Гид по Вселенной: кто есть кто

Существует множество разных звезд: одни более горячие, другие более холодные, одни большие, другие (условно) маленькие. Звезда красный гигант имеет невысокую температуру поверхности и огромный радиус. Из-за этого она обладает высокой светимостью. Радиус красного гиганта может достигать 800 солнечных, а яркость способна превосходить солнечную в 10 тыс. раз.  

Красный гигант — это конечный этап эволюции звезды. Звезда становится красным гигантом, когда в ее центре весь водород превращается в гелий, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра. Таким образом, все красные гиганты имеют похожее строение: горячее плотное ядро и очень разреженную и протяженную оболочку. Это ведет к росту светимости, расширению внешних слоев и снижению температуры на поверхности. А также к интенсивному звездному ветру — истечению вещества из светила в межзвездное пространство. 

Дальнейшая судьба красного гиганта зависит от массы. Если масса низкая, то звезда трансформируется в белого карлика, если высокая — превратится в нейтронную звезду или черную дыру.  

Звезда-карлик — это полная противоположность звезде-гиганту. Перед нами проэволюционировавшее светило, масса которого сравнима с массой Солнца. При этом радиус белых карликов примерно в 100 раз меньше радиуса нашего светила. «Рождаются» они, когда красные гиганты «сбрасывают» свою оболочку, которая в виде планетарной туманности рассеивается в межзвездном пространстве. Оставшееся холодное и почти не излучающее гелиевое ядро и называют белым карликом.

Белые карлики занимают 3–10% звездного населения нашей Галактики, но из-за малой светимости выявить их очень тяжело. 

По мере дальнейшей эволюции белый карлик охлаждается еще сильнее, и его цвет меняется с белого на красный. Конечная стадия эволюции такого объекта — остывший черный карлик. Другой вариант — накопление на поверхности белого карлика вещества, «перетекающего» с другой звезды, сжатие и последующий взрыв новой или сверхновой.

Об этом типе звезд знают далеко не все. И это странно, ведь наше родное Солнце — это типичный желтый карлик. Желтые карлики — небольшие звезды, масса которых составляет 0,8–1,2 солнечной. Это светила так называемой главной последовательности. На диаграмме Герцшпрунга—Рассела это область, которая содержит звезды, использующие в качестве источника энергии термоядерную реакцию синтеза гелия из водорода. 

Желтые карлики имеют температуру поверхности 5000–6000 K, а среднее время их жизни составляет 10 млрд лет. Такие звезды превращаются в красных гигантов после того, как их запас водорода сжигается. Подобная участь ожидает и наше Солнце: по прогнозам ученых, примерно через 5–7 млрд лет оно поглотит нашу планету, став красным гигантом, а затем превратится в белого карлика. Но задолго до всего этого жизнь на нашей планете будет сожжена. 

Коричневый (или бурый) карлик — весьма необычный объект темно-красного или даже инфракрасного цвета, который сложно как-либо классифицировать. Он занимает промежуточное положение между звездой и газовой планетой. Бурые карлики имеют массу равную 1–8% солнечной. Они чересчур массивны для планет, и гравитационное сжатие дает возможность для термоядерных реакций с участием «легкогорючих» элементов. Но для «зажигания» водорода массы недостаточно, и светит коричневый карлик, в сравнении с обычной звездой, относительно недолго. 

Температура поверхности коричневого карлика может составлять 300–3000 К. Всю свою жизнь он непрерывно остывает: чем крупнее такой объект, тем медленнее происходит этот процесс. Проще говоря, коричневый карлик из-за термоядерного синтеза разогревается на первом этапе своей жизни, а затем остывает, становясь похожим на обычную планету.

Коричневые карлики могут образовываться как в протопланетном диске какой-либо звезды, так и независимо от других космических объектов. Вокруг них тоже могут появляться планеты и, по некоторым представлениям, даже обитаемые. Но поскольку коричневые карлики излучают мало тепла и очень короткое время, то зона обитаемости располагается достаточно близко к ним и очень быстро исчезает. Если на Земле для появления многоклеточной жизни потребовалось 3,5 млрд лет, и срок ее дальнейшего существования при удачном стечении обстоятельств довольно велик, то, например, многоклеточная жизнь на подобной планете около бурого карлика массой 0,04 солнечной просуществует не более 0,5 млрд лет. Потом по мере остывания карлика зона обитаемости приблизится к нему, и всё живое на планете погибнет.

Двойной звездой (или двойной системой) называют две гравитационно связанные звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс. Двойная звезда кажется весьма экзотическим явлением, однако в галактике Млечный Путь оно очень распространено. Исследователи полагают, что примерно половина всех звезд Галактики относится к двойным системам. Иногда даже можно встретить системы, которые состоят из трех звезд.

Обычная звезда формируется в результате сжатия молекулярного облака из-за гравитационной неустойчивости. В случае с двойной звездой ситуация похожа, но вот что касается причины разделения, то здесь ученые не могут придти к общему мнению. 

