Cefeidy
11.03.2006 21:30 | L. N. Berdnikov/GAISh, Moskva
CEFEIDY
Berdnikov Leonid Nikolaevich
doktor fiziko-matematicheskih nauk, vedushii nauchnyi sotrudnik GAISh MGU
Vvedenie
Yarkost' podavlyayushego bol'shinstvo zvezd, vidimyh nevooruzhennym glazom, na protyazhenii chelovecheskoi zhizni ostaetsya postoyannoi, chto, estestvenno, privodilo k predstavleniyu o neizmennosti kartiny zvezdnogo neba. Odnako eshe v drevnosti bylo zamecheno, chto inogda vstrechayutsya takie zvezdy, kotorye v sravnitel'no korotkie promezhutki vremeni izmenyayut svoi blesk. Takie zvezdy stali nazyvat' peremennymi zvezdami.
Pervoe pis'mennoe upominanie o yavlenii zvezdnoi peremennosti mozhno naiti v kitaiskih hronikah 14 veka do nashei ery, gde soobshaetsya o poyavlenii na nebe novoi zvezdy, kotoruyu ran'she nikto ne videl. Takie yarkie novye ili - esli ochen' yarkie, to - sverhnovye zvezdy poyavlyayutsya vnezapno i bystro stanovyatsya samymi yarkimi (posle Solnca i Luny) ob'ektami na nebe; zatem ih yarkost' medlenno umen'shaetsya, i cherez neskol'ko mesyacev oni navsegda ischezayut s nebosklona.
Pervym professional'nym astronomom, opisavshim otkrytie novoi zvezdy v 125 godu do nashei ery, byl grecheskii uchenyi Gipparh. Poyavleniya ochen' yarkih novyh ili sverhnovyh sluchayutsya dovol'no redko: so vremen Gipparha na nebe bylo zaregistrirovano vsego okolo dvuh desyatkov podobnyh sluchaev.
V 1596 godu nemeckii astronom David Fabricius, odin iz vydayushihsya nablyudatelei togo vremeni, obnaruzhil v sozvezdii Kita neizvestnuyu zvezdu tret'ei velichiny, kotoraya bystro poyarchala na odnu velichinu, a potom, postepenno oslabevaya, cherez dva mesyaca ischezla. Fabricius, estestvenno, prichislil etu zvezdu k novym zvezdam. V 1609 godu on opyat' uvidel etu zvezdu, no ona ego pochemu-to ne zainteresovala. V 1638 godu niderlandskii astronom Hol'varda, ne znaya o nablyudeniyah Fabriciusa, sluchaino obnaruzhil ee i posle dlitel'nyh nablyudenii ponyal, chto eta zvezda est' peremennaya zvezda, to poyavlyayushayasya, to skryvayushayasya dlya nevooruzhennogo glaza. Iz-za svoego neobychnogo povedeniya eta zvezda poluchila imya Mira (chto oznachaet «divnaya» ili «udivitel'naya») Kita, i ona yavilas' pervoi regulyarnoi (v otlichie ot «odnorazovogo» yavleniya novoi ili sverhnovoi) peremennoi zvezdoi. Posleduyushie nablyudeniya pokazali, chto yarkost' Miry Kita izmenyaetsya periodicheski s periodom 11 mesyacev, pri etom minimal'nyi blesk opuskaetsya do 9-oi zvezdnoi velichiny.
Vnachale peremennye zvezdy otkryvalis' horosho znayushimi zvezdnoe nebo nablyudatelyami pri sluchainom obnaruzhenii nevooruzhennym glazom podozritel'noi yarkoi zvezdy. Poetomu takie otkrytiya delalis' redko: sleduyushimi posle Miry Kita byli β Perseya (Algol') – 1667 g., χ Lebedya -1686 g., R Gidry – 1704 g. i R L'va – 1782 g. Kak eto ni stranno, otkrytiya novyh peremennyh zvezd ne vozbuzhdalo k nim bol'shogo interesa so storony professional'nyh astronomov, poetomu ne udivitel'no, chto regulyarnye poiski i otkrytiya novyh peremennyh zvezd i ih sistematicheskie nablyudeniya pervymi stali provodit' molodye angliiskie astronomy-lyubiteli Pigott i Gudraik. Za nebol'shoi promezhutok vremeni oni otkryli neskol'ko novyh peremennyh zvezd, v tom chisle η Aql (1783 g.) i δ Cep (1784 g.), stavshih pervymi predstavitelyami osoboi gruppy peremennyh zvezd – cefeid. Blesk etih zvezd izmenyalsya strogo periodicheski: periody sostavili 7.177 i 5.366 dnei sootvetstvenno; pri etom poyarchaniya proishodili znachitel'no bystree, chem oslableniya – krivye izmeneniya bleska byli asimmetrichnymi (ris.1).
