Две звезды

Валерия Сирота
«Квантик» №1, 2022

Самое красивое звёздное небо — зимнее. Надо только дождаться ясной погоды: тогда оно чёрное, глубокое, холодный воздух почти не дрожит, звёзды — как алмазы... И все самые красивые и интересные созвездия видны зимними вечерами. А самое красивое и самое интересное — Орион.

Его легко найти: узнаваемая фигура плечистого охотника, очерченная яркими звёздами; роскошный пояс из трёх одинаковых ярких бело-голубых звёзд на равных расстояниях друг от друга — одного этого пояса достаточно, чтобы разглядеть Орион даже в прогалах между облаками; изогнутый лук — эта дуга слабых звёздочек как будто нарочно там вытянулась в виде лука, хотя на некоторых картинках вместо него рисуют шкуру льва или — почему-то — петуха, как будто такой славный охотник станет ловить петухов. И «изюминка» созвездия — Меч Ориона, висящий у  него на поясе. Это не просто случайное собрание звёздочек, в этом месте находится замечательный физический объект — светящееся газовое облако, называемое Туманность Ориона. Это близкая к нам и самая яркая из туманностей, её хорошо видно даже невооружённым глазом! Она и образует этот размазанный светлый «фон» вокруг ярких звёздочек середины Меча. А сами эти звёздочки — большинство из них — находятся внутри туманности, образуя рассеянное звёздное скопление Трапеция Ориона. Они не случайно там оказались: туманность — это место рождения новых звёзд, и эти яркие звёзды — совсем молоденькие сестрички! Им не больше трёх миллионов лет. (Для сравнения: возраст Солнца — пять миллиардов лет.) Они подсвечивают породившую их туманность изнутри, делая её еще красивее.

И это ещё не всё. Если вооружиться даже небольшим телескопом, в Орионе можно найти ещё несколько туманностей, и тёмных и светлых. Там же, и тоже возле пояса Ориона, находится знаменитая тёмная туманность Конская Голова. И другая красивая тёмная туманность — Голова Ведьмы... Но их уже видно только в сильный телескоп.

Эта статья — не о них, а о том, что хорошо видно любому, совсем невооружённому глазу. О самых ярких звёздах Ориона — о Ригеле и Бетельгейзе. Оказывается, даже просто яркие звёзды могут быть очень красивыми и очень разными.

Бетельгейзе — правое плечо Ориона (если считать, что он смотрит на нас), Ригель — его левая нога. Они примерно одинаковой яркости (Ригель только чуть-чуть поярче). А вот цвета — совсем разного: Ригель голубой, Бетельгейзе — красная.

Почему? Что там может так сильно отличаться? Может, на самом деле одна из этих звёзд намного дальше и намного ярче другой? — Нет, Ригель действительно чуть-чуть подальше и примерно на треть ярче, но это очень маленькая разница в мире, где яркости звёзд отличаются в сотни тысяч раз. Может, они состоят из разного материала? — Тоже нет, практически все звёзды (за очень-очень редкими и экзотическими исключениями) состоят из одного и того же газа водорода, с совсем небольшими добавками гелия и более тяжёлых элементов. К тому же эти более тяжёлые добавки сосредоточены в глубине звезды, а во внешних слоях, свет от которых мы и видим, их совсем крошечная примесь. Эти примеси влияют на цвет звезды (точнее, на её спектр), но так слабо, что обнаружить это влияние можно только с помощью специального прибора — спектроскопа или спектрографа. А разницу между Ригелем и Бетельгейзе видно сразу, перепутать их невозможно.

Может, на самом деле одна из этих звёзд намного тяжелее другой? — Опять нет! Обе они очень тяжёлые (хотя и отнюдь не рекордсменки) — примерно в 17 раз тяжелее нашего Солнца. И опять почти одинаковы! В чём же дело?

Дело в температуре! Именно она определяет цвет звезды. Как и цвет горящих поленьев в костре или в печи: в ярко горящем костре пламя в центре жёлтое и даже белое, в остывающем — красное. Выражение «довести до белого каления» значит «совсем довести», сильно «разогреть». Иногда оно, кстати, употребляется и в прямом смысле, а не только в переносном.

В обычных земных условиях часто случается, что горящий материал влияет на цвет огня: магний, например, горит всегда очень ярким белым пламенем. Парафин добавляет жёлтый цвет. А светлячки и вовсе светятся белым, оставаясь совсем холодными. Но  в звёздах такого разнообразия нет, потому что везде материал почти один и тот же¹. Поэтому там зависимость практически однозначная: температура поверхности 10–12 тысяч градусов — звезда голубая, 8  тысяч  — белая, 6 тысяч — жёлтая, 3–4 тысячи градусов  — красная. Внутри, кстати, все звёзды гораздо горячее, там миллионы градусов, но на цвет влияет именно температура поверхности.

Ну хорошо, теперь понятно, почему Бетельгейзе и  Ригель разного цвета — разная температура поверхности. Но почему же тогда у них почти одинаковая светимость, то есть почему они одинаково яркие? Ведь холодная звезда должна бы светить гораздо тусклее. И действительно, многие красные звёзды (почти все) — очень слабенькие «светильники». Их на самом деле много, больше, чем белых. Большинство из них невооружённым глазом не видны, только в бинокль или в телескоп — как, например, ближайшая к нам звезда Проксима Центавра. Но те красные звёзды, которые видны, — почти все яркие, намного ярче нашего Солнца.