Сверхновой звездой называют феномен, при котором яркость звезды возрастает на 4–8 порядков, а после этого постепенно понижается. Происходит это из-за взрыва звезды, при котором она полностью разрушается. Такая звезда на некоторое время затмевает другие светила: и это неудивительно, ведь при взрыве ее светимость может превышать солнечную в 1 млрд раз. В галактиках, сравнимых с нашей, появление одной сверхновой фиксируют примерно раз в 30 лет. Однако наблюдению за объектом мешает звездная пыль, ведь при взрыве огромный объем вещества попадает в межзвездное пространство. Оставшееся вещество может выступать в качестве строительного материала для нейтронной звезды или черной дыры. 

Есть два основных типа сверхновых.

У I типа в оптическом спектре отсутствует водород. Поэтому ученые считают, что такие сверхновые произошли от взрыва белого карлика. Ведь у него, как мы уже говорили, водорода нет. Такие белые карлики должны обязательно входить в состав двойной звезды. В определенный момент вещество со второй звезды начинает «перекачиваться» на белого карлика, и когда тот достигает критической массы, происходит коллапс. Сверхновые I типа вспыхивают как в эллиптических галактиках, так и в спиральных.

У II типа сверхновых исследователи фиксируют водород в спектре. Отсюда возникает предположение, что речь идет о взрыве «обычной» звезды. Когда «топливо» в массивной (более 10 масс Солнца) звезде истощается, ее образовавшееся ядро может достичь критической массы и коллапсировать. При таком сценарии ядро сверхновой II типа в конечном итоге становится нейтронной звездой. Такие сверхновые появляются только в спиральных галактиках.

Нейтронная звезда состоит, в основном, из нейтронов — тяжелых элементарных частиц, не имеющих электрического заряда. Как уже говорилось, причиной их образования является гравитационный коллапс нормальных звезд. За счет притяжения начинается стягивание звездных масс к центру до тех пор, пока они не становятся невероятно сжатыми. В результате этого нейтроны как бы упаковываются. Такой объект имеет тонкую атмосферу из горячей плазмы, внешнюю кору из ионов и электронов, внутреннюю кору из электронов и свободных нейтронов, а также внешнее и внутреннее ядра из плотно упакованных нейтронов. Многие нейтронные звезды очень быстро вращаются — до сотен оборотов в секунду.

Нейтронная звезда невелика — обычно ее радиус не превышает 20 км. При этом масса большинства таких объектов составляет 1,3–1,5 солнечных (теория допускает существование нейтронных звезд с массой даже 2,5 массы Солнца). Плотность нейтронной звезды настолько велика, что одна чайная ложка ее вещества весит миллиарды тонн.

Пульсары — это нейтронные звезды, испускающие радио-, гамма-, оптическое и рентгеновское излучения, которые приборы фиксируют в виде импульсов. Ось вращения такой звезды не совпадает с осью ее магнитного поля. А излучает пульсар как раз вдоль последней — со своих магнитных полюсов. И поскольку звезда вращается вокруг своей оси, мы на Земле можем наблюдать излучения лишь в тот момент, когда пульсар поворачивается магнитным полюсом к нашей планете. Это можно сравнить с маяком: наблюдателю на берегу кажется, что он периодически мигает, хотя на самом деле прожектор просто поворачивается в другую сторону. Иными словами, мы наблюдаем некоторые нейтронные звезды в качестве пульсаров потому, что один из их магнитных полюсов при вращении оказывается направленным к Земле.

Лучше всего изучен пульсар PSR 0531+21, который находится в Крабовидной туманности на расстоянии 6520 световых лет от нас. Эта нейтронная звезда совершает 30 оборотов в секунду, а полная мощность ее излучения в 100 000 раз выше, чем у Солнца. Впрочем, многие аспекты, связанные с пульсарами, только предстоит изучить.

Пульсар и квазар иногда путают, между тем разница между ними очень велика. Квазар — загадочный объект, чье название произошло от словосочетания «квазизвездный радиоисточник». Такие объекты — одни из самых ярких и самых далеких от нас. По мощности излучения квазар может в сто раз превосходить все звезды Млечного Пути вместе взятые. 

Разумеется, обнаружение первого квазара в 1960 году вызвало невероятный интерес к явлению. Сейчас ученые полагают, что квазар — это активное ядро галактики. Там находится сверхмассивная черная дыра, вытягивающая на себя материю из пространства, которое ее окружает. Масса дыры просто гигантская, а сила излучения превосходит силу излучения всех расположенных в галактике звезд. Самый близкий к нам квазар находится на расстоянии 2 млрд световых лет, а самые далекие из-за их невероятной видимости мы можем наблюдать на удалении 10 млрд световых лет. 

Блазары — это квазары, испускающие мощнейшие лучи плазмы (так называемые релятивистские струи), которые может видеть наблюдатель с Земли. Два луча исходят из ядра блазара и направлены в противоположные стороны. Эти потоки излучения и вещества могут уничтожить все живое на своем пути. Если такой луч пройдет на расстоянии хотя бы 10 св. лет от Земли, на ней уже не будет жизни. 

