Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (цвет-светимость)

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела, для наиболее известных звезд

Помните раздел о видах звезд в детской энциклопедии? Большинству известна эта картинка: ряд звезд с Солнцем посередине, увеличивающихся по размеру слева направо. Это, пусть и в упрощенном виде, диаграмма Герцшпрунга-Рассела — одна с основополагающих классификационных астрономических систем. Подобно другим популяризированным научным теориям, диаграмма ГР дала человечеству куда больше, чем просто наглядную демонстрацию классификации космических светил. С ее помощью астрономы смогли упорядочить один с центральных процессов во Вселенной — эволюцию звезд.

Путь к истине

Вывели диаграмму Герцшпрунга-Рассела в начале двадцатого века — переломный период для астрономии. Вместо описания космических объектов, протоколирования их движения и периодических явлений, астрономы задались новым вопросом — почему все происходит именно так?

Эволюция Звезд

Построение диаграммы стало результатом одним из множества логических экспериментов, проводимых в то время. Американцу Норрису Расселу и датчанину Эйнару Герцшпрунгу одновременно пришла в голову идея. Что будет, если выстроить звезды в одну систему координат, где их положение по вертикальной оси зависело бы от силы свечения, а по горизонтальной — от температуры? Если бы звезды распределились по системе равномерно, никакого открытия не было бы. Но любое отклонение от порядка показало бы закономерность в устройстве светил, объясняющая многие загадки.

Так и случилось. Если сила свечения по оси Y будет расти снизу вверх, а температура по оси X — справа налево, то звезды делятся на три четко выраженные группы — последовательности, как их именуют астрофизики:

• Посередине, с верхнего левого в нижний правый угол, тянется Главная последовательность — ряд обычных, карликовых звезд, составляющих 90% от количества звезд во Вселенной. К ним относится и наше Солнце. Их температура прямо пропорциональна светимости — чем горячее звезда, тем ярче она горит.
• В верхнем правом углу собрались светила, которые очень яркие, но с низкой температурой — на это указывает их красный цвет. В этой последовательности собрались звезды гиганты и сверхгиганты.
• Ниже главной последовательности находятся звезды, нагревающиеся до голубого и белого цветов, а света излучают совсем немного. Это — белые карлики.

Разделение на последовательности не было самоцелью создания диаграммы. Выявленная закономерность между энергией и излучением звезды, связанная с протеканием внутреннего термоядерного процесса, стала иллюстрацией самой наглядной динамики во Вселенной — эволюции звезд.

ГЕРЦШПРУНГА — РЕССЕЛЛА ДИАГРАММА — графич. изображение зависимости абс. звёздная величина — спектральный класс звёзд. Вместо спектр. класса в качестве координаты на графике могут использоваться показатель цвета или эффективная температура звезды, а вместо абсолютной звёздной величины — светимость звезды. Спектр. класс и показатель цвета определяются в основном темп-рой звезды, следовательно, положение звезды на Г.- Р. д. характеризует соотношение между её важнейшими наблюдаемыми параметрами — темп-рой и светимостью. Это соотношение обусловлено гл. обр. хим. составом, массой и эволюц. статусом звёзд, поэтому исследование Г.- Р. д. явл. важнейшим источником сведений об эволюции звёзд.

Название Г.- Р. д. связано с именами дат. астронома Э. Герцшпрунга и амер. астронома Г. Ресселла. Герцшпрунг в 1905-07 гг. показал, что голубые звёзды явл. абсолютно наиболее яркими и что существуют две осн. группы красных звёзд — яркие и слабые, а также построил первую диаграмму видимая звёздная величина — показатель цвета для звёздного скопления; Ресселл опубликовал в 1914 г. первую диаграмму спектр. класс — абс. звёздная величина.

На рис. 1 и 2 приведены Г.- Р. д. для звёзд с известными расстояниями до них и спектр. классами. Абс. большинство звёзд находится в пределах полосы, пересекающей диаграмму по диагонали. Эту полосу наз. главной последовательностью (ГП) или последовательностью нормальных карликов. Вторая по населённости область — красных гигантов, светимости и радиусы к-рых на неск. порядков превосходят светимости и радиусы звёзд ГП тех же спектр. классов. В верхней части диаграммы с ГП смыкается область немногочисл. сверхгигантов, к-рая пересекает всю Г.- Р. д. Между ГП и нижней частью области гигантов расположены субгиганты, а примерно на 10 звёздных величин ниже ГП — белые карлики. Примечательно существование т. н. провала Герцшпрунга — области между ГП и гигантами, в к-рой количество звёзд на неск. порядков ниже, чем в соседних областях. На рис. 3 показано положение на Г.- Р. д. нек-рых наиболее близких к Солнцу звёзд.

