Реферат: Нестаціонарні зірки Фізичні процеси які забезпечують нестаціонарність
Різноманітні фізичні процеси, що протікають у надрах і особливо в оболонках цих зірок, безумовно, відбиваються на їхній кривій блиску. У більшості мірід (наприклад, у R Лева, U Оріона, U Геркулесу) змінюється висота максимуму. А у зірки U Геркулесу може змінюватися положення і форма “горба” на висхідній гілці, іноді “горб” зникає зовсім. Аналогічно поводиться крива блиску зірки R Лева. B свою чергу у R Орла дуже сильно змінюється період. А оскільки періоди нестабільні у багатьох мірід, то важливе значення мають щільні ряди спостережень, що дозволяють точно визначити момент настання максимуму.
Не менше цікаві напівправильнізмінні, що змінюються, як правило, на 1,5-2m , вони дають можливість із скромними спостережливими засобами простежити весьхідкривої блиску від максимуму до мінімуму і уточнити період, що частіше за все встановлений із великою похибкою. До того ж у цих зірок у змінах блиску можуть існувати додаткові періоди, що відрізняються від основного на ціле число: Р/2, Р/3 і так далі. Ці періоди можна виділити, тільки маючи безупинний ряд послідовних спостережень.
Пульсації і ударні хвилі
Дотепер ми не розглядали фізичні процеси, які призводять до зміни блиску довгоперіодичних змінних. Одна з можливих причин коливань блиску —пульсації зірок. Теорія пульсації добре пояснила змінність цефеїд. Але механізм, що призводить до коливань блиску мірід, дотепер точно не встановлений. Одна з гіпотез пояснює пульсації подібних зірокнестійкістю ядерних реакцій горіння гелію в сферичномупрошарку в надрах зорі, а на поверхні ця нестійкість виявляється у виді коливань.
При пульсаціях поверхні зірки в її атмосфері можуть утворитися ударні хвилі. Пояснимо, що це таке. Збудження невеличкої сили передаються в газі у виді звукових хвиль. Якщо, наприклад, створити в якомусь місці просторунадлишковий (порівняно з навколишнім середовищем) тиск, то він передається, унаслідок теплового руху молекул, частинкам у сусідніх областяхпростору; ті, в свою чергу, передадуть надлишок тиску сусідам і так далі. Швидкість звука в газі відповідає середньої швидкості теплових рухів молекул газу, і в атмосферах мірід, де Т » 1000-2000 К, швидкість звукаскладає 1,5-3 км/с (нагадаємо, що в земній атмосфері у поверхні ця швидкість дорівнює 0,33 км/с).
Якщо шару газу додати швидкість руху, що перевищує швидкість звука, то виникне якісно інше явище. Цей шар газу полетить, загрібаючи перед собою все нові і нові порції газу, подібно тому, як снігова лавина, що несесеться вниз по схилу гори, створює перед собою сніговий вал, який постійно збільшується. Густина газу на межі “вала” наростає стрибкоподібно — такий “вал” як би вдаряє по спокійному, незбудженомугазу, прискорюючи його. Тому поверхню, де відбувається стрибок, називають ударним фронтом, а саме явище надзвукового поширення стрибкагустини —ударною хвилею .
Емісійні спектральні лінії
Єданні астрономічних спостережень, які показують, що в оболонках мірід поширюються ударні хвилі. У спектрах цих зірок спостерігаються чисельні лінії поглинання, характерні для холодного газу — лінії слабко збуджених атомів і молекул. Головна особливість таких спектрів — потужні смуги молекул окису титана ТiО. Проте час від часу вигляд спектру мірід помітно змінюється. Поблизу мінімуму блиску спалахують емісійні лінії водню, іонізованого заліза й інші елементи, а інтенсивність смуг поглинання окису титана починає падати. Зірка збільшує свій блиск, проходить максимум, після чого емісійні лінії в спектрі слабшають і на спадній гілці кривій блиску пропадають; смуги TiО, навпроти, посилюються. В наступному мінімумі цикл починається знову.
