Полярная звезда: 10 фактов о самой известной звезде ночного неба

Кто из нас не слышал о Полярной звезде? Еще Шекспир в «Юлии Цезаре» устами главного героя говорил:

Но неизменен я, как неизменна
Полярная звезда: она недвижна —
И в целом небе нет подобной ей.
На небе много звезд; их всех не счесть,
И все они блестят и все мерцают,
Но лишь одна не изменяет места.

В отличие от других звезд, которые в разное время суток видны то на востоке, то на юге, то на западе, восходят над горизонтом и заходят за горизонт, подобно Солнцу и Луне, Полярная звезда почти не меняет своего положения на небе, и зимой, и летом, указывая направление на север, к полюсу Земли.

Именно из-за своего положения на небе Полярная звезда и приобрела такую популярность. Между тем, простому человеку, не специалисту-астроному, о самой звезде известно немного, часто — вообще ничего. Попробуем восполнить пробелы в знаниях, указав на некоторые интересные факты, а заодно развенчав кое-какие мифы о Полярной звезде.

Факт № 1. Полярная звезда не самая яркая звезда на небе

Утверждение, что Полярная звезда является очень яркой звездой, представляет собой одно из самых распространенных астрономических заблуждений. Многие люди, не слишком знакомые со звездным небом, полагают, что Полярная звезда очень яркая, если не ярчайшая звезда на нем.

Это не так! В списке самых ярких звезд неба Полярная находится только на 46 месте, намного уступая в блеске таким звездам, как Сириус, Вега или Арктур. Блеск Полярной звезды примерно равен 2-й звездной величине, что сравнимо со звездами ковша Большой Медведицы. Таким образом, в большом городе, где ночное небо не черное, а, скорее, рыжее от уличных фонарей, Полярную звезду часто бывает трудно найти!

Откуда же появилось заблуждение, что Полярная звезда — самая яркая? Вероятно, причина кроется в ее общеизвестности и в той важной роли, которую Полярная играет в жизни нашего общества. Но повторимся, известность эту Полярная приобрела вовсе не из-за блеска, а из-за своего особенного положения на небе.

Факт № 2. Полярная звезда находится вблизи северного полюса мира

Наверняка многие замечали, что картина звездного неба меняется в зависимости от времени суток. Созвездия, которые вечером были видны, скажем, на юге, ночью смещаются к западу, а утром и вовсе заходят за горизонт. А другие созвездия, которые вечером восходили на востоке, ночью находятся уже высоко в южной части неба. Звезды, как нам кажется, прикреплены к небесной сфере и вращаются вместе с ней с востока на запад с периодом в сутки. Конечно, на самом деле никакой небесной сферы нет— это обман наших чувств, — а вращение звезд с востока на запад всего лишь отражает вращение Земли с запада на восток!

Суточное движение звезд хорошо заметно на фотографиях с большой выдержкой, сделанных с помощью неподвижно закрепленных фотокамер. Экспозиция этого снимка составила 5 часов. Дуги, которые образовали звезды, равны почти четверти длины окружности. У Полярной звезды — самая маленькая дуга из всех звезд, видимых невооруженным глазом. Фото: Anthony Ayiomamitis

Земля вращается как волчок — вокруг одной оси; точки, где ось вращения Земли пересекается с поверхностью планеты называются Северным и Южным полюсами Земли. Продлив ось вращения Земли в небо, мы получим северный и южный полюса небесной сферы или, как их называют астрономы, полюса мира. Теперь представим, что мы находимся на Северном полюсе. Вокруг льды, тишина и ясное небо… За сутки все звезды описывают в небе окружности, но чем ближе находятся звезды к зениту, тем меньше радиусы описываемых ими окружностей. Оно и понятно, ведь в зените находится северный полюс мира, вокруг которого-то и вращаются все звезды! Поэтому рядом с зенитом звезды почти неподвижны, описывая вокруг него совсем крошечные круги.

Уникальность Полярной звезды в том, что она находится ближе других звезд, видимых невооруженным глазом, к северному полюсу мира, на расстоянии около 1°. Из-за этого она все время находится фактически на одном и том же месте, вне зависимости от времени суток и года. Неподвижность Полярной звезды вот уже полторы тысячи лет делает ее верным ориентиром для мореплавателей, скотоводов и путешественников.

