Антарес: далекая звезда, поверхность которой удалось рассмотреть

На протяжении тысячелетий звезды казались людям лишь яркими точками на черном полотне ночного неба. Даже после изобретения телескопа астрономы не могли рассмотреть детали их поверхности: из-за колоссальных расстояний все звезды — не считая Солнца — продолжали выглядеть как крошечные источники света без хоть сколько-нибудь различимой структуры.

Лишь в последние десятилетия развитие технологий позволило получить изображения дисков некоторых звезд, и Антарес стал одним из первых объектов, чья поверхность была детально изучена.

Антарес — ярчайшая звезда в созвездии Скорпиона и один из самых известных красных сверхгигантов на небе. Его название происходит от древнегреческого "Анти-Арес", то есть "соперник Марса". Такое имя звезда получила из-за красновато-оранжевого цвета, напоминающего окраску планеты. От Земли Антарес отделяют примерно 550 световых лет.

Антарес — умирающая звезда, которая уже давно исчерпала запасы водорода в своем ядре и раздулась до гигантских размеров. По оценкам астрономов, в течение нескольких или тысяч лет это далекое светило завершит свой эволюционный путь грандиозной вспышкой сверхновой — взорвется.

Антарес примерно в 700 раз больше нашего Солнца. Если бы эта звезда оказалась в центре Солнечной системы, ее внешние оболочки простирались бы далеко за орбиту Марса, достигая пояса астероидов. Все планеты земной группы, включая Меркурий, Венеру, Землю и Марс, были бы поглощены этим сверхгигантом.

Несмотря на столь колоссальные размеры, масса Антареса всего в 12 раз больше массы Солнца. Это говорит о том, что вещество звезды крайне разрежено. Однако планеты, оказавшиеся внутри ее оболочки, все равно не уцелели бы: высокая температура и потоки раскаленной плазмы быстро разрушили бы их.

Красный цвет Антареса обусловлен относительно низкой температурой его поверхности — около 3 400 градусов Цельсия. Для сравнения, поверхность Солнца разогрета примерно до 5 500 градусов. При такой температуре звезда излучает преимущественно в красной и инфракрасной частях спектра, что и придает ей характерный оттенок. Низкая температура указывает на то, что звезда пребывает на очень поздней стадии эволюции. Связано это с тем, что, когда массивная звезда исчерпывает запасы водорода в ядре, она начинает сжигать гелий, углерод и другие более тяжелые элементы, появившиеся в ходе нуклеосинтеза. Это приводит к расширению звезды и охлаждению ее поверхности.

Именно колоссальный размер Антареса позволил астрономам впервые получить детальное изображение его диска. Для этого ученые использовали комплекс Очень Большого Телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили. Когда его телескопы работают совместно в режиме интерферометра (VLTI), они фактически превращаются в один огромный супертелескоп с разрешением, достаточным для того, чтобы различить структуру звездного диска.

На полученном изображении видны неоднородности на поверхности Антареса — яркие и темные области, вызванные конвекцией и движением газа в звездной атмосфере. Это гигантские ячейки горячего и холодного вещества, поднимающиеся из глубин и опускающиеся обратно, подобно кипящей воде, только в несопоставимо больших масштабах.

Наблюдения за Антаресом не только демонстрируют возможности современной астрономии, но и дают ключ к пониманию последних этапов жизни массивных звезд. Красные сверхгиганты — это звезды, стоящие на пороге катастрофы. В объектах такого рода идут термоядерные реакции синтеза все более тяжелых элементов, предел которых определяется накоплением в ядре железа. Железо не может участвовать в термоядерном синтезе с выделением энергии, поэтому система теряет стабильность — хрупкий баланс между внутренним давлением и гравитационным сжатием нарушается. За доли секунды ядро коллапсирует, а затем звезда взрывается, разбрасывая свое вещество по окружающему пространству.

