Сообщение на тему физическая природа звезд. Презентация на тему "физическая природа звезд"

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

на тему: «Природа звезд»

студента группы

Матаева Бориса Николаевича

г. Тюмень 2010

Природа звезд

"Нет ничего более простого, чем звезда" (А. Эддингтон, 1926)

Основу этой темы составляют сведения по астрофизике (физике Солнца, гелиобиологии, физике звезд, теоретической астрофизике), небесной механике, космогонии и космологии.

Введение

Глава 1. Звезды. Виды звезд.

1.1 Нормальные звезды

1.2 Гиганты и карлики

1.3 Жизненный цикл звезды

1.4 Пульсирующие переменные звезды

1.5 Неправильные переменные звезды

1.6 Вспыхивающие звезды

1.7 Двойные звезды

1.8 Открытие двойных звезд

1.9 Тесные двойные звезды

1.10 Звезда переливается через край

1.11 Нейтронные звезды

1.12 Крабовидная туманность

1.13 Наименование Сверхновых

Глава 2. Физическая природа звезд.

2.1 Цвет и температура звезд

2.2 Спектры и химический состав звезд

2.3 Светимости звезд

2.4 Радиусы звезд

2.5 Массы звезд

2.6 Средние плотности звезд

Заключение

Список использованных источников

Глоссарий

Введение

С точки зрения современной астрономии звезды являются небесными телами, подобными Солнцу. Они удалены от нас на огромные расстояния и поэтому воспринимаются нами, как крошечные точки, видимые на ночном небе. Звезды различны по своей яркости и размерам. Некоторые из них имеют те же размеры и яркость, что и наше Солнце, другие весьма сильно отличаются от них по этим параметрам. Существует сложная теория внутренних процессов в звездном веществе, и астрономы утверждают, что могут на ее основании подробно объяснить происхождение, историю и гибель звезд.

Глава 1. Звезды. Виды звезд

3везды бывают новорожденными, молодыми, среднего возраста и старыми. Новые звезды постоянно образуются, а старые постоянно умирают.

Самые молодые, которые называются звездами типа Т Тельца (по одной из звезд в созвездии Тельца), похожи на Солнце, но гораздо моложе его. Фактически они все еще находятся в процессе формирования и являются примерами протозвезд (первичных звезд).

Это переменные звезды, их светимость меняется, поскольку они еще не вышли на стационарный режим существования. Вокруг многих звезд типа Т Тельца имеются вращающиеся диски вещества; от таких звезд исходят мощные ветры. Энергия вещества, которое падает на протозвезду под действием силы тяготения, превращается в тепло. В результате температура внутри протозвезды все время повышается. Когда центральная ее часть становится настолько горячей, что начинается ядерный синтез, протозвезда превращается в нормальную звезду. Как только начинаются ядерные реакции, у звезды появляется источник энергии, способный поддерживать ее существование в течение очень долгого времени. Насколько долгого - это зависит от размера звезды в начале этого процесса, но у звезды размером с наше Солнце топлива хватит на стабильное существование в течение примерно 10 миллиардов лет.

Однако случается, что звезды, гораздо более массивные, чем Солнце, существуют всего несколько миллионов лет; причина в том, что они сжимают свое ядерное топливо с гораздо большей скоростью.

1.1 Нормальные звезды

Все звезды в основе своей похожи на наше Солнце: это огромные шары очень горячего светящегося газа, в самой глубине которых вырабатывается ядерная энергия. Но не все звезды в точности такие, как Солнце. Самое явное различие - это цвет. Есть звезды красноватые или голубоватые, а не желтые.

Кроме того, звезды различаются и по яркости, и по блеску. Насколько яркой выглядит звезда в небе, зависит не только от ее истинной светимости, но также и от расстояния, отделяющего ее от нас. С учетом расстояний, яркость звезд меняется в широком диапазоне: от одной десятитысячной яркости Солнца до яркости более, чем Е миллиона Солнц. Подавляющее большинство звезд, как оказалось, располагается ближе к тусклому краю этой шкалы. Солнце, которое во многих отношениях является типичной звездой, обладает гораздо большей светимостью, чем большинство других звезд. Невооруженным глазом можно увидеть очень небольшое количество слабых по своей природе звезд. В созвездиях нашего неба главное внимание привлекают к себе “сигнальные огни” необычных звезд, тех, что обладают очень большой светимостью. вселенная звезда эволюция

Почему же звезды так сильно различаются по своей яркости? Оказывается, это не зависит от массы звезды.

