§ 24. Переменные и нестационарные звёзды

Определения и обозначения

Переменная звезда — звезда, у которой наблюдаемая яркость меняется со временем. Эти изменения могут повторяться через равные промежутки или происходить нерегулярно. Понятие помогает объединить разные объекты, у которых меняется блеск, и затем выяснить причину переменности.

Кривая блеска — график изменения блеска звезды во времени. По его форме можно заметить плавные пульсации, резкие вспышки или провалы, а по повторению одинаковых участков — определить период. Поэтому кривая служит главным способом описать и сравнить переменность звёзд.

Цефеида — пульсирующая переменная звезда, период изменения блеска которой связан с её светимостью. Светимость показывает, сколько энергии звезда излучает за единицу времени. Эта связь позволяет использовать цефеиды как ориентиры для оценки расстояний до звёздных систем.

Новая звезда — звезда, у которой из-за резкого усиления активности на время сильно возрастает блеск. Название не означает, что звезда только что родилась: вспыхивает уже существующая звёздная система. Определение помогает не спутать вспышку с образованием нового небесного тела.

Как это устроено

Наблюдаемый блеск зависит и от собственного излучения звезды, и от того, сколько её света доходит до наблюдателя. Поэтому переменность не всегда означает, что звезда стала излучать больше или меньше энергии. Причиной могут быть физические изменения самой звезды или изменение условий, в которых мы видим её свет.

Затменно-двойная система состоит из двух звёзд, которые обращаются вокруг общего центра масс. Если их орбиты расположены так, что звёзды периодически проходят одна перед другой, одна компонента закрывает часть света другой. В момент затмения суммарный свет системы уменьшается, а повторение затмений создаёт регулярные провалы на кривой блеска.

Пульсирующая звезда попеременно расширяется и сжимается. При этом меняются её размер и температура, а значит, изменяется и излучаемая энергия; поэтому меняется светимость, а вслед за ней — наблюдаемый блеск. Когда пульсации повторяются, на кривой блеска снова возникают сходные участки через примерно равные промежутки времени.

У цефеид период пульсаций связан с их светимостью: чем дольше период, тем выше светимость звезды. Измерив период по кривой блеска, астроном может определить, сколько света цефеида излучает в действительности. Затем эту светимость сопоставляют с наблюдаемым блеском: поскольку поток света ослабевает с расстоянием, по разнице оценивают, как далеко находится звезда.

Нестационарные звёзды претерпевают быстрые и масштабные физические изменения. Вспышки новых и сверхновых не следует считать одним и тем же явлением: они связаны с разными процессами и различаются масштабом выделяемой энергии. Сверхновая сопровождается особенно мощным выбросом энергии и вещества, поэтому её последствия намного масштабнее обычного увеличения блеска при вспышке новой.

Основные типы переменных и нестационарных звёзд

Сначала сопоставьте причину изменения блеска с наблюдаемым рисунком: периодические провалы могут указывать на затмения, а повторяющиеся подъёмы и спады — на пульсации. Затем обратите внимание на масштаб и длительность события. Таблица помогает различать механизм переменности и астрономическое значение каждого типа.

Разбор задач

Задача 1. Блеск звезды регулярно уменьшается через одинаковые промежутки времени. Предложите возможную причину переменности. В условии подчеркнута регулярность минимумов, поэтому нужно искать процесс, который повторяется с одним и тем же периодом. Одно из возможных объяснений — звезда входит в затменно-двойную систему.

1. Отмечаем, что уменьшение блеска повторяется, а значит, событие происходит циклически.
2. Предполагаем, что рядом есть звезда-спутник, и компоненты обращаются вокруг общего центра масс.
3. Когда спутник проходит перед наблюдаемой звездой, он закрывает часть её света и блеск системы падает.

Ответ: возможная причина — периодическое затмение в двойной системе. Это не единственное объяснение переменности, но оно согласуется с повторяющимися минимумами.

Задача 2. По кривой блеска определите период переменной звезды: соседние максимумы разделены интервалом 5 суток. Максимум — одинаковая фаза цикла, поэтому расстояние по времени между соседними максимумами показывает длительность полного повторения. При этом важно выбирать именно соседние максимумы, а не максимумы через несколько циклов.

1. Находим на кривой два последовательных максимума блеска.
2. Считываем время каждого максимума и определяем разность: по условию она равна 5 суткам.
3. Проверяем, что между выбранными точками не пропущен ещё один максимум, то есть речь идёт о соседних фазах.

Ответ: период переменной звезды равен 5 суткам. Это означает, что одинаковое состояние кривой блеска повторяется через такой промежуток времени.

Задача 3. У цефеиды установлен период пульсаций и по известной зависимости периода от светимости найдена её светимость. Как оценить расстояние до звезды? Найденная светимость — это собственная характеристика звезды, а наблюдаемый блеск показывает, какой поток света дошёл до нас. Чем дальше звезда, тем слабее наблюдаемый поток при той же светимости.

1. Измеряем период пульсаций по повторяющимся одинаковым фазам кривой блеска и по зависимости для цефеид определяем светимость.
2. Измеряем видимый блеск, то есть поток излучения у наблюдателя, и сравниваем его с найденной светимостью.
3. Используем ослабление потока с расстоянием: при удалении в несколько раз поток уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
4. Из сопоставления светимости и наблюдаемого потока находим расстояние; в реальной задаче также учитывают поглощение света межзвёздной пылью.

Ответ: расстояние оценивают по известной светимости цефеиды и измеренному видимому блеску. Одного периода недостаточно: он помогает найти светимость, а для расстояния нужно также измерение наблюдаемого излучения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что всякая переменность вызвана изменениями самой звезды. Так думают, потому что график показывает изменение блеска, но причина может быть геометрической: в двойной системе одна звезда затмевает другую. Проверьте себя вопросом, может ли меняться количество света, доходящего до наблюдателя, без изменения светимости звезды.

Ошибка: путать светимость с видимым блеском. Эти величины близки по смыслу, но светимость характеризует собственное излучение, а наблюдаемый блеск зависит ещё и от расстояния. Чтобы проверить себя, спросите: сравниваются ли звёзды как источники излучения или по тому, насколько яркими они кажутся с Земли?

Ошибка: считать новую звезду только что родившейся. Такое толкование подсказывает само название, однако при вспышке возрастает блеск уже существующей звёздной системы. Проверка проста: новое название явления не означает, что появился новый объект.

Ошибка: смешивать новые и сверхновые звёзды. Оба названия связаны со вспышками, поэтому явления легко принять за одно, но причины и масштаб изменений различны. Сравните последствия: сверхновая выделяет особенно много энергии и выбрасывает вещество, тогда как вспышка новой — другое событие.

Связь с другими темами

Для разбора переменности нужно различать светимость звезды и её видимый блеск, а также учитывать, что с расстоянием наблюдаемый поток света ослабевает. Законы движения небесных тел помогают понять, почему компоненты двойной системы периодически оказываются на одной линии зрения и вызывают затмения. Связь периода пульсаций цефеид со светимостью позволяет применять их для определения расстояний в астрономии. Изучение вспышек новых и сверхновых помогает исследовать поздние стадии эволюции звёзд.

Что запомнить

• Переменность звезды может быть связана с изменением её излучения или с затмением спутником.
• Кривая блеска показывает, как меняется наблюдаемый блеск со временем.
• Пульсирующие переменные периодически изменяют размер и светимость.
• Цефеиды важны для определения расстояний до звёздных систем.
• Новые и сверхновые — вспышки звёзд, а не рождение новых звёзд.
• Сверхновые сопровождаются особенно мощным выбросом энергии и вещества.