В основе теории внутреннего строения обычных З. лежит представление о З. как о газовом шаре, находящемся в механическом и тепловом равновесии, в течение длительного времени не расширяющемся и не сжимающемся. Механическое равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру З., и газовым давлением в недрах З., действующим наружу и уравновешивающим силы гравитации. Давление растет с глубиной, а вместе с ним увеличиваются и плотность и температура. Тепловое равновесие заключается в том, что температура З. - во всех её элементарных объёмах - практически не меняется со временем, т. е. что количество энергии, уходящей из каждого такого объёма, компенсируется приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными или др. источниками.

  Температуры обычных З. меняются от нескольких тыс. градусов на поверхности до десяти млн. градусов и более в центре. При таких температурах вещество состоит из почти полностью ионизованных атомов, благодаря чему оказывается возможным в расчётах звёздных моделей применять уравнения состояния идеального газа. При исследованиях внутреннего строения З. существенное значение имеют предпосылки об источниках энергии, химическом составе З. и о механизме переноса энергии.

  Основным механизмом переноса энергии в З. является лучистая теплопроводность. При этом диффузия тепла из более горячих внутренних областей З. наружу происходит посредством квантов ультрафиолетового излучения, испускаемого горячим газом. Эти кванты поглощаются в др. частях З. и снова излучаются; по мере перехода во внешние, более холодные слои частота излучения уменьшается. Скорость диффузии определяется средней величиной пробега кванта, которая зависит от прозрачности звёздного вещества, характеризуемой коэффициент поглощения. Основными механизмами поглощения в З. являются фотоэлектрическое поглощение и рассеяние свободными электронами.

  Лучистая теплопроводность является основным видом переноса энергии для большинства З. Однако в некоторых частях З., а в З. с малой массой - почти во всём объёме, существенную роль играет конвективный перенос энергии, т. е. перенос тепла массами газа, поднимающимися и спускающимися под влиянием различия температуры. Конвективный перенос, если он действует, гораздо эффективнее лучистого, но конвекция возникает только там, где водород или гелий ионизованы частично: в этом случае энергия их рекомбинации поддерживает движение газовых масс. У Солнца зона конвекции занимает слой от поверхности до глубины, равной около 0,1 его радиуса: ниже этого слоя водород и гелий ионизованы уже полностью. У холодных З. полная ионизация наступает на большей глубине, так что конвективная зона у них толще и охватывает большую часть объёма. Наоборот, у горячих З. водород и гелий полностью ионизованы, начиная почти от самой поверхности, поэтому у них нет внешней конвективной зоны. Однако они имеют конвективное ядро, где движения поддерживаются теплом, выделяющимся при ядерных реакциях.

  Звёзды-гиганты и сверхгиганты устроены иначе, чем З. главной последовательности. Маленькое плотное ядро их (1% радиуса) содержит 20-30% массы, а остальная часть представляет собой протяжённую разреженную оболочку, простирающуюся на расстояния, составляющие десятки и сотни солнечных радиусов. температуры ядер достигают 100 млн. градусов и более. Белые карлики по существу представляют собой те же ядра гигантов, но лишённые оболочки и остывшие до 8-10 тыс. градусов. Плотный газ ядер и белых карликов обладает особыми свойствами, отличными от свойств идеального газа. В нём энергия передаётся не излучением, а электронной теплопроводностью, как в металлах. Давление такого газа зависит не от температуры, а только от плотности, поэтому равновесие сохраняется даже при остывании З., не имеющей источников энергии.

  Химический состав вещества недр З. на ранних стадиях их развития сходен с химическим составом звёздных атмосфер (см. Атмосферы звёзд ), который определяется из спектроскопических наблюдений (диффузионное разделение может произойти лишь за время, значительно превосходящее время жизни З.). С течением времени ядерные реакции изменяют химический состав звёздных недр и внутреннее строение З. меняется.

  Источники звёздной энергии и эволюция звёзд.Основным источником энергии З. являются термоядерные реакции, при которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые; чаще всего это - превращение водорода в гелий. В З. с массой, меньшей двух солнечных, оно происходит главным образом путём соединения двух протонов в ядро дейтерия (лишний заряд уносится рождающимся позитроном), затем превращением дейтерия в изотоп He ³путём захвата протона и, наконец, превращением двух ядер He ³в He ⁴и два протона. В более массивных З. преобладает углеродно-азотная циклическая реакция: углерод захватывает последовательно 4 протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в азот, затем распадается на гелий и углерод. Окончательным результатом обеих реакций является синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода с выделением энергии: ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль катализатора. Для сближения ядер на такое расстояние, когда может произойти захват, нужно преодолеть электростатическое отталкивание, поэтому реакции могут идти только при температурах, превышающих 10 ⁷градусов. Такие температуры встречаются в самых центральных частях З. В З. малых масс, где температура в центре недостаточна для термоядерных реакций, источником энергии служит гравитационное сжатие З.

