ЗВЁЗДЫ

основанной на Стефана
-
Больцмана
законе излучения (а - постоянная Стефана). Радиусы 3. с большими угловыми
размерами могут быть измерены непосредственно с помощью
звёздных интерферометров.
У затменно-двойных 3. могут быть вычислены значения наибольших диаметров
компонентов, выраженные в долях большой полуоси их относительной орбиты.

Вращение звёзд. Вращение
3. изучается по их спектрам. При вращении один край диска 3. удаляется
от нас, а другой приближается с той же скоростью.

Рис. 2. ДиаграммаГерцшпрунга
-Ресселла.

В результате в спектре 3.,
получающемся одновременно от всего диска, линии расшяряются и, в соответствии
с принципом Доплера, приобретают характерный контур, по к-рому возможно
определять скорость вращения. 3. ранних спектральных классов О, В, А вращаются
со скоростями (на экваторе) 100-200 км/сек и больше. Скорости вращения
более холодных 3.- значительно меньше (неск. км/сек). Уменьшение
скорости вращения 3. связано, по-видимому, с переходом части момента количества
движения к окружающему её газо-пылевому диску вследствие действия магнитных
сил. Из-за быстрого вращения 3. принимает форму сплюснутого сфероида. Излучение
из звёздных недр просачивается к полюсам скорее, чем к экватору, вследствие
чего темп-pa на полюсах оказывается более высокой. Поэтому на поверхности
3. возникают меридиональные течения от полюсов к экватору, к-рые замыкаются
в глубоких слоях 3. Такие движения играют существенную роль в перемешивании
вещества в слоях, где нет конвекции.

Зависимости между звёздными
параметрами. Массы 3. заключены в пределах от 0,04 до 100 масс Солнца,
светимости от 5*10^-4 до 10⁵ светимостей Солнца, радиусы
от 2*10^-1 до 10³ радиусов Солнца. Эти параметры связаны
определёнными зависимостями. Наиболее важные из них выявляются на диаграммах
"спектр - светимость" (Герцшпрунга - Ресселла диаграммах) или "эффективная
температура - светимость" и др. Почти все 3. располагаются на таких диаграммах
вдоль неск. полос, схематически изображённых на рис. 2 и соответствующих
различным последовательностям, или классам светимости. Большинство 3. расположено
на гл. последовательности (V класс светимости). Левый её конец образуют
3. класса О с темп-рами 30 000-50 000°, правый -красные звёзды-карлики
класса М с темп-рами 3000-4000°. На диаграмме видна последовательность
гигантов (III класс), в к-рую входят: 3. высокой светимости (т. е. имеющие
большие радиусы). Выше расположены последовательности ещё более ярких сверхгигантов
Ia, Iв и II. (Принадлежность 3. к числу карликов, гигантов и сверхгигантов
обозначалась ранее буквами d, g и с перед спектральным классом.) Внизу
диаграммы расположены белые карлики (VII), размеры к-рых сравнимы с размерами
Земли при плотности порядка 10⁶ г/см³. Кроме
этих осн. последовательностей, отмечаются субгиганты (IV) и субкарлики
(VI). Диаграмма
Герцшпрунга - Ресселла нашла своё объяснение в теории внутр. строения 3.

Внутреннее строение звёзд.
Поскольку
недра 3. недоступны непосредственным наблюдениям,
внутреннее строение 3. изучается путём построения теоретич. звёздных
моделей, к-рым соответствуют значения масс, радиусов и светимостей,
наблюдаемые у реальных 3. В основе теории внутр. строения обычных 3. лежит
представление о 3. как о газовом шаре, находящемся в механич. и тепловом
равновесии, в течение длительного времени не расширяющемся и не сжимающемся.
Механич. равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру
3., и газовым давлением в недрах 3., действующим наружу и уравновешивающим
силы гравитации. Давление растёт с глубиной, а вместе с ним увеличиваются
и плотность и темп-ра. Тепловое равновесие заключается в том, что темп-pa
З.- во всех её элементарных объёмах - практически не меняется со временем,
т. е. что количество энергии, уходящей из каждого такого объёма, компенсируется
приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными
или др. источниками.