Эволюция звёзд описывается на Г.- Р. д. кривыми — эволюц. треками, зависящими в основном от массы и исходного хим. состава звезды. Населённость отдельных областей Г.- Р. д. определяется временем, к-рое звёзды на своём эволюц. пути проводят в данной области, и светимостями, к-рые они при этом имеют. На ГП находятся звёзды на стадии горения водорода в ядре, к-рая занимает ~90% всего времени жизни звезды, а красные гиганты и сверхгиганты — это в основном звёзды на стадиях горения в их ядре гелия и последующих ядерных реакций. Продолжительность этих стадий »10% времени жизни звезды. Если Г. — Р. д. строится для звёзд, отобранных до определённой звёздной величины, то, напр., массивные яркие сверхгиганты, видимые и на больших расстояниях, представлены лучше, чем значительно более многочисленные, но очень слабые белые карлики.

Большинство пульсирующих звёзд — цефеиды, звёзды типов RR Лиры, d Щита, RV Тельца, W Девы, переменность к-рых обусловлена одним и тем же механизмом (см. Пульсации), на Г.- Р. д. расположены в очень узкой «полосе нестабильности» (рис. 1).

Звёзды на Г.-Р. д., изображённые на рис. 1-3, имеют различный хим. состав и возраст. Важную роль играют Г.- Р. д. для звёздных скоплений, звёзды к-рых сформировались из вещества практически с одним и тем же хим. составом и имеют одинаковый возраст. При построении этих диаграмм нет необходимости знать абс. величины звёзд, т. к. все они находятся на практически одинаковом расстоянии от Солнца. Более того, совмещая ГП скопления со стандартной ГП, можно осуществить абс. калибровку Г.- Р. д. скопления. На рис. 1 в ст. Возраст небесных тел показана схематич. комбинированная Г.- Р. д. нескольких типичных рассеянных и шаровых звёздных скоплений. Во всех скоплениях есть звёзды ГП, однако характерный поворот или излом ГП у конкретных скоплений начинается при разных звёздных величинах. Положение точки поворота ГП характеризует возраст скопления. Яркие массивные звёзды, находящиеся в верхней части ГП, исчерпывают свои термоядерные источники энергии быстрее слабых и поэтому раньше покидают ГП. Отсутствие их на ГП показывает, что они либо ушли в область красных гигантов, либо закончили эволюцию, превратившись в нейтронные звёзды или белые карлики. Следовательно, чем ниже расположена точка поворота, тем больше возраст скопления. Сравнение Г.- Р. д. скоплений показывает, в каком направлении изменяются темп-ры и светимости звёзд со временем, и позволяет использовать Г.- Р. д. скоплений в теории эволюции звёзд.

ГП скоплений в действительности размыты; их ширина порядка одной звёздной величины. В молодых скоплениях могут быть звёзды, к-рые ещё не закончили гравитац. сжатие и поэтому лежат выше ГП. Выше ГП могут лежать неразрешённые на компоненты двойные звёзды. Размывает ГП также вращение звёзд.

Шаровые скопления, звёзды к-рых отличаются от звёзд рассеянных скоплений большим возрастом и особенностями химического состава, имеют и несколько иные Г.- Р. д. Из-за меньшего обилия металлов их ГП лежат ниже, чем у рассеянных скоплений, а гиганты более ярки. В шаровых скоплениях хорошо представлены субгиганты и можно выделить звёзды горизонтальной ветви между ГП и гигантами. Горизонтальную ветвь образуют звёзды малых масс с малым обилием металлов на стадии истощения гелия в звёздном ядре. На пересечении горизонтальной ветви с полосой нестабильности расположены пульсирующие звёзды типа RR Лиры. Г.- Р. д. шаровых скоплений показывают, что это старейшие объекты Галактики, т. к. у них с ГП сейчас уходят звёзды, возраст к-рых более 1010 лет.

