Очень важными характеристиками звезды являются ее радиус и масса. Масса оценивается обычно в долях от массы Солнца, например, 1,2 Мс, т.е. в 1,2 раза больше массы Солнца.
Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. В 30-е годы 20-го века Герцшпрунг и Рессел обнаружили, что абсолютная величина звезды (светимость) и ее температура (спектр) определенным образом связаны между собой, т.е. если в системе координат «спектр – светимость» обозначать точками звезды с конкретными значениями этих величин, они будут ложиться на координатную плоскость в определенном порядке. Такое графическое представление зависимости абсолютной величины звезды или ее светимости от температуры или спектра получило название диаграммы Герцшпрунга-Рессела, или H – R –диаграммы (см. рис. 1).
Источником энергии звезд типа солнца является так называемая протон-протонная реакция – термоядерная реакция синтеза гелия из водорода, которая протекает при высоких температурах (порядка 1013К). При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки и протоны (ядра водорода), благодаря так называемому туннельному эффекту, сталкивается с другим протоном, преодолевая силы кулоновского отталкивания – потенциальный энергетический барьер, окружающий его. При столкновении один из протонов превращается в нейтрон и, таким образом, рождается ядро тяжелого водорода – дейтерия с высвобождением позитрона е+ и нейтрино n:
Н1 + Н1 ® D2 + e+ + n.
Далее, ядро дейтерия, соединяясь с протоном, образует ядро легкого изотопа гелия и гамма квант g:
D2 + H1 ® He3 + g .
Окончательная реакция – слияние ядер легкого гелия и высвобождение двух протонов:
Не3 +Не3 ® Не4 + Н1 + Н1
2. Галактики и метагалактики
Понятие «галактика» в современном языке обозначает огромную звездную систему. Происходит оно от греческого слона «молоко, молочный» и было введено в обиход для обозначения нашей звездной системы. Она, как известно, видится нам как тянущаяся через все небо светлая полоса с молочным оттенком и названная поэтому «Млечный Путь». Именно в Млечном Пути сосредоточено подавляющее число звезд нашей Галактики, вот почему часто говорят: наша Галактика — это Млечный Путь. Число звезд в ней - несколько сотен миллиардов, т.е. порядка триллиона (1012). Она имеет форму диска с утолщением в центре (см. рис. 2).
Диаметр самого диска, т.е. диаметр нашей Галактики равен приблизительно 1021м, масса Галактики - ~ 1042 кг. Рукава Галактики имеют спиральную форму, т.е. расходятся по спиралям от ядра. В одном из рукавов на расстоянии около 3´1020 м от ядра находится Солнце, расположенное вблизи плоскости симметрии. Самые многочисленные звезды в нашей Галактике — это карлики (массой примерно в 10 раз меньше массы Солнца). Кроме одиночных звезд и их спутников (планет), есть двойные и кратные звезды и целые звездные скопления. движущиеся как единое целое (например, звездное скопление Плеяды). Их открыто в настоящее время более 1000. Шаровые скопления содержат красные и желтые звезды-гиганты и сверхгиганты. Кроме этого, в галактике есть туманности, состоящие в основном из газа и пыли. Межзвездное пространство заполнено полями (электромагнитным и гравитационным) и разреженным межзвездным газом. Галактика вращается вокруг своего центра, причем угловая и линейная скорость с увеличением расстояния от центра изменяются. Линейная скорость движения Солнца вокруг центра Галактики равна 250 км/с, что практически соответствует максимальной линейной скорости звезд. Полный оборот по своей орбите Солнце делает примерно за 200 миллионов лет (2 • 108 лет). Этот период называется галактическим годом.
В начале 20-го в. было доказано, что кроме нашей Галактики существуют и другие, также состоящие из миллиардов звезд. В совокупности они образуют нашу вселенную, или Метагалактику. Одна из ближайших к нам галактик — Туманность Андромеды — находится от нас на расстоянии, примерно 2,5 • 1022 м, ее диаметр равен 1.3 диаметра Млечного Пути, а масса практически равна массе нашей Галактики. Но внешнему виду все галактики делятся на 3 основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные.
В 1963 г. во Вселенной были открыты квазизвездные, т.е. звездоподобные источники сильного радиоизлучения. Их назвали квазарами. Это – весьма удаленные от нас объекты Вселенной, расстояние до них порядка 1025 – 1026 м. К настоящему времени их насчитывается более тысячи. Квазары излучают огромное количество энергии. Так, квазизвездный объект размером с Солнечную систему может излучать в 10 раз больше энергии, чем Млечный Путь - наша галактика. Но современным представлениям квазары - это активные ядра далеких галактик или сами эти галактики, которые мы видим "сбоку". Галактики образуют группы, группы образуют систему, крупные системы называются скоплениями: они состоят из сотен и тысяч галактик.
Ближайшее к нам скопление галактик расположено в созвездии Девы и находится на расстоянии около 6´1023 м. Диаметр этого скопления более 1,8´1023 м. Современная внегалактическая астрономия позволяет говорить о сверхскоплениях галактик. К настоящему времени открыты десятки таких сверхскоплений. Все это свидетельствует о том, что Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от фундаментальных частиц до гигантских сверхскоплений галактик.
Эволюция галактик. Согласно современным представлениям, вначале Галактика представляла собой медленно вращающееся гигантское газовое облако. Под действием сил тяготения (собственной гравитации) оно сжималось. В ходе этого сжатия, или коллапса рождались первые звезды, и происходило постепенное разделение звездной и газовой составляющих Галактики. Выделяющаяся при сжатии энергия гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В конце концов кинетическая энергия звезд достигла значения, при котором дальнейшее сжатие поперек оси вращения стало невозможным. Таким образом, подсистема самых старых звезд, возникших в начале коллапса протогалактики, сохранила первоначальную сферическую форму, образовав гало. Сжатие газа вдоль оси вращения продолжалось, что привело к формированию тонкого газового диска. Впоследствии формирующиеся в нем звезды образовали вращающуюся дисковую спиральную подсистему. В результате продолжающейся гравитационной конденсации в Галактике происходит непрерывное образование звезд из межзвездного газа.
В 1944 г. астроном Бааде предложил называть все звезды звездным населением. Самые старые звезды, образующие гало, составляют население I, а средние по возрасту и молодые звезды, расположенные в диске (спиральных рукавах) – население II. Это – звезды Главной последовательности. Из них звезды спектральных классов O и B – самые молодые и горячие, а классов G, K, M – карлики.
Разбегание галактик. В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Кроме того, оказалось, что чем дальше галактика, тем больше смещение линий. На основе известного из физики эффекта Доплера было сделано заключение, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается. Так как наша Галактика не является центром Вселенной, это означает, что происходит взаимное удаление галактик.
Математически закон Хаббла записывается следующим образом:
V = H×r,
где V – линейная скорость галактики, км/с, r – расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н – постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(с×Мпк).
Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются. Следует заметить, что для близких и очень далеких галактик закон Хаббла неточен.
Отметим некоторые особенности расширения Метагалактики.
1. Расширение проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплении галактик. Сами галактики и кратные системы звезд не расширяются (этому препятствуют силы тяготения). Таким образом, можно говорить лишь о расширении Вселенной, т.е. Метагалактики.
2. Не существует центра, от которого происходит расширение.
3. Постоянная Хаббла в каждый момент времени одинакова во всей Вселенной, но зависит от времени (со временем убывает).
Время t = 1/Н, называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов, находящихся в разных частях Вселенной.
Расширение Метагалактики говорит о том, что Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует, что еще раз подтверждает всеобщий, глобальный характер принципа эволюции.