Переменность
Астрономы открывают новые виды на Вселенную, наблюдая за тем, как объекты изменяются со временем. Большинство звезд светит постоянно. Но есть другие — переменные звезды, которые преображаются физически, и от этого колеблется их яркость. Метаморфозы их света могут многое рассказать о звезде. Космос — место изменений.
Хотя небесные гости — кометы и сверхновые — веками удивляли людей, ночное небо в целом считалось неизменным. Представление о постоянстве пошатнулось в 1638 году, когда Иоганн Хольварда открыл пульсации звезды Мира, которая делалась то ярче, то бледнее с периодом в 11 месяцев. К концу XVIII века было известно несколько переменных звезд, включая Алголь. Их число стало стремительно увеличиваться во второй половине XIX века, когда фотография упростила наблюдения за большими количествами звезд. На сегодня известно более 50 000 переменных звезд, большинство из них в нашей Галактике, но многие лежат и за ее пределами.
Пульсации
Переменные звезды предстают перед нами в разнообразных обличьях. Наблюдение за светом звезды показывает, как увеличивается и уменьшается ее яркость, — ее световую кривую. Цикл может быть регулярным, неравномерным или где-то посередине. Спектр звезды также говорит нам о ее типе, температуре и массе — и о том, есть ли у нее двойник. Изменения спектра могут сопровождать колебания в свете звезды. Спектральные линии могут показывать доплеровские смещения, которые намекают на расширение или сжатие газовых оболочек — или присутствие магнитных полей. По совокупности собранных данных можно судить о причинах колебаний звезды. Около двух третей переменных звезд пульсируют — разбухают и сжимаются согласно регулярным циклам. Эти колебания обусловлены внутренней неустойчивостью звезды, вызванной разными взаимосвязанными причинами.
Артур Эддингтон в 1930-х описал один из вариантов механизма: изменения в степени ионизации внешних слоев звезды из-за колебаний их температуры. Когда внешние слои раздуваются, они охлаждаются и делаются прозрачнее. Тогда звезде становится проще излучать больше энергии, и она сжимается. Газ в результате снова нагревается, отчего звезда опять начинает раздуваться. Так повторяется по кругу.
«Развитие науки частично зависит от процесса непостепенного, революционного изменения» Томас С. Кун, «Ключевое напряжение: избранные исследования научной традиции и изменчивости» (1977)
Переменные квазары
Переменность — характеристика не только звезд. Переменны и многие квазары. Их переменность, вместе с их неизменной яркостью по всему электромагнитному спектру, помогает отыскивать эти небесные тела. Квазары могут быть переменными из-за колебаний количества материи, втягиваемой сверхмассивной черной дырой в их центре, — или из-за горячей точки переменной яркости в их аккреционном диске. По самым быстрым изменениям в квазаре можно судить о размерах области, излучающей свет. Если яркость квазара изменяется за несколько дней, его максимальным размером можно считать один световой день, иначе свет от разных его точек не достигал бы нас более-менее одновременно.
Цефеиды
Эта схема объясняет пульсацию цефеид — важного типа переменных звезд, используемых как индикатор расстояния. Циклы цефеид вызваны изменениями в ионизации гелия. Двукратно ионизированный гелий менее прозрачен, чем однократно ионизированный. Вот почему мы видим колебания в прозрачности и в температуре. Период этих циклов тесно связан с яркостью звезды. Цефеиды — очень яркие массивные звезды. Обычно они в 5-20 раз массивнее Солнца и почти в 30 000 раз ярче. Их изменения видны в масштабах от дней до месяцев, а радиусы за это время сокращаются или расширяются почти на треть. Благодаря яркости и предсказуемым изменениям их можно видеть на расстояниях в 100 миллионов световых лет, то есть их можно отслеживать в соседних галактиках и определять яркость, что делает цефеиды хорошими индикаторами расстояния.
Переменные цефеиды были открыты в 1784 году и названы в честь звезды-прототипа — Дельты Цефея. Более известный пример — Полярная звезда. Соотношение ее периода и яркости открыла, опираясь на наблюдения за цефеидами в Магеллановых Облаках, гарвардский астроном Генриетта Суон Ливитт в 1908 году. Открытие цефеид стало последней недостающей деталью головоломки — установления размеров Млечного Пути и расстояний до других галактик. В 1924 году Эдвин Хаббл с их помощью вычислил расстояние до галактики Андромеды и доказал, что она лежит за пределами Млечного Пути. Цефеиды также сыграли ключевую роль в определении, с какой скоростью, согласно закону Хаббла, расширяется Вселенная.
Цефеиды — один из видов звезд, переменных по природе. Такие звезды физически деформируются, что создает переменность. В случае цефеид переменность — это пульсация, тогда как другие звезды могут выглядеть переменными из-за выбросов или вспышек на их поверхности. Переменность может быть и следствием разрушительных процессов, приводящих к взрывам, — как в случае взрывных переменных звезд, новых и сверхновых. Другой вариант — звезды, переменные по внешним причинам, например из-за затмений двойниками или из-за особых свойств поверхности — огромных солнечных пятен, которые вызывают переменность, когда звезда вращается. Большинство классов переменных звезд названы в честь своих прототипов, как, например, RR Лиры — звезды, похожие на цефеиды, но бледнее, или переменные типа Миры Кита, которые пульсируют из-за изменений ионизации водорода, а не гелия.
Небесное кино
В будущем астрономия изменений во времени станет обычным делом. Небо будут разглядывать как кино, а не как серию фотографий. Новое поколение телескопов — и оптических, и радио — разрабатывается так, чтобы обеспечивать постоянное наблюдение неба, и нацелено на поиск новых видов переменных объектов, а значит, можно рассчитывать на множество новых открытий. Один из таких телескопов — Большой синоптический обзорный, который заработает в Чили в 2022 году. Его зеркало — 8,4 метра в диаметре, у него широкий угол обзора, график исследования всего неба — дважды в неделю, по 800 снимков еженощно. Предполагается, что каждый участок неба будет обследован за 10 лет 1000 раз. Мы получим изображения нескольких миллиардов звезд и миллиардов галактик. Переменные звезды и квазары, а также сверхновые попадут в поле зрения нового телескопа, кроме того, появятся новые возможности поиска темной энергии.