На этом фото с Хаббла видна RS Puppis – переменная звезда типа цефеиды. Период изменений цефеид довольно большой – к примеру, у этой звезды яркость меняется в пять раз каждые 40 дней. Она окружена плотными тёмными облаками пыли, что позволяет детально наблюдать эффект светового эха.

Быть – значит, быть значением переменной.
— Уиллард Ван Орман Куайн

Читатель спрашивает:

Посмотрев видео о переменной звезде RS Puppis, снятой телескопом им. Хаббла, я очень хотел бы узнать о том, что такое переменные звёзды.

Действительно, было такое видео, на котором была представлена звезда RS Puppis, яркость которой меняется со временем, и там было показано, как это приводит к появлению светового эха:



Выглядит это потрясающе, и я очень хочу рассказать вам об этом, но мне на ум приходят три различных способа, которыми это можно сделать, в зависимости от точки зрения, которой вы хотели бы придерживаться: исторический, научный или физический. В этом явлении очень много нюансов, поэтому давайте рассмотрим все три подхода!



1) Исторический. Давным-давно считалось, что звёзды — это фиксированные точки на небосводе. Иногда случалось катастрофическое событие вроде появления сверхновой, которое создавало временный яркий объект на небосводе. Но такие события были достаточно редкими, и совсем мало таких явлений можно было наблюдать невооруженным глазом на протяжении истории человечества. Хотя большинство звёзд действительно не меняют своего положения и яркости, но это верно не для всех них. В 1596 году Дэвид Фабрициус узрел на небе нечто, и решил, что это — сверхновая звезда, потому что он увидел точку на небосводе, которая ярко светила в августе и затем полностью исчезла в конце октября. Но к его удивлению точка снова появилась на небосводе в 1609 году. Никакая сверхновая не появлялась до этого дважды. То, что увидел Фабрициус, было не сверхновой, а Мирой – по сути, первой открытой переменной звездой.



Сначала считалось, что переменные звёзды довольно редки, потому что прошло целых два столетия, прежде чем их насчитали 10 штук. Но количество обнаруженных переменных звёзд резко возросло с появлением астрофотографии. Стало возможным точно измерять и напрямую сравнивать видимую яркость звезды в течение дней, недель, месяцев, и даже лет — как силу изменения яркости, так и период его изменения.



В начале 1890-х молодая женщина по имени Генриетта Льюит посещала Общество коллегиальных институтов для женщин, теперь известное, как Рэдклиффский колледж. В 1893 году ее наняли в Обсерваторию Гарварда для измерения и каталогизирования яркости звёзд, запечатлённых в коллекции фотографических пластинок обсерватории. В частности, она каталогизировала звёзды, найденные в Малом Магеллановом облаке, и за последующие двадцать лет нашла более тысячи переменных звёзд разных классов, которые она занесла в каталог.



Но один из классов звёзд, цефеиды, был особенно интересным, что и заметила Льюит. Когда она пронаблюдала 25 самых ярких цефеид, то увидела, что их период изменения яркости больше, чем у остальных звёзд — период, за который они достигали максимальной яркости, затем становились тусклее и снова возвращались к максимальной яркости. Все звёзды менялись в яркости примерно на одну и ту же величину (в смысле визуальный величины), но у самых ярких звёзды уходило несколько месяцев на то, чтобы пройти от яркого до тусклого состояния, и обратно до яркого. Когда средняя яркость наблюдаемых звёзд уменьшалась, уменьшался и период изменения яркости. Чем тусклее была звезда, тем быстрее менялась её яркость, вплоть до периода в один день. Фактически, она нашла хорошо наблюдаемую корреляцию между тем, насколько яркой была среда в среднем и периодом изменения её яркости.



Эта связь известна сегодня, как отношение периода и яркости, и это открытие привело к удивительным последствиям, которые и приводят нас ко второму способу ответа на вопрос о переменных звёздах.



2) Научный. Касательно цефеид, обнаруженных Льюит, можно сказать, что это были звёзды, находящиеся от нас на довольно больших расстояниях — примерно 199 000 световых лет. А физический размер объекта, в котором находились эти звёзды, составлял примерно 7 000 световых лет. Из-за этого все звёзды в Малом Магеллановом облаке находятся примерно на одном и том же расстоянии от Земли. Изменения в яркости звёзд соответствует фактической их светимости. Если есть связь между периодом пульсации звезды и её яркостью, это означает, что если вы измеряете период переменной звезды-цефеиды, вы будете знать какая у неё фактическая светимость. А если вы измерили светимость, то зная, как связана яркость и расстояние, вы можете рассчитать расстояние до неё.



