Переменные и нестационарные звезды

Физические переменные звёзды – это звезды, у которых светимость меняется в результате различных процессов, происходящих на самой звезде.

Пульсирующие переменные
Цефеиды – это весьма распространенный и очень важный тип физических переменных звезд.
Они получили это название потому, что первой среди звёзд этого типа была открыта δ Цефея.
Эта классическая цефеида меняет свою светимость с периодом 5,37 суток, а амплитуда изменения светимости примерно одна звёздная величина.
Дельта Цефея
Кривая блеска Дельта Цефея

Изучение спектров цефеид показало, что изменение светимости сопровождается изменениями температуры и лучевой скорости.
Эти данные показывают, что причиной всему является пульсация наружных слоёв звезды. Они периодически то расширяются, то сжимаются. При сжатии звезда нагревается и становится ярче, при расширении её светимость уменьшается.
Графики изменения светимости, лучевой скорости и температуры цефеид

Зависимость «период — светимость», существующая у цефеид
Ещё в начале XX в. было замечено: чем ярче цефеида, тем продолжительнее период изменения её светимости.
Получив из наблюдений период изменения светимости цефеиды, можно узнать её светимость, вычислить абсолютную звёздную величину M, а сравнив её с видимой звёздной величиной m, вычислить расстояние до звезды по формуле:
lg D = 0,2(m – M) + 1.

Цефеиды — это звёзды-сверхгиганты, они обладают высокой светимостью. Так, например, светимость цефеиды с периодом 50 суток в 10 тыс. раз больше, чем у Солнца.
Звёзды, пульсация которых происходит с периодом, большим, чем у цефеид, называются долгопериодическими.
Период изменения светимости у них составляет в среднем от нескольких месяцев до полутора лет, а светимость меняется очень значительно — на несколько звёздных величин.
Мира с «хвостом» (фрагмент фото, сделанного телескопом GALEX).
Кривые блеска неправильных переменных звёзд

Новые и сверхновые звёзды
В исторических летописях разных народов неоднократно отмечены случаи появления звёзд, видимых невооружённым глазом на том месте, где их прежде не было:
В китайских и японских хрониках сохранились сведения о «звезде-гостье», которая вспыхнула в созвездии Тельца в 1054 г.
В 1572 г. учитель Кеплера Тихо Браге наблюдал в созвездии Кассиопеи новую звезду, которая была ярче Венеры.
В 1604 г. уже сам Кеплер наблюдал новую звезду в созвездии Змееносца.

Кривые блеска новых звёзд
В XX в. было установлено, что такие неожиданные вспышки наблюдаются у звёзд, которые до этого долгое время оставались слабыми и не привлекали к себе внимание астрономов.
В настоящее время различают новые и сверхновые вспыхивающие звёзды.
У новых звёзд светимость возрастает на 12—13 звёздных величин и выделяется энергия до 1039 Дж.

В 1954 г. было обнаружено, что одна из новых звёзд (DQ Геркулеса) является двойной с периодом обращения всего 4 ч 39 мин.
Один из компонентов — белый карлик, а другой — красная звезда главной последовательности.
Из-за их близкого расположения на белый карлик перетекает газ из атмосферы красного карлика. По мере накопления водорода плотность и температура внешних слоёв белого карлика возрастает, создаются условия для начала термоядерных реакций превращения водорода в гелий. Они происходят настолько быстро, что приобретают характер взрыва.
Двойная звезда

Но в некоторых случаях такой процесс может привести к катастрофе. Если при перетекании вещества масса белого карлика превысит предельную (примерно 1,4 массы Солнца), то происходит взрыв. Термоядерные реакции превращения углерода и кислорода в железо и никель, которые идут с огромной скоростью, могут полностью разрушить звезду. Происходит вспышка сверхновой.
Вспышка сверхновой звёзды — гигантский по своим масштабам взрыв звезды, при котором её светимость в течение нескольких суток возрастает в сотни миллионов раз. При вспышке выделяется энергия порядка 1046 Дж, что примерно равно энергии, которую Солнце может излучить за всё время своего существования.

На протяжении большей части жизни любой звезды основным источником её энергии служит термоядерный синтез гелия из водорода. В звёздах с большой массой эта стадия длится несколько миллионов лет.
Когда запасы водорода в звёздном ядре истощаются, оно сжимается и разогревается настолько, что из гелия начинает синтезироваться углерод(около 500 тыс. лет). Затем во всё более нарастающем темпе последовательно проходят реакции синтеза с углеродом (600 лет), неон (1 год), кислород (6 месяцев) и, наконец, кремний. На последней стадии, которая длится всего сутки, из кремния синтезируется железо.
Лишённое источников энергии ядро не может противостоять гравитационным силам и коллапсирует (катастрофически сжимается) за несколько миллисекунд.
Вскоре после того, как ядро прекратит сжиматься, происходит мощная ударная волна, которая движется наружу со скоростью не менее 30 тыс. км/с и срывает со звезды большую часть массы.

В 1967 г. выводы теории получили весьма неожиданное подтверждение. В созвездии Лисички группа английских радиоастрономов обнаружила источник необычных радиосигналов: импульсы продолжительностью около 0,3 с повторялись через каждые 1,34 с, причём периодичность импульсов выдерживалась с точностью до 10–10 с. Так был открыт первый пульсар, которых в настоящее время известно уже около 500.

Сразу же после открытия пульсаров было высказано предположение о том, что они являются быстровращающимися нейтронными звёздами. Излучение пульсара, которое испускается в узком конусе, наблюдатель видит лишь в том случае, когда при вращении звезды этот конус направлен на него подобно свету маяка. Нейтронные звёзды являются одним из тех объектов во Вселенной, которые предоставляют учёным возможность изучать поведение вещества в условиях, пока недостижимых в земных лабораториях.
Исследования показали, что пульсары являются остатками сверхновых звёзд. Один из пульсаров был обнаружен в Крабовидной туманности, которая наблюдается на месте вспышки сверхновой в 1054 г.

Наиболее уникальные объекты, получившие название чёрных дыр, должны возникать, согласно теории, на конечной стадии эволюции звёзд, масса которых значительно превышает солнечную.
У объекта такой массы, который сжимается до размеров в несколько километров, поле тяготения оказывается столь сильным, что вторая космическая скорость в его окрестности должна была бы превышать скорость света. Стало быть, чёрную дыру не могут покинуть ни частицы, ни даже излучение — она становится невидимой.
В настоящее время известно несколько десятков рентгеновских источников, в состав которых могут входить чёрные дыры. Наиболее вероятным «кандидатом» среди них считается Лебедь Х-1.