Ris.1. Sglazhennye krivye izmeneniya bleska cefeid η Aql i δ Cep. Po osi absciss otlozhena faza, to est' vremya, vyrazhennoe v dolyah perioda, a po osi ordinat – blesk v vizual'nyh luchah V.
So vremenem interes k peremennym zvezdam so storony professional'nyh astronomov postepenno vozrastal, poetomu chislo vnov' otkryvaemyh ob'ektov tozhe stalo medlenno rasti, i k 1880 godu chislo izvestnyh peremennyh dostiglo dvuh soten, vklyuchaya desyatok cefeid. S 1870-h godov v astronomii stala primenyat'sya fotografiya, i polozhenie del kardinal'no izmenilos': tempy otkrytiya dohodili poroi do polutysyachi peremennyh zvezd v god. Seichas v Obshem Kataloge Peremennyh Zvezd (OKPZ) zaregistrirovano bolee 50000 ob'ektov, okolo 700 iz kotoryh yavlyayutsya cefeidami s periodami ot 1 do 68 dnei.
Zavisimost' period-svetimost'
V 1908 godu sotrudnica observatorii Garvardskogo (SShA) universiteta Livitt, podvodya pervye itogi izucheniya peremennyh zvezd v Malom Magellanovom Oblake (MMO), otmetila, chto dlya 16 zvezd, u kotoryh udalos' opredelit' periody, sushestvuet zakonomernost': chem yarche peremennaya, tem dlinnee ee period izmeneniya bleska. Cherez chetyre goda ona podtverdila etu zakonomernost' uzhe po 25 zvezdam (ris.2) MMO, kotorye po vsem
Ris.2. Pervaya zavisimost' period-svetimost', postroennaya Livitt v 1912 g. po cefeidam MMO. Po vertikal'noi osi otlozhena fotograficheskaya zvezdnaya velichina, a po gorizontal'noi – logarifm perioda. Verhnii grafik postroen dlya maksimal'nogo bleska cefeid, a nizhnii – dlya minimal'nogo.
harakteristikam napominali cefeidy. A poskol'ku uzhe togda bylo yasno, chto MMO predstavlyaet soboi izolirovannuyu zvezdnuyu gruppirovku (to est' vse ee zvezdy nahodyatsya na odinakovom ot nas rasstoyanii), to eto oznachalo, chto sootnoshenie mezhdu vidimym bleskom m i periodom P otrazhaet sootnoshenie mezhdu absolyutnoi zvezdnoi velichinoi M i periodom P. Eto sootnoshenie vposledstvii poluchilo nazvanie «zavisimost' period-svetimost'», kotoruyu prinyato zapisyvat' v vide:
<M> = a٠ lg P + b, (1)
gde <M> - srednyaya absolyutnaya zvezdnaya velichina cefeidy, a i b - naklon i nul'-punkt zavisimosti sootvetstvenno. Znacheniya koefficientov a i b zavisyat ot spektral'nogo diapazona, naprimer, v vizual'noi oblasti spektra a = -2.87 i b = -1.01.
Uzhe v 1913 g. Gercshprung ukazal na isklyuchitel'noe znachenie etoi zavisimosti: znaya period i vidimuyu zvezdnuyu velichinu dannoi cefeidy, my totchas zhe mozhem opredelit' ee rasstoyanie. Poyasnim eto na prostom primere. Esli imeetsya elektricheskaya lampochka s izvestnoi moshnost'yu, to mozhno vychislit' osveshennost' L0, sozdavaemuyu eyu na kakom-libo rasstoyanii R0; iz shkol'nogo kursa fiziki izvestno, chto osveshennost' L na lyubom drugom rasstoyanii R svyazana s L0 zakonom obratnyh kvadratov (to est', osveshennost' obratno-proporcional'na kvadratu rasstoyaniya). Teper' perehodim k astronomicheskim terminam: lampochka – eto zvezda, R0=10 parsek, L0 – absolyutnaya zvezdnaya velichina M, L – vidimaya zvezdnaya velichina m. Soglasno opredeleniyu, absolyutnaya zvezdnaya velichina zapisyvaetsya vyrazheniem:
M = m + 5 – 5 lg R,
otkuda poluchaem prostuyu formulu dlya vychisleniya rasstoyaniya dannoi cefeidy:
lg R = 0.2 (<m> –<M> + 5), (2)
gde <m> – srednii vidimyi blesk, a srednyaya absolyutnaya zvezdnaya velichina <M> vychislyaetsya po zavisimosti period-svetimost' (1). Takim obrazom, dlya opredeleniya rasstoyaniya lyuboi cefeidy dostatochno opredelit' iz nablyudenii ee srednii blesk <m> i period P.
