СОДЕРЖАНИЕ
Классификация
Различия в светимости звезд наиболее заметны при низких температурах, когда звезды-гиганты намного ярче звезд главной последовательности. Сверхгиганты имеют самую низкую поверхностную гравитацию и, следовательно, являются самыми большими и яркими при определенной температуре.
Система классификации Йеркса или Моргана-Кинана (МК) практически универсальна. Он группирует звезды в пять основных групп светимости, обозначенных римскими цифрами :
Характеристики
| Спектральный тип | Температура ( K ) |
|---|---|
| К1-1,5 | 4 100 |
| К2-3 | 4 015 |
| К5-М0 | 3 840 |
| M0 | 3 790 |
| M1 | 3745 |
| M1.5 | 3,710 |
| M2 | 3 660 |
| M2,5 | 3 615 |
| M3 | 3 605 |
| M3.5 | 3,550 |
| М4-4,5 | 3,535 |
| M5 | 3450 |
Мазерное излучение является обычным явлением из околозвездного вещества вокруг красных сверхгигантов. Чаще всего это происходит из-за H 2 O и SiO, но испускание гидроксила (OH) также происходит из узких областей. В дополнение к картированию околозвездного вещества вокруг красных сверхгигантов с высоким разрешением можно использовать наблюдения мазеров с помощью VLBI или VLBA для получения точных параллаксов и расстояний до их источников. В настоящее время это применяется в основном к отдельным объектам, но может оказаться полезным для анализа структуры галактики и обнаружения иначе скрытых красных звезд-сверхгигантов.
В поверхностном содержании красных сверхгигантов преобладает водород, хотя водород в ядре полностью израсходован. На последних стадиях потери массы, перед взрывом звезды, поверхностный гелий может обогатиться до уровней, сопоставимых с водородом. В теоретических моделях экстремальной потери массы может быть потеряно достаточно водорода, так что гелий станет самым распространенным элементом на поверхности. Когда звезды до красных сверхгигантов покидают главную последовательность, кислорода больше, чем углерода на поверхности, а азота меньше, чем любого другого, что отражает его изобилие от образования звезды. Углерод и кислород быстро истощаются, а азот увеличивается в результате извлечения материала, обработанного CNO, из слоев сплавления.
Наблюдается медленное или очень медленное вращение красных сверхгигантов. Модели показывают, что даже быстро вращающиеся звезды главной последовательности должны тормозиться из-за потери массы, так что красные сверхгиганты почти не вращаются. Те красные сверхгиганты, как Бетельгейзе, которые имеют умеренную скорость вращения, возможно, приобрели его после достижения стадии красного сверхгиганта, возможно, в результате бинарного взаимодействия. Ядра красных сверхгигантов все еще вращаются, и дифференциальная скорость вращения может быть очень большой.
Определение
Эволюция
Эти до красных сверхгигантов звезды главной последовательности истощают водород в своих ядрах через 5-20 миллионов лет. Затем они начинают сжигать водородную оболочку вокруг ядра, которое теперь преимущественно гелиевое, и это заставляет их расширяться и охлаждаться в сверхгигантов. Их светимость увеличивается примерно в три раза. Поверхностное содержание гелия сейчас составляет до 40%, но более тяжелые элементы обогащены незначительно.
Некоторые красные сверхгиганты проходят через синие петли, где они временно повышаются до температуры, прежде чем вернуться в состояние красного сверхгиганта. Это зависит от массы, скорости вращения и химического состава звезды. Хотя у многих красных сверхгигантов не будет синей петли, у некоторых может быть несколько. На пике синей петли температура может достигать 10 000К. Точные причины появления синих петель различаются у разных звезд, но они всегда связаны с гелиевым ядром, увеличивающимся пропорционально массе звезды и вызывающим более высокие темпы потери массы из внешних слоев.
Кластеры
Примеры
Другие примеры стали известны или оценены по причине их огромных размеров, более 1000 R ☉ :
Ожидается, что обзор охватит практически все красные сверхгиганты Магелланова Облака, обнаруженные около дюжины звезд класса M M v −7 и более ярких, примерно в четверть миллиона раз ярче Солнца и примерно в 1000 раз превышающих радиус Солнца вверх.