Когда звезда Антарес взорвется, ее вспышку можно будет наблюдать даже днем невооруженным глазом в течение нескольких недель или месяцев. Взрыв обогатит окружающее пространство тяжелыми элементами, из которых со временем сформируются звезды следующего поколения и планеты.

Как звезда Мафусаил оказалась "старше" Вселенной

На расстоянии около 190 световых лет от Земли находится звезда HD 140283, получившая неофициальное библейское прозвище — Мафусаил. Это имя было выбрано не случайно: по ранним оценкам астрономов, возраст HD 140283 составлял около 14,5 миллиарда лет. Вот только проблема в том, что возраст самой Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет.

Астрономам эта звезда известна уже давно: она была включена в каталог Генри Дрейпера еще в первой половине XX века. Но по-настоящему знаменитой HD 140283 стала лишь тогда, когда ученые попытались определить ее возраст.

Итак, как же звезда может быть старше мира, в котором существует?

Сразу предупреждаю: это не мистическая история и не фантазия об объекте из других измерений, как любят выдумывать журналисты. Это пример того, как наука ошибается, уточняет данные и постепенно приходит к правильному ответу.

Звезда-ископаемое

Мафусаил относится к числу очень древних малометалличных звезд. В астрономии "металлами" называют все элементы тяжелее водорода и гелия. Так, железа в HD 140283 примерно в 250 раз меньше, чем в Солнце, а кислорода — примерно в 50 раз.

Это типично для очень старых звезд, сформировавшихся в раннюю эпоху истории Вселенной, когда тяжелых элементов было еще крайне мало. Мафусаил появился спустя сравнительно небольшое время после Большого взрыва, когда космическое пространство было заполнено преимущественно водородом и гелием.

Мафусаил — сравнительно небольшая звезда: ее масса составляет около 0,8 массы Солнца, а радиус — примерно в 2,2 раза больше солнечного. Сейчас она находится на стадии субгиганта — переходного этапа между обычной звездой и красным гигантом. По космическим меркам эта фаза продолжается недолго, поэтому подобные объекты особенно ценны для астрономов: они помогают лучше понять эволюционный путь солнцеподобных звезд и предсказать будущее Солнечной системы.

Еще одна любопытная деталь: Мафусаил движется через окрестности Солнца с очень высокой скоростью — около 300 км/с. Такие скорости характерны для древних звезд гало Млечного Пути. По сути, это гость из самых старых областей нашей Галактики, случайно оказавшийся рядом с Солнечной системой.

Мафусаил — настоящее звездное ископаемое, свидетель ранней Вселенной.

Парадокс, который раздули до сенсации

Когда ранние измерения показали, что возраст звезды составляет примерно 14,5 миллиарда лет, тут же посыпались громкие заголовки об "аномалии", "крахе физики", "параллельных мирах", "отмене Большого взрыва" и прочих бессмыслицах.

Но ученые смотрели на ситуацию спокойнее. Они понимали, что проблема, скорее всего, не в устройстве Вселенной, а в точности измерений и несовершенстве существующих звездных моделей.

Уточнение данных

В 2013 году было опубликовано исследование, основанное на наблюдениях космического телескопа NASA/ESA "Хаббл". С его помощью астрономы очень точно измерили параллакс HD 140283, а значит — и расстояние до звезды. Зная расстояние и видимую яркость, ученые смогли вычислить ее истинную светимость, а затем уточнить возраст.

Результат оказался впечатляющим: 14,46 ± 0,8 миллиарда лет. Именно погрешность здесь играет ключевую роль. Она означала, что реальный возраст Мафусаила мог составлять как 15,26, так и 13,66 миллиарда лет. Иными словами, даже после первичного уточнения данных звезда вовсе не обязательно оказывалась старше Вселенной — все упиралось в пределы точности измерений и моделей.