Количество вещества, содержащееся в конкретной звезде, определяет ее цвет и блеск, а также то, как блеск меняется во времени. Минимальная величина массы, необходимая, чтобы звезда была звездой, составляет около одной двенадцатой массы Солнца.

1.2 Гиганты и карлики

Самые массивные звезды одновременно и самые горячие, и самые яркие. Выглядят они белыми или голубоватыми. Несмотря на свои огромные размеры, эти звезды производят такое колоссальное количество энергии, что все их запасы ядерного топлива перегорают за какие-нибудь несколько миллионов лет.

В противоположность им звезды, обладающие небольшой массой, всегда неярки, а цвет их - красноватый. Они могут существовать в течение долгих миллиардов лет.

Однако среди очень ярких звезд в нашем небе есть красные и оранжевые. К ним относятся и Альдебаран - глаз быка в созвездии Телец, и Антарес в Скорпионе. Как же могут эти холодные звезды со слабо светящимися поверхностями соперничать с раскаленными добела звездами типа Сириуса и Веги? Ответ состоит в том, что эти звезды очень сильно расширились и теперь по размеру намного превосходят нормальные красные звезды. По этой причине их называют гигантами, или даже сверхгигантами.

Благодаря огромной площади поверхности, гиганты излучают неизмеримо больше энергии, чем нормальные звезды вроде Солнца, несмотря на то, что температура их поверхности значительно ниже. Диаметр красного сверхгиганта - например, Бетельгейзе в Орионе - в несколько сот раз превосходит диаметр Солнца. Напротив, размер нормальной красной звезды, как правило, не превосходит одной десятой размера Солнца. По контрасту с гигантами их называют “карликами”.

Гигантами и карликами звезды бывают на разных стадиях своей жизни, и гигант может, в конце концов, превратиться в карлика, достигнув “пожилого возраста”.

1.3 Жизненный цикл звезды

Обычная звезда, такая, как Солнце, выделяет энергию за счет превращения водорода в гелий в ядерной печи, находящейся в самой ее сердцевине. Солнце и звезды меняются регулярным (правильным) образом - участок их графика на отрезке времени определенной длины (периоде) повторяется снова и снова. Другие же звезды меняются совершенно непредсказуемо.

К правильным переменным звездам относят пульсирующие звезды и двойные звезды. Количество света меняется оттого, что звезды пульсируют или выбрасывают облака вещества. Но есть другая группа переменных звезд, которые являются двойными (бинарными).

Когда мы видим изменение блеска бинарных звезд, это означает, что произошло одно из нескольких возможных явлений. Обе звезды могут оказаться на линии нашего зрения, так как, двигаясь по своим орбитам, они могут проходить прямо одна перед другой. Подобные системы называются затменно-двойными звездами. Самый знаменитый пример такого рода - звезда Алголь в созвездии Персея. В тесно расположенной паре материал может устремляться с одной звезды на другую, нередко вызывая драматические последствия.

1.4 Пульсирующие переменные звезды

Некоторые из наиболее правильных переменных звезд пульсируют, сжимаясь и снова увеличиваясь - как бы вибрируют с определенной частотой, примерно так, как это происходит со струной музыкального инструмента. Наиболее известный тип подобных звезд - цефеиды, названные так по звезде Дельта Цефея, представляющей собой типичный пример. Это звезды сверхгиганты, их масса превосходит массу Солнца в 3 - 10 раз, а светимость их в сотни и даже тысячи раз выше, чем у Солнца. Период пульсации цефеид измеряется днями. В процессе пульсации цефеиды как площадь, так и температура ее поверхности изменяются, что вызывает общее изменение ее блеска.

Мира, первая из описанных переменных звезд, и другие подобные ей звезды обязаны своей переменностью пульсациям. Это холодные красные гиганты в последней стадии своего существования, они вот-вот полностью сбросят, как скорлупу, свои наружные слои и создадут планетарную туманность. Большинство красных сверхгигантов, подобных Бетельгейзе в Орионе, изменяются лишь в некоторых пределах.

Используя для наблюдений специальную технику, астрономы обнаружили на поверхности Бетельгейзе большие темные пятна.

Звезды типа RR Лиры представляют другую важную группу пульсирующих звезд. Это старые звезды примерно такой же массы, как Солнце. Многие из них находятся в шаровых звездных скоплениях. Как правило, они меняют свой блеск на одну звездную величину приблизительно за сутки. Их свойства, как и свойства, цефеид, используют для вычисления астрономических расстояний.