Самые яркие и молодые: что наука знает о красных сверхгигантах
Красные сверхгиганты — это самые яркие, короткоживущие и большие звезды во Вселенной. Однако они до сих пор плохо изучены современной наукой. Рассказываем, что уже точно известно об этом типе звезд, а какие факты пока под вопросом.
Читайте «Хайтек» в
Что такое красные сверхгиганты?
Красный сверхгигант — массивная и очень большая звезда. Относится к спектральному классу K или M и классу светимости I. Типичными представителями красных сверхгигантов являются звезды Антарес и Бетельгейзе.
Описание красных сверхгигантов
Красные сверхгиганты — самые большие по размеру звезды. Они обладают очень низкой эффективной температурой (3 000–5 000 K) и радиусом в 200–1 500 раз более радиуса Солнца. Поток энергии с единицы площади их поверхности мал — в 2–10 раз меньше, чем у Солнца. Светимость красных сверхгигантов в 500 тыс. превышает светимость Солнца.
Стадия красного сверхгиганта характерна для массивных (свыше 10 масс Солнца) звезд и длится от 10 до 100 миллионов лет. Часто звезды этого типа располагаются в кластерах.
Традиционное деление звёзд на красных гигантов и красных сверхгигантов условно, так как оно отражает только различие в радиусах и светимостях звезд при сходном внутреннем строении: все они имеют горячее плотное ядро и очень разреженную протяженную оболочку.
Согласно современной теории эволюции звезд, звезда попадает в область диаграммы Герцшпрунга — Рассела, занимаемую красными гигантами и красными сверхгигантами дважды.
Температура поверхности красных сверхгигантов колеблется от 3 500 до 4 500 Кельвинов. Из-за их размера им требуется невероятное количество энергии, что приводит в короткому (относительно других стадий звезд) жизненному циклу, который длится от 10–100 миллионов лет.
Сравнение с Солнцем
По сравнению с Солнцем Бетельгейзе во много раз больше. Если ее поместить в Солнечную систему, то это займет расстояние до Юпитера. При уменьшении своего диаметра будет граничить с орбитой Марса.
Яркость Бетельгейзе больше светила Земли в 100 000 раз. А возраст равен 10 миллиардам лет. В то время как Солнцу всего лишь около 5 миллиардов.
Ученые все чаще задумываются о поведении Бетельгейзе, потому что красный гигант ведет себя так же, как Солнце. Он имеет локализованные точки, где температура выше другой поверхности и места, где температура ниже.
Несмотря на то, что форма у Солнца сферическая, а у красного сверхгиганта в виде картофелины, это вызывает недоумение в ученых кругах.
Представители красных сверхгигантов
По яркости красный сверхгигант Бетельгейзе занимает 9 место в ночном небе. Блеск ее от 0,2 до 1,9 звездной величины изменяется в течении 2070 суток. Относится к спектральному классу m1-2 la lab.
Атмосфера звезды разрежена, а плотность гораздо ниже Солнца. Угловой диаметр ее составляет 0,050 угловых секунд. Он меняется в зависимости от светимости гиганта.
Радиус астрономы измерили с помощью пространственного ИК интерферометра. Был высчитан период вращения звезды, который составляет 18 лет.
Появление звезд
Красные сверхгиганты являются частью жизненного цикла звезд с высокой массой. Когда ядро массивной звезды начинает разрушаться, температура повышается, что приводит к слиянию гелия. Быстрое слияния гелия дестабилизирует массивную звезду.
Огромное количество энергии выталкивает внешние слои звезды, что приводит к новому жизненному этапу – превращение в красного сверхгиганта. На этом этапе гравитационная сила звезды снова уравновешивается, а звезда теряет большую часть своей массы.
Красные сверхгиганты считаются самыми крупными звездами, но не самыми массовыми, с возрастом они будут продолжать терять массу.
Взрыв красных сверхгигантов
Красный гигант проходит последнюю стадию сжигания углерода. Зная о том, какие процессы происходят внутри светила, ученые могут рассказать будущее Бетельгейзе.