После этого ученые занялись уточнением наблюдательных данных и улучшением теоретических расчетов. Они понимали, что для точного определения возраста важно не только знать светимость, но и точнее определить химический состав звезды, а также доработать модели звездной эволюции. Достаточно изменить некоторые параметры — и итоговая оценка заметно сдвинется.

Спустя восемь лет появилась новая модель эволюции HD 140283, созданная с использованием более совершенных методов астрофизического моделирования и данных о миллионах других звезд. Она учитывала целый набор физических процессов внутри звезды — термоядерные реакции, перенос энергии и изменения химического состава. Согласно этой работе, возраст Мафусаила составляет 12,01 ± 0,05 миллиарда лет, то есть звезда уже уверенно укладывается в современную оценку возраста Вселенной.

Сегодня Мафусаил по-прежнему считается одной из древнейших известных звезд, но уже не выглядит невозможным объектом, который ломает всю современную физику. Теперь мы знаем и другие крайне древние звезды — например, HE 1523-0901, 2MASS J18082002-5104378 B и SMSS J031300.36-670839.3, возраст которых оценивается примерно в 13,2, 13,5 и 13,6 миллиарда лет соответственно. Но именно история Мафусаила стала важной вехой в оттачивании методов оценки звездных возрастов и наглядно показала, как наука превращает мнимую аномалию в решаемую задачу.

Заканчивая эту историю, хочу сказать самое важное: кажущиеся противоречия в науке далеко не всегда означают крах теории. Чаще всего они говорят о том, что нужны новые данные, более точные измерения и доработанные модели. Прямо сейчас астрономия переживает похожий момент: космический телескоп NASA "Джеймс Уэбб" обнаружил в ранней Вселенной немало галактик, которые выглядят слишком массивными, яркими и зрелыми для своего возраста. Но это не означает, что Большого взрыва не было или что возраст Вселенной рассчитан неверно. Это показывает, что наше понимание формирования и роста первых галактик все еще далеко от совершенства.

Самое четкое изображение звезды R Зайца, которая в 500 раз больше Солнца

Глядя на ясное ночное небо вдали от городских огней, мы видим бесконечную черную бездну, усыпанную мириадами звезд. На самом деле невооруженным глазом можно различить всего около 6 000 звезд (около 3 000 в каждом полушарии), и все они предстают перед нами как крошечные мерцающие — из-за атмосферной турбулетности — точки света. А ведь речь идет о ближайших к нам звездах — космических соседях в пределах нескольких сотен световых лет от Солнечной системы.

Современные наземные и космические телескопы позволяют преодолеть это ограничение и рассматривать далекие звезды в деталях. Это не только завораживает, но и дает ученым возможность изучать процессы звездной эволюции.

Звездный гигант R Зайца

Перед вами — самое детализированное на сегодняшний день изображение красного гиганта R Зайца (R Leporis), полученное 15 ноября 2023 года с помощью массива радиотелескопов ALMA в чилийской пустыне Атакама. Эта умирающая звезда, расположенная в созвездии Зайца на расстоянии 1 490 ± 40 световых лет от Земли, находится на поздней стадии своего жизненного цикла.

R Зайца окружает сложная кольцевая структура из газа и космической пыли, которая постоянно пополняется веществом, истекающим с поверхности раздувшегося и пульсирующего гиганта. Наблюдения также зафиксировали необычное явление: звезда периодически "выбрасывает" облака углеродной сажи в окружающее пространство, словно гигантский космический вулкан.

Радиус R Зайца сегодня почти в 500 раз превышает солнечный. Если бы звезда находилась на месте нашего светила, то все планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — оказались бы внутри ее оболочки. При этом болометрическая светимость гиганта, то есть суммарное излучение во всех диапазонах спектра, превышает солнечную более чем в 13 000 раз.

Примечательно, что R Зайца относится к классу углеродных звезд — в ее атмосфере углерод преобладает над кислородом. Это придает ей характерный темно-красный оттенок и способствует образованию сложных углеродных соединений в окружающей газопылевой оболочке.