Таке поводження спектра можна пояснити проходженням ударної хвилі через атмосферу міріди. При коливанні поверхні зірки, у той проміжок часу, коли поверхня рухається назовні з надзвуковою швидкістю, над нею виникає ударний фронт у вигляді сфери, центр якої збігається з центром зірки. Швидкість ударної хвилі спочатку велика, 60-100 км/с, тобто в десятки разів перевищує швидкість звука. З віддаленням від поверхні хвиля поступово витрачає свою енергію. Приблизно половина енергії хвилі іде на прискорення все нових і нових шарів газу, друга половина — нанагрів його. При великій швидкості хвилі газ за її фронтом нагрівається до високої температури. Ця температура залежить від швидкості хвилі і може приймати значення від 15-20 тис. К (при швидкості в 30 км/с) до 100 тис. К (при швидкості в 100 км/с). У газі за фронтом хвилі відбувається дисоціація (розпад) молекул і іонізація нейтральних атомів. Зникнення молекул окису титана за фронтом призводить до ослаблення смуг TiО і як би просвітлює атмосферу зірки у візуальній області спектра — блиск зірки наростає. У той же час іонізовані атоми водню і металів рекомбінують з електронами, що супроводжується сильним випромінюванням в лініях цих елементів — тільки в лінії водню (Нα) може випромінюватися до 1 % всієїсвітностізірки!
Але от зірка закінчує півперіод своїх коливань. Її поверхня починає спадати, радіус зменшується. За цей час ударна хвиля встигає відійти від поверхні на декілька радіусів зірки. Запас енергії хвилі зменшується, її швидкість падає до 10 - 15 км/с. Така хвиля вже не спроможна нагріти газ настільки, щоб викликати іонізацію. Газ, прискорений хвилею, гальмується, а потім під дією сил тяжіння починає “осідати” знову до поверхні. Остигання газу призводить до рекомбінації атомів і до відновлення молекул TiО. Внаслідок цього емісійні лінії пропадають, а блиск зірки зменшується. І тоді ж, поблизу мінімуму, зірка починає черговий цикл коливань, її поверхня “спухає” і посилає в атмосферу новій ударну хвилю — все повторюється спочатку.
Можна сказати, що мінімум блиску міріди — це, очевидно, і є її нормальний, звичайнийстан; а максимум блиску — “збуджений”, що швидко проходить, як тільки зникає джерело збудження — ударна хвиля. Така картина дозволяє легко зрозуміти і розходження у висоті максимумів блиску в одній і тієї ж міріди, а також зсуви максимумів в часі щодо очікуваних моментів: ударна хвиля “відправлялася” трохи пізніше або трохи раніше, її швидкість була більше або менше, ніж у попередньому циклі, відповідно великим або меншим виявився її руйнівний вплив на атмосферу зірки.
Зауважимо ще, що у мірід сильно змінюється тільки оптичний блиск. Якщо ж брати болометричну зоряну величину (тобто сумарну в широкому діапазоні довжин хвиль, включаючи інфрачервону область), то вона змінюється мало. Молекули TiO — своєрідний клапан для оптичного випромінювання; їхняпоява або зникнення призводить у кінцевомурахунку лише до перерозподілу енергії між різними діапазонами спектра.
У спектрахнапівправильнихдовгоперіодичних змінних емісійні лінії спостерігаються дуже рідко. Мабуть, пульсують ці зіркислабше, і сильних ударних хвиль в їхніх атмосферах немає. Тому й амплітуда коливань їхнього блиску менше, оскільки молекули TiО присутні майже постійно.
Навколозоряні оболонки
Ударні хвилі призводять ще до одного слідства, дуже важливого для зірки. Вони як би то розштовхують, розганяють газ, із якого складається атмосфера, протидіючи силі тяжіння. У результаті атмосфера стає дуже протяжної і слабко пов'язаної з зіркою. Самі по собі ударні хвилі не можуть віднести помітну кількість газу. Але достатньо ще лише невеличкого впливу — і роздута атмосфера почне вилітати в міжзоряний простір. Отут важливу роль може зіграти навколозоряний пил.
