Сверхгигант
Сверхгиганты — одни из наиболее ярких, крупных и массивных звёзд, светимость которых может в миллионы раз превышать солнечную, а радиус — в тысячи раз. Эти звёзды занимают верхнюю часть диаграммы Герцшпрунга — Рассела и составляют класс светимости I. У этих звёзд наблюдается сильный звёздный ветер, практически все они переменны.

Сверхгиганты — молодые и короткоживущие звёзды, относящиеся к населению I. Они качественно отличаются от менее массивных звёзд ходом своей эволюции. Эти звёзды способны поддерживать в своих недрах термоядерные реакции, для прохождения которых необходимы высокие температуры и плотности, и синтезировать тяжёлые элементы, вплоть до железа. В какой-то момент ядро звезды коллапсирует, выделяется большое количество энергии, внешние слои уносятся и наблюдается взрыв сверхновой типа II, а от звезды остаётся нейтронная звезда или чёрная дыра. Сверхгиганты и порождаемые ими сверхновые — основной источник гелия и альфа-элементов, выбрасываемых в межзвёздную среду.
ХарактеристикиПравить
Сверхгиганты отличаются от других звёзд очень большой светимостью и размерами и занимают верхнюю часть диаграммы Герцшпрунга ― Рассела[2]. Светимости таких звёзд составляют от десятков тысяч до миллионов светимостей Солнца, соответственно, абсолютные звёздные величины в среднем варьируются от −4m до −8m. Радиусы таких звёзд могут составлять от 20 R⊙ до нескольких тысяч — наиболее крупные сверхгиганты, оказавшись на месте Солнца, заполнили бы пространство до орбиты Юпитера[3][4][5][6].
Температуры на поверхности сверхгигантов варьируются в широком диапазоне, следовательно, встречаются сверхгиганты спектральных классов от O до M, по этой причине выделяют голубые, жёлтые и красные сверхгиганты. Абсолютное большинство сверхгигантов принадлежит классу B — их больше, чем всех остальных, вместе взятых[7]. Красные сверхгиганты — наиболее крупные, но из-за более низкой температуры поверхности имеют в среднем такую же светимость, как жёлтые и голубые. Сверхгиганты составляют класс светимости I, который делится на подклассы Ia и Ib[6], относящиеся соответственно к более ярким и менее ярким сверхгигантам. Сверхгиганты с наибольшей светимостью выделяются в отдельный тип ― гипергиганты[8][5][9].
Звёзды, которые становятся сверхгигантами в ходе своей эволюции (см. нижеM⊙[10]. Из этого следует, что сверхгиганты ― очень молодые звёзды, их срок жизни не превышает миллионы лет[3][5]. Они принадлежат тонкому диску Галактики и относятся к населению I[11][12].
), имеют начальную массу не менее 8―10Из-за большого радиуса сверхгиганты имеют малое ускорение свободного падения — у красных сверхгигантов оно может составлять 10−2 м/с2[13], и очень низкие плотности[14] ― наименьшие у красных сверхгигантов, около 10−7 г/см3[6]. Это приводит к тому, что спектры этих звёзд имеют очень узкие и глубокие спектральные линии, а у самих сверхгигантов наблюдается сильный звёздный ветер и частые выбросы вещества в космос[2][4][5].
К голубым сверхгигантам относится Ригель, к красным ― Бетельгейзе. Примером жёлтого сверхгиганта может служить Полярная звезда[5][6].
Практически все сверхгиганты являются переменными звёздами различных типов[5]. Например, голубые сверхгиганты могут быть яркими голубыми переменными, жёлтые — классическими цефеидами, а красные — миридами[15][16].
ЭволюцияПравить
Эволюция сверхгигантов также отличается от эволюции менее массивных звёзд. Звёзды, в ядрах которых исчерпался водород, сходят с главной последовательности и продолжают сжигать его в оболочке вокруг ядра. На этом этапе появляются различия: если звёзды с массой менее 10 M⊙ доходят до предела Хаяси и вступают на ветвь красных гигантов, после чего начинают горение гелия в ядре, то у более массивных звёзд гелий загорается ещё тогда, когда звезда не дошла до предела Хаяси, имеет достаточно высокую температуру и является голубым сверхгигантом. При этом массивные звёзды не сильно увеличивают светимость, так как у них она уже близка к критической, хотя и увеличиваются в размере и продолжает постепенно охлаждаться[10][17][18].