Темп-ры обычных 3. меняются
от неск. тыс. градусов на поверхности до десяти млн. градусов и более в
центре. При таких темп-pax вещество состоит из почти полностью ионизованных
атомов, благодаря чему оказывается возможным в расчётах звёздных моделей
применять уравнения состояния идеального газа. При исследованиях внутр.
строения 3. существенное значение имеют предпосылки об источниках энергии,
химич. составе 3. и о механизме переноса энергии.

Осн. механизмом переноса
энергии в 3. является лучистая теплопроводность. При этом диффузия тепла
из более горячих внутр. областей 3. наружу происходит посредством квантов
ультрафиолетового излучения, испускаемого горячим газом. Эти кванты поглощаются
в др. частях 3. и снова излучаются; по мере перехода во внешние, более
холодные слои частота излучения уменьшается. Скорость диффузии определяется
средней величиной пробега кванта, к-рая зависит от прозрачности звёздного
вещества, характеризуемой коэфф. поглощения. Осн. механизмами поглощения
в 3. являются фотоэлектрич. поглощение и рассеяние свободными электронами.

Лучистая теплопроводность
является осн. видом переноса энергии для большинства 3. Однако в нек-рых
частях 3., а в 3. с малой массой - почти во всём объёме, существенную роль
играет конвективный перенос энергии, т. е. перенос тепла массами газа,
поднимающимися и спускающимися под влиянием различия темп-ры. Конвективный
перенос, если он действует, гораздо эффективнее лучистого, но конвекция
возникает только там, где водород или гелий ионизованы частично: в этом
случае энергия их рекомбинации поддерживает движение газовых масс. У Солнца
зона конвекции занимает слой от поверхности до глубины, равной ок. 0,1
его радиуса: ниже этого слоя водород и гелий ионизованы уже полностью.
У холодных 3. полная ионизация наступает на большей глубине, так что конвективная
зона у них толще и охватывает большую часть объёма. Наоборот, у горячих
3. водород и гелий полностью ионизованы, начиная почти от самой поверхности,
поэтому у них нет внешней конвективной зоны. Однако они имеют конвективное
ядро, где движения поддерживаются теплом, выделяющимся при ядерных реакциях.

Звёзды-гиганты и сверхгиганты
устроены иначе, чем 3. гл. последовательности. Маленькое плотное ядро их
(1% радиуса) содержит 20-30% массы, а остальная часть представляет собой
протяжённую разреженную сболочку, простирающуюся на расстояния, составляющие
десятки и сотни солнечных радиусов. Темп-ры ядер достигают 100 млн. градусов
и более. Белые карлики по существу представляют собой те же ядра гигантов,
но лишённые оболочки и остывшие до 8-10 тыс. градусов. Плотный газ ядер
и белых карликов обладает особыми свойствами, отличными от свойств идеального
газа. В нём энергия передаётся не излучением, а электронной теплопроводностью,
как в металлах. Давление такого газа зависит не от темп-ры, а только от
плотности, поэтому равновесие сохраняется даже при остывании 3., не имеющей
источников энергии.

Химич. состав вещества недр
3. на ранних стадиях их развития сходен с химич. составом звёздных атмосфер
(см. Атмосферы звёзд), к-рый определяется из спектроскопич. наблюдений
(диффузионное разделение может произойти лишь за время, значительно превосходящее
время жизни 3.). С течением времени ядерные реакции изменяют химич. состав
звёздных недр и внутр. строение 3. меняется.

