Рис. 10.22. Протуберанцы на Солнце. Фото: NASA, 2010 г.
Рис. 10.23. Корональный выброс массы на Солнце 8 января 2002 г. Фото космической обсерватории SOHO (NASA, ESA).
Вспышка выглядит так: магнитные поля сжимают плазму, от этого она за короткое время сильно разогревается. По сути, происходит взрыв магнитной бомбы, на поверхности Солнца возникает возмущение, от которого расходятся тяжелые (иногда физики говорят — гравитационные) волны, подобные волнам на поверхности воды. Вспышка как бы стукнула по поверхности — и пошла волна, типичное цунами. В каждой такой вспышке выделяется достаточно энергии, чтобы нагреть большой кусок плазмы и выбросить его с поверхности. Не обязательно насовсем: он может взлететь и потом упасть — ведь от Солнца оторваться нелегко (рис. 10.22). Бывает, что облако выбрасывается со второй космической скоростью — это называют корональными выбросами массы, — и вещество летит в разные стороны. Если комета сталкивается с таким выбросом, у нее может оторвать хвост. Правда, тут же вырастет новый, как у ящерицы, потому что ядро кометы постоянно испаряется.
Рис. 10.24. Схема образования полярного сияния.
Рис. 10.25. Фото полярного сияния, сделанное астронавтом ЕКА А. Герстом с борта Международной космической станции. Источник: ESA/NASA.
Рис. 10.26. Полярное сияние на Сатурне и Юпитере. Здесь ультрафиолетовые снимки полярных сияний совмещены с оптическими снимками планет. Фото: «Хаббл», NASA.
Налетают солнечные выбросы и на Землю. Когда такое плазменное облако обрушивается на нашу атмосферу, мы наблюдаем полярное сияние (рис. 10.25). Для нас эти события важны, поэтому за солнечными чудесами сегодня следит множество спутников. Полярное сияние также возникает и на Юпитере, и на Сатурне (рис. 10.26), и даже на Уране.
11. Звездный свет
Звезды — это, пожалуй, самое интересное, что есть в астрономии. Кроме того, их внутреннее строение и эволюцию мы понимаем лучше, чем что-либо в космосе (во всяком случае, нам так кажется). С планетами дело обстоит не очень хорошо, потому что их внутренности очень трудно исследовать — мы видим только то, что на поверхности. А что касается звезд, то большинство из нас уверены, что они устроены просто.
В начале прошлого века один молодой астрофизик высказался на семинаре у Эддингтона в том духе, что проще звезд ничего нет. На что более опытный астрофизик ответил: «Ну да, если вас рассматривать с расстояния в миллиарды километров, то вы тоже покажетесь простым». На самом деле звезды не так просты, как кажется. Но все-таки их свойства исследованы наиболее полно. Тому есть две причины. Во-первых, мы умеем численно моделировать звезды, потому что, как нам представляется, они сделаны из идеального газа. Точнее, из плазмы, которая ведет себя как идеальный газ с простым уравнением состояния (это связь между температурой, плотностью и давлением). Планеты же намного сложнее. Во-вторых, иногда нам удается заглянуть в недра звезд, хотя пока это касается в основном Солнца.
К счастью, у нас в стране было и остается много хороших астрофизиков, специалистов по звездам. Связано это в основном с тем, что были хорошие физики, которые делали ядерное оружие, а звезды представляют собой природные ядерные реакторы. И когда оружие было сделано, многие физики переключились на исследование звезд, потому что это объекты в чем-то подобные. И они написали хорошие книги на эту тему.
Посоветую вам две книжки, которые до сих пор, на мой взгляд, остаются лучшими из книг на русском языке. «Физика звезд», автор которой — известный физик и талантливый преподаватель Самуил Аронович Каплан, написана почти сорок лет назад, но основы с тех пор не изменились. А современные сведения о физике звезд вы найдете в книге «Звезды» из серии «Астрономия и астрофизика», которую сделали мы с коллегами. Она пользуется таким интересом у читателей, что вышла уже тремя изданиями. Есть и другие книги, но в этих двух содержится практически исчерпывающая информация для тех, кто знакомится с предметом.
Такие разные звезды
Рис. 11.1. Принципиальная схема прибора для спектрального анализа.