На самом деле Северный полюс мира находится почти в 1° от Полярной звезды. Но суточная окружность, которую описывает вокруг него Полярная, практически незаметна для наших глаз. Рисунок: Rogelio Bernal Andreo/Большая Вселенная

Ясно, что особое положение Полярная звезда имеет только на небе Земли. На небе других планет роль полярной играют другие звезды, так как оси вращения этих планет по-другому наклонены по отношению к плоскостям их орбит. Интересно, что и на нашем небе Полярная звезда не всегда была таковой. Много тысяч лет назад ось вращения Земли была направлена в другую сторону и роль полярной звезды выполняла Вега. Дело в том, что ось вращения Земли находится в постоянном движении, описывая в небе круг за время в 25800 лет. Это явление названо прецессией, что переводится с латинского как предварение равноденствий. Причина прецессии — в небольшой сплюснутости земного шара. Из-за этого Луна и другие тела Солнечной системы силой своего тяготения медленно поворачивают земную ось.

Круг прецессии. Земная ось совершает один оборот за 26 тысяч лет. 2000 лет назад ближе всего к северному полюсу мира была звезда Кохаб (или бета Малой Медведицы), еще через 2000 лет полюс мира подойдет к звезде Эрраи (гамма Цефея). А еще через 12000 лет — к яркой звезде Вега. Рисунок: Большая Вселенная

Куда же движется ось мира сегодня? Пока все еще в сторону Полярной звезды. Не будем забывать, что Полярная звезда находится не точно на небесном полюсе, а на расстоянии около 1° от него. К 2100 году это расстояние сократится вдвое, после чего полюс мира начнет медленно удаляться от звезды, продолжая свое движение в направлении созвездия Цефея.

Факт № 3. Полярная — путеводная звезда

Как же ориентироваться по Полярной звезде? Прежде всего нужно научиться находить ее на небе. Проще всего это сделать, отталкиваясь от ковша Большой Медведицы — самого известного звездного рисунка. Возьмем две крайние звезды в ковше (они называются Дубге и Мерак) и мысленно проведем через них прямую. Полярная звезда находится на пятикратном расстоянии Мерак-Дубге. Цвет звезды желтовато-белый и по блеску она примерно равна этим звездам.

Полярную звезду лучше всего искать, отталкиваясь от края ковша Большой Медведицы. Мысленно продлите линию, соединяющую звезды Мерак и Дубге, вверх. Полярная звезда находится на пятикратном расстоянии от них и равна этим звездам по блеску. Рисунок: Большая Вселенная

Отождествив Полярную звезду, проведем от нее линию, перпендикулярную к горизонту. Место пересечения линии с горизонтом укажет на север, причем сделает это точнее, чем компас! Найти остальные стороны света уже просто: юг находится в противоположной стороне, восток справа, а запад — слева от Полярной звезды.

Другая интересная и важная характеристика Полярной звезды — ее высота над горизонтом. Мы уже говорили о том, что благодаря близости к полюсу мира Полярная практически неподвижна для данного места. Однако высота звезды над горизонтом может меняться в зависимости от вашего географического местоположения! Так, находясь на Северном полюсе, мы увидели бы Полярную в зените, а на экваторе (то есть, на «боку» Земли) Полярная звезда была бы практически точно на горизонте. Следовательно, высота Полярной звезды над горизонтом определяет широту нашего местонахождения. Измеряя каждую ночь угол между Полярной звездой и горизонтом в направлении севера, мореплаватели прошлого могли узнать, как далеко они продвинулись к северу или югу.

Факт № 4. Полярная — самая яркая звезда в созвездии Малой Медведицы

Полярная звезда входит в состав небольшого созвездия Малой Медведицы. Это созвездие не очень выразительно; самая главная его часть, астеризм Малый Ковш, состоит из 7 звезд. В отличие от Большого Ковша в состав Малого входит только три более или менее яркие звезды. Поэтому различить его на небе гораздо труднее.