После исчерпания гелия в ядре звезды там постепенно начинается ядерное горение углерода, а гелий продолжает сгорать вокруг ядра. Дальше, аналогичным образом, в ядре начинают происходить другие ядерные реакции и вырабатываться новые элементы, вплоть до железа (см. ниже ). В звезде образуется множество слоёв из разных химических элементов, на границах которых происходят ядерные реакции[19][20]. Продолжительность стадии сверхгиганта составляет около десятой части и без того короткого срока жизни звезды — не более миллионов лет, причём большую часть этого времени звезда сжигает в ядре гелий, а остальные фазы нуклеосинтеза длятся не более нескольких тысяч лет[3][21][22].
В наиболее массивных звёздах асимптотической ветви гигантов — с массами 8—10 M⊙ — на определённом этапе их эволюции накапливается достаточно углерода и происходит углеродная детонация, в результате которой звезда, если остаётся целой, также начинает сжигать углерод и эволюционирует как сверхгигант[23][24][25]. Такие звёзды считаются промежуточными между более массивными сверхгигантами и менее массивными звёздами асимптотической ветви гигантов[26][27].
В любом случае, внешне наблюдаемая эволюция может идти по-разному и зависит от множества факторов. Если звезде удаётся сохранить свои внешние оболочки, то её расширение продолжается, она краснеет и становится сначала жёлтым, а затем красным сверхгигантом. Если же звезда лишается большей части оболочки из-за сильного звёздного ветра или притяжения другой звезды в тесной двойной системе, она повышает температуру и снова может стать голубым сверхгигантом или даже звездой Вольфа — Райе. Тем не менее, потеря части оболочки не препятствует повторному расширению звезды и превращению её в красный сверхгигант[4][10][28].
НуклеосинтезПравить
Стадия | Продолжительность стадии в годах | ||
---|---|---|---|
15 M⊙ | 20 M⊙ | 25 M⊙ | |
Горение водорода | 1,1⋅107 | 7,5⋅106 | 5,9⋅106 |
Горение гелия | 1,4⋅106 | 9,3⋅105 | 6,8⋅105 |
Горение углерода | 2600 | 1400 | 970 |
Горение неона | 2,0 | 1,5 | 0,77 |
Горение кислорода | 2,5 | 0,79 | 0,33 |
Горение кремния | 0,29 | 0,031 | 0,023 |
Процессы нуклеосинтеза в сверхгигантах сложны и разнообразны. В их ядрах последовательно происходят различные реакции, в которых вырабатываются химические элементы, вплоть до железа: его создают звёзды с массами не менее 15 M⊙. Синтез более тяжёлых элементов энергетически невыгоден, поэтому идти не может[24][22].
Одна из особенностей этих процессов состоит в том, что последние стадии нуклеосинтеза завершаются очень быстро — за срок порядка или меньше нескольких лет. При этом время, за которое звезда может достаточно изменить размер, температуру и светимость, соответствует тепловой временной шкале, которая для сверхгигантов составляет около 102—103 лет. Следовательно, при этих процессах внешние характеристики звезды практически не меняются, а значительную роль в переносе возросшего потока энергии из ядра начинает играть нейтринное излучение[30].
Горение углеродаПравить
После того, как в ядре звезды исчерпывается гелий, оно сжимается, и, при достижении температуры 0,3—1,2⋅109 K в нём начинается ядерное горение углерода[31]:
Изотоп магния находится в возбуждённом состоянии, поэтому может распадаться по одному из приведённых путей[31]:
Также именно во время этой стадии нейтрино начинают играть решающую роль в переносе энергии из ядра[31].
Горение неонаПравить
К моменту, когда горение углерода завершается, ядро звезды состоит в основном из кислорода (0,7 массы ядра), неона (0,2—0,3 массы ядра) и магния. Среди этих частиц наименьший кулоновский барьер имеет кислород, но, благодаря наличию в ядре фотонов с высокими энергиями, эндотермические реакции с участием неона становятся доступны при меньшей температуре в 1,2—1,9⋅109 K[32]:
Тем не менее, энерговыделение от остальных реакций, идущих в то же время, делает стадию горения неона экзотермической[32].