Например, при быстром взрыве внутри нее образуются железо, никель, золото. При медленном взрыве образуются газы — такие, как углерод, кислород, барий.
Ученые считают, что красный сверхгигант готов стать сверхновой. Еще несколько тысяч лет, а может, и раньше, и эта звезда взорвется, обрушив сброшенную энергию на близлежащие космические объекты, так как из нее выделится столько энергии, сколько Солнце выделяет за всю его жизнь.
Когда сверхгигант исчерпывают свое топливо, которое поддерживает жизнь. Гравитация побеждает, и ядро начинает разрушаться. В конечном итоге эти звезды заканчивают свою жизнь в виде сверхновой типа II.
В первую очередь такое количество энергии, выделившееся из Бетельгейзе, может нарушить работу спутников, мобильной связи и интернета на планете. Полярное сияние станет еще ярче.
Из остатков ядра звезды может образоваться нейтронная звезда или в случае массивных звезд создается черная дыра.
Температура красных сверхгигантов
Дайсукэ Танигути из Токийского университета в Японии и его коллеги впервые точно измерили температуру фотосферы красных сверхгигантов.
Ученые до недавнего времени не могли определить точную температуру фотосферы этих звезд — нижнего слоя их атмосферы, в котором образуется большая часть излучения звезды.
Чтобы измерить температуру красного сверхгиганта, нужно найти хорошо заметные участки фотосферы звезды, на спектр излучения которых не влияли верхние слои их атмосферы. Кроме того, нет какой-то одной конкретной линии поглощения, которая бы однозначно указывала на температуру поверхности подобных звезд.
Таким образом астрономы определили температуру фотосферы десяти близлежащих красных сверхгигантов. В частности для Бетельгейзе это 3344,85 градусов Цельсия, что меньше температуры фотосферы Солнца примерно в 1,68 раза.
Эти новейшие изменения, уверены астрофизики, помогут понять, какие процессы происходят в недрах подобных светил, а также сделать первые полноценные прогнозы по тому, насколько Бетельгейзе близка к превращению в сверхновую.
Красный сверхгигант
Связанные понятия
Гига́нт — тип звёзд со значительно бо́льшим радиусом и высокой светимостью, чем у звёзд главной последовательности, имеющих такую же температуру поверхности. Обычно звёзды-гиганты имеют радиусы от 10 до 100 солнечных радиусов и светимости от 10 до 1000 светимостей Солнца. Звёзды со светимостью большей, чем у гигантов, называются сверхгиганты и гипергиганты. Горячие и яркие звёзды главной последовательности также могут быть отнесены к белым гигантам. Помимо этого, из-за своего большого радиуса и высокой.
Мириды — класс пульсирующих переменных звёзд, названный по имени звезды Мира из созвездия Кита. К этому классу относятся звезды поздних спектральных классов с изменениями блеска более чем на 2,5 звёздной величины в видимом диапазоне. Период их пульсации может составлять от 80 до 1000 дней. Мириды — гиганты, находящиеся на конечных этапах звёздной эволюции, которые в течение нескольких миллионов лет сбрасывают свою внешнюю оболочку и превращаются в белых карликов.
Бе́лые ка́рлики — проэволюционировавшие звёзды с массой, не превышающей предел Чандрасекара (максимальная масса, при которой звезда может существовать как белый карлик), лишённые собственных источников термоядерной энергии.
Яркие гиганты — звезды, лежащие между гигантами и сверхгигантами. С одной стороны, эти звёзды обладают светимостью, сравнимой со светимостью сверхгигантов, но с другой стороны обычно недостаточно массивны, чтобы быть классифицированы как сверхгиганты. Масса ярких гигантов может не превышать несколько масс Солнца.
Голубые карлики — гипотетический класс звёзд, эволюционирующий из красных карликов, звёзд по массе меньших, чем Солнце (менее 0,5 масс Солнца и вплоть до минимального порога масс звёзд).
