Глава 20. Звезды-карлики и субкарлики.

Самыми малыми среди обычных звезд являются красные карлики. Массы их и радиусы — десятые доли солнечных, а средние плотности в 10—100 раз выше, чем плотность воды. Звезды этого типа испускают очень мало света, иногда в 10 000 раз меньше Солнца. Из-за низкой скорости сгорания водорода красные карлики имеют очень большую продолжительность жизни — от десятков миллиардов до десятков триллионов лет (красный карлик с массой в 0,1 массы Солнца будет гореть 10 триллионов лет). В красных карликах невозможны термоядерные реакции с участием гелия, поэтому они не могут превратиться в красные гиганты. Со временем они постепенно сжимаются и все больше нагреваются, пока не израсходуют весь запас водородного топлива, и постепенно превращаются в голубые карлики, а затем — в белые карлики с гелиевым ядром. Но с момента Большого взрыва прошло ещё недостаточно времени, чтобы красные карлики смогли сойти с главной последовательности.Кроме того, тот факт, что на данный момент не найдено ни одного красного карлика вне главной последовательности, свидетельствует о том, что Вселенная имеет конечный возраст.

Рис.78. Система красный – белый карлик (иллюстрация).

Красные карлики — самые распространенные объекты звездного типа во Вселенной. Проксима Центавра, ближайшая звезда к Солнцу — красный карлик. Как и многие другие красные карлики, Проксима Центавра является вспыхивающей переменной звездой. Во время вспышек её светимость может увеличиться в несколько раз. Вспышки сопровождаются увеличением яркости не только в оптическом, но и в рентгеновском диапазоне.24 августа 2016 года Европейская южная обсерватория подтвердила сведения о существовании землеподобной планеты в обитаемой зоне Проксимы Центавра.

Рис.79. Фотография Проксимы Центавра, сделанная телескопом «Хаббл».

Почти80% звезд Млечного Пути – это красные карлики, что в численном выражении составляет около 300 миллиардов звезд.Однако из-за их низкой яркости они мало изучены.

Среди тусклых красных карликов встречаются вспыхивающие звезды. Их открыто не слишком много из-за сверхнизкой светимости. Вспыхивающие красные карлики астрономы называют звездами типа UV Кита или переменными звездами, у которых резко возрастает светимость. Блеск звезды может резко вырасти всего за несколько секунд, угасание же происходит значительно медленнее. Учеными не обнаружена периодичность возникновения вспышек, этот процесс носит спонтанный характер.

Рис.80. Вспыхивающий красный карлик, фотография.

Коричневый карлик — это настолько маленькая звезда (порою чуть массивнее крупной планеты), что она почти не светит. Астрономы не рассчитывали найти планеты рядом с такими карликами. Но сейчас они видят намеки на существование миниатюрных планетных систем, формирующихся вокруг коричневых карликов и других удивительных объектов.

Рис.81. Коричневый карлик и протопланетный диск вокруг него, компьютерная обработка фотоснимка.

В 2005 году были обнаружены экзопланеты, обращающиеся вокруг красных карликов. По размеру одна из них сопоставима с Нептуном (около 17 масс Земли). Эта планета обращается на расстоянии всего в 6 миллионов километров от звезды, и поэтому должна иметь температуру поверхности около 150 °C, несмотря на низкую светимость звезды. В 2006 году была обнаружена планета земного типа. Она обращается вокруг красного карлика на расстоянии в 390 миллионов километров и температура её поверхности составляет −220 °C. В 2007 году были обнаружены планеты в обитаемой зоне красного карлика Глизе 581, в 2010 году обнаружена планета в обитаемой зоне у Глизе 876. В 2014 году обнаружена землеразмерная планета Kepler-186f в обитаемой зоне. 22 февраля 2017 года было объявлено об обнаружении семи планет земного типа около красного карлика TRAPPIST-1. Три из них находятся в обитаемой зоне.Определение жизнепригодности системы красного карлика может помочь определить вероятность наличия внеземной жизни, так как красные карлики составляют большинство звезд в нашей галактике. В то время как относительно малое количество излучаемой энергии, небольшой размер обитаемой зоны, высокая вероятность захвата планеты приливными силами и высокая изменчивость звезды являются значительными препятствиями для возникновения и поддержания жизни, распространенность и долговечность красных карликов являются положительными факторами.

Рис.82.Экзопланета и красный карлик, иллюстрация.

Еще меньше красных белые карлики — но это уже необычные звезды.

У близкого к нам и яркого Сириуса (имеющего радиус примерно вдвое больше солнечного) есть спутник, обращающийся вокруг него с периодом 50 лет. Для этой двойной звезды расстояние, орбита и массы хорошо известны. Обе звезды белые, почти одинаково горячие. Следовательно, поверхности одинаковой площади излучают у этих звезд одинаковое количество энергии, но по светимости спутник в 10 000 раз слабее, чем Сириус.

