Земле. В звездах преобладают водород (около 70% по весу) и гелий (около 25%), остальные элементы (среди них наиболее обильны кислород, азот, железо, углерод, неон) встречаются почти точно в том же составе, что и на Земле. Для наблюдений доступны пока лишь внешние слои звезд.
Звезды часто расположены парами, обращающимися вокруг общего центра масс, такие звезды называются двойными звездами. Встречаются также тройные и кратные системы звезд.
Взаимное расположение звезд с течением времени медленно изменяется вследствие их движений в Галактике, в которой многие звезды группируются в звездные скопления, звездные ассоциации и другие образования.
Звезды изучаются в двух дополняющих друг друга направлениях. Звездная астрономия, рассматривающая звезды как объекты, характеризующиеся теми или иными особенностями, исследует движение звезд, распределение их в Галактике и в скоплениях, различные статистические закономерности. Предметом изучения астрофизики являются физические процессы, происходящие в звездах, их излучение, строение и эволюция.
Основным источником энергии звезд являются термоядерные реакции, при которых из легких ядер образуются более тяжелые; чаще всего это превращение водорода в гелий. В звезде с массой, меньше двух солнечных, оно происходит, главным образом, путем соединения двух протонов в ядро дейтерия, затем превращением дейтерия в изотоп Не3 путем захвата протона, и, наконец, превращением двух ядер Не3 в Не4 и два протона. В более массивных звездах преобладает углеродно-азотная циклическая реакция, окончательным результатом реакции является синтез ядра гелия из четырех протонов с выделение^ энергии, ядра азота и углерода здесь играют лишь роль катализатора. Эти реакции идут только при температурах выше 10 млн. градусов, т.е. они могут проходить только в центральных частях звезд. В звездах малых масс, где температура в центре недостаточна для термоядерных реакций, источником энергии служит гравитационное сжатие звезды.
Звезды проходят определенный этап эволюции, в процессе которой химический состав недр звезды меняется. Превращение водорода в гелий увеличивает молекулярный вес газа, вследствие чего ядро сжимается, температура его растет, а соседний с ядром газ нормального состава расширяется. Звезда становится гигантом.
У массивных звезд ядро в конце эволюции неустойчиво, радиус его уменьшается до 10 км, и звезда превращается в нейтронную звезду, т.е. звезду, состоящую из одних нейтронов. Нейтронные звезды имеют сильное магнитное поле и быстро вращаются. Это приводит к наблюдаемым всплескам радиоизлучения, а иногда также и оптического, и рентгеновского излучения. Такие объекты называются пульсарами. Предполагается, что при еще больших массах происходит коллапс - неограниченное падение вещества к центру со скоростью, близкой к скорости света. Часть гравитационной энергии сжатия производит выброс оболочки со скоростью 7000 км/с. При этом звезда превращается в сверхновую, ее излучение увеличивается до нескольких светимостей Солнца, а затем постепенно, в течение нескольких месяцев угасает.
Поскольку недра звезд недоступны непосредственным наблюдениям, внутреннее строение звезд изучается путем построения теоретических звездных моделей, ко-
торым соответствуют значения масс, радиусов и светимостей, наблюдаемых реальных звезд. В основе теории внутреннего строения обычных звезд лежит представление о звезде как о газовом шаре, находящемся в механическом и тепловом равновесии, в течение длительного времени не расширяющимся и не сжимающимся. Механическое равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру звезды и газовым давлением в недрах звезды, действующим наружу и уравновешивающим силы гравитации. Давление растет с глубиной, а вместе с ним увеличиваются и плотность, и температура. Тепловое равновесие заключается в том, что температура звезды во всех ее элементарных объемах практически не меняется со временем, т.е. количество энергии, уходящей из каждого такого объема компенсируется приходящей в него энергией, вырабатываемой там ядерными или другими источниками.
Температуры обычных звезд меняются от нескольких тысяч градусов на поверхности до десяти миллионов градусов в центре. Основным механизмом переноса энергии в звездах является лучистая теплопроводность. Однако в некоторых частях звезды, а в звездах с малой массой почти во всем объеме существенную роль играет конвективный перенос энергии, т.е. перенос тепла массами газа, поднимающимися и спускающимися под влиянием различия температуры.
Вращение звезд изучается по их спектрам. При вращении один край диска удаляется от нас, а другой приближается с той же скоростью. В результате в спектре звезды, получаемого от всего диска, линии расширяются и приобретают характерный контур, по которому можно определить скорость вращения звезды. Звезды ранних спектральных классов вращаются со скоростью на экваторе в 100 -200 км/с, скорости более холодных звезд значительно меньше - всего несколько км/с, что связано с рядом причин.
7.4. Проблемы галактической и звездной астрономии и астрофизики
Несмотря на впечатляющие успехи галактической и звездной астрономии и астрофизики, полагать, что в этих областях науки решены все проблемы, нет никаких оснований, и самой основной проблемой галактической астрономии является полное непонимание происхождения самих галактик, устройства их внутренних механизмов и взаимодействия галактик друг с другом.
В самом деле, откуда вообще взялись галактики и почему они столь разнообразны? Почему в них так много звезд и почему есть «молодые» звезды, а есть и «старые»? Откуда взялись так называемая космическая пыль и космический газ? Что за «водоворот» в строении спиральных галактик, что там крутится? Как возникли спиральные рукава, «вморожены» ли они в пространство или продолжают закручиваться? Откуда в них взялось магнитное поле и почему звезды расположены в них как бы по стенкам «труб»? Почему некоторые галактики взаимодействуют, в чем заключается причина такого взаимодействия и его механизм? Подобных вопросов множество, но ответа на них в рамках «признанных» теорий и гипотез нет.
Нечто подобное имеется и в астрофизике. Основным недостатком теорий строения звезд является невозможность объяснения их энергетики. Расчеты показывают, что тер-