Результаты расчётов эволюции звёзд позволяют воспроизвести все детали Г.- Р. д. скоплений в зависимости от хим. состава и возраста и объяснить эволюц. статус большинства образующих их звёзд. Это явл. убедительным свидетельством правильности направления, в к-ром развивается совр. теория эволюции звёзд.

Лит

.: Происхождение и эволюция звезд, пер. с англ., М., 1962; Мартынов Д. Я., Курс общей астрофизики, 3 изд., М., 1979.

(Л.Р. Юнгельсон

)

Жизненный путь звезды

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

С момента образования, звезда в развитии не стоит на месте — и в диаграмме Герцшпрунца-Рассела это видно лучше всего. Рождение, старение и смерть светила отслеживается по диаграмме ГР четкой линией, называемой «эволюционным треком». Взяв, к примеру, трек нашего Солнца, можно выделить следующие этапы:

• После рождения, около 90% «жизни» звезда располагается в Главной последовательности — поэтому к ней и принадлежит больше всего звезд. Срок такого стабильного существования непосредственно зависит от положения в диаграмме. Чем выше и левее звезда, тем ярче она и горячее — следовательно, в ней быстрее выгорает водород. Звезды пониже — тусклее, они могут существовать десятками миллиардов лет. Солнце тут заняло «золотую середину». Оно горит уже 5 миллиардов лет и будет гореть примерно столько же.
• Что случится, когда водород — звездное топливо — полностью выгорит? В Солнца, как и в других небольших звезд, происходит гравитационное сжатие — коллапс. Так как энергии становится меньше, силы тяготения начинают сильнее сжимать ядро звезды. От этого загорается гелий в ядре — «пепел» от первичного горения водорода. Сила этого процесса такова, что светило расширяется в десятки раз и светится ярче. Но энергия горения гелия не превышает энергию водорода, и за счет увеличения площади, звезда остывает до красного цвета. Так Солнце превратится в красного гиганта, покинув Главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела ради высот гигантов.

  

  Фотография красного сверхгиганта Бетельгейзе

• Но для звезд класса Солнца взлет вверх быстро заканчивается. Гелий заканчивается куда быстрее, чем водород — и гравитация сжимает ядро в маленькую плотную звезду, белого карлика, которой только и остается что остывать. В итоге, звезда падает вниз по диаграмме, где и остается до самого конца.
• Звезд покрупнее ждет куда более яркая участь. Гелия в них достаточно, чтобы продолжать реакцию. После гелия термоядерную «эстафету» принимает новообразованный углерод, затем — магний. Рано или поздно звезда достигает критической массы, после которой взрывается в сверхновой. Ее энергия и свечение может быть сильнее, чем во всех звезд Вселенной одновременно. По диаграмме ГР, сверхновая находится необозримо высоко.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Как вы, возможно, помните, наряду с рейтингом у вашего покорного слуги в отношении биатлонистов имеется и так называемая «звёздная» система, а точнее – таблица критериев, соответствующая астрономической таблице классов светимости звёзд. Её «корни» (три основных биатлонных класса) уходят в 2013 год, «листья» (все остальные) распустились позже.

Многие из этих «листьев» по ходу жизни, разумеется, опадали. И сегодня хотелось бы пересчитать те из них, которые остались висеть на дереве. Или, если уж и опали, то совсем недавно. Это «или» нужно потому, что в отношении ряда спортсменок до сих пор нет чёткого ответа на вопрос, продолжат ли они карьеру – в следующем сезоне и вообще.

Начнём, разумеется, с теории:

Итак, «светимость» той или иной звезды определяется максимально просто – «валовым методом», который понравится не всем. И всё же резкость навести хочется. Кому угодно, пусть продолжает эту мою таблицу – например, называет спортсменок, хоть разок попадавших в TOP-20, «планетами», в TOP-30 – «спутниками», в TOP-40 – «астероидами», ну и так далее.

Самыми тусклыми звёздочками являются нейтронные звёзды. К ним относятся (по алфавиту; в скобках – лучшее достижение):

Итак, Джулию Рэнсом и Хильде Фенне мы с вами больше не увидим вообще, а Ирину Услугину не увидим, по крайней мере, в следующем сезоне. Перспективы Дианы Расимовичюте и Элизабет Хёгберг также туманны.