Источники звёздной энергии
и эволюция звёзд. Осн.< источником энергии 3. являются термоядерные
реакции, при к-рых из лёгких ядер образуются более тяжёлые; чаще всего
это - превращение водорода в гелий. В 3. с массой, меньшей двух солнечных,
оно происходит гл. обр. путём соединения двух протонов в ядро дейтерия
(лишний заряд уносится рождающимся позитроном), затем превращением дейтерия
в изотоп Не³ путём захвата протона и, наконец, превращением
двух ядер Не³ в Не⁴ и два протона. В более массивных
3. преобладает углеродно-азотная циклич. реакция: углерод захватывает последовательно
4 протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в азот,
затем распадается на гелий и углерод. Окончательным результатом обеих реакций
является синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода с выделением энергии;
ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль катализатора.
Для сближения ядер на такое расстояние, когда может произойти захват, нужно
преодолеть электростатич. отталкивание, поэтому реакции могут идти только
при темп-рах, превышающих 10⁷ градусов. Такие темп-ры встречаются
в самых центр. частях 3. В 3. малых масс, где темп-ра в центре недостаточна
для термоядерных реакций, источником энергии служит гравитационное сжатие
3.

Зная процессы передачи и
выделения тепла, можно решить систему уравнений механич. и теплового равновесия
и рассчитать внутр. строение 3., имеющей данную массу. При этом вычисляются
также радиус и светимость 3., к-рые являются функцией массы. Полученные
таким путём теоретич. зависимости могут быть сопоставлены с диаграммами
"масса - светимость" и "масса - радиус", составленными по наблюдениям 3.
Для 3. гл. последовательности результаты наблюдений согласуются с теорией.
3. др. последовательностей теоретич. зависимостям не удовлетворяют. Причина
появления др. последовательностей заключается в
изменении химич. состава недр 3. в процессе эволюции. Превращение водорода
в гелий увеличивает молекулярный вес газа, вследствие чего ядро сжимается,
темп-pa его растёт, а соседний с ядром газ нормального состава расширяется.
3. становится гигантом, причём на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла она
перемещается по одной из линий, наз. эволюционными треками. Иногда треки
имеют сложный вид; перемещаясь по ним, 3. неск. раз переходит от одного
края диаграммы к другому и обратно. После расширения, а затем рассеяния
оболочки 3. становится белым карликом.

У массивных 3. ядро в конце
эволюции неустойчиво, радиус его уменьшается приблизительно до 10 км,
и
3. превращается в нейтронную (состоит из нейтронов, а не из ядер и электронов,
как обычные 3.). Нейтронные 3. имеют сильное магнитное поле и быстро вращаются.
Это приводит к наблюдаемым всплескам радиоизлучения, а иногда к всплескам
также и оптич. и рентгеновского излучений. Такие объекты наз. пульсарами.
При
ещё больших массах происходит коллапс - неограниченное падение вещества
к центру со скоростью, близкой к скорости света. Часть гравитационной энергии
сжатия производит выброс оболочки со скоростью до 7000 км/сек.
При
этом 3. превращается в сверхновую 3., её излучение увеличивается до неск.
млрд. светимостей Солнца, а затем постепенно, в течение ряда месяцев угасает.
О происхождении и эволюции 3. см. также в ст. Космогония.