Blagodarya zavisimosti period-svetimost', cefeidy stali igrat' vazhneishuyu rol' v astronomii: po sravneniyu s drugimi ob'ektami, oni dayut nailuchshii sposob opredeleniya rasstoyanii do nih, a znachit – i do lyuboi galaktiki, gde ih udaetsya obnaruzhit'. Otkrytie cefeid v M31, M33 i NGC6822 pozvolilo Habblu v 1926-1927g.g. opredelit' rasstoyanie etih galaktik i okonchatel'no dokazat' ih vnegalakticheskuyu prirodu. Takim obrazom, imenno cefeidy peremestili nashe Solnce iz centra edinstvennoi gigantskoi zvezdnoi sistemy Mlechnogo Puti (kak schitalos' v nachale 20 veka) na okrainu odnoi iz beschislennogo mnozhestva takih sistem.
S aprelya 1990 g. na orbite rabotaet kosmicheskii teleskop imeni Habbla, programmoi naivysshego prioriteta kotorogo ob'yavlena programma poiska cefeid v skoplenii galaktik v Deve dlya utochneniya rasstoyaniya etogo skopleniya. Eti rasstoyaniya ispol'zuyutsya zatem dlya opredeleniya postoyannoi Habbla, kotoraya yavlyaetsya klyuchom dlya resheniya voprosa o proshlom i budushem Vselennoi.
V seredine 20 stoletiya bylo okonchatel'no ustanovleno, chto prostranstvo mezhdu zvezdami ne pusto, a zapolneno gazom i pyl'yu. I, hotya plotnost' mezhzvezdnogo veshestva ochen' mala, ono mozhet oslabit' svet dalekih zvezd vo mnogo raz. Poetomu v formule (2) vidimyi blesk <m> dolzhen byt' ispravlen za mezhzvezdnoe pogloshenie A. Takim obrazom, rasstoyanie cefeidy sleduet opredelyat' po utochnennoi formule:
lg R = 0.2 (<m> – A – <M> + 5). (3)
O-C diagramma
Vazhneishei nablyudatel'noi harakteristikoi cefeidy yavlyaetsya ee period izmeneniya bleska. Okazalos', chto periody ne yavlyayutsya strogo postoyannymi.
Dlya izucheniya izmenyaemosti periodov cefeid primenyaetsya metod analiza O-C diagramm. Chto eto takoe?
Esli my znaem period cefeidy P, to my mozhem vychislit' momenty nastupleniya maksimumov bleska CE po formule:
CE = M + P*E, (4)
gde M - kakoi-libo izvestnyi moment maksimuma bleska, a E- celoe chislo, kotoroe chasto nazyvayut nomerom epohi ili prosto epohoi.
Ris.3. Vychislennye po formule (4) momenty maksimal'nogo bleska.
Iz nablyudenii my opredelyaem momenty real'no nablyudennyh maksimumov OE:
Ris.4. Nablyudennye momenty maksimal'nogo bleska.
Esli period P opredelen tochno, to nablyudennye OE i vychislennye CE momenty v predelah oshibok opredeleniya OE budut sovpadat':
Ris.5. Vychislennye CE i nablyudennye OE momenty maksimal'nogo bleska pri tochnom i postoyannom periode.
Raznosti nablyudennyh (O) i vychislennyh (C) po formule (4) momentov maksimal'nogo bleska, kotorye oboznachayutsya O-C i nazyvayutsya ostatkami O-C, budut blizki k nulyu. Sledovatel'no, grafik ostatkov O-C ot vremeni, kotoryi nazyvaetsya O-C diagrammoi, budet pryamoi liniei, parallel'noi osi absciss. V kachestve primera na ris.6 privedena O-C diagramma dlya cefeidy TY Mon.
