Получены детальные снимки звезд возрастом 12,8 миллиарда лет

Как ученые узнают возраст звезд

Астрономам важно знать возраст звезд, чтобы провести различные исследования. Эта информация влияет, как на изучение эволюции Вселенной, так и каждого объекта в отдельности. Например, понимание возраста конкретной звезды позволяет определить успела ли развиться жизнь в ее планетарной системе. Но как ученые способны узнать звездный возраст?

На самом деле, этот процесс может быть довольно сложным, но существует определенная схема. Проще всего разобраться со звездными объектами, которые существуют в скоплениях. Ведущая теория гласит, что звезды в скоплениях появились из одного материала и примерно в одно время. Поэтому состав и возраст этих объектов должны быть схожими.

Жизненный цикл звезды

Можно выделить два главных типа скоплений: шаровые и рассеянные. Первые представляют собою скопления древних объектов, которые по возрасту достигают возраста самой Вселенной. А вот рассеянные скопления включают в себя огромный диапазон возрастов, среди которых есть и юные объекты.

Когда у вас есть целое скопление, то вы наносите на карту цвета и яркость звезд, формируя шаблон. Речь идет о диаграмме Герцшпрунга — Рассела. В ней числятся также спектральный класс и температура звезды. Далее следуем за звездной эволюцией. В определенный период звезды достигают взрослой фазы, переходя на этап главной последовательности. Длительность этой фазы зависит от массы звезды.

Как только создадим график и внесем все необходимые данные, можно определить массу звезд, заканчивающих фазу главной последовательности и переходящих к этапу красных гигантов. Далее в ход вступают компьютерные модели, которые предсказывают, какой возраст у этих звезд в зависимости от массы.

То есть, главную роль здесь играют наблюдения и понимание строения и эволюции звезд. Ученые знают, насколько быстро протекают ядерные реакции внутри звезды, когда осуществляется переход и сколько он длится. Чем массивнее звезда, тем короче длительность каждой стадии. Поэтому можно установить пределы звездного возраста на конкретной стадии.

Однако существуют звезды, которые не входят в состав скоплений. Их возраст определить намного сложнее. Здесь приходится полагаться на спектральный анализ. Изучение спектров выводит нас на состав. Так как звездное развитие заключается в трансформации водорода в гелий, то соотношение этих элементов выведет нас на примерный возраст: чем больше возраст, тем меньше водорода и больше гелия.

Но провести расчет все равно сложно, потому что в ходе эволюции звездный состав меняется, а масса сокращается. А ведь скорость трансформации водорода в гелий зависит от массы и состава звезды. Поэтому исследователям приходится восстанавливать чуть ли не всю историю звезды, затем учесть массу, состав, светимость и провести расчеты. И все это основывается на нашем понимании общего эволюционного пути для всех звезд.

Важно понимать, что все указанные для звезд цифры возрастов – лишь примерные, и они уточняются с улучшением методов наблюдения и расчетов. Например, в одном из последних исследований ученые попытались проследить зависимость между возрастом звезды и скоростью вращения. Команда считает, что вращение должно замедлиться с течением времени. Чтобы это проверить, нужно провести исследования на звездах в скоплениях. Если идея сработает, то будет намного проще узнать возраст одиноких звезд.

Определение возраста звёзд

В большинстве современных учебников, энциклопедий и справочников возраст Солнца оценивается в 4,5-5 миллиардов лет. Еще столько же ему отводится, чтобы «догореть».

В первой половине XX века развитие ядерной физики достигло такого уровня, что стало возможным рассчитывать эффективность различных термоядерных реакций. Как было установлено в конце 30-х годов, при физических условиях, существующих в центральной области Солнца и звезд, могут происходить реакции, приводящие к объединению четырех протонов (ядер атома водорода) в ядро атома гелия. В результате такого объединения освобождается энергия и, как следовало из расчетов, этим путем обеспечивается свечение Солнца в течение миллиардов лет. У звезд-гигантов, расходующих свое ядерное горючее (протоны) более расточительно, время жизни должно быть гораздо короче, чем у Солнца — всего десятки миллионов лет. Из этого был в те же годы сделан вывод о рождении таких звезд и в наше время. Относительно звезд меньшей массы, подобных Солнцу, многие астрономы продолжали придерживаться мнения, что все они, как и Солнце, образовались миллиарды лет тому назад.

В конце 40-х годов В.А. Амбарцумян использовал совершенно иной подход к проблеме определения возраста звезд. Он основывался на имевшихся в то время обширных наблюдательных данных о распределении звезд различных типов в пространстве, а также на результатах собственных исследований динамики звезд, то есть их движений в гравитационном поле, создаваемом всеми звездами Галактики. В.А. Амбарцумяном были сделаны на указанной основе два важнейших не только для астрофизики, но и для всего естествознания вывода:

1. Звездообразование в Галактике продолжается и в настоящее время. 2. Рождение звезд происходит группами.

