§ 10.3. Переменные звёзды

Определения и обозначения

Переменная звезда — звезда, видимый блеск которой изменяется со временем. Причиной могут быть процессы в самой звезде или внешние обстоятельства, например заслонение её света другим объектом. Это понятие объединяет разные явления, которые можно исследовать по наблюдениям.

Физическая переменная звезда — звезда, блеск которой меняется из-за изменения её температуры, размеров или других физических характеристик. Иными словами, меняется само излучение звезды, а не только то, какая его часть доходит до наблюдателя. Это определение помогает отличать внутренние процессы от затмений.

Затменно-переменная звезда — звезда в двойной системе, видимый блеск которой периодически уменьшается, когда один компонент заслоняет другой. Собственное излучение звёзд при этом может оставаться практически неизменным. Термин указывает на внешнюю причину переменности — взаимное расположение компонентов.

Кривая блеска — график изменения блеска звезды со временем. По его форме можно заметить повторяющиеся изменения, сравнить максимумы и минимумы и определить период. Такой график превращает ряд наблюдений в удобный способ изучать звезду.

Как это устроено

Переменность может быть физической или вызванной внешней причиной. В первом случае меняется излучение самой звезды, поэтому изменяется её светимость. Во втором случае излучение компонента может оставаться прежним, но наблюдатель получает меньше света из-за заслонения. Сравнение вида изменений помогает понять, какой механизм действует.

При пульсациях звезда периодически расширяется и сжимается. Изменение радиуса влияет на площадь поверхности, излучающей свет, а изменение температуры — на интенсивность излучения каждого участка поверхности. Поэтому меняются светимость и наблюдаемый блеск. Когда пульсации повторяются, изменения блеска также приобретают периодический характер.

В двойной системе компоненты движутся по орбитам, то есть обращаются вокруг общего центра масс. Если орбита расположена так, что звёзды периодически проходят одна перед другой для земного наблюдателя, их свет частично перекрывается. Во время затмения блеск системы падает, а после него восстанавливается. Глубина и продолжительность провала зависят от размеров и яркости компонентов, а также от их движения по орбите.

Чтобы построить кривую блеска, наблюдают звезду в разные моменты и записывают её видимый блеск. Затем результаты располагают по времени и отмечают на графике. Период находят по промежутку между одинаковыми фазами — например, соседними максимумами или одинаковыми минимумами. Нужно сравнивать именно повторяющиеся состояния, а не длительность одного провала.

Цефеиды — пульсирующие звёзды, у которых период пульсаций связан со светимостью. Поэтому по измеренному периоду можно определить, сколько энергии звезда излучает в единицу времени. Затем эту светимость сопоставляют с видимым блеском: при одной и той же светимости более далёкая звезда выглядит слабее. Так получают оценку расстояния до цефеиды, а наблюдения цефеид помогают измерять расстояния и до далёких объектов.

Основные типы переменных звёзд

Сначала сопоставь причину изменения с формой кривой блеска: плавные повторения характерны для пульсаций, а провалы — для затмений. Вспышка отличается резким и кратковременным усилением блеска. Таблица помогает не смешивать физические изменения звезды с изменениями видимости системы.

Разбор задач

Задача 1

По наблюдениям звезды установлено, что максимумы её блеска повторяются через 5 суток. Определите период изменения блеска. Максимум — одинаковая фаза кривой, поэтому для периода нужно найти время между соседними максимумами, а не длительность одного максимума.

1. Выбираем одинаковые состояния: два соседних максимума блеска.
2. Промежуток времени между ними по условию равен 5 суткам.
3. Этот промежуток и есть период полного повторения изменений.

Ответ: период равен 5 суткам.

Задача 2

Блеск двойной звезды регулярно уменьшается, а затем восстанавливается; на кривой блеска видны два провала за один цикл. Объясните наблюдения и определите период обращения системы по графику. Провалы указывают на затмения, а два события за цикл могут быть связаны с тем, что компоненты по очереди проходят перед друг другом.

1. Связываем падение блеска с частичным заслонением одного компонента другим.
2. На графике выбираем два одинаковых провала, например более глубокие минимумы.
3. Считываем время каждого выбранного провала и вычитаем первое значение из второго. Полученный промежуток — время повторения такого затмения.

Если в условии под циклом понимается полный оборот системы, интервал между одинаковыми затмениями даёт период обращения. Без числовых значений с графика указать период в единицах времени нельзя. Ответ: два провала вызваны взаимными затмениями; период равен времени между повторяющимися одинаковыми провалами на графике.

Задача 3

Для цефеиды известен период пульсаций и по зависимости «период — светимость» найдена её светимость. Используя измеренный видимый блеск, оцените расстояние до звезды. Здесь период нужен не для прямого измерения расстояния, а для определения собственной светимости.

1. По периоду пульсаций находим светимость цефеиды из заданной зависимости.
2. Связываем светимость L с потоком излучения F, измеренным у Земли: F = L / (4πd²), где d — расстояние.
3. Выражаем расстояние: d = √(L / (4πF)). Подставляем известную светимость и измеренный поток, согласовав единицы.

Если дан только видимый блеск, для расчёта сначала нужно перевести его в поток излучения по принятой шкале. Ответ: расстояние оценивают по формуле d = √(L / (4πF)); численное значение без данных о светимости и потоке получить нельзя.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любое изменение видимого блеска означает изменение светимости самой звезды. Её допускают, потому что наблюдатель видит только общий свет, пришедший от системы, и не всегда учитывает заслонение. Проверь себя: если изменение совпадает с прохождением компонента перед другим, блеск может падать без изменения собственного излучения звёзд.

Ошибка — путать период с длительностью отдельного максимума или минимума. Максимум или провал — только часть кривой, а период охватывает всё время до повторения той же картины. Чтобы проверить себя, отметь два соседних одинаковых состояния и измерь время между ними.

Ошибка — полагать, что затменно-переменная звезда обязательно меняет собственную светимость. Такое предположение возникает из-за того, что система действительно выглядит слабее во время затмения. Проверь объяснение геометрически: если один компонент заслоняет другой, наблюдаемый поток уменьшается даже при неизменном излучении каждого компонента.

Ошибка — смешивать видимый блеск и светимость. Видимый блеск зависит от расстояния до наблюдателя, тогда как светимость характеризует собственное излучение звезды. Перед расчётом расстояния проверь, какие величины даны: нельзя сравнивать наблюдаемый поток со светимостью, не учитывая расстояние.

Связь с другими темами

Для изучения переменных звёзд полезно знать разницу между светимостью и видимым блеском, а также зависимость освещённости от расстояния до источника. Она объясняет, почему одинаково мощные звёзды могут выглядеть по-разному. Сравнение светимости и получаемого потока лежит в основе оценки расстояний.

Тема связана с движением двойных звёзд: орбиты определяют, когда происходят затмения и как часто они повторяются. Она также связана с астрономическими методами измерения расстояний. Цефеиды служат примером того, как свойства звезды, доступные наблюдению, помогают оценивать удалённость объектов.

Что запомнить

• Переменность блеска бывает физической и вызванной внешними причинами.
• Пульсации изменяют размеры и температуру звезды, а следовательно, её светимость.
• Затмения компонентов двойной системы вызывают периодические изменения наблюдаемого блеска.
• Кривая блеска показывает изменение блеска со временем.
• Период — время повторения одинакового состояния переменной звезды.
• Период цефеиды связан с её светимостью.

Кривая блеска пульсирующей звезды схематично показывает повторение одинаковых изменений через равные промежутки времени.