Самый простой ответ на поставленный вопрос состоит, казалось бы, в том, что различие спектров объясняется различием химических составов звезд, и преобладание ли­ний какого-нибудь элемента в спектре звезды является следствием преобладания этого элемента в атмосфере звезды. Однако основное свойство совокупности спектров звезд — ее линейная последовательность — указывает, что такой ответ является ошибочным. Действительно, если предположить, что звезды спектрального класса АО со­стоят главным образом из водорода, а звезды класса М2 — из окиси титана, то должно было бы существовать не­сколько последовательностей спектров, соединяющих эти спектральные классы. Например, можно было бы перейти от подкласса АО к подклассу М2 и через спектры, в ко­торых преобладают линии металлов, и минуя такие спектры.

Если бы звезды сильно отличались одна от другой хи­мическим составом и это определяло бы их спектры, то вследствие возможности самых различных комбинаций в пропорциях различных элементов ни о какой линейной последовательности спектров не могло бы быть и речи. Спектры звезд зависели бы от множества факторов — от процентного содержания каждого элемента. Явление линейной последовательности спектров указывает на то, что спектры звезд зависят главным образом от какого-то одного фактора. Как удалось выяснить, этим фактором является температура звезды.

Чтобы объяснить столь важную роль температуры, необходимо познакомиться с механизмом образования ли­ний в спектрах звезд.

Известно, что атом всякого элемента может поглощать свет. При этом он поглощает свет в совершенно опреде­ленных частотах. В каких частотах — зависит от устройства этого атома, т. е. от того, из каких и в каком количестве элементарных частиц он состоит.

Когда атом поглотит необходимую порцию световой; энергии или, как говорят, световой квант данной частоты, он переходит в возбужденное состояние, определяемое; тем, что его внешний электрон из того положения, кото­рое он занимает в атоме в обычном состоянии, переходит в другое положение, более удаленное, от ядра атома.] В возбужденном состоянии атом находится ничтожную» долю секунды, после чего электрон возвращается на свое; обычное место, а атом при этом излучает ту же самую порцию световой энергии: либо излучается тот же самый квант той же частоты, который поглотил атом, либо же (что случается реже) атом излучает два или несколько квантов меньших частот, но так, что сумма их энергий равна энергии поглощенного кванта (энергия кванта про­порциональна его частоте).

Направление, в котором будет вновь излучен квант, не будет тем же самым, по которому квант двигался до его поглощения. Он может быть излучен в любом направлении, причем каждый раз это направление является случайным.

Когда свет от раскаленной поверхности звезды про­ходит через ее более холодную атмосферу, находящиеся там атомы различных элементов поглощают свет в опре­деленных, двойственных этим атомам частотах. Эта све­товая энергия тут же снова излучается атомами, но уже в различных направлениях. Часть ее возвращается обратно, часть отсылается в сторону и лишь у незначительной части направление будет совпадать с первоначальным. Поэтому в соответствующих местах спектров звезд мы наблюдаем резкое ослабление света — темные линии,

Если атом поглотит квант достаточно высокой часто­ты, обладающий высокой энергией, то внешний электрон будет не просто перемещен Несколько дальше, а будет оторван от ядра; атом станет ионизованным. Ионизованные атомы поглощают свет в иных частотах, чем неионизованные, у них внешним становится другой электрон, поэтому в спектрах звезд ионизованные атомы обнаружи­вают себя иначе, чем неионизованные, обычные атомы.

Чем, выше температура звезды, тем больше световой энергии излучает в секунду квадратный сантиметр ее по­верхности. Но от температуры зависит и состав квантов

в ее излучении. Чем выше температура, тем больше доля высокочастотных квантов и меньше доля низкочастотных.

Различие температур светящихся поверхностей звезд, вследствие которого излучение не одинаково по мощности и по распределению в нем квантов высоких и низких частот, влечет за собой различное состояние атомов хи­мических элементов в атмосферах, а это определяет раз­нообразие спектров звезд.

Поясним, как это происходит. Предположим, что в ат­мосферах звезд имеются все элементы, которые вообще дают о себе знать в звездных спектрах и притом для всех звезд пропорция элементов примерно одна и та же. Начнем рассмотрение условий в атмосферах звезд со спектрального класса М. Звезды, принадлежащие к это­му спектральному классу, имеют температуру на поверх­ности около 3000° и являются сравнительно холодными звездами.

