«Постоянные светящиеся точки» в небе часто совсем не такие.
«Быть - значит быть значением переменной». - Уиллард Ван Орман Куайн
Мы смотрим на звезды в ночном небе и думаем о них как о относительно постоянных, непоколебимых точках света, сжигающих свое ядерное топливо с постоянной скоростью в течение миллиардов лет. Только на самых последних стадиях жизни мы думаем, что они меняются, становятся гигантами, сжигают новые источники топлива и в конце концов заканчивают свою жизнь.
Тем не менее, для многих звезд «изменчивость» - нормальная, повседневная часть их жизни. Это было эффектно продемонстрировано Европейским космическим агентством чуть менее двух лет назад, когда была показана известная переменная звезда RS Puppis, меняющаяся во времени, и эта переменная яркость отражается световым эхом от окружающего вещества.
Это довольно удивительное зрелище, и я хотел бы рассказать вам, что такое переменные звезды, но я могу придумать три разных ответа, в зависимости от того, какую точку зрения вы принимаете: историческая перспектива, научная перспектива или физический один. Причина этого в том, что есть так много разных вещей, о которых можно говорить, когда речь заходит о переменных звездах.
Итак, давайте сделаем все три!
1.) Исторически Возвращаясь к древним временам, долгое время считалось, что звезды на небе являются неподвижными точками. света. Иногда катастрофическое событие, такое как новая или сверхновая, создавало временно ярко освещенный объект, но это чрезвычайно редко, и лишь немногие из них были видны невооруженным глазом за всю историю человечества. Хотя верно то, что подавляющее большинство звезд кажутся неизменными в своем положении и яркости на небе, это не относится ко всем им.
В 1596 году Давид Фабрициус увидел то, что, по его мнению, было новой звездой, поскольку он увидел, как в августе в небе засияла точка света, а к концу октября она полностью исчезла из поля зрения. Но, к его большому удивлению, светящаяся точка снова появилась в 1609 году. Прежде никогда не появлялась новая звезда; то, что открыл Фабрициус, было вовсе не новой звездой, а Мирой, первой внутренне переменной звездой!
Переменные звезды изначально считались чрезвычайно редкими, так как потребовалось почти два столетия, чтобы их число наконец достигло 10, но количество обнаруженных переменных резко возросло после того, как была разработана техника астрофотографии. Имея возможность напрямую сравнивать видимую яркость звезды в течение нескольких дней, недель, месяцев или даже лет, можно довольно точно измерить как количество вариаций, так и период изменчивости.
В начале 1890-х годов молодая женщина по имени Генриетта Ливитт посещала Общество коллегиального обучения женщин, ныне известное как Колледж Рэдклифф. В 1893 году она была нанята обсерваторией Гарвардского колледжа для измерения и каталогизации яркости звезд из коллекции фотопластинок обсерватории. В частности, она каталогизировала звезды, найденные в Малом Магеллановом Облаке, и в течение следующих двух десятилетий нашла более 1000 переменных, которые она каталогизировала в многочисленные классы переменных звезд.
Но один конкретный класс - переменные цефеид - показал что-то забавное, и Ливитт это заметил. Когда она посмотрела на 25 самых ярких цефеид, им потребовались более длительные периоды времени, чтобы завершить каждый импульс: достичь максимальной яркости, потускнеть и снова вернуться к максимуму. В то время как все звезды изменились примерно на одинаковую величину (с точки зрения визуальной величины), тем, у которых была самая высокая средняя яркость, потребовались месяцы, чтобы снова перейти от яркого к тусклому и к яркому. По мере уменьшения среднего блеска наблюдаемых звезд уменьшался и период переменности звезд; чем тусклее была звезда, тем быстрее менялась ее яркость, вплоть до минимума чуть более одного дня. Фактически, она обнаружила, что существует четко определенная корреляция между тем, насколько яркой в среднем выглядят цефеиды, и периодом времени, который требуется для пульсации.
Эта взаимосвязь известна сегодня как взаимосвязь между периодом и светимостью, и это открытие повлекло за собой некоторые огромные последствия, которые подводят нас ко второму способу ответа на вопрос о переменных звездах.
2.) С научной точки зрения Придерживаясь цефеид, обнаруженных в обзоре Ливитта, все они были звездами, расположенными на значительном расстоянии: около 199, 000 световых лет от нас, в то время как физический размер объекта, в котором находятся звезды, составляет всего порядка 7000 световых лет. Из-за этого все звезды в Малом Магеллановом Облаке находятся примерно на одном и том же расстоянии от Земли, а различия в звездных яркостях соответствуют различиям в том, насколько естественной светимостью обладает каждая из этих звезд. И если существует связь между периодом звезды и ее светимостью, это означало, что если бы вы измерили период переменной звезды-цефеиды, вы бы знали, насколько она светилась сама по себе. Если бы вы затем измерили ее видимую яркость, поскольку вы знаете, как связаны яркость и расстояние, вы могли бы выяснить, насколько далекона самом деле находилась звезда.
