Почему цефеиды пульсируют?

В прошлом видео мы узнали, что звезды класса цефеид являются переменными по яркости супергигантами, со светимостью до тридцати тысяч раз превосходящей солнечную при массе до 20 масс Солнца. Важно то, что их большой размер и огромная светимость позволяет наблюдать их на очень больших расстояниях, а особенность их пульсации состоит в том, что период пульсации связан линейной зависимостью с реальной светимостью и поэтому, наблюдая пульсирующую цефеиду даже в другой отдаленной галактике можно знать её реальную светимость, если известен период ее пульсации, то можно рассчитать её реальную светимость, а на основе наблюдения известна кажущаяся светимость данной звезды, что позволяет вычислить расстояние по ослаблению кажущейся светимости, поскольку чем дальше источник света, тем тусклее он воспринимается. В этом видео я хотел бы попробовать объяснить причину пульсации этих звезд и для этого надо подумать о разнице в свойствах ионизированного и дважды ионизированного гелия. Вот атом нейтрального гелия, рисую его. У нейтрального гелия два протона, два нейтрона и два электрона. Естественно, это схема не в масштабе. Если из нейтрального гелия выбить один из электронов, что в звездных процессах происходит постоянно, с выделением тепла, то получится ионизированный гелий: то же ядро из двух протонов и двух нейтронов, один электрон выбит, окажется один и получается общий положительный заряд. Помечу другим цветом этот теперь заряженный гелий. Положительный заряд — плюс один, но также образуется дважды ионизированный гелий, если среда достаточно разогрета. Дважды ионизированный гелий — это гелий, у которого выбиты оба электрона, так что фактически остается только ядро гелия. Изображу здесь дважды ионизированный гелий. Для того, чтобы выбить оба электрона, нужна более горячая среда, выбить второй электрон сложнее — он прочнее держится. Чтобы сделать гелий с двойным положительным зарядом, нужно большее давление и температура — естественно, всё относительно, когда мы говорим о внутренних процессах звезд, так что если мы говорим о «более горячей» и «более холодной» частях звезды, то по нашим повседневным меркам даже самая «холодная» часть разогрета до колоссальной температуры. Ещё один важный момент — дважды ионизированный гелий менее прозрачен. Это значит, что он пропускает меньше света и, соответственно, поглощает больше. Будучи менее прозрачным, он поглощает свет и энергия поглощённого света его разогревает. Таким образом, по сравнению с дважды ионизированным, ионизированный гелий более прозрачен и пропускает больше света, при этом меньше разогревается, поскольку фотоны проходят через него легче и не вызывают столь сильного разогрева. Теперь посмотрим, как эти свойства могут приводить к образованию периодичности в свечении, когда эти ионизированные варианты гелия присутствуют в большом количестве в наружных слоях переменной цефеиды. Я рисую переменную схематично, естественно. Это тусклое состояние цикла когда преобладает дважды ионизированный гелий в наружных слоях звезды — фактически вся внешняя оболочка состоит из дважды ионизированного гелия, что не пропускает много света, и это тусклая часть цикла — переменная светит тускло, потому что дважды ионизированный гелий поглощает свет и разогревается. Разогрев приводит к расширению звезды, в оболочке накапливается энергия и размер звезды действительно увеличивается. Итак, дважды ионизированный гелий разогревается, звезда увеличивается, но чем дальше от центра, тем становится холоднее, и удалившиеся наружные слои начинают охлаждаться. С охлаждением дважды ионизированные атомы гелия начинают захватывать электроны из плазмы, переходя в ионизированный гелий. Таким образом, снова повышается содержание ионизированного гелия, прозрачность возрастает, света проходит больше, наступает яркая часть цикла. Свет проходит наружу сквозь внешние слои оболочки звезды, потому что он больше не поглощается дважды ионизированным гелием. Чем больше света проходит через оболочку звезды, тем меньше энергии останется в ней, как тепловой, так и кинетической, поддерживающей расширение, поэтому звезда начинает сжиматься, наружные слои опускаются обратно ближе к ядру, а когда масса гелия приближается к ядру, начинается обратный процесс — атомы гелия разогреваются от ядра, чем ближе к ядру, тем выше доля дважды ионизированного гелия, который снова начинает поглощать энергию и расширяться. После расширения он остывает и снова делается прозрачным, яркость снова возрастает. Такова наиболее правдоподобная нынешняя теория, объясняющая поведение переменных цефеид на основе эффектов соотношения ионизированного и дважды ионизированного гелия во внешних слоях оболочки звезды. Subtitles by the Amara.org community