Диаграмма Герцшпрунга—Рассела
Звезды,
если их нанести на диаграмму в соответствии с физическими характеристиками,
разделяются на четко выраженные группы, соответствующие разным стадиям их
эволюции.
Звезды
бывают множества типов. Есть звезды, диаметр которых в 30 раз превышает диаметр
Солнца, и есть звезды размером всего лишь с большой земной город. Есть звезды
настолько горячие, что основной цвет в спектре их излучения — фиолетовый, и
есть звезды настолько «холодные», что даже темно-красный свет в их спектре
выражен крайне тускло. В XIX веке в астрономии произошел перелом — ученые стали
сходить с накатанного пути классической астрономии («Где это, и как и куда оно
движется?») и переходить на рельсы астрофизики («Что это, и как оно
устроено?»). Одной из первоочередных задач на этом пути стала задача хотя бы
внешнего упорядочивания классификации наблюдаемых во Вселенной звезд. Это и
привело к независимому созданию двумя астрофизиками диаграммы, которую сегодня
принято в их честь называть диаграммой Герцшпрунга—Рассела (или, сокращенно,
«диаграммы ГР»).
Диаграмма
ГР — как это нередко бывает в науке — была практически одновременно разработана
двумя учеными, совершенно самостоятельно работавшими на двух разных континентах.
Генри Норрис Рассел— один из крупнейших американских астрономов начала XX века —
долгие годы интересовался проблемой описания жизненного цикла звезд и, судя по
всему, пришел к основной идее диаграммы еще в 1909 году, однако работа с ее
представлением была опубликована лишь в 1913 году. Датчанин Эйнар Герцшпрунг
пришел к тем же выводам, что и Рассел, несколькими годами раньше своего
американского коллеги, однако опубликованы они были (в 1905-м и 1907 годах) в
узкоспециализированном «Журнале научной фотографии» (Zeitschrift für
Wissenschaeftliche Photographie), издающемся к тому же на немецком языке, и
публикация эта поначалу попросту осталась незамеченной астрономами. Поэтому
вплоть до середины 1930-х годов эту диаграмму принято было называть просто
«диаграммой Рассела», пока не был обнаружен случившийся казус, после чего
датчанину было воздано должное, и теперь диаграмма носит имена обоих ученых.
Диаграмма
ГР представляет собой график, на котором по вертикальной оси отсчитывается
светимость (интенсивность светового излучения) звезд, а по горизонтальной —
наблюдаемая температура их поверхностей. Оба этих количественных показателя
поддаются экспериментальному измерению при условии, что известно расстояние от
Земли до соответствующей звезды. Чисто исторически сложилось так, что по
горизонтальной оси х температуру поверхности звезд откладывают в обратном
порядке: то есть, чем жарче звезда, тем левее она находится; это чистая
условность, и я не вижу смысла в том, чтобы ее обсуждать и оспаривать. Смысл же
всей диаграммы ГР заключается в том, чтобы нанести на нее как можно больше
экспериментально наблюдаемых звезд (каждая из которых представлена
соответствующей точкой) и по их расположению определить некие закономерности их
распределения по соотношению спектра и светимости.
Выясняется,
что это распределение носит отнюдь не случайный характер: по соотношению
спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие категории или,
как принято их называть в астрофизике, «последовательности». Из верхнего левого
угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней
относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной
последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу —
самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.
Отдельно
— правее и выше — расположена группа звезд с очень высокой светимостью, не
пропорциональной их температуре, которая относительно низка — это так
называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Эти огромные звезды, условно
говоря, светят, но не греют. Ниже и левее главной последовательности
расположены карлики — группа относительно мелких и холодных звезд. Еще раз
отметим, что подавляющее большинство звезд относится к главной
последовательности, и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза
гелия из водорода (см. Эволюция звезд).
На
самом деле, три этих последовательности на диаграмме ГР строго соответствуют
трем этапам жизненного цикла звезд. Красные гиганты и сверхгиганты в правом
верхнем углу — это доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней
оболочкой (через 6,5 млрд. лет такая участь постигнет и наше Солнце — его
внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты Венеры). Они излучают в пространство
примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но, поскольку
площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь
поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта
остается относительно холодной.
Наконец,
обратимся к левому нижнему углу диаграммы ГР: здесь мы видим так называемых
белых карликов (см. Предел Чандрасекара). Это очень горячие звезды — но очень
мелкие, размером, обычно, не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос
относительно немного энергии, они, по причине весьма незначительной (на фоне
других звезд) площади их поверхностной оболочки, светятся в достаточно ярком
спектре, поскольку она оказывается достаточно высокотемпературной.
Вообще,
по диаграмме Герцшпрунца—Рассела можно проследить весь жизненный путь звезды.
Сначала звезда главной последовательности (подобная Солнцу) конденсируется из
газо-пылевого облака (см. Гипотеза образования звезд из туманностей) и
уплотняется до создания давлений и температур, необходимых для разжигания
первичной реакции термоядерного синтеза, и, соответственно появляется где-то в
основной последовательности диаграммы ГР. Пока звезда горит (запасы водорода не
исчерпаны), она так и остается (как сейчас Солнце) на своем месте в основной
последовательности, практически не смещаясь. После того, как запасы водорода исчерпаны,
звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или
сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и
сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.
***
Генри Норрис РАССЕЛ
Henry Norris Russell, 1877–1957
Американский
астрофизик. Родился в Ойстер-Бэй (штат Нью-Йорк) в семье пресвитерианского
священника. Учился в Принстонском университете, где сменил своего учителя К.
Юнга на должностях профессора астрономии и директора местной обсерватории,
которые занимал вплоть до 1947 года. Долгое время Рассел занимался
исследованием связи между спектрами звезд и их светимостью с целью разобраться
в том, как эволюционируют светила. В 1913 году — независимо от Герцшпрунга —
построил диаграмму, связывающую спектральные характеристики и светимость звезд
(которая теперь и называется диаграммой Герцшпрунга — Рассела) по результатам
изучения снимков, полученных им на фотопластинках в обсерватории Принстонского
университета. Увы, ученый вывел из полученной диаграммы ложное заключение о
том, что звезды появляются на свет в виде красных гигантов и со временем
вырождаются в белых карликов.
Эйнар
ГЕРЦШПРУНГ
Ejnar
Hertzsprung, 1873–1967
Датский
астроном. Родился в местечке Фредериксборг близ Копенгагена. Учился в
Копенгагенском политехническом институте, получил специальность
инженера-химика. По окончании института (1898) в течение трех лет работал в
Петербурге. Вернувшись на родину, начал изучать астрономию, одновременно
проводил фотографические наблюдения в обсерватории Копенгагенского университета
и небольшой обсерватории «Урания». Его исследования произвели впечатление на
директора Потсдамской обсерватории К. Шварцшильда, который пригласил
Герцшпрунга сначала в Гёттингенский университет, а затем в Потсдамскую
обсерваторию (1909). С 1919 года Герцшпрунг работал в Лейденской обсерватории,
в 1935 году стал ее директором. Выйдя в отставку, возвратился в Данию и
продолжил исследования в обсерватории в Брорфельде. Образование фотохимика
позволило ученому разработать уникальную для тех лет технологию расчета
светимости звезд по их фотоизображениям. Сопоставив полученные результаты с
данными о спектрах исследуемых звезд, Герцшпрунг и пришел к своей классификации
звезд, согласно которой они подразделяются на гигантов, карликов и основной
ряд.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elementy.ru/