Кори́чневые ка́рлики, или бу́рые ка́рлики («субзвёзды», или «химические звёзды»), — субзвёздные объекты (с массами в диапазоне от 0,012 до 0,0767 массы Солнца, или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы Юпитера). Как и в звёздах, в них идут термоядерные реакции ядерного синтеза на ядрах лёгких элементов (дейтерия, лития, бериллия, бора), но, в отличие от звёзд главной последовательности, вклад в тепловыделение таких звёзд ядерной реакции слияния ядер водорода (протонов) незначителен, и после исчерпания.
В списке приведены самые маломассивные звёзды, известные на сей день. По современным представлениям, граница между самыми лёгкими звёздами Главной последовательности и тяжёлыми коричневыми карликами проходит на уровне 80,35 масс Юпитера (или 0,0767 массы Солнца). Эта граница не является точной, так как начало протон-протонной реакции зависит от содержания в веществе звезды элементов тяжелее гелия (углерод, кислород, неон являются катализаторами протон-протонной реакции). Температура поверхности тоже.
Пульсирующие белые карлики — один из типов пульсирующих переменных звёзд. Светимость этих белых карликов меняется из-за их нерадиальных пульсаций, вызванных волнами гравитации (gravity wave) (не гравитационными волнами!). У этих звёзд наблюдаются небольшие (1 % — 30 %) изменения светимости, которые получаются в результате наложения нескольких колебаний с периодами от сотен до тысяч секунд. Эти пульсации представляют интерес для астросейсмологии и дают информацию о внутреннем устройстве белых карликов.
103—106 раз (в среднем увеличение светимости — в
12 звёздных величин).
Рентге́новские двойны́е звёзды — класс двойных звёзд, ярких в рентгеновском диапазоне спектра излучения. Рентгеновское излучение создается веществом, падающим с одной звезды, называемой донором, на вторую, называемую аккретором и очень компактную, являющуюся нейтронной звездой или чёрной дырой. При падении вещества высвобождается гравитационная потенциальная энергия, эквивалентная нескольким десятым долям массы покоя, в форме рентгеновского излучения. Время жизни и темп переноса массы в рентгеновских.
Карликовые новые или звезды типа U Близнецов (U Gem, UG) являются одним из видов катаклизмических переменных звёзд — тесной двойной звёздной системой, в которой один из компонентов — белый карлик, на который аккрецируется вещество со спутника. Они похожи на классические новые звёзды в том плане, что белый карлик участвует в периодических вспышках, но механизмы вспышек разные: в классических новых звёздах вспышка — результат термоядерной реакции и детонации аккрецировавшего водорода, в то время как.
Журнал «Все о Космосе»
Красный гигант
Красный гигант (иллюстрация)
Эволюционные треки звезд различных масс при образовании красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга — Рассела
К красным гигантам относят звёзды спектральных классов K и M класса светимости III, то есть с абсолютной звёздной величиной. Температура излучающей поверхности (фотосферы) красных гигантов сравнительно невелика (Tph ≈ 3000—5000 K) и, соответственно, поток энергии с единицы излучающей площади невелик — в 2—10 раз меньше, чем у Солнца. Однако полная светимость таких звёзд может достигать 10 5 —10 6 L☉, так как красные гиганты и сверхгиганты имеют очень большие размеры и, соответственно, площади поверхности. Характерный радиус красных гигантов — от 100 до 800 солнечных радиусов, что соответствует площади поверхности в 10 4 —10 6 раз больше солнечной.
Спектры красных гигантов характеризуются наличием молекулярных полос поглощения, поскольку в их относительно холодной фотосфере некоторые молекулы оказываются устойчивыми. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную области спектра.
Звёзды в процессе своей эволюции могут достигать поздних спектральных классов и высоких светимостей на двух этапах своего развития: на стадии звездообразования и поздних стадиях эволюции.
Стадия, на которой молодые звёзды наблюдаются как красные гиганты, зависит от их массы — этот этап длится от
10 3 лет для массивных звёзд с массами М ≈ 10 M☉ и до
10 8 лет для маломассивных звёзд с М ≈ 0,5 M☉. В это время звезда излучает за счёт гравитационной энергии, выделяющейся при сжатии. По мере сжатия температура поверхности таких звёзд растёт, но вследствие уменьшения размеров и площади излучающей поверхности падает светимость. В конечном итоге в их ядрах начинается реакция термоядерного синтеза гелия из водорода (протон-протонный цикл, а для массивных звёзд также CNO-цикл), и молодая звезда выходит на главную последовательность.