Двойные звёзды. Большая
часть 3. входит в состав двойных или кратных звёздных систем (см. Двойные
звёзды). Если компоненты двойных 3. расположены достаточно далеко друг
от друга, они видны отдельно. Это т. н. визуально-двойные 3. Иногда один,
более слабый, компонент не виден, и двойственность обнаруживается по непрямолинейному
движению более яркой 3. Чаще же всего двойные 3. распознаются по периодич.
расщеплению линий в спектре (спектрально-двойные 3.) или по характерным
изменениям блеска (затменно-двойные 3.). Большая часть двойных 3. образует
тесные пары. На эволюцию компонентов таких 3. существенное влияние оказывают
взаимные приливные возмущения. Если один из компонентов 3. вздувается в
процессе эволюции, то при нек-рых условиях из точки её поверхности, обращённой
к др. компоненту, начинается истечение газа. Газ образует потоки вокруг
второго компонента и частично попадает на него. В результате первый компонент
может потерять большую часть массы и превратиться в субгиганта или даже
в белого, карлика. Второй же компонент приобретает часть потерянной массы
и соответственно увеличивает светимость. Поскольку эта масса может включать
газ не только из атмосферы, но и из глубоких слоев, близких к ядру первого
компонента, в двойной 3. могут наблюдаться аномалии химич. состава. Однако
эти аномалии касаются только лёгких элементов, т. к. тяжёлые элементы в
гигантах не образуются. Они появляются при взрывах сверхновых 3., когда
выделяется много нейтронов, которые захватываются ядрами атомов и увеличивают
их вес.

Пекулярные и магнитные
звёзды. Аномалии химич. состава, причём различные в разных местах поверхности
3., особенно часто наблюдаются у т. н. магнитных звёзд. Эти 3., спектральный
класс к-рых близок к АО, имеют на поверхности магнитные поля с очень высокой
напряжённостью (до 10 000 гаусс и больше). Напряжённость поля периодически
меняется со средним периодом от 4 до 9 сут, причём часто изменяется
и знак напряжённости. С этим же периодом обычно меняется и характер спектра,
как если бы менялся химич. состав 3. Такие изменения могут быть объяснены
вращением 3., имеющей два или неск, магнитных полюсов, не совпадающих с
полюсом вращения. Изменения химич. состава при этом объясняются тем, что
на магнитном полюсе сосредоточено больше одних элементов, а на магнитном
экваторе - других. У разных пекулярных (особых) 3., характеризующихся наиболее
существенными особенностями химич. состава, аномалии могут быть разными;
чаще всего наблюдается большой избыток отд. элементов типа Si, Mg, Cr,
Eu, Мп и нек-рых др. и недостаток Не.

Появление этих аномалий обусловлено,
по-видимому, тем, что сильное магнитное поле подавляет конвекцию. При отсутствии
перемешивания происходит медленная диффузия элементов под действием силы
тяжести и давления радиации. Одни элементы опускаются вниз, другие поднимаются
вверх, в результате чего на поверхности наблюдается недостаток первых и
избыток вторых. Магнитные 3. вращаются медленнее, чем нормальные 3.
того
же класса. Это является результатом того, что магнитное поле тормозило
вращение сжимающегося сгустка вещества, из к-рого впоследствии сформировалась
3.

Кроме обычных пекулярных
3. имеются т. н. 3. с металлич. линиями поздних спектральных подклассов
А. У них также есть магнитное поле, но более слабое, и аномалии химич.
состава не так велики. Природа таких 3. пока не изучена.

Нек-рые типы аномалий, напр.
обилие Li, связаны с дроблением более тяжёлых ядер космич. лучами, образующимися
на самой 3. в результате электромагнитных явлений, сходных с хромо-сферными
вспышками. Такие аномалии наблюдаются, напр., у ещё сжимающихся 3. типа
Т Тельца, с сильной конвекцией.

Аномалии др. вида, наблюдаемые,
напр., у гигантов спектрального класса S, обусловлены тем, что глубокая
поверхностная конвективная зона смыкается с центральной конвективной зоной,
что вызывается усилением ядерных реакций на определённом этапе эволюции
3.
В
результате вещество всей 3. перемешивается, и наружу выносятся элементы,
синтезированные в её центральных областях.