Горение кислородаПравить
Когда температура в ядре достигает 1,5—2,6⋅109 K, запускается ядерное горение кислорода[33]:
Ядро серы может распадаться следующим образом[33]:
Горение кремнияПравить
Ядерное горение кремния начинается, когда температура в ядре достигает 2,3⋅109 K, при этом формируется железо. Часть кремния проходит через реакции фотодезинтеграции[34]:
Альфа-частицы, образованные таким образом, участвуют в альфа-процессе, конечным продуктом которого являются ядра никеля. Его ядра в результате двойного бета-распада превращаются в ядра железа[34][35]:
Прямая же реакция маловероятна из-за того, что кулоновский барьер для неё слишком велик[35].
Вместе с тем образуемые элементы расщепляются в результате фотодезинтеграции, но равновесие между синтезом и расщеплением всех элементов в ядре достигается только тогда, когда ядро по большей части становится железным. Это состояние называется ядерным статистическим равновесием (англ. nuclear statistical eqilibrium)[34][36].
Коллапс ядраПравить
Когда ядро звезды достигает ядерного статистического равновесия, из-за процессов фотодезинтеграции и релятивистских эффектов показатель адиабаты для её ядра падает ниже 4/3. Как следствие теоремы вириала, ядро оказывается неспособным уравновешивать свой вес давлением и начинает сжиматься. Первоначально сжатие происходит не очень быстро — в тепловой временной шкале, при этом также значительно возрастает нейтринный поток[24][37][38]. Однако звёзды с массами 8—10 M⊙ могут избежать этого, и, лишившись оболочки, превратиться в планетарную туманность, а затем в белый карлик, как звёзды асимптотической ветви гигантов[39].
По мере уплотнения ядра в нём начинает происходить нейтронизация вещества и электронов в нём становится меньше. Так как свободные электроны вносят значительный вклад в давление, то нейтронизация уменьшает давление в ядре, и сжатие ускоряется. Кроме того, фотодезинтеграция приводит к появлению ещё большего числа альфа-частиц и показатель адиабаты дополнительно уменьшается. Ядро начинает коллапсировать и за несколько миллисекунд достигает плотности порядка 1014 г/см3 — это плотность нейтронной звезды[38].
В этот момент материал становится несжимаемым и коллапс резко прекращается. Ядро при этом отскакивает и сталкивается со внешними слоями, порождая ударную волну, энергия которой составляет порядка 1045—1046 Дж. С учётом того, что в такой плотной среде нейтрино уже не могут покинуть ядро и унести часть энергии, ударная волна выбрасывает оболочку звезды с большой скоростью — получается взрыв сверхновой типа II, а от звезды остаётся нейтронная звезда или чёрная дыра[38].
Взрыв сверхновой приводит к тому, что окружающее пространство обогащается элементами, которые были выработаны в течение жизни звезды, а также во время вспышки сверхновой, при взрывном нуклеосинтезе. Количественное определение массы выброшенного вещества затруднительно, но известно, что сверхновые, порождаемые сверхгигантами — основной поставщик гелия и альфа-элементов в межзвёздную среду[38].
ПримечанияПравить
- ↑ M. W. Feast. A discussion of NGC 4755 and some other young clusters in the Galaxy and the Magellanic Clouds. — 1964. — Т. 20. — С. 22.
- ↑ 1 2 Кононович, Мороз, 2004, с. 377.
- ↑ 1 2 3 Supergiant star (англ.). Encyclopedia Britannica. Дата обращения: 23 марта 2021.
- ↑ 1 2 3 Darling D. Supergiant . Internet Encyclopedia of Science. Дата обращения: 23 марта 2021.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Юнгельсон Л. Р. Сверхгиганты . Большая российская энциклопедия. Дата обращения: 23 марта 2021.
- ↑ 1 2 3 4 Zombeck M. V. Handbook of Space Astronomy and Astrophysics 65—73. Cambridge University Press. Дата обращения: 23 марта 2021.
- ↑ J. R. Sowell, M. Trippe, S. M. Caballero-Nieves, N. Houk. H-R Diagrams Based on the HD Stars in the Michigan Spectral Catalogue and the Hipparcos Catalog // The Astronomical Journal. — 2007-09-01. — Т. 134. — С. 1089–1102. — ISSN 0004-6256. — doi:10.1086/520060.