Если мы посмотрим на звездное небо, то заметим, что звезды имеют разную яркость (видимый блеск) и разный цвет. Понятно, что блеск может быть делом случая, поскольку одна звезда ближе, другая — дальше, и по нему трудно сказать, какова звезда на самом деле. А вот цвет рассказывает нам о многом, потому что чем выше температура тела, тем дальше в голубую область сдвигается максимум в спектре излучения. Казалось бы, мы можем просто на глаз оценить температуру звезды: красная — холодная, голубая — горячая. Как правило, это действительно так и есть. Но иногда возникают и ошибки, связанные с тем, что между звездой и нами есть какая-то среда. Иногда она очень прозрачна, а иногда не очень. Всем известен пример с Солнцем: высоко над горизонтом оно белое (мы его называем желтым, но для глаза оно почти белое, потому что его свет нас ослепляет), но Солнце краснеет, когда восходит или заходит за горизонт. Очевидно, что не у самого Солнца меняется температура поверхности, а среда изменяет видимый цвет, и об этом надо помнить. К сожалению, для астрономов это большая проблема — угадать, насколько изменился цвет, т. е. видимая (цветовая) температура звезды, за счет того, что ее свет прошел сквозь межзвездный газ, атмосферу нашей планеты и прочие поглощающие среды. Спектр звездного света — характеристика намного более надежная, потому что его трудно сильно исказить. Всё, что мы знаем сегодня о звездах, мы прочитали в их спектрах. Исследование звездного спектра — это огромная, тщательно разработанная область астрофизики.
Рис. 11.2. Спектр абсолютно черного тела при разных температурах. Указано положение центров полос пропускания фильтров B и V. Ширина полос — около 1000 Å.
Рис. 11.3. Распределение энергии в спектре звезды. Показаны центры полос пропускания светофильтров B и V на фоне спектров излучения Солнца.
Интересно, что менее двухсот лет назад известный философ Огюст Конт сказал: «Мы уже многое узнали о природе, но есть такое, что мы не узнаем никогда, — это химический состав звезд, потому что их вещество никогда не попадет к нам в руки». Действительно, в руки к нам оно вряд ли когда-нибудь попадет, но прошло буквально 15–20 лет, и люди изобрели спектральный анализ, благодаря которому о химическом составе как минимум поверхности звезд мы узнали практически всё. Так что никогда не говори «никогда». Напротив, всегда найдется способ сделать то, во что ты поначалу не веришь.
Но прежде чем говорить о спектре, посмотрим еще раз на цвет звезды. Мы уже знаем, что максимум в спектре с увеличением температуры смещается в голубую область (рис 11.3), и это надо использовать. И астрономы научились это использовать, потому что снять полный спектр — дело очень затратное. Нужны большой телескоп и длительное время наблюдения, чтобы накопить достаточно света на разных длинах волн — и при этом получить результат лишь для одной исследуемой звезды. А цвет можно измерять очень просто, причем для многих звезд одновременно. И для массового статистического анализа мы просто фотографируем их два-три раза через разные светофильтры с широким окном пропускания. Обычно двух фильтров — Blue (B) и Visual (V) — уже достаточно, чтобы в первом приближении определить температуру поверхности звезды. Например, есть три звезды, у которых разные температуры поверхности и разный цвет. Если одна из них — типа Солнца (температура около 6000 K), то на обоих снимках она будет примерно одинаковой яркости, но свет более холодной звезды станет сильнее гаситься B-фильтром, сквозь него будет проходить мало длинноволнового излучения, поэтому она будет казаться нам «слабенькой» звездочкой. А с более горячей звездой дело будет обстоять прямо противоположным образом.
Рис. 11.4. Спектры химических элементов в видимой области.
Но бывает мало двух фильтров: всегда можно ошибиться, как с Солнцем на горизонте. Поэтому помимо окон пропускания Visual и Blue астрономы обычно используют и третье — Ultraviolet, на границе прозрачности атмосферы. Три снимка уже вполне точно говорят о том, в какой мере межзвездная среда ослабляет свет каждой звезды и какова собственная температура поверхности звезды. Для массовой классификации звезд такая трехполосная фотометрия — пока единственный способ, позволивший изучить более миллиарда звезд.
Вселенская паспортизация звезд
Спектр, конечно, гораздо полнее характеризует звезду. Он представляет собой «паспорт» звезды, потому что спектральные линии говорят нам об очень многом. К словам «спектральные линии» мы все привыкли, представляем, что это такое. По горизонтальной оси — длина волны, связанная с тем, на какой частоте излучается свет. Но каково происхождение формы линий, почему они выглядят как прямые вертикальные черточки, а не кружочки, треугольники или какие-нибудь загогулинки? Спектральная линия — это монохроматическое изображение входной щели спектрографа. Если сделать щель в виде крестика, то получится набор крестиков разного цвета. О таких простых вещах студент-физик, по-моему, должен задумываться. Или, как в армии, сказали «линия» — значит линия? Отнюдь не всегда это линия, потому что в спектрографе не обязательно используется входная щель, хотя, как правило, входное отверстие — это вертикальная прямоугольная щель, так удобнее.
Рис. 11.5. Горячий газ испускает лучи с дискретным спектром, электропроводящий материал генерирует сплошной спектр.
В схеме любого спектрографа всегда есть диспергирующий элемент: в этом качестве может выступать призма или дифракционная решетка. Звезда — облачко горячего газа — испускает характерный набор квантов разных частот. Мы пропускаем их через входную щель и диспергирующий элемент и получаем изображения щели в разных цветах, упорядоченно расположенные по длине волны (рис. 11.5).