Красный гигант - это звезда, находящаяся на стадии гибели. Она медленно раздувается до размеров, во много раз превышающих ее первоначальный размер. Достигнув стадии красного гиганта, звезда может оставаться в таком состоянии до миллиарда лет. Затем звезда медленно сжимается и остывает, превращаясь в белый карлик: сверхплотные трупы звезд размером с Землю, излучающие ничтожную долю своей первоначальной энергии. В конце концов, через миллиарды лет эти звезды станут абсолютно холодными и не будут излучать никакой энергии. Они закончат свою жизнь в виде так называемого черного карлика - крошечного, сгоревшего, практически невидимого пепла.
Чтобы стать красным гигантом, конкретная звезда должна иметь массу от половины массы нашего Солнца до восьми раз больше массы нашего Солнца. Астрономы называют такие звезды звездами низкой или средней массы. Таким образом, видно, что наше Солнце - одна из тех звезд, которые неизбежно когда-нибудь станут красными гигантами.
Значит, судьба нашего Солнца - стать красным гигантом (а затем белым карликом, а потом и черным карликом). Но какие процессы приведут к переходу Солнца в стадию красного гиганта? И что именно будет происходить внутри звезды при ее изменении? Рассмотрим судьбу звезд малой и средней массы, таких как наше Солнце, при их эволюции до стадии красного гиганта.
Звезды излучают энергию за счет превращения водорода в гелий в результате ядерного синтеза. Именно этот процесс заставляет наше Солнце излучать свет, тепло и другие виды энергии в качестве побочного продукта. Но для ядерного синтеза в звездах сначала необходим водород. А запасы водорода у звезд не бесконечны. Наше Солнце ежесекундно превращает в гелий около 600 млн. тонн водорода. Если это звучит так, как будто запасы должны скоро исчерпаться, то вспомните, что Солнце - это звезда размером почти в миллион километров. А если вам трудно это представить, то представьте, что вы садитесь в реактивный авиалайнер и совершаете полет, который продлится 226 дней. Именно столько времени потребуется для облета вокруг нашей звезды.
На самом деле наше Солнце, как обычная звезда своего типа, родилось с достаточным количеством водорода, чтобы просуществовать около 10 млрд. лет. По оценкам астрономов, сейчас возраст нашей звезды составляет около 4,5 млрд. лет. Таким образом, Солнце оставляет позади времена своей молодости. Оно вступает в средний возраст. И, как и в случае с людьми, не за горами то время, когда его процессы начнут меняться и ослабевать.
Мы называем нынешний этап жизни нашей звезды водородной фазой горения, поскольку источником ее энергии является слияние атомов водорода. Но "горение" - это немного неправильное название. Это ядерный синтез, а не химическое горение. Звезды не горят в обычном понимании этого слова. Тем не менее, астрономы используют термин "горение" для описания типа синтеза, происходящего внутри звезды. Поэтому можно услышать о горении углерода или гелия. И то, и другое - это стадии ядерного синтеза с использованием различных элементов, когда звезда приближается к концу своей жизни.
Звезды, сжигающие в основном водород, находятся на так называемой стадии главной последовательности. Будучи звездой главной последовательности, наше Солнце находится в так называемом звездном равновесии. Это означает, что давление внешнего излучения, возникающего в результате внутренних термоядерных реакций, в точности уравновешивает давление собственной гравитации Солнца.
Важно понимать, что, когда Солнце находится на главной последовательности, даже потребление сотен миллионов тонн водорода в секунду не приводит к немедленному истощению его запасов. Только 0,7% солнечного водорода, потребляемого в процессе синтеза, в конечном итоге будет излучено в виде энергии. Остальное расходуется на преобразование ядер атомов водорода в атомы гелия. Этот ничтожный процент энергии и дает нам весь свет и тепло, которые мы получаем от Солнца на протяжении последних 4,5 млрд. лет.
В конце концов, когда ядерный огонь в звезде затухает, она начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Одновременно с уменьшением размеров звезды растет ее температура. Поэтому звезда становится ярче.