Само название произошло от слов «квазар» и «BL Ящерицы». Последний является характерным представителем подтипа блазаров, известного как лацертиды. Данный класс выделяется особенностями оптического спектра, который лишен широких эмиссионных линий, характерных для квазаров.

Сейчас ученые выяснили расстояние до самого отдаленного блазара PKS 1424+240: оно составляет 7,4 млрд световых лет. 

Вне всякого сомнения, это один из самых загадочных объектов Вселенной. О черных дырах написано много, но природа их до сих пор скрыта от нас. Вторая космическая скорость (скорость, необходимая для преодоления гравитации небесного тела и покидания орбиты вокруг него) для них превосходит скорость света! Ничто не способно избежать гравитации черной дыры. Она настолько огромна, что практически останавливает ход времени. 

Черная дыра образуется из массивной звезды, которая израсходовала свое топливо. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью и увлекающая за собой пространственно-временной континуум вокруг. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится черной дырой. Иными словами, черная дыра — это искривленный участок Вселенной. Он всасывает в себя материю, расположенную рядом. Считается, что первый ключ к пониманию черных дыр — теория относительности Эйнштейна. Впрочем, ответы на все основные вопросы еще только предстоит узнать. 

Продолжая тему, просто нельзя пройти мимо сугубо гипотетического объекта — так называемых кротовых нор, или червоточин. Их представляют как пространственно-временные туннели, состоящие из двух входов и горловины. Кротовая нора — топологическая особенность пространства-времени, позволяющая (гипотетически) путешествовать кратчайшим из всех путей. Чтобы хоть немного понять природу кротовой норы, можно свернуть бумажный лист (символизирующий наше пространство-время), а затем проткнуть его иголкой. Полученная в результате дыра будет являться подобием кротовой норы. Если двигаться по поверхности листа от одной дыры к другой (что мы в нашей реальности только и можем делать), получится длинный путь, но гипотетически ведь можно пройти и сквозь дыру, сразу оказавшись на другой стороне!

В разное время специалисты выдвигали различные версии о кротовых норах. Возможность существования чего-то подобного доказывает общая теория относительности, но до сих пор не удалось найти ни одну кротовую нору. Может быть, в будущем новые исследования помогут подтвердить существование таких объектов.

Туманность — это не что иное, как космическое облако, которое состоит из пыли и газа. Она — основной строительный блок нашей Вселенной: из него образуются звезды и звездные системы. Туманность — один из самых красивых астрономических объектов, который может светиться всеми цветами радуги. 

Здесь важно уточнить. Слово «туманность» имеет давнюю историю: раньше им могли обозначить практически любой астрономический объект, включая галактики. Например, галактику Туманность Андромеды. Сейчас от данной практики отошли, и словом «туманность» обозначают скопления пыли, газа и плазмы.

Выделяют эмиссионную туманность (облако газа высокой температуры), отражательную туманность (не излучающую собственной радиации), темную туманность (облако пыли, блокирующее свет от объектов, расположенных за ним) и планетарную туманность (оболочку из газа, произведенного звездой в конце своей эволюции). Сюда же относят и остатки сверхновых.

Это гипотетическое явление, не испускающее электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействующее с ним. Следовательно, мы не можем его обнаружить напрямую, но видим признаки существования темной материи при наблюдении за поведением астрофизических объектов и гравитационными эффектами, которые они создают. 

Как же нашли темную материю? Исследователи рассчитали общую массу видимой части Вселенной, а также гравитационные показатели, и выявили определенный дисбаланс, который и списали на загадочную субстанцию. Также выяснили, что некоторые галактики вращаются быстрее, чем должны согласно расчетам. Следовательно, нечто оказывает на них влияние и не позволяет «разлететься» в стороны. 

Сейчас ученые полагают, что темная материя не может состоять из обычного вещества, и в ее основе лежат крошечные экзотические частицы. Но некоторые в этом сомневаются, утверждая, что темная материя может состоять и из макроскопических объектов. 

Если и существует что-то более загадочное, чем темная материя, то это темная энергия. В отличие от первой, темная энергия — относительно новое понятие, но оно уже успело перевернуть наше представление о Вселенной. Темная энергия, согласно выводам ученых, является чем-то, что заставляет нашу Вселенную расширяться с ускорением, то есть со временем все быстрее. Исходя из гипотезы о темной материи, распределение масс во Вселенной выглядит так: 74% — темная энергия, 22% — темная материя, 0,4% — звезды и другие объекты, 3,6% — межгалактический газ. 

Если в случае с темной материей есть хотя бы косвенные доказательства ее существования, то темная энергия существует сугубо в рамках математической модели, рассматривающей расширение нашей Вселенной. Поэтому никто не может сейчас с уверенностью сказать, что такое темная энергия.