Осенними вечерами ковш Большой Медведицы находится низко над горизонтом в северной части неба. Следуя от него наверх, можно легко найти ковш Малой Медведицы. Ручка Малого Ковша выгнута в другую сторону, нежели ручка Большого. Полярная звезда — крайняя в ручке ковша Малой Медведицы. Рисунок: Stellarium

Три самых ярких звезды Малой Медведицы имеют свои имена — Полярная звезда, а также звезды Кохаб и Феркад. Полярная звезда — крайняя звезда в ручке Малого Ковша. Кохаб и Феркад — крайние звезды в самом Ковше. Эти две звезды часто называют Стражами Полюса.

Как известно, астрономы издавна обозначают самые яркие звезды в созвездиях буквами греческого алфавита. Буквой «альфа» обозначается, как правило, самая яркая звезда созвездия, вторая по яркости — буквой «бета» и так далее, вплоть до буквы «омега» (это правило имеет нередкие исключения). Поэтому Полярная звезда это еще и альфа (α) Малой Медведицы. Немного уступающая ей в блеске звезда Кохаб — β, а звезда Феркад — γ Малой Медведицы.

Факт № 5. Полярная звезда имеет множество имен

Пожалуй, никакая другая звезда не имеет столько имен, сколько имеет Полярная. Почти все множество имен указывает на два главных ее признака: нахождение на полюсе и, как следствие, на ее неподвижность.

Многие народы считали Полярную звезду своеобразным колом, вбитым в небо, вокруг которого кружатся все остальные звезды. Отсюда происходят такие ее названия, как Небесный Кол, Прикол-звезда, Железный кол, Северный гвоздь, — названия, которые мы находим в тюркских и финно-угорских языках.

В Россию имя Полярная пришло из немецкого языка во время правления Петра I. До этого у Полярной звезды было другое имя, имеющее, впрочем, тот же смысл, — Северная. Более поэтично называли Полярную хакасы — Привязанный конь. (И здесь название отсылает нас к неподвижности этой звезды.) А для эвенков Полярная звезда виделась как Дыра в небе.

Названия Полярной, не имеющие отношения к ее местоположению, встречаются редко. Самым известным из таких имен является, пожалуй, имя Киносура, которое происходит от греческого слова Κυνόσουρα — «хвост собаки». Так называли Полярную звезду древние греки и римляне; но в ту эпоху Полярная еще не выполняла функцию собственно полярной звезды (2000 лет назад ближе к северному полюсу мира была звезда Кохаб или β Малой Медведицы).

Интересно, что на древних картах Полярная звезда действительно отмечает собой хвост, но не собачий, а длинный, не существующий в природе, хвост Медведицы.

Созвездия Большой и Малой Медведиц имеют длинные, не существующие у настоящих медведей, хвосты. Полярная звезда находится на кончике хвоста Малой Медведицы. Фото: J. C. Casado/TWAN

Существует интересная гипотеза происхождения имени Киносура. Именно так, согласно Аллену и другим исследователям звездных имен, называлось в древности все созвездие Малой Медведицы. В одной из версий мифа о рождении Зевса, бога-младенца кормили какое-то время в пещере две медведицы — Гелика (или Гелис) и Киносура, которые позже были вознесены на небо благодарным Зевсом. Гелика стала Большой Медведицей, а Киносура — Малой. Позже это название стало относиться только к Полярной звезде. В связи с этой легендой возникает только один вопрос: откуда у медведицы могло взяться такое странное имя?!

Факт № 6. Полярная — звезда сверхгигант

Теперь давайте посмотрим на физические характеристики Полярной. Уже при наблюдении в бинокль заметен ее желтоватый цвет. Полярная звезда лишь немного горячее Солнца: температура ее поверхности составляет примерно 6000 К. Но на этом сходство с Солнцем и заканчивается.

Как и подавляющее большинство звезд, видимых на небе невооруженным глазом, Полярная звезда гораздо ярче Солнца. Спектральные исследования показали, что звезда принадлежит к классу звезд-сверхгигантов. Ее радиус в 46 раз больше радиуса Солнца, а светимость примерно в 2500 раз превышает солнечную! Мы говорим «примерно», так как точная величина светимости Полярной звезды неизвестна в силу того, что астрономы не очень хорошо знают расстояние до нее. Но об этом ниже.