- ↑ Кононович, Мороз, 2004, с. 377—378.
- ↑ Morgan-Keenan Luminosity Class . astronomy.swin.edu.au. Дата обращения: 23 марта 2021.
- ↑ 1 2 3 Сурдин, 2015, с. 159—161.
- ↑ Кононович, Мороз, 2004, с. 440.
- ↑ Darling D. Population I . Internet Encyclopedia of Science. Дата обращения: 24 марта 2021.
- ↑ Levesque E. M., Massey P., Olsen K. A. G., Plez B., Josselin E. The Effective Temperature Scale of Galactic Red Supergiants: Cool, but Not as Cool as We Thought (англ.) // The Astrophysical Journal. — 2005-08. — Vol. 628, iss. 2. — P. 973–985. — ISSN 1538-4357 0004-637X, 1538-4357. — doi:10.1086/430901.
- ↑ Karttunen et al., 2007, p. 212.
- ↑ Karttunen et al., 2007, pp. 250, 282—283.
- ↑ Сурдин, 2015, с. 165—166.
- ↑ Salaris, Cassisi, 2005, p. 174.
- ↑ Karttunen et al., 2007, p. 250.
- ↑ Сурдин, 2015, с. 154—157.
- ↑ Karttunen et al., 2007, pp. 250—251.
- ↑ Юнгельсон Л. Р. Красные гиганты и сверхгиганты . Большая российская энциклопедия. Дата обращения: 24 марта 2021.
- ↑ 1 2 Salaris, Cassisi, 2005, pp. 214—224.
- ↑ Сурдин, 2015, с. 154—159.
- ↑ 1 2 3 Karttunen et al., 2007, pp. 250—253.
- ↑ Salaris, Cassisi, 2005, p. 189.
- ↑ Siess L. Evolution of massive AGB stars - I. Carbon burning phase (англ.) // Astronomy & Astrophysics. — 2006-03-01. — Vol. 448, iss. 2. — P. 717–729. — ISSN 1432-0746 0004-6361, 1432-0746. — doi:10.1051/0004-6361:20053043.
- ↑ Poelarends A. J. T., Herwig F., Langer N., Heger A. The Supernova Channel of Super-AGB Stars // The Astrophysical Journal. — 2008-03-01. — Т. 675. — С. 614–625. — ISSN 0004-637X. — doi:10.1086/520872.
- ↑ Karttunen et al., 2007, pp. 250, 256.
- ↑ Salaris, Cassisi, 2005, p. 216.
- ↑ Salaris, Cassisi, 2005, pp. 216—217.
- ↑ 1 2 3 Salaris, Cassisi, 2005, pp. 217—219.
- ↑ 1 2 Salaris, Cassisi, 2005, pp. 219—220.
- ↑ 1 2 Salaris, Cassisi, 2005, pp. 220—221.
- ↑ 1 2 3 Salaris, Cassisi, 2005, pp. 221—222.
- ↑ 1 2 Рыжов В. Н. Звездный нуклеосинтез - источник происхождения химических элементов . Астронет. Дата обращения: 24 марта 2021.
- ↑ 7.4 Нейтронизация вещества и потеря устойчивости звезды. . Астронет. Дата обращения: 25 марта 2021.
- ↑ Кононович, Мороз, 2004, с. 414.
- ↑ 1 2 3 4 Salaris, Cassisi, 2005, pp. 222—224.
- ↑ Сурдин, 2015, с. 156.
ЛитератураПравить
- Karttunen H., Kroger P., Oja H., Poutanen M., Donner K. J. Fundamental Astronomy. — 5th Edition. — Springer, 2007. — 510 с. — ISBN 978-3-540-34143-7.
- Salaris M., Cassisi S. Evolution of Stars and Stellar Populations. — John Wiley & Sons, 2005. — 388 с. — ISBN 978-0-470-09219-X.
- Сурдин В. Г. Астрономия: век XXI. — 3-е изд. — Век 2, 2015. — 608 с. — ISBN 978-5-85099-193-7.
- Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии. — 2-е, исправленное. — М.: УРСС, 2004. — 544 с. — ISBN 5-354-00866-2.
Статья является кандидатом в хорошие статьи с 25 марта 2021. |