Эти выводы не зависят ни от предположений о механизме образования звезд, который в те годы не был установлен с уверенностью, ни от природы источников звездной энергии. Они базируются на сделанном В.А. Амбарцумяном открытии нового вида звездных скоплений, названных им звездными ассоциациями.

До обнаружения звездных ассоциаций астрономам были известны в Галактике звездные группировки двух типов — открытые (или рассеянные) скопления и шаровые скопления. В открытых скоплениях концентрация звезд не очень значительна, но все же они выделяются на фоне звездного поля Галактики. Скопление другого типа — шаровое — отличается высокой степенью концентрации звезд и при недостаточно хорошем разрешении представляется единым телом. Такое скопление состоит из сотен тысяч звезд, создающих достаточно сильное гравитационное поле, которое удерживает его от быстрого распада. Оно может существовать долгое время — порядка 10 миллиардов лет. В открытом скоплении насчитывается несколько сотен звезд и, хотя оно представляет собой гравитационо связанную систему, эта связь не очень прочная. Скопление может распасться, как показали сделанные В.А. Амбарцумяном расчеты, за несколько сотен миллионов лет.

Ученые из НАСА с беспрецедентной точностью определили возраст нашей Вселенной. По оценка астрономов, он составляет 13,7 миллиардов лет, а первые звезды засветили через 200 миллионов лет после Большого Взрыва. С этого момента Вселенная непрерывно расширяется, распыляется и охлаждается… вплоть до полного небытия.

Раньше астрофизики считали, что нашему миру от 8 до 20 миллиардов лет, потом остановились на диапазоне 12-15 миллиардов, оставляя за собой право на 30%-ную ошибку. Нынешняя оценка имеет погрешность в 1 %. Что же до «периода беременности» у первой звезды, то его раньше предполагали лежащим в границах от 500 миллионов до миллиарда лет. Еще более интересен качественный состав вещества Вселенной. Оказывается, только 4% материи составляют атомы, на которые распространяются известные законы электромагнетизма и гравитации. Еще 23 процента состоят из так называемого «темного вещества» (ученые мало что знают о его свойствах). Ну а целых 73% всего сущего — совсем уж загадочная «темная энергия» или «антигравитация», побуждающая Вселенную расширяться. Получается, что мы знаем, что ничего не знаем на 96 %. Сутки были первой естественной единицей меры времени, регулировавшие труд и отдых. Сначала сутки делили на день и ночь, и только много позже на 24 часа.

Звездные сутки определяются периодом вращения Земли вокруг своей оси относительно любой звезды. Истинный полдень наступает на разных меридианах Земли в разное время, и для удобства принято соглашение о делении земного шара на часовые пояса, которые проходят через 15 градусов по долготе, начиная с меридиана Гринвича. Это – Лондонский меридиан 0 градусов долготы, и пояс назван нулевым (западноевропейским).

Секунда – общепринятая единица времени, примерно с периодом 1 с бьется сердце человека. Исторически эта единица связана с делением суток на 24 ч., 1 ч – на 60 мин, 1 мин – на 60 с.

Атомная секунда – интервал времени, в течение которого совершается почти 10 млрд колебаний атома Сs — (9 192 631 830).

Календарем называется система отчета длительных промежутков времени, в которой установлен определенный порядок счета дней в году и указано начало отчета.

Определение возраста по спектру

На первый взгляд может показаться, что для определения состава Солнца или звезды необходимо добыть хотя бы немного их вещества. Однако это не так. Состав того или иного небесного тела можно определить, наблюдая с помощью специальных приборов приходящий к нам от него свет. Этот метод называется спектральным анализом и имеет большое значение в астрономии. Суть этого метода можно уяснить следующим образом. Поставим перед электрической лампой непрозрачную преграду с узкой щелью, за щелью — стеклянную призму, а несколько поодаль — белый экран. В электрической лампе светится накаленная твердая металлическая нить. Вырезанный щелью узкий пучок белого света, пройдя сквозь призму, разлагается на составные цвета и дает на экране красивое цветное изображение, состоящее из участков различного цвета, непрерывно переходящих друг в друга, — это так называемый непрерывный световой спектр, похожий на радугу. Вид спектра накаленного твердого тела зависит не от его состава, а только от температуры тела. Иное положение имеет место при свечении веществ в газообразном состоянии. При свечении газов каждый из них светится особым, только ему одному свойственным светом. При разложении этого света с помощью призмы получается набор цветных линий, или линейчатый спектр, характерный для каждого данного газа (рис. 1). Таково, например, свечение неона, аргона и других веществ в газоразрядных трубках, или так называемых лампах холодного света.

Спектральный анализ основан на том, что каждое данное вещество можно отличить от всех остальных по спектру его излучения. При спектральном анализе смеси нескольких веществ по относительной яркости отдельных свойственных каждому веществу линий можно определить относительное содержание той или иной примеси. При этом точность измерений такова, что позволяет определить наличие малой примеси, даже если она составляет всего одну стотысячную долю от общего количества вещества. Таким образом, спектральный анализ является не только качественным, но и точным количественным методом исследования состава смеси. Направляя на небо телескопы, астрономы исследуют характер движения звезд и состав излучаемого ими света. По характеру движения небесных тел определяют размеры звезд, их массу и т. д. По составу света, излучаемого небесными телами, с помощью спектрального анализа определяется химический состав звезд. Относительное содержание водорода и гелия в исследуемой звезде определяется путем сравнения яркости спектров этих веществ.