R Зайца и будущее Солнца

Изучая R Зайца, ученые получают редкую возможность заглянуть в отдаленное будущее нашей собственной звезды. Через 5–7 миллиардов лет Солнце пройдет через аналогичную стадию красного гиганта, увеличившись в размерах и сбросив значительную часть своего вещества в космическое пространство.

В конечном итоге, когда звезда израсходует все топливо и сбросит оставшиеся оболочки, от нее останется лишь "огарок" — белый карлик, представляющий собой сверхплотное ядро из электронно-ядерной плазмы размером примерно с Землю, но с массой, сопоставимой с массой Солнца.

Полное остывание белого карлика займет десятки миллиардов лет (а по некоторым моделям — триллионы лет), и все это время он будет напоминать о некогда существовавшей планетной системе R Зайца, которая, возможно, когда-то могла быть пригодной для жизни.

Буйный нрав Вольфа–Райе

Перед вами составное изображение туманности M1-67 вокруг звезды WR 124, полученное путем объединения данных космического телескопа NASA/ESA "Хаббл" от 9 сентября 2013 года.

Объект с массой около 20 солнечных находится в созвездии Стрельца на расстоянии 21 000 ± 2 000 световых лет и выбрасывает вещество со скоростью 1400–2000 км/с. Светимость WR 124 превосходит солнечную в 150 000 раз, а температура поверхности составляет 44 700 градусов, что почти в 7,7 раза выше температуры поверхности Солнца.

Звезды со столь высокой температурой и светимостью относят к классу Вольфа–Райе, названному в честь астрономов Шарля Вольфа и Жоржа Райе, которые первыми в 1867 году обратили внимание на особенности спектров таких звезд и описали их.

Оранжево-коричневые "клочья" — газовые комки массой в десятки Земель, подсвеченные ультрафиолетовым излучением со стороны родительской звезды. Возраст WR 124 составляет примерно 8,6 миллиона лет, а значит звезда в любой момент может вспыхнуть сверхновой.

Протопланетный диск вокруг звезды AS 209, наблюдавшийся радиотелескопом ALMA.

Он находится в области звездообразования Змееносца и обладает центральной яркой областью и двумя кольцами с радиусами 75 и 130 астрономических единиц, разделенными двумя промежутками с радиусами 62 и 103 астрономических единиц. Внутренняя щель частично заполнена миллиметровыми зернами пыли, тогда как внешняя почти ее лишена. Ученые считают, что наличие внешнего промежутка в диске согласуется с наличием планеты-гиганта с массой около 0,7  массы Сатурна.

HD 44179

В 2300 световых годах от нас, в созвездии Единорога, находится один из самых загадочных и красивых объектов во Вселенной — Красный Прямоугольник. Так его прозвали астрономы ещё в прошлом веке: в наземные телескопы он выглядел как необычное красное пятно с чёткими прямоугольными очертаниями.

Но когда телескоп «Хаббл» взглянул на него с орбиты, выяснилось, что на самом деле эта туманность вовсе не прямоугольная — она похожа на букву X, оплетённую тончайшими, почти лестничными перекладинами из светящегося газа. Эти «ступеньки» — редчайший космический узор, напоминающий шёлковую паутину или гравировку на драгоценном камне.

В центре всего этого великолепия — звезда HD 44179, похожая на наше Солнце, но уже подошедшая к концу жизни. Она мягко выбрасывает свои внешние слои, формируя вокруг себя эту причудливую оболочку. Учёные считают, что на самом деле это двойная звезда, окружённая плотным пылевым диском («бубликом»), и именно их совместное гравитационное влияние помогает «выткать» столь необычную форму.

