Зміст:
· Вступ
· Термодинамічна модель для змінних зірок (цефеїд)
· Типи пульсуючих зірок
· Цефеїди
· W Діви
· RR Ліри
· SX Фенікса
· β Цефея
· ZZ Кита
· Ο Кита (Міріди)
· Що такеміріди?
· Довгоперіодичні змінні
· Пульсації і ударні хвилі
· Емісійні спектральні лінії
· Навколозоряні оболонки
· Молекулярні мазери
· Напівправильні змінні зорі
· Космічні мазери
Пояснення змінності зірок пульсаціями виникла як гіпотеза в XIX сторіччі. Вона базувалася на відкритті у пульсуючих зірок періодичного доплерівського зміщення спектральних ліній і змін температури цефеїд протягом циклу. На початку 20 сторіччя з'явилися публікації А.С. Еддінгтона, що заклали основи теорії пульсацій. Розглянемо термодинамічну модель пульсації змінних зірок (цефеїд), запропоновану Еддінгтоном у 1926 р.
Термодинамічна модель для змінних зірок (цефеїд)
Гравітаційні сили утримують зоряну речовину від розлітання. У нормальної зорі тиск газу і сила тяжіння в точності врівноважують один одного. Проста модель дозволяє розглянути деякі особливості такої рівноваги. На мал.1 показаний рухливий важкий поршень, що може переміщатися в циліндрі. У циліндрі під поршнем знаходиться газ. Поршень стискує цей газ і заважає молекулам газу розлетітися. Сила тяжіння рухає поршень униз, проте він не може опуститися до самого дна. Він знаходиться на певнійвисоті над дном циліндра. Якщо поршень опуститься вниз, то газ під ним додатково стиснеться, його тиск зросте і поверне поршень в положення рівноваги. Коли поршень нерухомий, його вага в точності компенсується тиском газу під ним. Такийстан дуже схоже на рівновагу між силою ваги і тиском газу в будь-якій точці в надрах зорі.
Якщо ж ми тепер спеціально виведемо поршень із рівноваги і трохи притиснемо його униз, то поршень почне коливатися. Якщо поршень опуститься нижче положення рівноваги, то тиск газу перевищить його вагу і виштовхне поршень. Якщо ж він підніметься вище положення рівноваги, то тиск газу впаде, і сила тяжіння поверне поршень униз. Тепер поршень уже не буде залишатися в положенні рівноваги. Якщо він колись почне рухатися, то потім буде по інерції поскочуватиположення рівноваги і буде коливатися вгору і вниз між двома крайніми точками. Газ при цьому служить свого роду пружиною. При стиснені поршень передає газучастину своєї енергії. Під час розширення газу ця енергія повертається поршню. Втрати енергії не відбувається, оскільки в нашій моделі тертям можна знехтувати. За таких умов поршень буде переміщатися в циліндрі нескінченно довго. Якщо тертя відсутнє, то максимальне відхилення поршня від середньої точки буде постійним. Період коливань поршня залежить від характеристик нашої моделі, наприклад від маси поршня і від середньої температури газу тощо.
Поводженнязірок загалом нагадує нашу модель. Якщо стиснути зірку рівномірно з усіх боків, а потім «відпустити», то йзрослий тиск газу буде розштовхувати зоряну речовину у всісторони назовні, і діаметр зірки перевищить рівноважне значення. Після цього сила тяжіння виявиться більше тиску газу. Вона буде повертати газ до центру зірки. Зірка почне пульсувати. Якщо її колись вивести з рівноваги, то потім ці пульсації будуть продовжуватися довго. Період пульсації зірки можна обчислити за аналогією з періодом пульсації поршня, знаючи її властивості: масу, розподіл температури по глибині, а також її внутрішнюбудову.
Проте ми занадто спростили нашу модель — як для поршня, так і для зірки. На поршень, звісно ж, діють сили тертя. Розмах його коливань буде поступово зменшуватися під дією цих сил, і, нарешті, коливання загаснуть. Через деякий час поршень зупиниться (див. мал. 2). У надрах зірки також відбуваються процеси, подібні тертю, що гальмують її коливання. Можна розрахувати, що якщо штучно вивести зірку з положення рівноваги, то вона здійснить всього 5-10 тисяч коливань. Щоб повернутися в рівновагу, зірці буде потрібно лише біля 100 років. Проте спостереження показують, що зірка Дельта Цефея, відкрита в 1784 р., пульсує з незмінною силою. Що ж служить мотором, який підтримує пульсації цих зірок, хоча вони, здавалося б, повинні були загаснути за відносно короткий час? Еддінгтон запропонував у своїй книзі один із можливих засобів пояснення такого процесу. Крізь зовнішні прошарки кожної зірки проникає випромінювання, що виникає в її центрі. Щоб імітувати цей процес за допомогою нашої моделі, уявимо собі, що циліндр виготовлений із прозорого матеріалу, а крізь нього проходить потужне світлове випромінювання (див. мал. 3). Газ всередині циліндра, як і зорянаречовина, не зовсім прозорий. Він поглинає частину цього випромінювання.
При цьому газ у циліндрі нагрітий так сильно, що різниця температур між газом і навколишнім середовищем дуже велика, і циліндр випромінює за кожну секунду рівно стільки ж енергії, скільки одержує газ за рахунок часткового поглинання світлових променів.