Положение Полярной звезды на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. По оси Χ отмечены спектры (температура) звезд. По оси Υ — светимость в светимостях Солнца. Рисунок: Большая Вселенная

Звезды с такими характеристиками как у Полярной, составляют лишь доли процента среди общего количества звезд во Вселенной, однако именно они лучше видны на небе, поскольку намного ярче большинства других звезд. Почему же звезды-сверхгиганты редки?

Дело в том, что стадия сверхгиганта в жизни звезды весьма кратковременна и наступает лишь после исчерпания ядерного горючего в ее ядре. Звезды вроде Полярной — всегда старые, сильно проэволюционировавшие объекты. Это не значит, что действительный возраст таких звезд велик — так, Полярная звезда не старше 70 миллионов лет, — однако их жизненный цикл, в отличие от Солнца, уже подходит к концу.

Зная физические характеристики Полярной в настоящее время, мы можем предположить, какой звездой она была на протяжении большей части своей жизни. Вероятнее всего Полярная была яркой голубой звездой спектрального класса Β с массой в 5 раз больше массы Солнца и радиусом в 3,5 раза больше солнечного. Температура ее поверхности была выше раза в три и составляла около 18000 К.

Факт № 7. Полярная звезда — самая яркая и одна из самых необычных цефеид на небе

После того, как в ядре звезды практически весь водород преобразован в гелий, светило вступает в фазу нестабильности. Давление излучения в ядре ослабевает, и оно начинает сжиматься, внешние же слои звезды, наоборот, увеличиваются в размерах — звезда становится гигантом или даже сверхгигантом. Кроме того, такое светило начинает пульсировать — испытывать колебания в размерах, температуре и блеске. Полярная звезда также пульсирует, то увеличиваясь, то уменьшаясь в объеме. Вместе с этим немного меняется и ее блеск, правда, совершенно незаметно для глаз. Колебания Полярной очень ритмичны и имеют период 3,97 суток — звезда работает точно, как часы.

Астрономы нашли множество подобных звезд и выделили их в целый класс звезд-цефеид (названных в честь звезды-прототипа δ Цефея). Цефеиды хотя и имеют схожие пульсации, не являются похожими друг на друга, как две капли воды. Они имеют разные массы, размеры, несколько различаются по температуре и, как следствие, имеют разные амплитуды и периоды пульсаций. Однако все цефеиды объединяет интересная зависимость: оказывается, периоды их пульсаций напрямую зависят от их светимости (количества испускаемого ими света): чем больше период, тем больше светимость таких звезд.

Открытие этой зависимости сыграло очень важную роль в астрономии, так как позволило определить расстояние до других галактик. Всего на небе существует около 40 классических цефеид, которые видны невооруженным глазом, и Полярная звезда — самая яркая и близкая из них. В связи с этим на протяжении последнего столетия астрономы очень тщательно исследовали ее переменность. И обнаружили, что звезда весьма «своенравна».

Еще в начале 1970-х годов амплитуда блеска Полярной изменялась в пределах 0,27^m. Такое изменение блеска находится на грани обнаружения невооруженным глазом. После этого амплитуда Полярной, и без того небольшая, начала резко уменьшаться. Предполагалось даже, что к началу XXI века звезда вовсе перестанет быть цефеидой. Некоторые астрономы высказывали соображения, что Полярная звезда — первый зафиксированный случай прекращения пульсаций цефеиды из-за ее выхода за пределы полосы нестабильности вследствие эволюции. Однако в районе 1993 года уменьшение амплитуды пульсаций Полярной резко остановилось, и с тех пор составляет 0,032^m. При этом яркость звезды увеличилась на 15%.

