Гигантские пузыри на поверхности красного гиганта

На Очень Большом Телескопе ESO астрономы впервые выполнили прямые наблюдения структуры грануляции на поверхности звезды вне Солнечной системы — π1 Журавля, красного гиганта, заканчивающего свой жизненный цикл. На замечательном новом изображении, полученном с приемником PIONIER, различимы конвекционные ячейки, покрывающие поверхность этой гигантской – в 350 раз больше Солнца – звезды. Поперечник каждой ячейки около 120 миллионов километров, что больше четверти диаметра звезды. Новые результаты на этой неделе публикуются в журнале Nature.

В 530 световых годах от Земли в созвездии Журавля находится звезда π1 Gruis – холодный красный гигант. Масса ее примерно такая же, как у Солнца, но она в 350 раз больше по размерам и в несколько тысяч раз ярче [1]. Примерно через пять миллиардов лет наше Солнце тоже увеличится в размерах и превратится в такого же красного гиганта.

Международная группа астрономов под руководством Клаудии Паладини (Claudia Paladini) из ESO воспользовалась приемником PIONIER на Очень Большом Телескопе ESO, чтобы выполнить более детальные, чем когда-либо прежде, наблюдения π1 Журавля. Оказалось, что на поверхности этого красного гиганта находится всего несколько конвективных ячеек, или гранул, каждая из которых имеет поперечник около 120 миллионов километров — примерно четверть диаметра звезды [2]. Одна такая гранула заняла бы все пространство от Солнца до Венеры. Поверхности —в астрономии они называются фотосферами — многих гигантов закрыты пылью, что препятствует их наблюдениям. Но в случае π1 Gru, хоть в ее окрестности тоже присутствует пыль, она не создала значительных помех проведенным инфракрасным наблюдениям [3].

Первая стадия программы термоядерного синтеза старой звезды π1 Журавля закончилась давным-давно, когда в ее недрах выгорел весь водород. По мере того, как ослабевала выделяемая энергия, звезда сжималась, а это в свою очередь привело к ее разогреву до температуры выше 100 миллионов градусов. Тогда началась следующая фаза ее эволюции: теперь из гелия синтезировались более тяжелые атомы, такие как углерод и кислород. Очень горячее ядро звезды стало раздувать ее внешние слои, пока звезда не стала в сотни раз больше, чем была вначале. Теперь она превратилась в переменного красного гиганта. Рассмотреть детали поверхности такой звезды до сих пор никому еще не удавалось.

Для сравнения надо напомнить, что фотосфера Солнца состоит из примерно двух миллионов конвективных ячеек диаметром всего около 1500 километров. Гигантское различие в размерах конвективных ячеек двух звезд можно частично объяснить различными значениями их поверхностной гравитации. Масса π1 Gruis всего в полтора раза больше солнечной, а по размеру звезда многократно превышает Солнце. В результате на ее поверхности сила тяготения гораздо ниже, почему и образовалось всего нескольких огромных гранул.

Звезды с массой больше восьми солнечных заканчивают свой жизненный цикл взрывом сверхновой, а менее массивные, такие, как π1 Журавля, постепенно сбрасывают свои внешние оболочки, коорые образуют красивые планетарные туманности. И действительно, при более ранних исследованиях π1 Gru на расстоянии в 0.9 световых лет от нее была найдена оболочка, по-видимому, сброшенная около 20 000 лет назад.

Звезда остается красным гигантом сравнительно недолго – всего несколько десятков тысяч лет, что исчезающе мало по сравнению с общей продолжительностью ее существования в несколько миллиардов лет. Выполненные наблюдения дают нам новый метод исследования этой краткой фазы звездной эволюции.

Примечания

[1] Название π1 Gruis дано по правилам системы Байера: в 1603 г. немецкий астроном Иоганн Байер классифицировал 1564 звезды, обозначив каждую буквой греческого алфавита с латинским названием созвездия (обычно сокращаемым до трех первых букв). В каждом созвездии греческое буквенное обозначение присваивалось так, чтобы алфавитный порядок соответствовал убыванию яркости – самая яркая звезда созвездия обозначалась буквой альфа (α). Таким образом, самая яркая звезда в созвездии Журавля называется альфа Журавля (α Gru).

π1 Журавля входит в красивую пару разноцветных звезд, вторая из которых, естественно, называется π2 Gru. Эти звезды хорошо видны в бинокль. В 1830-х Томас Брисбейн (Thomas Brisbane) установил, что π1 Журавля сама по себе является гораздо более тесной двойной звездой. Энни Джамп Кэннон (Annie Jump Cannon), знаменитая создательница Гарвардской спектральной классификации звезд, в 1895 г. первой сообщила о необычном спектре π1 Gru.

[2] Гранулы образуются конвективными потоками в плазме, из которой состоит звезда. Плазма разогревается в центре звезды, расширяется и поднимается к поверхности, где остывает, становясь более темной и плотной, а затем вновь опускается в звездные недра. Этот процесс продолжается миллиарды лет и играет главную роль во многих астрофизических явлениях, в том числе в переносе энергии, пульсациях, звездном ветре и образовании пылевых облаков у коричневых карликов.

[3] π1 Журавля – одна из самых ярких звезд редкого класса S, в котором американский астроном Пол Мэррилл (Paul W. Merrill) объединил звезды с похожим необычным спектром. Прототипами звезд этого класса стали π1 Gru, R Андромеды и R Лебедя. Сейчас известно, что их необычные спектры связаны с так называемым “s-процессом” или “захватом медленных нейтронов”, ответственным за синтез половины элементов тяжелее железа.