Мы называем эти объекты «стандартами свечами» потому, что если вы знаете реальную яркость, с которой светится объект, и затем вы измеряете видимую яркость, то вы можете понять, насколько далеко объект находится от вас. Благодаря работе Генриетты Льюит, посвященной цефеидам, у нас есть стандартные свечи для измерения огромных расстояний в космосе. А благодаря Эдвину Хабблу и открытию переменных звёзд, располагающихся в спиральных туманностях, которые он наблюдал в 1920-х годах, мы смогли понять, как далеко находится эти объекты (оказавшиеся галактиками) на самом деле.



Существует большое количество типов переменных звёзд, которые отличаются друг от друга цветом и яркостью. В дополнение к цефеидам, обнаруженым Льюит (которых бывает 2 типа) есть звёзды с меньшей массой и меньшим периодом RR Lyrae, переменные красные гиганты (такие, как Мира), пульсирующие белые карлики и целая толпа других, некоторые из которых показаны на картинке ниже.



По большей части, существует хорошо опредёленная корреляция между периодами изменения этих объектов и их номинальной светимостью, что означает, что если мы находим и идентифицируем их где-нибудь, то мы сразу можем с высокой точностью узнать, как далеко находится объект. И, как считает наука, это одно из наиболее важных открытий, связанных с лестницей космических расстояний. Лучший способ измерения расстояний до звёзд — это параллакс, или изменение их позиций на небе в течение года (когда Земля вращается вокруг Солнца). Но этот способ работает только для звёзд, находящихся на расстоянии 1600 световых лет от нас. Хотя, миссия Gaia, запущенная недавно, попытается увеличить это расстояние в десять раз.



Но на расстоянии в 1600 световых лет от Земли есть довольно много переменных звёзд, для которых мы вели измерения и при помощи параллакса. А также есть много переменных звёзд, расстояние до которых, судя по подсчётам, составляет не менее 100 миллионов световых лет.



Наблюдая за тем, как меняются эти звёзды со временем, как меняется их яркость, какой у них период изменения яркости, мы относили эти звёзды к соответствующему классу переменных, и таким образом уже определили расстояния до тысяч космических объектов, находящихся за пределами нашей галактики. Значит, теперь мы знаем, как мы их открыли, мы знаем, для чего они используются, но почему же меняется их яркость? И это приводит нас к третьему варианту ответа.



3) Физический. Можно решить (и это будет неправильно), что ядро звезды, где происходит ядерный синтез, испытывает некие изменения, которые передаются на поверхность, что и приводит к пульсациям. Это маловероятно, потому, что время, которое тратит фотон, созданный в ядре, на достижение поверхности звезды, равно примерно 100 000 лет. За это время он испытывает триллионы соударений! Вообще говоря, скорость синтеза в ядре для всех известных типов звезд практически одинакова. И, тем не менее, яркость звёзд меняется

У большинства переменных звёзд изменения яркости объясняются тем, что происходит во внешних слоях.



Фотосфера звезды, слой, с которого фотоны улетают со звезды навсегда — это особое место с точки зрения физики. Для очень стабильной звезды фотосфера будет сохраняться постоянной с течением времени. Давление излучения, которое выталкивает частицы наружу, на поверхности будет полностью компенсироваться силой гравитации, которая тянет частицы в центр звезды. Солнце является близкой аппроксимацией этой модели, но даже такая скучная звезда, как Солнце, в этом смысле не совершенна.



Даже у Солнца внешние слои испытывают конвекцию — подъём и спуск материи. В подобных системах равновесие никогда не достигается, и внешние слои подвержены циклическому процессу, в котором:

• слишком большое давление вынуждает звезду расширяться
• когда она расширяется, и верхний слой удаляется от центра звезды, гравитация падает, но давление излучения падает быстрее
• в результате чего ускорение внешнего слоя замедляется, проходит точку равновесия и достигает состояния, когда гравитация оказывается сильнее давления излучения
• затем он начинает с ускорением двигаться внутрь, из-за чего звезда сжимается
• он снова проходит через точку равновесия в другую сторону, когда радиационное давление повышается до точки, где оно начинает снова с силой толкать слои наружу и цикл повторяется.

Интенсивность нашего Солнца колеблется на уровне 0,1%.



Но у звёзд, которые мы называем переменными, яркость и радиус могут меняться на огромное значение — на 90% или даже больше! У таких звёзд, как Мира, фактическая светимость меняется в течение одного цикла в тысячу раз, в то время как у обычных цефеид радиус меняется на миллионы километров, а температуры на тысячи градусов.



Эта тема — кладезь интересной информации, ведь любители и профессионалы проводят целые жизни, изучая подобные объекты. Я дал вам вводную на тему переменных звёзд, и теперь мы знаем, как их открыли, для чего они используются, и почему они являются переменными. Для дальнейшего изучения я рекомендую вам AAVSO (American Association for Variable Star Observers, Американская ассоциация наблюдателей за переменными звёздами). Там найдется интересная информация как для исследователей, так и для простых любителей.