На поздних стадиях эволюции звёзд после выгорания водорода в их недрах и образования «пассивного» (не участвующего в термоядерных реакциях) гелиевого ядра звёзды сходят с главной последовательности и перемещаются в область красных гигантов и сверхгигантов диаграммы Герцшпрунга — Рассела: этот этап длится
10 % от времени «активной» жизни звёзд, то есть этапов их эволюции, в ходе которых в звёздных недрах идут реакции нуклеосинтеза. Звёзды главной последовательности с массами М 10 M☉ — непосредственно в красные сверхгиганты. Перед тем как перейти в стадию красного гиганта, звезда проходит промежуточную стадию — стадию субгиганта. Субгигант — это звезда, в ядре которой уже прекратились термоядерные реакции с участием водорода, но горение гелия ещё не началось, так как гелиевое ядро недостаточно разогрето.
В современной астрофизике термин красные гиганты относится, как правило, к таким проэволюционировавшим звёздам, сошедшим с главной последовательности; молодые звёзды, не вышедшие на главную последовательность, обобщённо называют протозвёздами или по конкретному типу, например, звёзды типа T Тельца.
Протопланетарная туманность Красный Прямоугольник: асимметричный выброс газопылевой материи красным гигантом
Высокая светимость красных гигантов в сочетании с огромной протяжённостью их атмосфер (радиусы в 10 2 —10 3 R☉) приводит к тому, что на границах их фотосфер давление излучения на газовую и пылевую компоненты их оболочек становится соизмеримым с силами тяготения, что вызывает вынос вещества.
Ионизация областей оболочек, лежащих ниже фотосферы, делает их существенно непрозрачными для электромагнитного излучения, что приводит к конвекционному механизму переноса энергии. Аналогичную природу имеет солнечная активность, в случае же красных гигантов мощность конвективных потоков должна значительно превосходить солнечную.
В протяжённых звёздных оболочках могут развиваться неустойчивости, приводящие к сильным колебательным процессам, сопровождающимся изменением теплового режима звезды. Периодические колебания оболочек во многих случаях приобретают заметный с огромных расстояний масштаб: многие «старые» красные гиганты являются пульсационными переменными, переменными являются также и некоторые «молодые красные гиганты» типа T Тельца. Конвективные механизмы могут приводить к выносу в атмосферу звезды продуктов нуклеосинтеза из внутренних ядерных источников, что является причиной наблюдаемых аномалий химического состава красных гигантов, в частности, повышенного содержания углерода.
Средняя плотность красных гигантов может быть в миллион раз меньше плотности воды (для сравнения, средняя плотность Солнца примерно равна плотности воды, 1 г/см3). При этом отношение средней плотности к плотности ядра может составлять 1:10 8 (у Солнца примерно 1:50). Около 10% массы красного гиганта приходится на его очень малое по размерам ядро, в котором (или в наружном слое которого) происходят термоядерные реакции; остальная часть массы звезды приходится на очень протяжённую оболочку, которая переносит выделившуюся в ядре энергию к поверхности.
На поверхности красных гигантов ускорение свободного падения очень невелико. Так, если звезда с массой, равной массе Солнца, превращается в красный гигант и увеличивает свой радиус до размеров орбиты Земли (1 а. е.), то ускорение свободного падения на её поверхности будет равно центростремительному орбитальному ускорению Земли, т. е. 0,6 см/с2, или 0,0006 g; для сравнения, ускорение свободного падения на поверхности Солнца равно 27,8 g. Низкая поверхностная гравитация и высокая светимость звезды способствуют потере вещества из её оболочки.