  Зная процессы передачи и выделения тепла, можно решить систему уравнений механического и теплового равновесия и рассчитать внутреннее строение З., имеющей данную массу. При этом вычисляются также радиус и светимость З., которые являются функцией массы. Полученные таким путём теоретические зависимости могут быть сопоставлены с диаграммами «масса - светимость» и «масса - радиус», составленными по наблюдениям З. Для З. главной последовательности результаты наблюдений согласуются с теорией. З. др. последовательностей теоретическим зависимостям не удовлетворяют. Причина появления др. последовательностей заключается в изменении химического состава недр З. в процессе эволюции. Превращение водорода в гелий увеличивает молекулярный вес газа, вследствие чего ядро сжимается, температура его растет, а соседний с ядром газ нормального состава расширяется. З. становится гигантом, причём на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла она перемещается по одной из линий, называемых эволюционными треками. Иногда треки имеют сложный вид; перемещаясь по ним, З. несколько раз переходит от одного края диаграммы к другому и обратно. После расширения, а затем рассеяния оболочки З. становится белым карликом.

  У массивных З. ядро в конце эволюции неустойчиво, радиус его уменьшается приблизительно до 10 км,и З. превращается в нейтронную (состоит из нейтронов, а не из ядер и электронов, как обычные З.). Нейтронные З. имеют сильное магнитное поле и быстро вращаются. Это приводит к наблюдаемым всплескам радиоизлучения, а иногда к всплескам также и оптических и рентгеновского излучений. Такие объекты называются пульсарами.При ещё больших массах происходит коллапс - неограниченное падение вещества к центру со скоростью, близкой к скорости света. Часть гравитационной энергии сжатия производит выброс оболочки со скоростью до 7000 км/сек.При этом З. превращается в сверхновую З., её излучение увеличивается до нескольких млрд. светимостей Солнца, а затем постепенно, в течение ряда месяцев угасает. О происхождении и эволюции З. см. также в ст. Космогония .

  Двойные звёзды.Большая часть З. входит в состав двойных или кратных звёздных систем (см. Двойные звёзды ). Если компоненты двойных З. расположены достаточно далеко друг от друга, они видны отдельно. Это т. н. визуально-двойные З. Иногда один, более слабый, компонент не виден, и двойственность обнаруживается по непрямолинейному движению более яркой З. Чаще же всего двойные З. распознаются по периодическому расщеплению линий в спектре (спектрально-двойные З.) или по характерным изменениям блеска (затменно-двойные З.). Большая часть двойных З. образует тесные пары. На эволюцию компонентов таких З. существенное влияние оказывают взаимные приливные возмущения. Если один из компонентов З. вздувается в процессе эволюции, то при некоторых условиях из точки её поверхности, обращенной к др. компоненту, начинается истечение газа. Газ образует потоки вокруг второго компонента и частично попадает на него. В результате первый компонент может потерять большую часть массы и превратиться в субгиганта или даже в белого карлика. Второй же компонент приобретает часть потерянной массы и соответственно увеличивает светимость. Поскольку эта масса может включать газ не только из атмосферы, но и из глубоких слоев, близких к ядру первого компонента, в двойной З. могут наблюдаться аномалии химического состава. Однако эти аномалии касаются только лёгких элементов, т.к. тяжёлые элементы в гигантах не образуются. Они появляются при взрывах сверхновых З., когда выделяется много нейтронов, которые захватываются ядрами атомов и увеличивают их вес.

  Пекулярные и магнитные звёзды.Аномалии химического состава, причём различные в разных местах поверхности З., особенно часто наблюдаются у т. н. магнитных звёзд. Эти З., спектральный класс которых близок к АО, имеют на поверхности магнитные поля с очень высокой напряжённостью (до 10 000 гаусс и больше). Напряжённость поля периодически меняется со средним периодом от 4 до 9 сут,причём часто изменяется и знак напряжённости. С этим же периодом обычно меняется и характер спектра, как если бы менялся химический состав З. Такие изменения могут быть объяснены вращением З., имеющей два или несколько магнитных полюсов, не совпадающих с полюсом вращения. Изменения химического состава при этом объясняются тем, что на магнитном полюсе сосредоточено больше одних элементов, а на магнитном экваторе - других. У разных пекулярных (особых) З., характеризующихся наиболее существенными особенностями химического состава, аномалии могут быть разными: чаще всего наблюдается большой избыток отдельных элементов типа Si, Mg, Cr, Eu, Mn и некоторых др. и недостаток Не. Появление этих аномалий обусловлено, по-видимому, тем, что сильное магнитное поле подавляет конвекцию. При отсутствии перемешивания происходит медленная диффузия элементов под действием силы тяжести и давления радиации. Одни элементы опускаются вниз, другие поднимаются вверх, в результате чего на поверхности наблюдается недостаток первых и избыток вторых. Магнитные З. вращаются медленнее, чем нормальные З. того же класса. Это является результатом того, что магнитное поле тормозило вращение сжимающегося сгустка вещества, из которого впоследствии сформировалась З.

