Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Помните раздел о видах звезд в детской энциклопедии? Большинству известна эта картинка: ряд звезд с Солнцем посередине, увеличивающихся по размеру слева направо. Это, пусть и в упрощенном виде, диаграмма Герцшпрунга-Рассела — одна с основополагающих классификационных астрономических систем. Подобно другим популяризированным научным теориям, диаграмма ГР дала  человечеству куда больше, чем просто наглядную демонстрацию классификации космических светил. С ее помощью астрономы смогли упорядочить один с центральных процессов во Вселенной — эволюцию звезд.

Путь к истине

Вывели диаграмму Герцшпрунга-Рассела в начале двадцатого века — переломный период для астрономии. Вместо описания космических объектов, протоколирования их движения и периодических явлений, астрономы задались новым вопросом — почему все происходит именно так?

Построение диаграммы стало результатом одним из множества логических экспериментов, проводимых в то время.  Американцу Норрису Расселу и датчанину Эйнару Герцшпрунгу одновременно пришла в голову идея. Что будет, если выстроить звезды в одну систему координат, где их положение по вертикальной оси зависело бы от силы свечения, а по горизонтальной — от температуры? Если бы звезды распределились по системе равномерно, никакого открытия не было бы. Но любое отклонение от порядка показало бы закономерность в устройстве светил, объясняющая многие загадки.

Так и случилось. Если сила свечения по оси Y будет расти снизу вверх, а температура по оси X — справа налево, то звезды делятся на три четко выраженные группы — последовательности, как их именуют астрофизики:

• Посередине, с верхнего левого в нижний правый угол, тянется Главная последовательность — ряд обычных, карликовых звезд, составляющих 90% от количества звезд во Вселенной. К ним относится и наше Солнце. Их температура прямо пропорциональна светимости — чем горячее звезда, тем ярче она горит.
• В верхнем правом углу собрались светила, которые очень яркие, но с низкой температурой — на это указывает их красный цвет. В этой последовательности собрались звезды гиганты и сверхгиганты.
• Ниже главной последовательности находятся звезды, нагревающиеся до голубого и белого цветов, а света излучают совсем немного. Это — белые карлики.

Разделение на последовательности не было самоцелью создания диаграммы. Выявленная закономерность между энергией и излучением звезды, связанная с протеканием внутреннего термоядерного процесса, стала иллюстрацией самой наглядной динамики во Вселенной — эволюции звезд.

Жизненный путь звезды

С момента образования, звезда в развитии не стоит на месте — и в диаграмме Герцшпрунца-Рассела это видно лучше всего. Рождение, старение и смерть светила отслеживается по диаграмме ГР четкой линией, называемой «эволюционным треком». Взяв, к примеру, трек нашего Солнца, можно выделить следующие этапы:

• После рождения, около 90% «жизни» звезда располагается в Главной последовательности — поэтому к ней и принадлежит больше всего звезд. Срок такого стабильного существования непосредственно зависит от положения в диаграмме. Чем выше и левее звезда, тем ярче она и горячее — следовательно, в ней быстрее выгорает водород. Звезды пониже — тусклее, они могут существовать десятками миллиардов лет. Солнце тут заняло «золотую середину». Оно горит уже 5 миллиардов лет и будет гореть примерно столько же.
• Что случится, когда водород — звездное топливо — полностью выгорит? В Солнца, как и в других небольших звезд, происходит гравитационное сжатие — коллапс. Так как энергии становится меньше, силы тяготения начинают сильнее сжимать ядро звезды. От этого загорается гелий в ядре — «пепел» от первичного горения водорода. Сила этого процесса такова, что светило расширяется в десятки раз и светится ярче. Но энергия горения гелия не превышает энергию водорода, и за счет увеличения площади, звезда остывает до красного цвета. Так Солнце превратится в красного гиганта, покинув Главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела ради высот гигантов.
  

  Фотография красного сверхгиганта Бетельгейзе

• Но для звезд класса Солнца взлет вверх быстро заканчивается. Гелий заканчивается куда быстрее, чем водород — и гравитация сжимает ядро в маленькую плотную звезду, белого карлика, которой только и остается что остывать. В итоге, звезда падает вниз по диаграмме, где и остается до самого конца.
• Звезд покрупнее ждет куда более яркая участь. Гелия в них достаточно, чтобы продолжать реакцию. После гелия термоядерную «эстафету» принимает новообразованный углерод, затем — магний. Рано или поздно звезда достигает критической массы, после которой взрывается в сверхновой. Ее энергия и свечение может быть сильнее, чем во всех звезд Вселенной одновременно. По диаграмме ГР, сверхновая находится необозримо высоко.

Немного истории

С диаграммой Герцшпрунга-Рассела связан небольшой курьез — как это часто случалось в науке, ее вывели двое ученых одновременно. Американец Рассел изучал долгое время закономерности развития звезд, и создал концепцию диаграммы в 1909 году — ее так и называли «диаграммой Рассела» Однако, Герцшпрунг в Дании, независимо от коллеги, вывел в точности такую же систему, и даже опубликовал плоды своего труда в 1905 году. Поскольку печать он вышел в тематическом журнале о фотографии и на немецком языке, о его первенстве мир узнал только в 1930-х годах. Тогда к названию и добавили имя Герцшпрунга.