<<
>>

ТЕОРИЯ ПУЛЬСАЦИЙ

  Изменения блеска и спектра у цефеид нельзя объяснить затмениями. Более того, если считать, что кривые лучевых скоростей обусловлены движениями компонентов спектральной двойной звезды, то соответствующие орбиты должны быть меньше размеров звезды.
В 1914 г. Шепли представил убедительные наблюдательные и теоретические подтверждения теории пульсаций. Согласно этой теории, переменные цефеиды находятся в непрерывном процессе расширения и сжатия подобно гигантским воздушным шарам.

Каковы же те условия внутри звезды, которые позволяют ей пульсировать? Почему одни звезды пульсируют, а другие нет? Мы не можем заглянуть внутрь звезды, но наши любые предположения должны основываться на известных законах физики. Как мы уже видели, причина, по которой звезда не коллапсирует под действием своего собственного тяготения, состоит в том, что ее недра слишком горячи. Хотя средняя плотность Солнца превышает плотность воды, у нас есть все основания полагать, что его недра состоят исключительно из горячих сильно сжатых газов. Газы при высоких температурах оказы

тяготение и расширившиеся было слои падают обратно. Обрела ли теперь звезда устойчивость? Нет, так как инерция направленного вниз движения газа обычно достаточно велика, чтобы заставить проскочить устойчивое положение. Газы вновь оказываются сжатыми и достаточно нагретыми, чтобы пересилить тяготение, и вся последовательность событий повторяется вновь и вновь.

Описываемый процесс очень напоминает колебания груза, подвешенного на спиральной пружине. Пружина растягивается, и натяжение растет до тех пор, пока не окажется точно компенсирующим вес груза. Если мы нарушим равновесие, слегка потянув, а затем отпустив груз, увеличившееся натяжение пружины пересилит силу тяжести и груз, проскочив свое исходное положение, будет подниматься вверх, пока его не потянет обратно сила тяжести.

Возникают колебания, продолжающиеся до тех пор, пока они постепенно не затухнут под действием трения.

Объяснение переменности цефеид как результата происходящего внутри звезды состязания преимущественно между газовым давлением, с одной стороны, и тяготением, с другой, как будто соответствует наблюдаемым характеристикам переменности цефеид. Много лет назад в 1879 г. Риттер на основе математических и физических аргументов показал, что звезда может пульсировать. Но в то время астрономы очень мало знали об интерпретации кривых блеска и ничего не знали об изменении лучевых скоростей цефеид. Лишь в 1914 г. Шепли показал, что гипотеза пульсаций дает самое разумное объяснение переменности этих звезд. Наконец, Эддингтон несколькими годами позднее разработал детальную математическую теорию цефеид. Он доказал, что большие цефеиды должны пульсировать медленнее, чем меньшие и более плотные. Говоря математическим языком, Эддингтон нашел, что произведение периода на корень квадратный из средней плотности должно быть почти постоянным;: .это предсказание, . па-видимому, согласуется - с. -наблюдениями. Период можно измерить непосредственно,, но плотность приходится вычислят по радиусу звезды и ее массе. Радиусы находят по известной абсолютной величине и температуре поверхности, так .как температура поверхности, определяет мощность, излучения с единицы площади поверхности, а абсолютная; величина дает полную, светимость; равную площади поверхности,: умноженной на излучение - с; .'единицы площади поверхности.' Массу звезды можно-найти,-определив точку главной последовательности, от которой.звезда эволюционировала, и используя массу, соответствующую7 данной, светимости.

Однако, теория Эддингтона сразу же натолкнулась на некоторые трудности. Во-первых — и, это, пожалуй, самое главное,— вычисления показали,- что ^энергия колебаний должна посте

пенно затухать, как это происходит в случае груза, на пружине, и что нормальной цефеиде следовало бы пульсировать всего через несколько тысячелетий, утрачиваемая механическая энергия должна каким-то возмещаться в самой звезде.

Во-вторых, согласно предсказаниям теории, звезда быть наиболее яркой, когда ее объем минимален, подъем температуры более чем уравновешивает уме площади поверхности. Соответственно звезда должна бее всего при наибольшем объеме, а лучевая скорЬ в максимуме, так и в минимуме должна быть равно Однако рис. 107 показывает, что в максимуме и в блеска скорость заметно отличается от нуля.