Теперь – белые карлики (в скобках – набранные второстепенные очки, по возрастанию):

Дарья Юркевич «вышла из игры», но все остальные, вроде, в ней остаются. Наибольшие шансы перейти в следующую категорию, пожалуй, у Евы Пускарчиковой – требуется всего-то одно попадание в TOP-6. Впрочем, в последнем сезоне таковых у неё не было.

Далее – субкарлики (в скобках – набранные второстепенные очки, по возрастанию):

Вероники Новаковски больше нет, Екатерины Глазыриной ещё долго, по крайней мере, не будет, а вот насчёт Ирины Старых столь жёстко уже не выскажусь – с этого «папика» Леонида Гурьева станется… Ну, а ведущий мировой субкарлик на данный момент – любительница обнажённой защиты животных.

Самые обычные звёзды во Вселенной – карлики главной последовательности (в скобках – набранные второстепенные очки, по возрастанию):

Компания, как видите, подобралась весьма пёстрая: тут вам и австрийка с когда-то залетевшей победой, и покинувшая нас на время россиянка, и шведская олимпийская чемпионка редькинско-юрловского типа, и лишь недавно переставшая быть неудачницей немка, и одна из двух «туманных» полек, и главный французский новичок последнего олимпийского цикла, и планирующая провести 8-й сезон с попаданием в TOP-10 американка, и четверо спортсменок, закончивших по разным причинам свою карьеру…

Ну, и, конечно, один милый раскосый персонаж, поклонники которого по-прежнему на многое надеются и язвительные комментарии в чей адрес порой банят. Только вот, к большому сожалению верующих с оскорблёнными чувствами, их любимица от этого не ускоряется – в течение трёх последних сезонов она не очень-то стремилась выйти из данной группы. Хотя, конечно, ничто не мешает за глаза называть её «наше солнышко» (всё-таки Солнце – тоже карлик главной последовательности).

Но мы переходим к следующей группе – под названием субгиганты (в скобках – набранные второстепенные очки, по возрастанию):

Опять-таки – разнопёрая, но весёлая компания: попавшаяся немка, нездоровая норвежка, националистическая украинка, побитая француженка, «туманные» полька и швейцарка… И всерьёз метящая в новые биатлонные звёзды чешка.

Итак – биатлонные звёзды, они же нормальные гиганты (указаны набранные основные баллы):

Если Валентина Семеренко, скорее всего, уже никуда отсюда не уйдёт (разве что наберёт ещё пару второстепенных очков и станет звездой по всем статьям), то Доротея Вирер и Тириль Экхофф, одержав ещё по одной победе, вполне могут перейти в следующую – в данный момент пустующую – категорию.

Это – большие звёзды, они же яркие гиганты (указаны набранные основные баллы):

Опустела же категория сия в связи с покинувшей нас Мари Доран-Абер – увы, так и не сумевшей пройти дальше.

А дальше – уже мегазвёзды, или нормальные сверхгиганты (указаны набранные основные баллы):

Вернее, одна Анастасия Кузьмина. Без неё данная категория опустела бы вместо предыдущей, поскольку её прежняя представительница в прошлом сезоне ушла в следующую категорию.

Это – яркие сверхгиганты (указаны набранные основные баллы):

Ушедшей была – совершенно верно, Лаура Дальмайер, поскольку Кайса Мякяряйнен и Дарья Домрачева обретались в данной категории уже давно.

Последняя (ждём две недели, да?) имеет шанс пройти ещё дальше – в категорию «ярчайшие сверхгиганты», где ещё никто из женщин, за исключением Магдалены Фошберг (60 основных баллов), не бывал.

Ну, а категорию «гипергиганты» оставим уж в покое – даже Мартан Фуркад только-только в неё пробился, составив, наконец, компанию муженьку претендентки на жаркое.

Именно такова на сегодняшний день женская биатлонная диаграмма Герцшпрунга-Рассела.

Немного истории

С диаграммой Герцшпрунга-Рассела связан небольшой курьез — как это часто случалось в науке, ее вывели двое ученых одновременно. Американец Рассел изучал долгое время закономерности развития звезд, и создал концепцию диаграммы в 1909 году — ее так и называли «диаграммой Рассела» Однако, Герцшпрунг в Дании, независимо от коллеги, вывел в точности такую же систему, и даже опубликовал плоды своего труда в 1905 году. Поскольку печать он вышел в тематическом журнале о фотографии и на немецком языке, о его первенстве мир узнал только в 1930-х годах. Тогда к названию и добавили имя Герцшпрунга.