§ 3. Проблема звездной эволюции и идея гравитационного источника энергии звезд. Гельмгольц, В. Томсон, Локьер, Рессел

Во второй половине XIX в. окончательно утвердилось представление о звездах как о колоссальных газовых шарах, плотных и горячих в центральных частях и разреженных на периферии. В звездной космогонии высок был авторитет идей В. Гершеля о продолжающемся процессе рождения звезд в результате скапливания диффузной космической материи к случайным центрам повышенной плотности. Видимо, не без влияния этих идей Г. Гельмгольц и В. Томсон в середине XIX в. предложили свою теорию излучения газовой звезды за счет гравитационного сжатия (контрактационная гипотеза). Они предположили, что энергия сжатия превращается в теплоту, которая тут же излучается. В целом при этом, как ожидалось, звезда постепенно остывала. Однако вскоре выяснилось, что в таком случае Солнце должно быть... моложе Земли! (Такого источника энергии хватило бы лишь на ~10⁷ лет, тогда как геологи в конце XIX в. уже обоснованно оценивали возраст Земли ~10⁹ лет.)

Казалось бы, выход был найден американским теоретиком Г. Лэном, показавшим в 1870 г., что излучающий за счет сжатия шар из идеального газа, напротив, будет разогреваться, и лишь перестав быть таковым, по достижении достаточной плотности, начнет далее остывать. Поскольку начальное состояние «протозвезды» или молодой звезды можно было сравнить с идеальным газом, и лишь во второй половине своей жизни она мыслилась как более плотная и остывающая при сжатии, теория Лэна позволяла продлить сроки жизни звезды с таким источником энергии.

Между тем еще в 1865 г. немецкий астроном И. Целльнер (1834—1882), основоположник астрофотометрии и автор самого термина «астрофизика», высказал мысль, что белые, желтые и красные звезды суть различные этапы «жизни» — охлаждения звезды. Эволюционные идеи в связи с различием цвета звезд высказывались многими, хотя и с различной трактовкой направления эволюции звезды.

Локьер, на основе своей классификации звездных спектров и опираясь на упомянутые выше расчеты Лэна, впервые в 80-е гг. XIX в. предложил эволюционную гипотезу развития звезды с восходящей и нисходящей ветвями — от состояния яркой крайне разреженной красной звезды к белой типа Сириуса, далее, — к желтой типа Солнца и, наконец, к состоянию слабого холодного красного карлика с полосчатым спектром. Таким образом, каждая звезда в своем развитии должна была дважды пройти через каждый спектральный класс, за исключением класса горячих белых звезд, где обе ветви сходились. Эта гипотеза Локьера, сначала не обратившая на себя внимание астрономов, неожиданно предстала в совершенно новом свете после установления основной зависимости в мире звезд — диаграммы Герцшпрунга — Рессела (рис. 26).

Американскому астрофизику Г.Н. Ресселу (1877—1957) и голландскому астроному Эйнару Герцшпрунгу (1873—1967) принадлежит установление первой фундаментальной физической закономерности в мире звезд: характер спектра звездной атмосферы определяется ее температурой. Герцшпрунг начал, а Рессел завершил в 1905—1912 гг. колоссальную работу по сравнению спектров (а следовательно, и цвета) и светимостей звезд различных спектральных классов. На построенной им диаграмме «спектр (температура, цвет) — светимость» практически все звезды выстроились в две широкие полосы. Одна соединяла ярчайшие голубые горячие звезды с наиболее слабыми (красными, холодными) — «главная последовательность» (такое наименование ей дал Эддингтон). Вторая — близкие по светимости, но различные по спектру — от голубых до красных («ветвь гигантов»). Эта знаменитая диаграмма Герцшпрунга — Рессела («диаграмма Г — Р») отражает фундаментальные физические закономерности строения и развития звезд. И вся дальнейшая история звездной астрофизики, по существу, состояла в попытках раскрыть истинный эволюционный смысл этой замечательной феноменологической закономерности.

Рис. 26. К формированию представлений об эволюции звезд: а) первая схема эволюции звезды (Н. Локьер), б) диаграмма Герцшпрунга — Рессела (зависимость спектр — светимость)

Диаграмма «спектр — светимость» поразила Рессела замечательным совпадением предсказаний теории Локьера с данными наблюдений. Верхняя, горизонтальная ветвь гигантов как бы вела исследователя по первой половине жизненного пути звезды (разогрев). Вторая ветвь — «главная последовательность» — прослеживала, казалось, с предельной очевидностью дальнейший путь развития уже достаточно уплотнившейся звезды, не подчиняющейся теперь законам идеального газа и остывающей при сжатии, что и утверждал в своей теории Локьер.

Увы! Несмотря на всю свою стройность и даже совпадение с наблюдениями, эта эволюционная теория Рессела, предложенная в 1913 г. и опиравшаяся на недостаточное знание состояния звезд, вскоре была разрушена новыми фактами. Вещество звезд главной последовательности также оказалось близким к состоянию идеального газа...

Снова остро вставала проблема такого источника энергии, который мог бы продлить жизнь звезды до 10⁹ лет.