Переменные звёзды. Блеск
многих 3. непостоянен и изменяется в соответствии с тем или иным законом;
такие 3. наз. переменными звёздами. 3., у к-рых изменения блеска
связаны с физич. процессами, происходящими в них самих, представляют собой
физич. переменные 3. (в отличие от оптич. переменных 3., к числу к-рых
относятся затменно-двойные 3.). Периодич. и полупериодич. переменность
связана обычно с пульсациями 3., а иногда с крупномасштабной конвекцией.
Вообще говоря, 3. как системам, находящимся в устойчивом равновесии, свойственны
пульсации с собственными периодами. Колебания могут возникнуть в процессе
перестройки структуры 3., связанной с эволюционными изменениями.

Однако, чтобы они не затухали,
должен существовать механизм, поддерживающий или усиливающий их: в период
макс. сжатия 3. необходимо получить тепловую энергию, к-рая уйдёт наружу
в период расширения. Согласно совр. теориям, пульсации у многих типов переменных
3. (цефеиды, переменные типа RR Лиры и др.) объясняются тем, что при сжатии
3. увеличивается коэфф. поглощения; это задерживает общий поток излучения,
и газ получает дополнительную энергию. При расширении поглощение уменьшается,
и энергия выходит наружу. Неоднородное строение 3., наличие в них нескольких
слоев с различными свойствами нарушает регулярную картину, делает изменения
параметров 3. отличными от правильной синусоиды. Осн. стоячая волна колебания
часто находится в глубине 3., а на поверхность выходят порождаемые ею бегущие
волны, к-рые влияют на фазы изменений блеска, скорости и др. параметров
.

Нек-рые виды переменных 3.
испытывают вспышки, при к-рых блеск возрастает на 10-15 звёздных величин
(т. н. новые 3.), на 7-8 величин (повторные новые 3.) или на 3-4 величины
(новоподобные). Такие вспышки связаны с внезапным расширением фотосферы
с большими скоростями (до 1000- 2000 км/сек у новых 3.), что приводит
к выбросу оболочки с массой ок. 10^-5 -10^-4 масс Солнца.
После вспышки блеск начинает уменьшаться с характерным временем 50-100
сут.
В
это время продолжается истечение газов с поверхности со скоростью в неск.
тыс. км/сек. Все эти 3. оказываются тесными двойными, и их вспышки,
несомненно, связаны с взаимодействием компонентов системы, один из к-рых
или оба обычно являются горячими звёздами-карликами. На структуру оболочек,
выброшенных новыми 3., по-видимому, существенное влияние оказывает сильное
магнитное поле 3. Быстрая неправильная переменность 3. типа Т Тельца, UV
Кита и нек-рых др. типов молодых сжимающихся 3. связана с мощными конвективными
движениями в этих 3., выносящими на поверхность горячий газ. К переменным
3. можно отнести и уже упоминавшиеся сверхновые 3. В Галактике известно
св. 30 000 переменных 3.

Работы по изучению 3. в СССР
ведутся на Крымской астрофизич. обсерватории АН СССР, Главной астрономич.
обсерватории АН СССР, в Гос. астрономич. ин-те им. П. К. Штернберга, в
Астрономич. совете АН СССР и др. астрономич. учреждениях. Статьи по этим
вопросам печатаются в "Астрономическом журнале", в журнале "Астрофизика"
и в изданиях обсерваторий. За рубежом исследования 3. ведутся в США, Великобритании,
Австралии и мн. др. странах. В зарубежной лит-ре основным является "Astrophysical
Journal" (США) и ряд др. изданий США, Великобритании и др. стран.

Лит.: Франк-Каменецкий
Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Мустель Э. Р., Звездные
атмосферы, М., 1960; Шварцшильд М., Строение и эволюция звезд, пер. с англ.,
М., 1961; Горбацкий В. Г., Минин И. Н., Нестационарные звезды, М., 1963;
Звездные атмосферы, под ред. Дж. Л. Гринстенна, пер. с англ., М., 1963;
Каплан С. А., Физика звезд, 2 изд., М., 1970; Пульсирующие звезды, М.,
1970; Мартынов Д. Я., Курс общей астрофизики, 2 изд., М., 1971. С. Б.
Пикелънер.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я