Ris.6. O-C diagramma dlya cefeidy TY Mon. Vertikal'nye chertochki ukazyvayut predely oshibok opredeleniya ostatkov O-C. Period tochno opredelen i ne menyaetsya.
Esli by period P v formule (4) dlya TY Mon byl by zavyshen, to nablyudennye maksimumy otstavali by ot vychislennyh, i eto otstavanie roslo by so vremenem:
Ris.7. Vychislennye CE i nablyudennye OE momenty maksimal'nogo bleska pri zavyshennom postoyannom periode.
V etom sluchae tochki na O-C diagramme budut idti vdol' pryamoi linii, ponizhayas' so vremenem (ris.8).
Ris.8. O-C diagramma dlya cefeidy TY Mon. Period zavyshen.
Sovershenno ochevidno, chto, esli by period byl zanizhen, to grafik O-C predstavlyalsya by pryamoi liniei, idushei vverh (ris.9):
Ris.9. O-C diagramma dlya cefeidy TY Mon. Period zanizhen.
Takim obrazom, esli O-C diagramma predstavlyaet soboi pryamuyu liniyu, to period cefeidy ne menyaetsya, pri etom, esli eta pryamaya parallel'na osi vremeni, to period opredelen tochno, a esli pryamaya idet vniz ili vverh, to period cefeidy sootvetstvenno zavyshen ili zanizhen.
Odnako, kak okazalos', prakticheski u vseh cefeid periody menyayutsya so vremenem. Eti izmeneniya mogut proishodit' po-raznomu.
1). Period mozhet menyat'sya skachkoobrazno: v techenie kakogo-to vremeni deistvuet odin period, potom on vnezapno izmenyaetsya na nebol'shuyu velichinu i ostaetsya postoyannym v techenie nekotorogo vremeni, zatem opyat' preterpevaet skachkoobraznoe izmenenie, i tak dalee. Diagramma O-C v etom
Ris.10. O-C diagramma dlya cefeidy V1496 Aql. Period menyaetsya skachkoobrazno.
sluchae sostoit iz otrezkov pryamoi linii. Primer takogo povedeniya perioda priveden na ris.10.
2). U nekotoryh cefeid nablyudayutsya progressivnye izmeneniya perioda, to est', period izmenyaetsya lineino so vremenem:
P = P0 + q*E. (5)
V etom sluchae nablyudennye maksimumy OE budut sluchat'sya soglasno formule:
OE = M + P0*E + q*E2.
No my ne znaem etogo i vychislyaem CE po lineinoi formule (4). Diagramma O-C pri etom budet imet' formu paraboly, vetvi kotoroi napravleny vverh ili vniz v zavisimosti ot togo, polozhitel'no ili otricatel'no znachenie q v formule (5). Primery parabolicheskih O-C diagramm dany na ris.11 i 12.
Ris.11. O-C diagramma dlya cefeidy VY Car. Period progressivno umen'shaetsya.
Ris.12. O-C diagramma dlya cefeidy SZ Cas. Period progressivno uvelichivaetsya.
3). U nekotoryh cefeid period izmenyaetsya nepreryvno i periodicheski; v etom sluchae i ostatki O-C tozhe pokazyvayut periodicheskie kolebaniya (ris.13).
Ris.13. O-C diagramma dlya cefeidy AW Per. Period izmenyaetsya periodicheski.
V deistvitel'nosti, ukazannye vyshe prostye formy O-C diagramm vstrechayutsya redko. Obychno nablyudaetsya kombinaciya etih prostyh sluchaev, kak naprimer, na ris.14.
Ris.14. O-C diagramma dlya cefeidy S Vul.
Evolyucionnye izmeneniya periodov cefeid
Uzhe v nachale 20 veka u nekotoryh cefeid byli obnaruzheny malye izmeneniya periodov, v tom chisle i progressivnye. Odnako priroda etih progressivnyh izmenenii ostavalas' neizvestnoi vplot' do 60-h godov, kogda poyavlenie EVM privelo k burnomu razvitiyu teorii zvezdnoi evolyucii, kotoraya s neizbezhnost'yu predskazala sushestvovanie nepreryvnyh medlennyh izmenenii periodov cefeid.