Введение

Звезда, атмосфера которой содержит больше углерода, чем кислорода.
Углеродная звезда (звезда типа C) обычно является звездой асимптотической ветви гигантов – ярким красным гигантом, атмосфера которого содержит больше углерода, чем кислорода. Эти два элемента соединяются в верхних слоях звезды, образуя монооксид углерода, который поглощает большую часть кислорода в атмосфере, оставляя атомы углерода свободными для образования других углеродных соединений, что придает звезде "сажистую" атмосферу и поразительно рубиново-красный вид. Существуют также некоторые углеродные звезды, являющиеся карликами и сверхгигантами, при этом более распространенные гигантские звезды иногда называют классическими углеродными звездами для их различения. В большинстве звезд (например, Солнца) атмосфера богаче кислородом, чем углеродом. Обычные звезды, не проявляющие характеристик углеродных звезд, но достаточно холодные для образования монооксида углерода, поэтому называются богатыми кислородом. Углеродные звезды обладают весьма отличительными спектральными характеристиками и были впервые идентифицированы по своим спектрам Анджело Секчи в 1860-х годах – пионерское время в астрономической спектроскопии.

Спектра

По определению, углеродные звезды характеризуются доминирующими спектральными полосами Швана, обусловленными молекулой C2. Может присутствовать множество других углеродных соединений в высоких концентрациях, таких как CH, CN (цианоген), C3 и SiC2. Углерод образуется в ядре и переносится в верхние слои звезды, что значительно изменяет их состав. Помимо углерода, в результате вспышек в оболочке образуются элементы, синтезируемые в процессе s (S-процесс), такие как барий, технеций и цирконий, которые затем поднимаются на поверхность. Когда астрономы разработали спектральную классификацию углеродных звезд, они столкнулись с серьезными трудностями при попытке сопоставить спектры с эффективными температурами звезд. Это было связано с тем, что атмосферный углерод маскировал линии поглощения, обычно используемые для определения температуры звезд. Углеродные звезды также демонстрируют богатый спектр молекулярных линий в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. В углеродной звезде CW Leonis обнаружено более 50 различных околозвездных молекул. Эта звезда часто используется для поиска новых околозвездных молекул.

Секи

Углеродные звезды были открыты еще в 1860-х годах, когда пионер спектральной классификации Анджело Секки ввел класс IV Секки для углеродных звезд, который в конце 1890-х годов был переклассифицирован в звезды класса N.

Гарвардский

Используя эту новую гарвардскую классификацию, класс N позднее был дополнен классом R для менее насыщенных красным цветом звезд, обладающих характерными углеродными полосами в спектре. Последующая корреляция этой схемы R-N с традиционными спектрами показала, что последовательность R-N приблизительно соответствует последовательности c:a от G7 до M10 по температуре звезды. Тип MK: R0R3R5R8NaNb гигант эквивалент. G7–G8 K1–K2 ~K2–K3 K5–M0 ~M2–M3 M3–M4 Teff 4300 3900 ~3700 3450 ——

Система Морган-Кинэн С

Поздние N классы менее точно соответствуют соответствующим M типам, поскольку Гарвардская классификация основывалась лишь частично на температуре, а также на содержании углерода; поэтому вскоре стало ясно, что такая классификация углеродных звезд была неполной. Вместо этого был введен новый двойной числовой класс C, чтобы учитывать температуру и избыток углерода. Спектр, измеренный для Y Canum Venaticorum, был определен как C54, где цифра 5 относится к признакам, зависящим от температуры, а цифра 4 – к интенсивности полос C2 в спектре (C54 часто записывается также как C5,4). Эта классификация системы Моргана-Кинэна C заменила более ранние классификации R и N с 1960 по 1993 год. Типы MK: C0C1C2C3C4C5C6C7 гигантский эквивалент. G4–G6G7–G8G9–K0K1–K2K3–K4K5–M0M1–M2M3–M4 Teff 4500 4300 4100 3900 3650 3450