Амплитуда изменения блеска Полярной звезды (слева — в видимых лучах, справа — в красных) систематически уменьшалась в течение ΧΧ века, особенно в период 1970-1990 гг. Но в 1993 году внезапно остановилась в районе 0,03 зв. вел. Рисунок: D. Turner et al., 2009

Интересно, что в отличие от классических цефеид, внешние и внутренние слои атмосферы Полярной звезды колеблются в противофазе — режиме первого обертона. Некоторым астрономам это дало повод считать, что звезда не прекращает свои пульсации, а наоборот, находится в процессе развития к основному периоду в 5,7 дней, становясь обычной цефеидой с большим колебанием блеска.

Факт № 8. В прошлом Полярная была менее яркой

Итак, блеск Полярной звезды увеличился за последние 100 лет на 15%. Это несомненный факт. А что если копнуть еще глубже в прошлое? Насколько яркой была Полярная 2000 лет лет назад? Выпускник университета Виллановы Скотт Энгл (Scott Engle) решил заново проанализировать данные по блеску Полярной, указанные в каталогах Птолемея (137 г.), Ас-Суфи (964 г.), Улугбека, Тихо Браге и других астрономов. Приведя данные к единой шкале, он получил, что в настоящее время Полярная в 2,5 раза ярче, чем во времена Птолемея! На целую звездную величину!

Возможно ли такое? Если выводы Энгла и его команды верны, то блеск Полярной изменился за прошедшие 2000 лет в 100 раз больше, чем предсказывает современная теория звездной эволюции. Неудивительно, что большинство ученых отнеслись к работе астрономов скептически. Однако Энгл и его команда, ко всему прочему, обнаружили в древних источниках и намеки на вариации в блеске Полярной с периодом в 4 дня, что могло бы говорить о том, что в прошлом амплитуда была гораздо бо́льшей, чем сейчас.

Исследование было опубликовано в авторитетном журнале Science, и это, конечно, придает ему некий знак качества. Однако это не значит, что выводы Энгла окончательны.

Факт № 9. Полярная — тройная звезда

Мы все привыкли говорить о Полярной как о звезде, хотя на самом деле это система звезд. Не довольствуясь ни статусом «полярной», ни статусом аномальной цефеиды, Полярная ко всему прочему является тройной звездой, то есть имеет две звезды-спутника, связанные с ней силами взаимного притяжения.

Один из спутников виден уже в небольшие любительские телескопы. Это звездочка почти 9 зв. величины, расположенная на расстоянии 18 угловых секунд от Полярной звезды. Впервые ее наблюдал в 1780 году знаменитый астроном XVIII века Уильям Гершель. Полярная B является обычной звездой спектрального класса F3V: она только в 4 раза ярче Солнца и в 1,4 раза массивнее его.

Если у вас есть телескоп, обязательно посмотрите в него на Полярную звезду! Рядом с желтовато-белой Полярной ее тусклый спутник выглядит зеленоватым. На самом деле цвет у звезд не бывает зеленым — так уж устроено зрение человека. В данном случае мы наблюдаем хоть и красивую, но все же оптическую иллюзию, вызванную близостью спутника к Полярной звезде.

Второй компонент системы (обозначаемый как Полярная Ab) находится гораздо ближе к Полярной звезде, так что до недавнего времени на его присутствие указывали только спектральные наблюдения. Впервые Полярную Ab увидели только в 2006 году при помощи космического телескопа «Хаббл». Угловое расстояние между Полярной A и Полярной Ab оказалось равным всего 0,133″: под таким углом видна рублевая монета с расстояния 30 километров!

Полярная А и Полярная Ab, разделенные на фотографии «Хаббла». Фото: NASA, ESA, N. Evans (Harvard-Smithsonian CfA), H. Bond (STScI)

В действительности расстояние между Полярной А и ее ближайшим спутником составляет по меньшей мере 2 миллиарда километров. Один оборот вокруг общего центра масс они совершают примерно за 30 лет.

Полярная Ab похожа по своим характеристикам на Полярную B. Она относится к спектральному классу F6V, в 1,26 раз массивнее Солнца и в 3 раза ярче нашей звезды.