Пока туманность не светится сама — она лишь отражает и рассеивает свет центральной звезды. Но совсем скоро (по космическим меркам) звезда сбросит последнюю оболочку, обнажив горячее ядро — белый карлик. Его мощное ультрафиолетовое излучение заставит весь газ вокруг ярко засветиться, и тогда Красный Прямоугольник превратится в настоящую планетарную туманность.

Сейчас же он находится в редкой и недолгой фазе — так называемой протопланетарной туманности, когда звезда уже почти умерла, но ещё не «зажгла» своё последнее сияние. Именно такие моменты особенно ценны для астрономов: они помогают понять, как обычные, солнцеподобные звёзды завершают свою жизнь — не с грохотом сверхновой, а с тихой, но изысканной красотой.

Этот снимок — самый чёткий из всех, сделанных на сегодняшний день. Цвета на нём не совсем «настоящие»: красный — это свечение водорода, а синий — более широкий диапазон оранжево-красного света, искусственно перекрашенный для контраста. Но даже в такой обработке Красный Прямоугольник остаётся одним из самых удивительных примеров того, как природа превращает смерть звезды в произведение искусства.

HH 34

В верхнем правом углу мы видим плотное облако пыли, в котором эта юная звезда пока пряталась. Но вот она «прорвалась» — из неё вырвалась струя раскалённого голубого газа, пробившаяся сквозь пыльную завесу. Эта струя мчится сквозь космос и сталкивается с более холодным и спокойным газом вокруг.

От этого столкновения и возникло то яркое, причудливое образование внизу слева — оно называется HH 34 и относится к так называемым объектам Хербига–Харо. Это — следы «звездотворчества»: когда струя разогревает окружающий газ, тот начинает светиться всеми цветами, рисуя на небе тонкие, разноцветные завитки, будто кистью художника.

HH 34 находится примерно в 1400 световых годах от нас, в районе знаменитой Туманности Ориона — одного из самых активных «звездильных» регионов в нашей Галактике. Такие объекты живут недолго — всего несколько тысяч лет по космическим меркам. И настолько быстро всё меняется, что даже за пару лет астрономы замечают, как форма и яркость этих структур сдвигаются.

Хотя струя тянется от самой звезды до HH 34 на огромное расстояние, мы видим лишь её часть — ту, где поток особенно яркий. Там газ образует сложные узлы и волны: это выбросы, случившиеся в разное время, догоняют друг друга и сталкиваются, словно поезда в космической цепной реакции.

R Aquarii

На этом снимке — звезда расположенная всего в тысяче световых лет от нас, в созвездии Водолея. На самом деле это не одна звезда, а тесная пара: маленький, но очень плотный белый карлик и огромный, раздувшийся красный гигант. Вместе они образуют так называемую симбиотическую двойную систему — своего рода космический дуэт, где один «питается» веществом другого.

Вокруг этой пары разлилась причудливая туманность — гигантское, постоянно меняющееся облако газа. Её тонкие, извивающиеся нити тянутся во все стороны, образуя завораживающие арки и завитки. Ближе к центру газ подсвечивается ярко-голубоватым (циановым) светом звёзды, а дальше — переливается красными и зеленоватыми оттенками.

А сама звезда в центре сияет ослепительно — на снимке вокруг неё даже видны крестообразные «лучи» (дифракционные шипы), которые возникают из-за особенностей конструкции телескопа.

Мощные струи раскалённого газа, вырывающиеся с полюсов ещё совсем молодой звезды

Когда эти струи сталкиваются с окружающим газом и пылью, они проделывают в них огромные полости и порождают изогнутые ударные волны. Эти волны выглядят как плотные, узловатые сгустки — их астрономы называют объектами Хербига — Харо.

Молодая протозвезда V1331 Cygni, вероятно, ещё не вышла на главную последовательность.

Иными словами, в её недрах пока не запустились основные термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Звезда продолжает набирать массу, которая сейчас оценивается примерно в 2.8 массы Солнца. Расстояние до неё составляет около 2 тысяч световых лет