делать прогнозы. Для химии такой универсальной формулой стала таблица Менделеева, для астрофизики – диаграмма Герцшпрунга – Рассела.

3851 0 0

отправить по e-mail

Какая звезда на земном небосклоне самая яркая? Конечно, Солнце! Оно светит и греет так сильно, что на него просто невозможно (и опасно) смотреть. Но оно близко, всего в восьми световых минутах, поэтому на Землю и попадает столько энергии. А что будет, если отодвинуть Солнце на расстояние десять парсек (1 парсек = 3,08568025 × 1016 м)? Тогда оно превратится в едва заметную искорку пятой звездной величины. (Напомним, что по шкале звездных величин, введенной две тысячи лет назад древнегреческим астрономом Гиппархом, человек с идеальным зрением в безлунную ночь может едва-едва различить тусклые звездочки шестой величины.) Так что Солнце на таком расстоянии не увидят 99 процентов землян.

РАССТОЯНИЕ В ДЕСЯТЬ ПАРСЕК упомянуто не случайно. Это стандартное расстояние, принятое астрономами для определения абсолютной звездной величины, то есть в этих условиях появляется возможность сравнивать блеск звезд «по гамбургскому счету», узнавать реальную мощность излучения звезды, называемую светимостью (как это делается – тема для отдельной статьи).

Но и это еще не все. Звезды, кроме мощности излучения, отличаются и по цвету, зависящему от температуры поверхности. Помните забавную фразу про охотника и фазана? У профессиональных астрономов есть похожее изречение: “Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me!” Как несложно догадаться, первые буквы соответствуют спектральным классам O (голубой), B (голубовато-белый), A (белый), F (желтоватый), G (желтый), K (оранжевый) и M (красный). Наше Солнце относится к классу G. Позднее была принята так называемая гарвардская спектральная классификация, согласно которой были добавлены классы W (синевато-голубой), L (темно-красный) и T (коричневый).

НЕСПЕЦИАЛИСТУ эти параметры могут показаться просто нагромождением данных, однако на самом деле, будучи систематизированными, они многое говорят о том, как живут и умирают звезды. Именно такой системный подход предложил в самом начале XX века датский астроном Эйнар Герцшпрунг.

Эйнар Герцшпрунг (Ejnar Hertzsprung) родился 8 октября 1873 года в местечке Фредериксборг недалеко от Копенгагена. С детства его отчаянно влекла к себе наука, переживавшая в ту пору настоящий взлет. Однако учиться Эйнар решил отнюдь не на астронома, как можно было бы ожидать, а на химика, полагая, что грамотному инженеру всегда найдется дело по душе. Эту гипотезу опровергла сама жизнь.
В 1898 году новоиспеченный выпускник копенгагенского «политеха» отправляется в Россию, тогда страну неограниченных возможностей, связанных с бурным промышленным ростом. Блистательный Петербург сыграл в жизни Эйнара двоякую роль. Во-первых, он понял, что практическая химия – не его стезя. Во-вторых, и это самое главное, Герцшпрунга привлекли задачи более академические: научное сообщество русской столицы находилось если не на переднем крае, то уж точно в курсе последних веяний мирового естествознания. Бурно развивались статистическая физика, термо- и электродинамика, оптика, теория излучения.
Внимание Герцшпрунга привлекла сравнительно новая дисциплина – спектральный анализ. Как химика, его восхитила возможность определять состав вещества по спектру его излучения при сгорании. Кроме того, это было единственной возможностью определить химический состав очень удаленных объектов, например, звезд. Вернувшись в 1901 году в Данию, Герцшпрунг направляется в столичный университет и интенсивно занимается астрономией, уделив особое внимание применению фотографии.
На научном симпозиуме Эйнару посчастливилось встретиться с восходящей звездой астрофизики Карлом Шварцшильдом. Они составили выдающийся исследовательский дуэт: первый специализировался на практических фотоизмерениях, взяв на себя получение данных, а второй упирал на теорию, интерпретируя результаты измерений с точки зрения астрофизики.

ПЕРВОНАЧАЛЬНО ГЕРЦШПРУНГ занимался изучением движения звезд в скоплении Плеяды. За несколько лет на 161 фотопластинке, полученной из 15 обсерваторий мира, он измерил движения почти трех тысяч звезд. При этом он добился точности измерений вдесятеро большей, чем у современников (до 0,01"). Этот рекорд был побит только после Второй мировой войны, с внедрением фотоэлектрических методов. Герцшпрунг в итоге получил координаты звезд, составлявших звездное скопление Плеяды. Далее последовала грандиозная серия из 10 тысяч спектральных замеров цвета для этих же звезд и сравнение их с аналогичными величинами для других скоплений.

Собрав огромный массив статистических данных по звездному населению Плеяд, Герцшпрунг в поисках тайных закономерностей построил простую диаграмму, на которой по горизонтальной оси наносились спектральные классы, а по вертикальной – светимости звезд (точно такую же работу в 1913 году проделал астрофизик Генри Рассел, но на основании других данных, полученных из американских и английских обсерваторий).