Полярная звезда представляет собой систему из трех звезд. Полярная А — яркая звезда-сверхгигант внизу рисунка. Звезда Полярная В находится в 18 угловых секундах от нее и видна уже в любительские телескопы, а звезда Полярная Ab находится так близко к Полярной А, что ее смогли увидеть только в 2006 году при помощи космического телескопа «Хаббл». Рисунок: NASA, ESA, G. Bacon (STScI)

Факт № 10. Расстояние до Полярной звезды

Выше мы уже писали о том, что цефеиды играют важнейшую роль в астрономии. Благодаря жесткой зависимости между периодами пульсаций и светимостью, они являются своеобразными маяками Вселенной, позволяя определять расстояния до других галактик.

Работает это следующим образом. Вначале астрономы определяют расстояние до близких и ярких цефеид напрямую, методом тригонометрического параллакса. Также тщательно измеряются светимости звезд (по известному блеску и расстоянию до них) и периоды их пульсаций. Накопив данные по всем цефеидам, для которых известны расстояния, астрономы выводят формулу зависимости периода пульсации таких звезд от их светимости. Эта формула в дальнейшем позволяет узнать расстояние даже для очень далекой цефеиды, параллакс которой измерить невозможно.

Именно так, наблюдая за цефеидами в Туманности Андромеды, американский астроном Эдвин Хаббл в конце 20-х годов прошлого века вначале определил расстояние до нее (и тем самым доказал существование других галактик), а затем построил первую шкалу расстояний во Вселенной. Метод цефеид широко применяется и сегодня. Фактически, все наше знание о масштабах Вселенной, размерах других галактик и расстояниях до них базируется на цефеидах.

Но есть маленькая проблема. Цефеиды, как мы уже писали выше, довольно редкие «звери». Поэтому нет ничего удивительного, что в непосредственной близости от Солнца не оказалось ни одной такой звезды. Ближайшая цефеида — как раз Полярная звезда, но и она далека — расстояние до нее оценивается примерно в 400 световых лет.

На таком расстоянии параллаксы дают большую погрешность. Самый точный на сегодняшний день параллакс Полярной, определенный спутником Гиппаркос (HIPPARCOS), имеет погрешность в 8 световых лет или около 2%. Что же говорить о более далеких цефеидах?!

На фоне этого астроном Дэвид Тернер (David Turner) выпустил статью, в которой показал, что современное расстояние до Полярной звезды… на целых 111 световых лет меньше, чем измерил Гиппаркос! Для своих исследований астроном воспользовался крупнейшим российским телескопом с диаметром зеркала 6 метров (телескоп БТА). Команда Тернера, в состав которой входили и российские астрономы, детально исследовала спектр Полярной и выяснила, что звезда светит гораздо слабее, чем думали астрономы, основываясь на измерениях параллакса. Так что же, выходит спутник HIPPARCOS неверно измерил расстояние до Полярной? А заодно — как знать? — и до других ~120000 звезд, для которых производились измерения?

Голландский астроном Флоор Ван Лейвен (Floor van Leeuwen), «отвечающий» в настоящее время за данные Гиппаркоса, тут же написал ответную статью, в которой доказал, что данные спутника верны, — в отличие от данных Тернера! Диспут тут же вылился на широкие просторы сети Интернет, внимание ему уделили многие СМИ, показывая тем самым, что дебаты носят не только академический, но еще и мировоззренческий характер.

Еще бы, ведь если мы примем новое расстояние до Полярной звезды, то должны будем одновременно признать, что истинный масштаб Вселенной сильно переоценивался. Можно пойти дальше и подвергнуть сомнению тезис о темпах расширения Вселенной, а ведь за открытия в этой области уже дали Нобелевскую премию в 2011 году!

Кто же прав? Астрономы пока не спешат подвергать сомнению данные Гиппаркоса. Но и отбросить просто так аргументы Тернера тоже нельзя. Барбара МакАртур (Barbara McArthur), астроном-исследователь из Техасского университета, планирует собрать новые данные и определить параллакс до звезды-компаньона Полярной, Полярной B, которая находится от Земли практически на том же расстоянии, что и главная звезда. Результаты станут известны через пару лет.

Система Полярной звезды в цифрах

Ниже светимость, масса и радиус звезд выражены в солнечных.

Полярная звезда