У стареющей звезды эта фаза сжатия и усиления яркости может длиться несколько миллионов лет. Сжимающееся ядро, разогреваясь под действием силы тяжести, приносит все больше водорода к центру звезды, на место, ранее занимаемое сжавшимся ядром. В конце концов, температура и давление становятся достаточными для воспламенения водородной оболочки вокруг ядра: излучение от сгорания этой новой водородной оболочки проникает сквозь звезду, вызывая расширение ее внешних слоев. Здесь происходят сложные физические процессы, но законы сохранения энергии в сочетании с поведением гравитации означают, что если ядро звезды сжимается, то остальная часть звезды должна расширяться. Звезда начала эволюционировать в так называемую звезду-субгигант, представляющую собой промежуточную стадию между главной последовательностью и стадией красного гиганта.
Сжигание оболочки водорода происходит за счет термоядерных процессов, которые гораздо более интенсивны, чем в то время, когда звезда находилась на главной последовательности. В результате звезда становится ярче на незначительную величину. Однако внешние слои расширяющейся звезды, находящиеся теперь на большем расстоянии от водородной оболочки вокруг ядра, одновременно охлаждаются, снижаясь с максимальных значений от 6000 до 30 000 градусов до 5000. Это также означает, что свет звезды становится красным, подобно тому как остывающая кочерга, вынутая из костра, со временем остывает от белого цвета через желтый к красному.
Фаза водородного горения может длиться от нескольких сотен миллионов до миллиарда лет, в зависимости от начальной массы звезды. Для звезд с массой от 0,8 до 2 раз больше массы нашего Солнца это приводит к образованию субгиганта, диаметр которого в 10 раз больше диаметра нашего Солнца. Звезды с массой, выходящей за пределы этого диапазона, могут идти по разным эволюционным путям, но для звезды, подобной Солнцу, следующим этапом будет колоссальное увеличение размеров, огромный рост яркости и еще большее охлаждение. Энергия для этого будет поступать из гелиевого ядра, которое будет разрушаться, становиться плотнее, пока в конце фазы субгиганта не станет достаточно горячим, чтобы сжечь свой гелий. Это приводит к значительному увеличению энерговыделения, что заставляет звезду расширяться. В конце концов, возможно, через сотни миллионов лет, звезда станет в сотни раз больше Солнца и приобретет ярко выраженный красный цвет.
Так рождается красный гигант.
Звезда находится в фазе красного гиганта, как правило, около миллиарда лет. Что произойдет дальше, зависит от массы звезды. Звезды большой массы взорвутся в виде сверхновых. Звезды малой и средней массы, такие как наше Солнце, будут медленно сжиматься и остывать, превращаясь в белые карлики.
Мы можем посмотреть вверх и увидеть невооруженным глазом несколько красных гигантов. Альдебаран и Антарес - лишь два примера. Но, пожалуй, самым известным является Бетельгейзе в созвездии Ориона. Она известна тем, что не так давно попала в заголовки газет, когда внезапно начала тускнеть в течение нескольких месяцев в 2019 году. Ее яркость упала более чем на 60%, то есть она стала заметно тусклее на ночном небе. Подробнее о необычном потускнении Бетельгейзе.
Что же будет с нашим Солнцем? В течение следующих нескольких сотен миллионов лет его яркость будет постепенно увеличиваться, и оно начнет излучать больше энергии в электромагнитном спектре, поскольку перейдет в фазу субгиганта. Это плохая новость для Земли. Примерно через миллиард лет растущее излучение нашей звезды стерилизует нашу планету, уничтожив все живое.
В конце концов, когда наше Солнце завершит свое превращение из скромной звезды типа G в красного гиганта, оно расширится и поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю. И это будет конец нашего мира.
Изучение красных гигантов является сложной задачей, поскольку существует множество переменных и исключений. Оно может привести к неожиданным результатам, например, к потускнению Бетельгейзе. Но эти звезды-гиганты просто проходят естественный этап жизни, стареют и умирают. К тому времени, когда наше Солнце, например, закончит свою жизнь в качестве белого карлика, оно будет жить уже десять миллиардов лет. И, возможно, когда наша звезда разрастется до огромных размеров, ее будут изучать инопланетные цивилизации, глядя издалека, как мы изучаем Бетельгейзе и другие гиганты в нашем небе. Они даже не догадываются, что когда-то вокруг этой звезды вращалась крошечная голубая точка, жители которой тоже смотрели на звезды и удивлялись.