Поскольку развитие звезды сопровождается непрерывным превращением внутри нее водорода в гелий, то чем старше звезда, тем меньше в ее составе водорода и больше гелия. Знание их относительного содержания позволяет вычислить возраст звезды. Однако этот расчет совсем не прост, потому что в процессе эволюции звезд их состав изменяется, а масса уменьшается. Между тем скорость, с которой в звезде идет превращение водорода в гелий, зависит от ее массы и состава. Более того, в зависимости от начальной массы и начального состава эти изменения протекают с разной скоростью и несколько различными путями. Таким образом, для того чтобы правильно определить возраст звезды по наблюдаемым величинам — светимости, массе и составу, нужно в некоторой мере восстановить историю звезды. Именно это делает все расчеты довольно сложными, а их результат не очень точным.

Тем не менее для многих звезд соответствующие измерения и расчеты были произведены. По данным А. Б. Северного в Солнце содержится водорода 38 %, гелия 59 %, остальных элементов 3 %, в том числе углерода и азота около 1 %. В 1960 г. Д. Ламбер на основании данных о массе, светимости и составе Солнца, а также детальных расчетов предполагаемой его эволюции получил значение возраста Солнца, равное 12*109 лет. При изучении истории развития небесных тел нет ни необходимости, ни возможности следить за какой-нибудь одной звездой от ее рождения до ее старости. Вместо этого можно изучить много звезд, находящихся на различных этапах своего развития. В результате таких исследований удалось выяснить не только настоящее, но также прошлое и будущее звезд и, в частности, нашего Солнца. Вначале Солнце очень расточительно тратило массу и энергию и сравнительно быстро перешло к своему современному состоянию, характеризующемуся более спокойным и ровным существованием, при котором происходят лишь крайне медленные изменения его светимости, температуры и массы. В этом уже «зрелом» возрасте Солнце просуществует еще много миллиардов лет.

Затем вследствие накопления большого количества гелия прозрачность Солнца уменьшится и соответственно уменьшится его теплоотдача. Это приведет к еще большему разогреванию Солнца. К этому времени запасы водородного «горючего» в Солнце почти иссякнут, поэтому после сравнительно непродолжительного разгорания Солнца начнется относительно быстрое его угасание. Впрочем, все это случится с нашим Солнцем не скоро, не меньше чем через десяток миллиардов лет.

Встречаются такие звезды, в которых содержание водорода много больше, чем в нашем Солнце, а также и такие, в которых водорода очень мало. В. А. Амбарцумян, Б. А. Воронцов-Вельяминов и Б. В. Кукаркин показали, что в Галактике имеются молодые звезды, например ряд сверхгигантов, возраст которых не превышает всего одного или десяти миллионов лет, а также и старые звезды, возраст которых много больше возраста нашего Солнца.

Наша Галактика представляет собой гигантское скопление звезд, связанных между собой силами притяжения и таким образом объединенных в общую систему. Расстояния, отделяющие нас от Солнца и других звезд, огромны. Поэтому для их измерения астрономы ввели специфические единицы длины. Расстояние от Земли до Солнца получило название: астрономическая единица длины. Как известно, 1 а. е. = 149,6 млн. км. Расстояние, которое свет проходит за один год, называется световым годом: 1 св. год = 9,46х1012 км = 1013 км. Расстояние, на котором радиус земной орбиты виден под углом в 1 секунду названо секундным параллаксом или сокращенно — парсек (пк). Таким образом, 1 пк=3,26 св. года = 3,085х1013 км.

Наша Галактика имеет форму очень плоского диска. В ней содержится около 1013 звезд. Солнце — одна из них. Вся эта система медленно вращается, однако не как твердое тело, а скорее как тело полужидкое, вязкое. Угловая скорость вращения Галактики убывает от ее центра к периферии так, что в 8 килопарсеках от центра период обращения составляет около 212 миллионов лет, а в районе Солнца, т. е. на расстоянии 10 килопарсеков от центра, — 275 млн. лет. Именно этот период обычно называют галактическим годом. Очевидно, что возраст Галактики следует определять по самым старым из входящих в нее звезд. В 1961 г. Г. Арп исследовал ряд наиболее старых звезд. Для старейшего рассеянного скопления NGC 188 он получил значение возраста, равное 16х109 лет, а у одного из старейших шаровых скоплений М5 возраст оказался равным 20х109 лет. По оценкам Ф. Хойла и др. возраст некоторых близких к Солнцу звезд: 8 Эридана и u Геркулеса А, составляет (10—15)х109 лет.

В настоящее время возраст Галактики удалось определить и другими методами, и при этом получились несколько иные результаты. Рассмотрение этих методов и сравнение полученных с их помощью результатов представляет большой интерес и приведено далее.