Мы называем эти объекты стандартными свечами, потому что, если вы знаете, какова внутренняя яркость излучающего свет объекта, а затем измеряете его видимую яркость, вы можете вычислить, как далеко он находится от вас. Благодаря работе Генриетты Ливитт над переменными звездами-цефеидами у нас появилась стандартная свеча для измерения огромных расстояний в космосе, и это произошло благодаря открытию (и признанию) Эдвином Хабблом переменных звезд, появлявшихся в спиральных туманностях, которые он наблюдал в космосе. 1920-х годов мы смогли понять, насколько далеко эти объекты - теперь признанные далекими галактиками - на самом деле были.
Существует много типов внутренне переменных звезд, которые сильно различаются по цвету и яркости. В дополнение к цефеидам, идентифицированным Ливиттом (которые бывают двух типов), существуют звезды типа RR Лиры с меньшей массой и меньшим периодом, красные гиганты (такие как Мира), пульсирующие белые карлики и целый ряд других, некоторые из которых показано на изображении ниже.
По большей части существуют очень четкие корреляции между легко наблюдаемыми периодами этих объектов и их абсолютными величинами, а это означает, что если мы найдем и идентифицируем объект почти где угодно, мы сможем узнать как далеко это с очень высокой точностью! Что касается науки, то это один из самых важных элементов лестницы космических расстояний. В то время как лучший способ измерить звезды - это использовать параллакс, или насколько их положение смещается в небе в течение календарного года (поскольку Земля вращается вокруг Солнца), но это работает только для звезд на расстоянии 1, 600 световых лет. Миссия Gaia, которая в настоящее время выполняется, работает над увеличением этого расстояния для измерения параллакса в десять раз.
Но есть много переменных звезд в пределах 1600 световых лет от Земли, для которых у нас есть измерения параллакса, и тем не менее есть также переменные звезды, которые мы измерили на расстоянии, превышающем 100 световых лет. миллионов световых лет!
Наблюдая за тем, как эти звезды меняются со временем - как меняется их яркость, как долго длится их период переменности, и определяя, какой класс переменных звезд мы рассматриваем - , мы определили расстояние до тысяч космических объектов за пределами нашей галактики.
Итак, мы знаем, как мы их открыли, мы знаем, для чего они используются, но что заставляет их различаться? Это подводит нас к последнему типу ответов…
3.) Физически Вы можете подумать - как и я (неверно) когда-то - что ядро звезды, где ядерный синтез происходит, претерпевает изменения, которые распространяются на поверхность, вызывая пульсации. Это было бы крайне маловероятно, так как время, необходимое типичному фотону, сгенерированному в ядре, чтобы достичь звездной поверхности, составляет порядка 100 000 лет, в течение которых происходят триллионы столкновений! На самом деле скорость слияния ядер всех известных типов переменных звезд остается постоянной. И все же они различаются!
Подавляющее большинство изменчивости этих звезд можно объяснить тем, что делают самые внешние слои этих звезд.
Видите ли, фотосфера звезды - которая является последней точкой происхождения фотонов перед тем, как они навсегда покинут звезду - это очень особенное место с точки зрения физики. Для совершенно стабильной звезды фотосфера будет оставаться совершенно постоянной во времени, а это означает, что давлению излучения, выталкивающему частицы наружу на поверхность, будет противодействовать сила гравитации, притягивающая эти частицы к центру звезды. Наше Солнце является близким приближением к этому, но даже такая скучная звезда, как Солнце, не идеальна в этом отношении.
Самые внешние слои даже Солнца подвергаются конвекции, когда происходит подъем и опускание материала. Равновесие никогда не достигается в такой системе, как эта, и самый внешний слой проходит через цикл, в котором:
- давление слишком велико, что приводит к расширению звезды,
- по мере удаления от центра звезды гравитационная сила падает, но давление излучения падает быстрее,
- что приводит к тому, что ускорение внешнего слоя останавливается, выходит за пределы равновесия и в конечном итоге достигает точки, в которой гравитация оказывает на него большее внутреннее усилие, чем радиационное давление действует наружу,
- а затем он ускоряется внутрь, заставляя звезду сжиматься,
- прохождение равновесия снова в противоположном направлении, поскольку давление излучения возрастает до точки, где оно снова начинает выталкивать его наружу, заставляя цикл повторяться!
Для нашего Солнца изменчивость интенсивности составляет около 0,1% с течением времени.
Но для того, что мы называем переменными звездами, их яркость и радиус могут варьироваться в поистине огромных пределах, например, на 90% или даже больше! Для такой звезды, как Мира, ее собственная яркость изменяется примерно в тысячу раз в течение одного цикла, в то время как цефеиды обычно имеют радиусы, которые варьируются в миллионы километров, а температуры - в тысячи градусов!
И хотя существует огромное количество информации, в которую можно погрузиться по этой теме - действительно, любители и профессионалы проводят всю свою жизнь, изучая эти объекты - это введение в переменные звезды, как они были открыты, для чего они используются и почему они физически различаются!
Чтобы узнать больше, я настоятельно рекомендую вам посетить AAVSO (Американскую ассоциацию наблюдателей переменных звезд), в которой есть что-то для всех, от исследователей до обычных наблюдателей-любителей. (И я хотел бы особо поблагодарить Майка Симонсена, который первым познакомил меня с этим богатым сообществом.)
Самое безумие заключается в том, что если вы подождете достаточно долго или посмотрите достаточно внимательно, вы обнаружите, что каждая звезда претерпевает период изменчивости в своей жизни. Как и многое другое в этой Вселенной, единственная константа - это изменение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!