Глава 21. 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 еще 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.21/1. Система красный гигант – 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.21/2. 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.21/3. 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.21/4. 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 ее 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.21/5. 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.21/6. 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 распространенности белые карлики составляют, по разным оценкам, 3—10 % звездного населения нашей Галактики. Неопределенность оценки обусловлена трудностью наблюдения удаленных белых карликов из-за их малой светимости.

Рис.21/7. 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 Норрис Расселл 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.21/8. 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 ван Маанен открыл еще один белый карлик — звезду ван Маанена 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.21/9. 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.21/10. Система Сириус в рентгеновских лучах. Яркий объект – белый карлик, тусклый – основная звезда.