  Кроме обычных пекулярных З. имеются т. н. З. с металлическими линиями поздних спектральных подклассов А. У них также есть магнитное поле, но более слабое, и аномалии химического состава не так велики. Природа таких З. пока не изучена.

  Некоторые типы аномалий, например обилие Li, связаны с дроблением более тяжёлых ядер космическими лучами, образующимися на самой З. в результате электромагнитных явлений, сходных с хромосферными вспышками. Такие аномалии наблюдаются, например, у ещё сжимающихся З. типа Т Тельца, с сильной конвекцией.

  Аномалии др. вида, наблюдаемые, например, у гигантов спектрального класса S, обусловлены тем, что глубокая поверхностная конвективная зона смыкается с центральной конвективной зоной, что вызывается усилением ядерных реакций на определённом этапе эволюции З. В результате вещество всей З. перемешивается, и наружу выносятся элементы, синтезированные в её центральных областях.

  Переменные звёзды.Блеск многих З. непостоянен и изменяется в соответствии с тем или иным законом; такие З. называются переменными звёздами.З., у которых изменения блеска связаны с физическими процессами, происходящими в них самих, представляют собой физические переменные З. (в отличие от оптических переменных З., к числу которых относятся затменно-двойные З.). Периодическая и полупериодическая переменность связана обычно с пульсациями З., а иногда с крупномасштабной конвекцией. Вообще говоря, З. как системам, находящимся в устойчивом равновесии, свойственны пульсации с собственными периодами. Колебания могут возникнуть в процессе перестройки структуры З., связанной с эволюционными изменениями. Однако, чтобы они не затухали, должен существовать механизм, поддерживающий или усиливающий их: в период максимального сжатия З. необходимо получить тепловую энергию, которая уйдёт наружу в период расширения. Согласно современным теориям, пульсации у многих типов переменных З. (цефеиды, переменные типа RR Лиры и др.) объясняются тем, что при сжатии З. увеличивается коэффициент поглощения; это задерживает общий поток излучения, и газ получает дополнительную энергию. При расширении поглощение уменьшается, и энергия выходит наружу. Неоднородное строение З., наличие в них нескольких слоев с различными свойствами нарушает регулярную картину, делает изменения параметров З. отличными от правильной синусоиды. Основная стоячая волна колебания часто находится в глубине З., а на поверхность выходят порождаемые ею бегущие волны, которые влияют на фазы изменений блеска, скорости и др. параметров.

  Некоторые виды переменных З. испытывают вспышки, при которых блеск возрастает на 10-15 звёздных величин (т. н. новые З.), на 7-8 величин (повторные новые З.) или на 3-4 величины (новоподобные). Такие вспышки связаны с внезапным расширением фотосферы с большими скоростями (до 1000-2000 км/секу новых З.), что приводит к выбросу оболочки с массой около 10 ^-5-10 ^-4масс Солнца. После вспышки блеск начинает уменьшаться с характерным временем 50-100 сут.В это время продолжается истечение газов с поверхности со скоростью в несколько тыс. км/сек.Все эти З. оказываются тесными двойными, и их вспышки, несомненно, связаны с взаимодействием компонентов системы, один из которых или оба обычно являются горячими звёздами-карликами. На структуру оболочек, выброшенных новыми З., по-видимому, существенное влияние оказывает сильное магнитное поле З. Быстрая неправильная переменность З. типа Т Тельца, UV Кита и некоторых др. типов молодых сжимающихся З. связана с мощными конвективными движениями в этих З., выносящими на поверхность горячий газ. К переменным З. можно отнести и уже упоминавшиеся сверхновые З. В Галактике известно свыше 30 000 переменных З.

  Работы по изучению З. в СССР ведутся на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР, Главной астрономической обсерватории АН СССР, в Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга, в Астрономическом совете АН СССР и др. астрономических учреждениях. Статьи по этим вопросам печатаются в «Астрономическом журнале», в журнале «Астрофизика» и в изданиях обсерваторий. За рубежом исследования З. ведутся в США, Великобритании, Австралии и многих др. странах. В зарубежной литературе основным является «Astrophysical Journal» (США) и ряд др. изданий США, Великобритании и др. стран.

  Лит.:Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Мустель Э. Р., Звездные атмосферы, М., 1960; Шварцшильд М., Строение и эволюция звезд, пер. с англ., М., 1961; Горбацкий В. Г., Минин И. Н., Нестационарные звезды, М., 1963; Звездные атмосферы, под ред. Лж. Л. Гринстейна, пер. с англ., М., 1963; Каплан С. А., Физика звезд, 2 изд., М., 1970; Пульсирующие звезды, М., 1970; Мартынов Д. Я., Курс общей астрофизики, 2 изд., М., 1971.

  С. Б. Пикельнер.

 

Рис. 2. Диаграмма Герцшпрунга - Ресселла.

Рис. 1. Сравнительные размеры звёзд-гигантов и звёзд-карликов.