Благодаря работам М. Шварцшильда, С. Жевакина, Дж. Кокса, А. Кокса, Р. Кристи и других эти трудности были преодолены и теория пульсаций достигла больших успехов. Однако дальнейшее ее развитие требует точного знания свойств материи при температура}: и давлении, встречающихся в недрах звезд, и использования при расчетах точной физической теории и точных уравнений. Многие особенности в поведении переменных звезд зависят от почг'и полной взаимной компенсации противоборствующих эффектов, поэтому вычисления должны быть точными. Более давний подход к проблеме, основанный на приближенных и интуитивных аргументах, не может обеспечить полного согласия теории с наблюдениями, хотя он все же дал известное эддингтоновское соотношение период — плотность.

Рассмотрим сначала природу потока энергии в пульсирующих звездах. Преобладает устойчивый направленный наружу поток; лишь в самых наружных частях (15—20% радиуса) будут заметные колебания, возникающие вследствие попеременного накапливания и выделения энергии при пульсациях. Когда объем газа сжимается, его температура возрастает. Обычно непрозрачность вещества при этом уменьшается, т. е. облегчается и уход энергии. В подобных условиях пульсации должны постепенно затухать, но в некоторых внешних областях звезды, в которых преобладает ионизованный гелий, сжатие может в действительности увеличить непрозрачность вещества. Тогда во время фазы сжатия в этом слое «захватывается» дополнительная энергия; когда же эта энергия выделяется во время фазы расширения, она передает во внешние слои дополнительный импульс, что ведет к восстановлению пульсаций.

Ряд эффектов возникает также под влиянием изменений молекулярного веса и как следствие известного геометрического свойство, в силу которого сокращение размеров приводит к росту плотности газа. Энергия стремится рассеяться в более глубоких слоях, и амплитуда пульсаций автоматически устанавливается такой, чтобы не

было ни длительного накапливания, ни истощения энергии в пульсирующих слоях.

Будет или не будет звезда пульсировать, зависит от особенностей ее строения и эволюции. Джон и Артур Коксы показали, что, если бы мы вычисляли статическую модель звезды, находящейся в «неустойчивой» области Г—Р, она начала бы колебаться, причем амплитуда колебаний нарастала бы до тех пор, пока накопление и рассеяние энергии не оказались бы сбалансированными. Когда в ходе эволюции звезда покидает область неустойчивости, колебания затухают и звезда перестает пульсировать. Пульсации затрагивают наружные слои звезды. Ядро же, в котором благодаря ядерным реакциям вырабатывается энергия, остается невозмущенным.

Детальные вычисления с использованием точных моделей с учетом больших амплитуд и накопления и рассеяния энергии в наружных слоях звезды объясняют наблюдаемое свойство кривых скорости и блеска. В соответствии с наблюдениями теория предсказывает, что средний момент подъема блеска должен примерно совпадать с минимумом радиуса. Кристи действительно смог точно объяснить кривые блеска для многих классических цефеид и цефеид типа скоплений. В частности, он объяснил горбы, наблюдаемые на многих кривых, следующим образом: в результате сильного ускорения вещества в наружном слое, в котором происходит ионизация гелия, возникает направленный внутрь импульс давления, который доходит до ядра и отражается обратно к поверхности. В одной модели вторичный максимум — это эхо главного максимума, наблюдавшегося на 1,4 периода ранее. Кроме таких эхо, Кристи обнаружил резонансные эффекты этих отступающих и набегающих волн: они могут интерферировать, иногда усиливая, а иногда гася друг друга.

Следовательно, сложные наблюдаемые кривые блеска и кривые скорости понять • можно. Во всех этих моделях для объяснения наблюдаемых изменений блеска достаточно изменить радиус всего на несколько процентов.

Работы Коксов были посвящены главным образом интерпретации классических цефеид, а анализ Кристи позволяет понять природу колебаний звезд типа RR Лиры и цефеид сферической составляющей. Однако необходимо дальнейшее улучшение теории, особенно чтобы принять во внимание явления в атмосфере и показать, как они связаны с внутренним строением звезд. Много лет назад в Мичиганском университете Кертис и Руфус пришли к выводу, что кривые скоростей, построенные по смещениям линий нейтральных и ионизованных атомов, получаются различными. Так как ионизованные атомы по предположению могут существовать в верхних слоях атмосферы, плотность которых низка, а нейтральные атомы — на более низких уровнях,

то Кертис и Руфус предположили, что различные уровни атмосферы колеблются не в унисон. Сравнительно недавно для цефеид сферической составляющей в некоторых фазах наблюдали два набора линий поглощения, дающих различные скорости. Отдельные сегменты кривых скорости, по-видимому, соответствуют оболочкам вещества, сбрасываемым одна за другой с поверхности звезды. Некоторая масса вещества выбрасывается, замедляется и, очевидно, падает обратно на звезду. А тем временем выбрасывается второе облако вещества, опускающийся слой исчезает, и начинается следующий цикл. Исследуя звезду W Девы, Абт установил, что образование этих двух наборов линий поглощения происходило в средах с различными плотностями.

