1. Главная последовательность, красные гиганты и белые карлики

Определения и обозначения

Главная последовательность — область на диаграмме Герцшпрунга—Рассела, где находятся звёзды, сжигающие водород в ядре. Внутри звезды водород превращается в гелий, а выделившаяся энергия поддерживает её равновесие. Это основной и самый длительный этап жизни большинства звёзд.

Красный гигант — звезда, расширившаяся после исчерпания водорода в ядре. Её поверхность остывает и становится краснее, но общий поток энергии обычно возрастает. Термин помогает отличить большую холодную оболочку от компактного горячего ядра.

Белый карлик — компактный горячий остаток звезды, в котором уже не идут обычные термоядерные реакции. Он удерживается давлением вырожденного электронного газа и медленно теряет запас тепла. Так называют конечный остаток звёзд небольшой и средней массы, а не просто любую маленькую белую звезду.

Диаграмма Герцшпрунга—Рассела — график зависимости светимости или абсолютной звёздной величины от температуры поверхности либо спектрального класса. По положению точки можно понять, горячая ли звезда, насколько она ярка и к какому этапу развития относится. Обычно температура возрастает влево, а светимость — вверх.

Как это устроено

Большинство наблюдаемых звёзд располагается на главной последовательности, потому что в их ядрах идёт превращение водорода в гелий. Выделившаяся энергия создаёт давление горячего газа и излучения, направленное наружу. Оно уравновешивает гравитацию, которая стремится сжать звезду, поэтому размеры звезды долго остаются примерно стабильными.

Масса определяет положение звезды на главной последовательности через температуру, светимость и скорость реакций. В более массивном ядре выше давление и температура, поэтому ядерное топливо расходуется намного интенсивнее. Такая звезда горячее и значительно ярче, но живёт на главной последовательности меньше маломассивной звезды.

Когда водород в центральной области заканчивается, давление от прежних реакций ослабевает. Ядро начинает сжиматься и нагреваться, а водород продолжает гореть в слое вокруг него. Энергия этого слоя передаётся внешним оболочкам, заставляя их расширяться; увеличившаяся поверхность при этом охлаждается, и звезда становится красным гигантом.

Красный гигант может быть гораздо ярче звезды главной последовательности, хотя его поверхность холоднее. Светимость определяется не только температурой, но и площадью излучающей поверхности: L = 4πR²σT⁴. Если радиус увеличился достаточно сильно, множитель R² перекрывает уменьшение T⁴, поэтому суммарное излучение возрастает.

На поздней стадии звезда небольшой или средней массы сбрасывает внешние оболочки в окружающее пространство. Остаётся маленькое плотное ядро — белый карлик, в котором нет устойчивого горения водорода. Он остаётся горячим благодаря запасённой внутренней энергии, но без нового источника постепенно остывает и тускнеет.

Сравнение главной последовательности, красных гигантов и белых карликов

Сначала определите по диаграмме температуру и светимость, а затем сопоставьте их с областями таблицы. Например, холодная, но очень яркая звезда, скорее всего, имеет огромный радиус и является красным гигантом. Горячая, но тусклая звезда обычно мала и относится к белым карликам.

Разбор задач

Определение типа звезды по диаграмме

Условие. Точка звезды находится в верхней правой части диаграммы Герцшпрунга—Рассела. Определите её вероятный тип. Здесь нужно учитывать сразу две координаты: температуру и светимость.

1. Правая часть диаграммы соответствует низкой температуре поверхности.
2. Верхняя часть соответствует большой светимости.
3. Сочетание холодной поверхности и высокой светимости означает большой радиус, характерный для красного гиганта.

Ответ: звезда, вероятнее всего, является красным гигантом.

Сравнение радиусов по светимости и температуре

Условие. Для двух звёзд известны светимости L₁, L₂ и температуры T₁, T₂. Найдите отношение их радиусов, не вычисляя постоянную Стефана—Больцмана σ. Искомую формулу получим из закона излучения абсолютно чёрного тела.

1. Запишите для каждой звезды: L₁ = 4πR₁²σT₁⁴ и L₂ = 4πR₂²σT₂⁴.
2. Разделите первое равенство на второе: L₁/L₂ = (R₁/R₂)² · (T₁/T₂)⁴.
3. Извлеките квадратный корень: R₁/R₂ = √(L₁/L₂) · (T₂/T₁)².

Ответ: отношение радиусов равно √(L₁/L₂) · (T₂/T₁)². Формула показывает, что при одинаковой светимости более холодная звезда должна иметь больший радиус.

Определение последовательности эволюции

Условие. Звезда покидает главную последовательность, расширяется, охлаждается, а затем превращается в компактный горячий остаток. Определите последовательность её стадий. Изменения радиуса и температуры нужно связать с физическими процессами внутри звезды.

1. Исчерпание водорода в ядре нарушает прежнее равновесие и запускает сжатие ядра.
2. Горение водорода в окружающем слое расширяет оболочки, поэтому звезда становится красным гигантом.
3. После сброса оболочек остаётся горячее плотное ядро без обычных термоядерных реакций — белый карлик.

Ответ: главная последовательность → красный гигант → белый карлик. Такая судьба характерна не для всех звёзд, а прежде всего для звёзд небольшой и средней массы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что красный цвет означает малую светимость. Цвет показывает температуру поверхности, а светимость зависит ещё и от радиуса; проверить себя можно по формуле L = 4πR²σT⁴.

Ошибка: путать белый карлик с обычной маленькой звездой. Белый карлик — плотный остаток звезды, который поддерживается давлением вырожденного электронного газа; спросите себя, идёт ли в нём обычное термоядерное горение.

Ошибка: считать, что все звёзды проходят одинаковые стадии. Конечная судьба определяется главным образом начальной массой, поэтому перед выводом о будущем звезды нужно оценить её массу.

Ошибка: определять светимость только по температуре. Сравнивая звёзды, учитывайте площадь поверхности и радиус: холодная звезда с большим радиусом может быть ярче горячей компактной звезды.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении атома и термоядерных реакциях, а также закон сохранения энергии. Полезно знать смысл температуры, светимости и закона Стефана—Больцмана.

Эти сведения понадобятся при изучении эволюции звёзд, сверхновых, нейтронных звёзд, чёрных дыр и строения галактик. Они помогают связать наблюдаемые свойства объекта с процессами внутри него.

Диаграмма Герцшпрунга—Рассела применяется к наблюдениям звёздных скоплений. По распределению звёзд на ней можно оценивать возраст скопления и этап развития его звёзд.

Что запомнить

• Главная последовательность — основной этап жизни звезды, когда в ядре сгорает водород.
• Положение звезды на диаграмме Герцшпрунга—Рассела определяется её температурой и светимостью.
• Чем массивнее звезда главной последовательности, тем она горячее и ярче.
• Красный гигант имеет холодную поверхность, но большой радиус и высокую общую светимость.
• Белый карлик очень горячий, но мал по размеру, поэтому его светимость невелика.
• После прекращения термоядерных реакций белый карлик постепенно остывает.