В процессе эволюции звёзд главной последовательности происходит «выгорание» водорода — нуклеосинтез с образованием гелия в pp-цикле и (для массивных звёзд) в CNO-цикле. Такое выгорание приводит к накоплению в центральных частях звезды гелия, который при сравнительно низких температурах и давлениях ещё не может вступать в термоядерные реакции. Прекращение энерговыделения в ядре звезды ведёт к сжатию и, соответственно, к повышению температуры и плотности ядра. Рост температуры и плотности в звёздном ядре приводит к условиям, в которых активируется новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов.
При температурах порядка 108 К кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера между ядрами: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием крайне нестабильного изотопа бериллия 8Be:
4He + 4He = 8Be.
Бо́льшая часть 8Be, имеющего период полураспада всего6,7×10 −17 секунды, снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении 8Be с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода 12C:
8Be + 4He = 12C + 7,3 МэВ.
Несмотря на весьма низкую равновесную концентрацию Be8 (например, при температуре
10 8 К отношение концентраций 8 Be/ 4 He
10 −10 ), скорость тройной гелиевой реакции оказывается достаточной для достижения нового гидростатического равновесия в горячем ядре звезды. Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока.
Начало тройной гелиевой реакции в вырожденных ядрах маломассивных (масса до
2,25 M☉) красных гигантов имеет взрывоподобный характер, что приводит к резкому, но очень кратковременному (
10 4 —10 5 лет) росту их светимости — гелиевой вспышке.
Следует, однако, отметить, что тройная гелиевая реакция характеризуется значительно меньшим энерговыделением, чем CNO-цикл: в пересчёте на единицу массы энерговыделение при «горении» гелия более чем в 10 раз ниже, чем при «горении» водорода. По мере выгорания гелия и исчерпания источника энергии в ядре возможны и более сложные реакции нуклеосинтеза, однако, во-первых, для таких реакций требуются всё более высокие температуры и, во-вторых, энерговыделение на единицу массы в таких реакциях падает по мере роста массовых чисел ядер, вступающих в реакцию.
Дополнительным фактором, по-видимому, влияющим на эволюцию ядер красных гигантов, является сочетание высокой температурной чувствительности тройной гелиевой реакции (и реакций синтеза более тяжёлых ядер) с механизмом нейтринного охлаждения: при высоких температурах и давлениях возможно рассеяние фотонов на электронах с образованием нейтрино-антинейтринных пар, которые свободно уносят энергию из ядра: звезда для них прозрачна. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами передачи энергии из недр звезды к её фотосфере. В результате реакции нуклеосинтеза в ядре звезды достигается новое равновесие, характеризующееся одинаковой температурой ядра: образуется изотермическое ядро.
Жизненный цикл Солнца
После этого температура и плотность в солнечном ядре повысятся настолько, что начнётся горение гелия, и гелий начнёт превращаться в углерод. Размеры Солнца вырастут как минимум в 200 раз, то есть почти до современной земной орбиты (0,93 а.е.) Меркурий и Венера, несмотря на сильную потерю массы Солнца к моменту перехода на стадию красного гиганта, будут им поглощены и полностью испарятся. Земля, если не разделит их судьбу, будет разогрета настолько, что шансов на сохранение жизни не будет никаких. Океаны же испарятся задолго до перехода Солнца на стадию красного гиганта, приблизительно через 1,1 миллиарда лет.
На стадии красного гиганта Солнце будет находиться приблизительно 100 миллионов лет, после чего превратится в планетарную туманность с белым карликом в центре; планетарная туманность рассеется в межзвёздной среде в течение нескольких тысячелетий, а белый карлик будет остывать в течение многих миллиардов лет.
Фотография Миры в ультрафиолете. «Хвост» звёздной атмосферы обусловлен влиянием звезды-компаньона
SR — полуправильные пульсирующие переменные гиганты спектрального класса М с периодом от 20 дней до нескольких лет и вариациями блеска
3m (пример: Z Большой Медведицы).
SRc — полуправильные пульсирующие переменные сверхгиганты спектрального класса М (примеры: μ Цефея, Бетельгейзе, α Геркулеса).
Lb — неправильные медленные пульсирующие переменные гиганты спектрального класса K, M, C, S (примеры: CO Cyg).
Lc — неправильные медленные пульсирующие переменные сверхгиганты спектрального класса M с вариациями блеска