Эддингтон показал также, что звезды могут пульсировать как с основной частотой, так и с частотами обертонов подобно тому, как струна инструмента испускает ноты одной, двух или трех октав в зависимости от того, как ее ущипнули. Один из примеров так называемых «карликовых цефеид» — звезда ёЩита, наблюдавшаяся Фасом, может пульсировать не только со своим основным периодом, но также и с периодами обертонов.

- Самые яркие примеры пульсаций на частотах обертонов можно найти Среди звезд типа RR/lnpbi. Теоретичёские исследования Кристи показывают, что звёзды с большим отношением светимости к массе, как правило, пульсируют в фундаментальной моде, а звезды с малым отношением тех же величин предпочитают первый обертон. На линии раздела между двумя: этими типами поведения состояние пульсации зависит от истории этой системы в прошлом.

Еще одий'тип переменных, которые, возможно, связаны с цефеидами и демонстрируют различные явления на обертонах,— это звезды типа RV Тельца. Здесь наблюдательные данныё дают менее целостную картину. Атмосферы этих звезд более протяженны, и взаимосвязь между атмосферой и недрами играет существенную роль в установлении кривой блеска.

Успех теории в интерпретации пульсирующих переменных звезд —одно из самых убедительных достижений современной астрофизики. Хофмейстер получила блестящее согласие между теоретическим соотношением период— светимость "и эмпириче-' ским соотношением, определенным Робертом Крафтом (см. рис. 108,6). Вычисления Кристи показывают, что'можно определить массу, светимость, радиус и содержаний гелия из наблюдений, располагая лишь полученными из наблюдений этих звезд: кривыми блеска и ёкбростёй. Светимости, полученный таким’ образом, согласуются с данными из других источников. Например, для звёзды р Золотой Рыбы, период которой равен 9,84 су-' ток, по определению Кристи, светимость L = 3,7 -103 LQ или болометрическая величина Мь = 4,2, что соответствует зависимости период — светимость. Применение теории (в этом случае переходный период, при котором звезды типа ИИЛиры переключаются с пульсаций фундаментального периода на обертонные) дает для звезд этого типа в © Центавра L = 46 L0 и для аналогичных звезд в М3 L = 37L0. С другой стороны, как для звезд типа RR Лиры, так и для классических цефеид массы, по-видимому, получаются меньшими, чем при определении па основе эволюционных аргументов. Не теряют ли эти звезды массу на последних стадиях своей эволюции?

Любопытная особенность звезд типа RRЛиpы состоит в том, что у их'прототипа — звезды RR Лиры — имеется магнитное поле, которое меняется от —1580 до +1170 Гс со вторичным периодом 4К А какую роль играют магнитные поля в пульсациях? ;

1

<< | >>
Источник: А. Аллер. АТОМЫ, ЗВЕЗДЫ И ТУМАННОСТИ. 1976

Еще по теме ТЕОРИЯ ПУЛЬСАЦИЙ:

  1. ПЕРЦЕПТ И КОНЦЕПТ. НЕКОТОРЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ
  2. История без прогресса: от социального нигилизма к историческому пессимизму
  3. 1.5. Философское и художественно-интуитивное предвидение: прозрения Достоевского
  4. ЛЕКЦИЯ7
  5. 1.8. АКСИОМАТИКА СИСТЕМНОГО ПОДХОДА
  6. 3.5. РАСТУЩАЯ ЗЕМЛЯ: ИЗ ПЛАНЕТ В ЗВЕЗДЫ (ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ЗВЕЗДНО-ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ)
  7. 4. Двойные радиопульсары
  8. ТЕОРИЯ ПУЛЬСАЦИЙ
  9. СПЕКТР ДОЛГОПЕРИОДИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
  10. 5.2.7. Звезды массой от 0,5 М0 до (8-10) М0
  11. Мы - звездные люди!
  12. 6.3.5. Особенности пульсаций