При температурах около 3000° еще могут существо­вать некоторые химические соединения, например, окись титана, и хотя окиси титана в атмосферах звезд ничтож­ное количество, его молекулы весьма интенсивно погло­щают свет во множестве частот, создавая, таким образом, в спектрах звезд класса М целые полосы поглощения.

При более высоких температурах ускоряются движение атомов и молекул. Усиливаются столкновения молекул между собой и молекул с атомами. В результате этих столкновений молекулы распадаются и потому в спектрах звезд класса К полос поглощения молекул почти нет.

В спектрах звезд Кий сильны линии неионизованных металлов, линии же ионизованных металлов и линии водорода еще слабы. Это объясняется тем, что для иони­зации атомов металлов и для возбуждения атомов водо­рода требуются высокочастотные кванты, которых в из­лучении звезд К и О, имеющих температуру 4000—6000К, еще сравнительно мало. Но в излучении этих звезд достаточно квантов менее высокой частоты для воз­буждения атомов металлов.

В звездах класса Р с температурой до 7500 К доля высокочастотного излучения заметно возрастает, большая часть атомов металлов ионизуется, и поэтому мы наблю­даем линии поглощения ионизованных металлов. Соот­ветственно в атмосферах Р-звезд уменьшается число неионизованных металлов, что влечет ослабление в спектре линий их поглощения. Усиление высокочастотного излу­чения вызывает и усиление линий поглощения водорода. В спектральном классе А температура поверхности 8000—10 500 К. Здесь атомы металлов ионизованы дваж­ды и большее число раз, т. е. от них оторваны два или больше электронов. Такие многократно ионизованные ато­мы металлов для возбуждения должны поглощать очень высокочастотные кванты из ультрафиолетовой части спектра. Эта часть спектра звезд нам почти неизвестна, так как ультрафиолетовая область излучения звезд по­глощается земной атмосферой и до телескопов наблюда­телей не доходит. Только теперь, в последние годы, в свя­зи с космическими полетами появилась возможность выноса астрономических инструментов за пределы атмо­сферы Земли и изучения ультрафиолетовых областей спектров звезд. Линии водорода в спектрах звезд класса А становятся наиболее интенсивными.

У звезд спектрального класса В температура поверх­ности еще более высока: 11 000—15 0001С. Мощность вы­сокочастотного излучения здесь так велика, что ионизу­ются кислород и азот, вследствие чего в спектрах появ­ляются линии ионизованных кислорода и азота. В звездах класса В ионизуется и водород. Но атом водорода имеет только один электрон, поэтому после ионизации он не содержит электронов, уже не может поглощать свет и не дает о себе знать в спектре звезды. Число же неионизованных атомов водорода в В-звездах становится меньше и линии водорода в их спектрах ослабевают.

Наконец, в самых горячих звездах класса О, с темпе­ратурами от 15 000 до 50000 К и более, ионизуется уже и гелий, появляются линии ионизованного гелия. Кисло­род ионизуется дважды, о чем свидетельствуют соответ­ствующие линии. Линии водорода резко ослабевают, так как подавляющая часть водорода переходит в ионизован­ное состояние.

В спектрах звезд класса О интенсивность линий водо­рода примерно такая же, как и в классе М. То обстоя­тельство, что водородные линии видны в спектрах звезд всех классов, хотя условия для их появления в некото­рых из них, например, в крайних классах О и М, весьма неблагоприятны, указывает на обилие атомов водорода в атмосферах звезд. Исследования показывают, что атмо­сферы звезд не менее чем на 80% состоят из водорода.

Мы дали объяснение различию спектров различных классов качественно. Количественная теория была разра­ботана индийским, астрономом и физиком Саха. Наблю­дения отлично согласуются с теорией Саха и показывают, что химический состав звезд действительно почти (но не совсем) одинаков. Характер спектров зависит главным образом от температуры. Некоторый отпечаток на спект­ры накладывает и величина ускорения силы тяжести на поверхности звезды, но влияние этого фактора гораздо слабее, чем влияние температуры звезды.