В чём же дело? Как холодная звезда может ярко светить? Очень просто: если поместить рядом очень много тусклых лампочек, они вместе окажутся ярче, чем одна яркая. Так вот, у Бетельгейзе есть ещё одно важное отличие от Ригеля — чудовищный размер. При примерно той же массе её радиус в 10 раз больше, чем у Ригеля, который и сам немаленький — и чуть ли не в тысячу раз больше, чем у Солнца. Если бы поставить Бетельгейзе на место Солнца, все ближние планеты, включая Марс, и весь пояс астероидов оказались бы внутри звезды! А время от времени в неё, возможно, попадала бы даже орбита Юпитера, потому что Бетельгейзе «дышит» — то раздувается, то сжимается обратно.

Яркость действительно очень сильно зависит от температуры: она пропорциональна четвёртой её степени, то есть если у одной звезды температура в 2 раза больше, чем у другой, то каждый кусочек её поверхности излучает в 2⁴ = 2 ∙ 2 ∙ 2 ∙ 2 = 16 раз больше энергии. Температура Ригеля около 12000 градусов, а Бетельгейзе — всего 3600. Значит, каждый участок поверхности Ригеля светит в (12000 : 3600)⁴ ≈ 125 раз ярче. Но зато поверхность у Бетельгейзе примерно в 100 раз больше — ведь площадь поверхности пропорциональна квадрату радиуса. Вот и получается, что в сумме вся огромная звезда светит почти так же ярко, как Ригель. Только гораздо менее стабильно: то она ярче, то слабее. А из-за того, что она ближе к нам, на нашем небе она даже иногда (когда особенно ярко светит) ненадолго становится ярче Ригеля².

Но что ж это её так раздуло? Как получилось, что при практически такой же массе Бетельгейзе во много раз больше по размеру и чуть ли не в 4 раза холоднее?

Случалось ли вам видеть такое: горит костерок, вокруг него в кружок сидят люди, греются... и вот кто-то подбрасывает в огонь охапку сухого хвороста. Искры — до неба, пламя — в рост человека... и все поспешно шарахаются в стороны, круг резко расширяется, вокруг костра — пустое место. Вот что-то в таком духе и произошло с Бетельгейзе.

Такое случается со звёздами «на старости лет», когда запас топлива в их недрах подходит к концу. Ядро звезды горит ярко, ещё ярче, чем раньше — но на самом деле это уже остатки, последние «охапки хвороста». И этим ярким последним светом окраинные области звезды «разгоняются» дальше от центра, звезда неслыханно «толстеет», в десять или даже сто раз! Масса-то не меняется, поэтому она становится очень «рыхлой»; оболочка, то есть «поверхность» звезды, которая оказалась очень далеко от центра, уже еле держится (от этой её неустойчивости и возникают колебания размера и яркости, которые астрономы наблюдают у Бетельгейзе) и к тому же сильно остывает. Такая звезда называется красный гигант — или, если она раз в 10 или более тяжелее Солнца, красный сверхгигант.

Бетельгейзе тоже ещё сравнительно недавно была голубой, как Ригель. Насколько недавно? В китайских хрониках 2000-летней давности её называли жёлтой звездой. То ли неточность перевода на современный язык, то ли она «окончательно» покраснела всего пару тысяч лет назад. И уж, во всяком случае, первобытные люди наверняка видели Бетельгейзе голубой.

А что с ней будет дальше? Увы... похоже, что дни Бетельгейзе сочтены. То есть не дни, конечно, а тысячи или десятки тысяч лет. Когда прогорит последняя «охапка хвороста», ядро обрушится в центр (как иногда делают прогоревшие поленья в костре). При этом произойдёт взрыв, бо́льшая часть вещества звезды разлетится во все стороны, а вспышка от взрыва будет такой яркости, что на Земле Бетельгейзе будет видно даже днём: несколько суток она будет ярче полной Луны. Астрономы называют такую вспышку сверхновой звездой. Когда именно это произойдёт — никто не знает. Конечно, каждый астроном мечтает, чтобы это случилось на его веку...

Так что торопитесь увидеть Бетельгейзе такой, какой она была последние пару тысяч лет!

А в ожидании, когда она взорвётся, порешайте задачки.

¹ И ещё по одной, более сложной причине: во многих привычных нам случаях цвет определяется тем, что электроны в атомах (молекулах) переходят с одного определённого уровня на другой. Получается не просто, скажем, жёлтый цвет, а очень определённый жёлтый цвет — все фотоны, которые излучаются, не просто похожи, а одинаковы (имеют одинаковую длину волны). Про такой свет говорят, что у него «линейчатый спектр». В звёздах, а также в печке, спектр «сплошной» — излучаются фотоны всевозможных длин волн, всех цветов, и при этом почти неважно, как именно устроены молекулы или атомы. А какого цвета излучается больше — это как раз определяется температурой.

² Как видите, слово «яркость» двусмысленно — звезда сама по себе ярко светит, или она нам кажется яркой, потому что близко? Астрономы, чтобы избежать этой неоднозначности, называют «собственную яркость» звезды светимостью.