Рис.83. Система Сириус А – Сириус В в оптических лучах.

Значит, его радиус меньше в 10000= 100 раз, т. е. он почти такой же, как Земля. Между тем масса у него почти как у Солнца! Следовательно, белый карлик имеет громадную плотность — около 109 кг/м³.При таких плотностях электронные оболочки атомов разрушаются, и вещество представляет собой электронно-ядерную плазму, причем ее электронная составляющая представляет собой вырожденный электронный газ.По распространённости белые карлики составляют, по разным оценкам, 3—10 % звездного населения нашей Галактики. Неопределенность оценки обусловлена трудностью наблюдения удалённых белых карликов из-за их малой светимости.

Рис.84. Тройная звезда в созвездии Эридан.

Первым открытым белым карликом стала звезда 40 Эридана B в тройной системе 40 Эридана, которую еще в 1785 году Вильям Гершель включил в каталог двойных звезд. В 1910 году Генри НоррисРасселл обратил внимание на аномально низкую светимость 40 Эридана B при ее высокой цветовой температуре, что и послужило впоследствии выделению подобных звезд в отдельный класс белых карликов. В 1844 году директор Кенигсбергской обсерватории Фридрих Бессель, анализируя данные наблюдений, которые велись с 1755 года, обнаружил, что Сириус, ярчайшая звезда земного неба, и Процион периодически, хотя и весьма слабо, отклоняются от прямолинейной траектории движения по небесной сфере. Бессель пришел к выводу, что у каждой из них должен быть близкий спутник. Сообщение было встречено скептически, поскольку слабый спутник оставался ненаблюдаемым, а его масса должна была быть достаточно велика — сравнимой с массой Сириуса и Проциона, соответственно. В январе 1862 в непосредственной близости от Сириуса была обнаружена тусклая звездочка. Это был спутник Сириуса, Сириус B, предсказанный Бесселем. А в 1896 году американский астроном Д. М. Шеберле открыл Процион B, подтвердив тем самым и второе предсказание Бесселя.

Рис.85. Двойная звезда Процион.

В 1915 году американский астроном Уолтер Сидней Адамс измерил спектр Сириуса B. Из измерений следовало, что его температура не ниже, чем у Сириуса A (по современным данным, температура поверхности Сириуса B составляет 25 000 K, а Сириуса A — 10 000 K), что, с учетом его в 10 000 раз более низкой светимости, чем у Сириуса A, указывает на очень малый радиус и, соответственно, высокую плотность.

В 1917 году Адриан ванМаанен открыл еще один белый карлик — звезду ванМаанена в созвездии Рыб. В 1922 году Виллем Якоб Лейтен предложил называть такие звезды «белыми карликами».

Высокая плотность белых карликов оставалась необъяснимой в рамках классической физики и астрономии и нашла объяснение лишь в рамках квантовой механики.В отличие от звезд главной последовательности, которые совпадают с моделью идеального газа, характеристики белых карликов определяются свойствами вырожденного электронного газа (ферми-газа). В 1931 году Чандрасекарвычислил точное значение максимальной массы белого карлика, получившей название«предел Чандрасекара». Независимо от него в 1932 году советский физик Л. Д. Ландау произвел те же вычисления.

Рис.86. Некоторые белые карлики в одном из шаровых скоплений. Фотография телескопа «Хаббл».

Спектрально белые карлики разделяют по двум группам по характерным особенностям их излучения. Наиболее распространен «водородный» спектральный класс DA (до 80 % от общего количества), в котором отсутствуют спектральные линии гелия, более редким является «гелиевый белый карлик», тип DB, в спектрах звезд которого отсутствуют водородные линии.

Температура поверхности молодых белых карликов, бывших ядер массивных звезд после сброса оболочек, очень высока — более 2·10⁵ К, однако достаточно быстро падает за счет излучения с поверхности. Такие очень молодые белые карлики наблюдаются в рентгеновском диапазоне (например, наблюдения белого карлика HZ 43 спутником ROSAT). В рентгеновском диапазоне светимость белых карликов превышает светимость звезд главной последовательности. Особенностью излучения белых карликов в рентгеновском диапазоне является тот факт, что основным источником рентгеновского излучения для них является фотосфера, что резко отличает их от «нормальных» звезд: у последних в рентгене излучает корона, разогретая до нескольких миллионов кельвинов, а температура фотосферы слишком низка для испускания рентгеновского излучения.

Рис.87. Система Сириус в рентгеновских лучах. Яркий объект – белый карлик, тусклый – основная звезда.