Чому зірки різних розмірів? Відповідь не так простий, як здається

значить великий Масивний, менш масивний означає маленький, так? Все не так просто, коли мова заходить про зірок і їх розмірах. Якщо порівнювати планету Землю з Сонцем, з'ясовується, що можна розмістити 109 наших планет одна на інший, просто щоб прокласти дорогу від кінця одного світила до іншого. Але бувають зірки менше Землі і набагато, набагато більше орбіти Землі навколо Сонця. Як це можливо? Що визначає розмір зірки? Чому «сонця» такі різні?

Питання непросте, тому що ми практично не бачимо розміру зірки.

Глибоке телескопічне зображення зірок в нічному небі ясно показує зірки різних розмірів і яркостей, але всі зірки показані у вигляді точок. Різниця в розмірах — це оптичний обман, пов'язаний з насиченням спостережних камер

Навіть у телескопі більшість зірок виглядають як прості точки світу через гігантських відстаней до нас. Їх відмінності в кольорі і яскравості побачити легко, але розміри — зовсім навпаки. Об'єкт певного розміру на певній відстані буде мати так званий кутовий діаметр: гаданий розмір, який об'єкт займає на небі. Найближча до Сонця зірка Альфа Центавра А, знаходиться всього в 4,3 світлового року від нас і на 22% більше Сонця в радіусі.

Дві подібних до сонця зірки Альфа Центавра А і B, розташовані всього в 4,37 світлового року від нас і обертаються навколо один одного на відстані між Сатурном і Нептуном. Навіть на цьому знімку Хаббла вони видні як просто перенасичені точкові джерела; ніякого диска не видно

Тим не менш нам здається, що її кутовий діаметр всього 0,007", або секунд дуги. З 60 секунд дуги складається одна хвилина дуги; з 60 хвилин дуги складається 1 градус, а з 360 градусів — повний коло. Навіть телескоп начебто Хаббла може побачити лише 0,05"; у Всесвіті дуже мало зірок, що телескоп може "побачити" в гідному дозволі. Як правило, це гігантські зірки неподалік, начебто Бетельгейзе або R Doradus — найбільші кутового діаметра зірки на всьому небі.

Радіозображення дуже, дуже великий зірки Бетельгейзе. Одна з небагатьох зірок, яку ми бачимо як більше, ніж точкове джерело, з Землі

На щастя, існують непрямі вимірювання, які дозволяють нам розрахувати фізичний розмір зірки, і вони неймовірно надії. Якщо у вас є сферичний об'єкт, який стає таким гарячим, що генерує випромінювання, загальний обсяг випромінювання, що випускається зіркою, визначається двома параметрами: температурою об'єкта та його фізичними розмірами. Причина цього в тому, що єдине місце, яке випромінює світло у Всесвіті — це поверхня зірки, а площа поверхні сфери завжди розраховується однією формулою: 4πr², де r — це радіус сфери. Якщо ви можете виміряти відстань до цієї зірки, її температуру і яскравість, ви знаєте і її радіус, а значить і розмір, просто тому що такі закони фізики.

Наближений знімок червоного гіганта UY Scuti, оброблений за допомогою телескопа обсерваторії Резерфорда. Ця яскрава зірка може бути лише «точкою» для більшості телескопів, але на ділі це найбільша зірка з усіх відомих людству

Коли ми виробляємо спостереження, ми бачимо, що деякі зірки мають всього кілька десятків кілометрів в розмірах, а інші в 1500 рази більше Сонця. Серед надгігантських зірок найбільшою вважається UY Scuti діаметром 2,4 мільярда кілометрів, що більше орбіти Юпітера навколо Сонця. Звичайно, за цим неймовірним прикладів зірок не можна судити про більшість. Найпоширенішим типом зірок є зірки головної послідовності зразок нашого Сонця: зірка, яка складається з водню і отримує енергію за рахунок синтезу водню в гелій у своєму ядрі. І вони бувають самих різних розмірів в залежності від маси самої зірки.

Молодий регіон зореутворення в нашому власному Чумацькому Шляху. По мірі того як газові хмари ущільнюються під дією гравітації, протозірки нагріваються і стають щільніше, поки в їх ядрах, нарешті, не починається синтез

Коли у вас утвориться зірка, гравітаційне стиснення призводить до перетворення потенційної енергії (гравітаційної потенційної енергії) в кінетичну (тепло/рух) частинок в ядрі зірки. Якщо маси буде достатньо, температура стане достатньо високою, щоб запалити ядерний синтез в самих внутрішніх областях, де ядра водню перетворюються в гелій в процесі ланцюгової реакції. В зірці з низькою масою лише крихітна частина самого центру дійде до порогу в 4 000 000 градусів і почне синтез, і він буде протікати повільно. З іншого боку, найбільші зірки можуть бути в сотні разів масивніше Сонця і досягати температур в ядрі в кілька десятків мільйонів градусів, сплавляючи водень в гелій зі швидкістю в мільйони разів швидше, ніж у нашого Сонця.