С САМОГО НАЧАЛА работы возникло множество вопросов. Некоторые участки диаграммы оставались пустыми, хотя можно было ожидать более-менее равномерного распределения объектов. Когда же все данные были нанесены, оказалось, что девять десятых звезд сгруппировалось в узкой длинной диагонали из верхнего левого угла (от голубых сверхгигантов) в нижний правый угол (до красных карликов)! Девяносто процентов – слишком много для случайного совпадения, поэтому полоса была названа главной последовательностью. В правом верхнем углу над главной последовательностью сконцентрировались красные гиганты. Нет, это не название баскетбольной команды, а огромные звезды большой светимости, но по звездным меркам холодные. А в левом нижнем углу расположились белые карлики.

Звездные «судьбы» могут складываться по-разному

НО НАСТОЯЩЕЕ ИЗУМЛЕНИЕ пришло позже, когда Герцшпрунг проделал подобные исследования для других звездных скоплений – Гиад, Яслей и совокупности близлежащих к Солнцу звезд. И везде вид диаграмм практически не отличался! Значит, речь шла не о локальном феномене, а о глобальной закономерности, поиски которой вызвали настоящую бурю не только в астрофизике. Некоторые историки науки берут на себя смелость утверждать, что само появление астрофизики было вызвано стремлением объяснить странности диаграммы Герцшпрунга!

КРАЕУГОЛЬНЫЙ КАМЕНЬ в фундамент новорожденной науки заложил все тот же Карл Шварцшильд, создавший математическую модель главного физического процесса в звездных атмосферах – переноса тепловой энергии из недр к внешним слоям звезды. В основе теории «лучистого равновесия» – предположение об исключительно лучистом переносе тепловой энергии. Решение двух основных уравнений (дифференциального и интегрального) теории позволяет рассчитать распределение энергии в спектре звезды и предсказать физико-химические свойства ее атмосферы.

Теория лучистого равновесия (усложненная и детализированная, она используется во всех современных теориях строения и развития звезд) стала настоящей бомбой, мощь которой позволила ученым внятно ответить на целый ряд фундаментальных вопросов. Например, теперь стало возможным «взвешивание» звезд только на основе характеристик излучения (на расстоянии, например, 5 тысяч световых лет законы небесной механики не применимы, потому что определить орбиты взаимодействующих звезд с нужной точностью нельзя). И это только одно, хотя и крайне важное, следствие!

Генри Норрис Рассел (Henry Norris Russell) родился в 1877 году в Ойстер-Бэй (штат Нью-Йорк). Учился в Принстонском университете, затем занимал должности профессора астрономии и директора местной обсерватории. Долгое время Рассел исследовал эволюцию светил. В 1913 году независимо от Герцшпрунга построил диаграмму, связывающую спектральные характеристики и светимость звезд по результатам изучения снимков, полученных им на фотопластинках в обсерватории Принстонского университета. Однако ученый сделал на основании диаграммы ложный вывод о том, что звезды появляются на свет в виде красных гигантов и со временем вырождаются в белых карликов.

ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ РАБОТА Шварцшильда заставила «чистых» физиков-теоретиков задуматься: откуда в звездах берется столько энергии? Разгрызть этот орешек оказалось не просто, пришлось коренным образом пересмотреть многие основополагающие физические (и не только) постулаты. Построение модели реакций термоядерного синтеза (а это главный источник фантастического количества энергии, излучаемой звездами) стало, пожалуй, самым мощным импульсом к развитию современной физики. Так диаграмма Эйнара Герцшпрунга запустила цепную реакцию открытий в астрофизике.

КОГДА ЖЕ БЫЛ РЕШЕН ВОПРОС об источниках энергии, остался один шаг до объяснения самой диаграммы. Оказалось, что положение звезды на ней определяется всего двумя параметрами: массой и возрастом! Большую часть «жизни» звезда с массой, близкой к солнечной, проводит на главной последовательности, фактически не меняя цвет, температуру и светимость. А вот в «финале» она попадает либо в красные гиганты, либо в белые карлики! Первые – это доживающие свой век звезды с раздувшейся внешней оболочкой (так и диаметр Солнца через 6 миллиардов лет достигнет орбиты Венеры). Они излучают примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но поскольку площадь поверхности излучения гораздо больше, она остается относительно холодной. Вторые – горячие звезды размером с нашу Землю. Из-за малой площади, излучая относительно немного энергии, они достигают высокой плотности, то есть являются высокотемпературными.

ДИГРАММА ГЕРЦШПРУНЦА – Рассела – это звездные «линии судьбы». Сначала звезда главной последовательности (подобная Солнцу) конденсируется из газопылевого облака, уплотняется до давлений и температур, необходимых для начала термоядерного синтеза, и появляется на главной последовательности. Пока звезда горит (запасы водорода не исчерпаны), она остается (как Солнце) на своем месте в основной последовательности, практически не смещаясь. После того как топливо заканчивается, звезда раздувается до размеров красного гиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика.

ЛЮБОПЫТКА, что на работу Герцшпрунга, опубликованную в 1905–1907 годах в узкоспециализированном немецком «Журнале научной фотографии», мало кто из астрономов обратил внимание, а сам Эйнар не считал нужным доказывать свое первенство в создании «диаграммы Рассела». Только в середине 1930-х справедливость была восстановлена, и теперь диаграмма носит имена обоих ученых. Людей, показавших, как на самом деле живут звезды.

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Наука

Ким Александров

Машины и Механизмы