На відстанях порядку 10а.о. від поверхні зірки газ вже достатньо холодний, його температура не перевищує 1000К. Ударні хвилі сюди якщо і доходять, те дуже ослабленими. У таких умовах починається конденсація атомів і молекул (окислів кремнію і металів) у тверді частки — порошини. Ці порошини під тиском випромінювання зірки поступово прискорюються назовні. Зштовхуючись з атомами і молекулами, вони захоплюють за собою газ. У результаті виникає витікання речовини з атмосфери. На зміну йому виноситься газ із внутрішніх частин атмосфери, але і його сягає та ж доля. Таким чином, зірка втрачає масу. Швидкість зменшення маси може бути значної, 10-6 -10-5 М· /рік. У міжзоряне середовище з мірідпотрапляє величезна кількість пилу й атомів важких елементів, що істотно впливає на склад і структуру міжзоряного газу. Недарма в однієї з найбільше узвичаєних гіпотез про походження міжзоряного пилу джерелом її вважаються атмосфери червоних гігантів.
Очевидно, що стадія інтенсивної втрати речовини не може продовжуватися довго: за сотню тисяч років зірка з масою порядку сонячноївстигне розтрачувати значну частину своєї речовини. Тому і термін життя зірки у виді червоного пульсуючого гіганта порівняно нетривалий. Зрештою відбудеться повне скидання зовнішніх шарівзірки і залишиться гаряче компактне ядро — білий карлик, — оточене протяжною хмарою світного газу, або планетарною туманністю.
В процесі винесення речовини навколо міріди утвориться газопилова оболонка, що розширюється, швидкість її розльоту досягає декількох кілометрів у секунду. Навколозоряна оболонка має досить низьку температуру, нижче 1000 К. Концентрація газу там невелика, порядку 1012 часток на 1 см3 у внутрішніх прошарках, а далі від зірки вона змінюється обернено пропорційно до квадрату відстані. Велика частина водню об'єднана в молекули Н2 . Крім Н2 в оболонках мірід, багатих киснем, присутні молекули, що містять атом О (СО, ОН, Н2 О, SiO). Сама оболонка нічим не виявляє себе в оптичній області спектра. Її присутність виявляється головним чином по лініях поглинання СО, ОН і Н2 О в інфрачервоному діапазоні.
Крім того, дуже цікаву інформацію про навколозоряну оболонку можна одержати в радіодіапазоні. Спостереження на хвилях 2,6 мм і 1,3 мм показали, що багато мірід — це джерела випромінювання в лініях молекули СО. У деяких зірок вдалося виміряти і кутові діаметри областей , що випромінюють — вони відповідають лінійним розмірам у сотні і тисячі астрономічних одиниць.
Молекулярні мазери
Самимнесподіваним виявилося потужнемазерне випромінювання довгоперіодичнихзірок у лініях молекул ОН, Н2 0 і SiО. У молекул ОН воно відбувається в лініях на хвилі 18 см, у H2 O — 1,55 см, у SiО — у міліметровому діапазоні на хвилях 7 мм, 3,5 мм і більш коротких. Умови в навколозоряній оболонці такі, що верхні рівні відповідних квантових переходів у цих молекул виявляються перенаселеними стосовно нижніх рівнів (тобто має місце постійне “накачування” молекул на верхні рівні). Якщо через шар газу, підготовлений таким чином, проходить радіовипромінювання з частотою, рівній частоті “накачаного” переходу, то воно викликає ланцюгову реакцію індукованих переходів у молекулах; в результаті випромінювання багаторазово посилюється. Аналогічний процес має місце в лабораторних квантових генераторах — лазерах і мазерах.
Всього мазерне випромінювання гідроксилу було знайдено приблизно у трьохсот довгоперіодичних змінних. Випромінюванням молекул води або окису кремнію володіють біля ста зірок. Майже всі вони розташовані не далі 300-500 пк від Сонця. Чутливість сучасних радіотелескопі