Сучасна система спектральної класифікації Моргана-Кинана з температурним діапазоном кожного зіркового класу, показаного вище, в кельвінах. Переважна більшість зірок (75%) є зірками М-класу, з яких лише 1 на 800 досить масивна, щоб стати наднової

Найменші зірки мають найменші зовнішні потік і тиск випромінювання, а самі масивні мають найбільші. Це зовнішнє випромінювання і енергія, що утримує зірку від гравітаційного колапсу, але вас може здивувати, що відносно вузький діапазон. Самі маломасивні зірки, червоні карлики, начебто Проксими Центавра і VB 10 складають всього 10% від розміру Сонця, трохи більшеЮпітера. Але самий великий блакитний гігант R136a1 в 250 разів більше Сонця по масі, але всього в 30 разів більше в діаметрі. Якщо ви синтезируете водень в гелій, зірка не буде сильно змінюватися в розмірах.

Але далеко не кожна зірка синтезує водень в гелій. Найменші зірки взагалі нічого не синтезують, а найбільші знаходяться на набагато більш енергійному етапі свого життя. Ми можемо розбити зірки на типи за розміром і виділимо п'ять загальних класів:

Нейтронні зірки: останки наднової, що містять масу на один-три сонця, але стиснуті в одне гігантське атомне ядро. Вони все ще випромінюють радіацію, але в невеликих кількостях з-за своїх розмірів. Звичайна нейтронна зірка за розмірами становить 20-100 кілометрів.

Білі карликові зірки: утворюються, коли зірка типу сонця спалює останнім гелиевое паливо в ядрі, а зовнішні шари роздуваються, коли внутрішні стискаються. Зазвичай біла карликова зірка має від 0,5 до 1,4 мас Сонця, але за фактичним обсягом близька до Землі: близько 10 000 кілометрів в поперечнику, що складаються з сильно стиснутих атомів.

Зорі головної послідовності: сюди входять червоні карлики, зірки типу Сонця і блакитні гіганти, яких ми вже згадували. Їх розміри бувають самі різні, від 100 000 кілометрів до 30 000 000 кілометрів. Але навіть найбільша з цих зірок, якщо поставити її на місце Сонця, не проковтне Меркурій.

Червоні гіганти: наочно демонструють, що відбувається, коли в ядрі закінчується водень. Якщо ви не червоний карлик (у такому разі ви просто станете білим карликом), гравітаційне стиснення нагріє ваше ядро настільки, що ви почнете синтезувати гелій в вуглець. Синтез гелію в вуглець випускає набагато більше енергії, ніж синтез водню в гелій, тому зірка сильно розширюється. Фізика в тому, що вихідна сила (радіація) на кордоні зірки повинна врівноважувати входить силу (гравітацію), щоб зірка була стабільною, і чим більше буде сила, яка прагне назовні, тим більше буде зірка. Червоні гіганти зазвичай складають 100-150 000 000 кілометрів в діаметрі. Цього достатньо, щоб поглинути Меркурій, Венеру і, можливо, Землю.

Надгігантські зірки: найбільш масивні зірки, які закінчують із синтезом гелію і починають синтезувати ще більш важкі елементи в ядрах: вуглець, кисень, кремній і сірку. Ці зірки приречені стати надновими або чорними дірами, але перед цим вони раздуются на мільярди кілометрів або навіть більше. Серед них найбільші зірки на кшталт Бетельгейзе, і постав ми таку зірку замість нашого Сонця, вона проковтнула б всі наші тверді планети, пояс астероїдів і навіть Юпітер.

Сонце поки відносно невелика в порівнянні з гігантами, але розростеться до розмірів Арктура в своїй фазі червоного гіганта

Для самих маленьких зірок, таких як нейтронні зірки-білі карлики, є правило, що захоплена енергія може тікати тільки через крихітну площа поверхні, яка й утримує їх яскравими протягом тривалого часу. Але для всіх інших зірок розміри визначаються простим балансом: сила вихідного випромінювання на поверхні повинна дорівнювати спрямованому всередину гравітаційному тяжінню. Великі радіаційні сили означають, що зірка набухає до великих розмірів, причому найбільші зірки розбухають до мільярдів кілометрів.

Земля, якщо розрахунки правильні, не буде проковтнута Сонцем у фазі червоного гіганта. Але на самій планеті стане дуже і дуже жарко

У міру старіння Сонця його ядро нагрівається, розширюється і стає гаряче з часом. Через один-два мільярди років воно стане досить гарячим, щоб закип'ятити океани Землі, якщо ми не виведемо планету на більш безпечну орбіту. Через кілька сотень мільйонів років Сонце стане великим і яскравим. Але будемо дивитися правді в очі: яким би великим не стало наше Сонце, воно ніколи не стане масивніше нейтронних зірок і найбільших надгігантів, навіть якщо буде більше в розмірах.