Астрофизические механизмы

Углеродные звезды могут быть объяснены несколькими астрофизическими механизмами. Классические углеродные звезды отличаются от неклассических по массе, при этом классические углеродные звезды обладают большей массой. В классических углеродных звездах, принадлежащих к современным спектральным типам C R и C N, обилие углерода, как считается, является продуктом синтеза гелия, в частности, тройного альфа-процесса внутри звезды, который гиганты достигают на поздних стадиях своей жизни в асимптотической ветви гигантов (AGB). Эти продукты синтеза были вынесены на поверхность звезды эпизодами конвекции (так называемый третий подъём) после образования углерода и других продуктов. Обычно этот тип звёзд AGB синтезирует водород в водородной оболочке, но в эпизодах, разделенных 10⁴–10⁵ годами, звезда переходит к синтезу гелия в оболочке, при этом синтез водорода временно прекращается. В этой фазе светимость звезды возрастает, и вещество из недр звезды (в частности, углерод) поднимается вверх. По мере увеличения светимости звезда расширяется, что приводит к прекращению синтеза гелия и возобновлению синтеза водорода в оболочке. Во время этих оболочечных гелиевых вспышек происходит значительная потеря массы звездой, и после множества таких вспышек звезда AGB превращается в горячий белый карлик, а её атмосфера становится материалом для планетарной туманности. Неклассические типы углеродных звезд, принадлежащие к типам C J и C H, предположительно являются двойными системами, где одна звезда наблюдается как гигант (или иногда красный карлик), а другая – белый карлик. Звезда, которую в настоящее время наблюдают как гигант, аккрецировала углеродосодержащий материал, когда она ещё находилась на главной последовательности, от своего компаньона (то есть звезды, которая теперь является белым карликом), когда последний был ещё классической углеродной звездой. Эта фаза звёздной эволюции относительно кратковременна, и большинство таких звёзд в конечном итоге становятся белыми карликами. Наблюдения этих систем ведутся спустя значительное время после события переноса массы, поэтому избыток углерода, наблюдаемый в нынешнем красном гиганте, не был произведён внутри этой звезды. Связь с неклассическими углеродными звездами в этом случае неизвестна. Другие, менее убедительные теории, такие как нарушение баланса CNO-цикла и гелиевая вспышка в ядре, также были предложены в качестве механизмов обогащения атмосферы маломассивных углеродных звёзд углеродом.

Другие характеристики

Большинство классических углеродных звёзд — это переменные звёзды типа долгопериодических переменных.

Наблюдение за углеродными звездами

Из-за низкой чувствительности ночного зрения к красному цвету и медленной адаптации колбочек, отвечающих за восприятие красного, к свету звёзд, астрономы, оценивающие блеск красных переменных звёзд, особенно углеродных звёзд, должны учитывать эффект Пуркинье, чтобы не занижать их звёздную величину.

Создание межзвездной пыли

Из-за низкой поверхностной гравитации до половины (или более) всей массы углеродистой звезды может теряться посредством мощных звёздных ветров. Остатки звезды, богатые углеродом, в виде "пыли", схожей с графитом, таким образом, становятся частью межзвёздной пыли. Считается, что эта пыль играет важную роль в обеспечении исходного материала для формирования последующих поколений звёзд и их планетных систем. Вещество, окружающее углеродистую звезду, может настолько плотно её окутывать, что пыль поглощает весь видимый свет.

Используйте как стандартные свечи

[[Файл:LMCCarbonStarPDF.png|thumb|right|Гистограмма, показывающая относительное количество углеродных звезд в Большом Магеллановом Облаке (LMC) с заданной светимостью в ближней инфракрасной области спектра. Медианное значение отмечено красным цветом. Адаптировано из Ripoche et al. (2020). Хотя отдельные углеродные звезды имеют разную светимость, большая выборка углеродных звезд будет иметь функцию плотности вероятности (PDF) светимости с почти одинаковой медианой в схожих галактиках. Таким образом, медианное значение этой функции можно использовать как стандартную свечу для определения расстояния до галактики. Форма PDF может меняться в зависимости от средней металличности звезд AGB в галактике, поэтому важно калибровать этот индикатор расстояния, используя несколько близлежащих галактик, расстояния до которых известны другими методами.