Тепер виведемо поршень із рівноваги і трохи стиснемо газ. При цьому тиск і температура газу зростуть. Тоді, в принципі, можуть реалізуватися два різних випадки. Стиснутий газ може поглинати випромінювання сильніше або слабше, ніж розріджений. Розглянемоперший випадок. Якщо поглинання зростає при стиснені, то, коли поршень опуститься, температура газу буде підвищуватися швидше, ніж в положенні рівноваги. При цьому газ нагріється, і його тиск зросте більше, ніж просто під впливом поршня. Надлишковийтиск сильніше виштовхне поршень назовні, ніж у другому випадку. Після того, як поршень мине положення рівноваги, газ стане розрідженим, а його температура впаде. При цьому він буде поглинати менше енергії, ніж у положенні рівноваги. Газ остигне, його тиск зменшиться, і поршень швидко опуститься, долаючи силу тертя.
Те ж саме справедливо і для зірок. Якщо зорянаречовина в певномупрошаркузірки буде при стиснені поглинати більше енергії і розігріватися, то ця зірказможе пульсувати, а пульсації будуть підтримуватися випромінюванням, що виникає в її надрах. Якщо така зірка стиснеться, то випромінювання, що йде з її надр до поверхні, не буде так само легко проходити крізь її зовнішні шари. При цьому газ розігріється і зірка розшириться. Розширеннянаступає після фази стиснення. Речовина стає більш прозорою, вона пропускає більше енергії в навколишній простір, внутрішні частини зорі охолоджуються, і сила тяжіння знову призведе до стиснення зірки. Зорянаречовинаслужить свого роду вентилем для проникаючого назовні випромінювання. Цей вентиль відчиняється і закривається в ритмі пульсацій зірки.
Такий механізм Еддінгтон описав у своїй книзі вже в 1926 р. Однак теорія Еддінгтона не цілком пояснювала явища пульсації. Одна з розбіжностей полягає в такому. Знаючи світність у температуру, можна обчислити радіус фотосфери. Тому можна було обчислити криву зміни фотосферного радіуса з кривою блиску. З іншого боку, сумуючи зміни радіуса по кривій зміни променевої швидкості, можна побудувати другу криву зміни радіуса того прошарку, у якому утворяться спектральні лінії поглинання, а він повинен прилягати до фотосфери. Виявляється, що ці криві розходяться по фазі, вони зміщені в часі.
Другахиба теорії Еддінгтона полягає в тому, що вона не вказує джерела енергії, що спроможна підтримувати коливання. Вільні ж коливання повинні були б незабаром згасати.
Еддінгтон припускав, що зірка пульсує цілком, а виявилося, що пульсують тільки зовнішні прошарки, а глибокі надра зірки в пульсації не беруть участь. На це вперше звернув увагу радянський учений С. А. Жевакін і зробив відповідні розрахунки.
Розглянемо на якій основі цей механізм здійснюється в зірках. Для цього ми повинні пригадати процеси, що відбуваються в надрах зірок протягом їхньої еволюції.
Як відомо, у надрах зірок відбуваються термоядерні реакції, внаслідок яких із легких елементів утворяться більш важкі. Цей процес продовжується, поки в результаті таких реакцій може виділятися енергія, що протистоїть гравітаційній силі. Для того, щоб “зайнявся" визначений елемент (тобто запаси цього елемента почали перетворюватися в більш важкі елементи), потрібна відповідна температура, а отже і густина, в центрі зорі. Тому від початкової маси зірки залежить, на якому елементі зупиняться термоядерні реакції.
Спочатку в надрах зірки “горить" водень, перетворюючись у гелій. При цьому зіркизаймають на діаграмі Герцшпрунга-Рессела (див. мал. 4) смугу, що називають головною послідовністю. Коли в ядрі зірки залишається занадто мало водню, щоб йшли реакції, гравітаційна сила «перевішує», зірка стискується, густина і температура в середині підвищується, і створюються сприятливі умови для “горіння" гелію й утворення вуглецю. При цьому зіркароздувається, переходячи в область гігантів.
Але в зовнішніх прошарках ще продовжується перетворення водню на гелій. Джерелом порушення пульсації є саме двічі іонізований гелій у зоні, що знаходиться на глибині декілька сотень тисяч кілометрів під поверхнею зірки. Чим далі в глибину цієї зони, тим вище температура і сильніше іонізований гелій, і, нарешті, він цілком іонізується. Саме завдяки іонізованому гелію утворюються сприятливі умови для так званого “клапанного механізму": при випадковомуневеликому стиснені, тобто при підвищенні тиску і температури, у зоні збільшується поглинання випромінювання, що перешкоджає відводові тепла назовні. Ця додаткова енергія змушує розширюватися газові прошарки, і виносить їх назовні за початкове положення. Це, у свою чергу, знижує температуру і тиск, що призводить до стиснення. Так продовжується періодичний процес пульсацій.
В процесі пульсацій змінюється і радіус, і температура зірки, внаслідок чого росте її блиск. Але максимуми температури і радіуса не співпадають, і ця різниця залежить від глибини зони іонізації гелію і інших внутрішніх умов зірки. Тому для різноманітних типів зірок зсув між кривою блиску і кривої променевих швидкостей (який відображає швидкість змін радіуса) різний. Це також спричинило за собою і різноманітну форму кривих блиску.