1.5 Неправильные переменные звезды

R Северной Короны и звезды, подобные ей, ведут себя совершенно непредсказуемым образом. Обычно эту звезду можно разглядеть невооруженным глазом. Каждые несколько лет ее блеск падает примерно до восьмой звездной величины, а затем постепенно растет, возвращаясь к прежнему уровню. По-видимому, причина тут в том, что эта звезда-сверхгигант сбрасывает с себя облака углерода, который конденсируется в крупинки, образуя нечто вроде сажи. Если одно из этих густых черных облаков проходит между нами и звездой, оно заслоняет свет звезды, пока облако не рассеется в пространстве.

Звезды этого типа производят густую пыль, что имеет немаловажное значение в областях, где образуются звезды.

1.6 Вспыхивающие звезды

Магнитные явления на Солнце являются причиной солнечных пятен и солнечных вспышек, но они не могут существенно повлиять на яркость Солнца. Для некоторых звезд - красных карликов - это не так: на них подобные вспышки достигают громадных масштабов, и в результате световое излучение может возрастать на целую звездную величину, а то и больше. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Кентавра, является одной из таких вспыхивающих звезд. Эти световые выбросы нельзя предсказать заранее, а продолжаются они всего несколько минут.

1.7 Двойные звезды

Примерно половина всех звезд нашей Галактики принадлежит к двойным системам, так что двойные звезды, вращающиеся по орбитам одна вокруг другой, явление весьма распространенное.

Принадлежность к двойной системе очень сильно влияет на всю жизнь звезды, особенно когда напарники находятся близко друг к другу. Потоки вещества, устремляющиеся от одной звезды на другую, приводят к драматическим вспышкам, таким, как взрывы новых и сверхновых звезд.

Двойные звезды удерживаются вместе взаимным тяготением. Обе звезды двойной системы вращаются по эллиптическим орбитам вокруг некоторой точки, лежащей между ними и называемой центром гравитации этих звезд. Это можно представить себе как ТОЧКА опоры, если вообразить звезды сидящими на детских качелях: каждая на своем конце доски, положенной на бревно. Чем дальше звезды друг от друга, тем дольше длятся их пути по орбитам. Большинство двойных звезд (или просто - двойных) слишком близки друг к другу, чтобы их можно было различить по отдельности даже в самые мощные телескопы. Если расстояние между партнерами достаточно велико, орбитальный период может измеряться годами, а иногда целым столетием или даже большие.

Двойные звезды, которые ты можешь увидеть раздельно, называются видимыми двойными.

1.8 Открытие двойных звезд

Чаще всего двойные звезды определяются либо по необычному движению более яркой из двух, либо по их совместному спектру. Если какая-нибудь звезда совершает на небе регулярные колебания, это означает, что у нее есть невидимый партнер. Тогда говорят, что это астрометрическая двойная звезда, обнаруженная с помощью измерений ее положения.

Спектроскопические двойные звезды обнаруживают по изменениям и особым характеристикам их спектров. Спектр обыкновенной звезды, вроде Солнца, подобен непрерывной радуге, пересеченной многочисленными узкими Нелями - так называемыми линиями поглощения. Точные цвета, на которых расположены эти линии, изменяются, если звезда движется к нам или от нас. Это явление называется эффектом Доплера. Когда звезды двойной системы движутся по своим орбитам, они попеременно то приближаются к нам, то удаляются. В результате линии их спектров перемещаются на некотором участке радуги. Такие подвижные линии спектра говорят о том, что звезда двойная.

Если оба участника двойной системы имеют примерно одинаковый блеск, в спектре можно увидеть два набора линий. Если одна из звезд гораздо ярче другой, ее свет будет доминировать, но регулярное смещение спектральных линий все равно выдаст ее истинную двойную природу.

Измерение скоростей звезд двойной системы и применение законного тяготения представляют собой важный метод определения масс звезд. Изучение двойных звезд - это единственный прямой способ вычисления звездных масс. Тем не менее, в каждом конкретном случае не так просто получить точный ответ.

1.9 Тесные двойные звезды

В системе близко расположенных двойных звезд взаимные силы тяготения стремятся растянуть каждую из них, придать ей форму груши. Если тяготение достаточно сильно, наступает критический момент, когда вещество начинает утекать с одной звезды и падать на другую. Вокруг этих двух звезд имеется некоторая область в форме трехмерной восьмерки, поверхность которой представляет собой критическую границу.

Эти две грушеобразные фигуры, каждая вокруг своей звезды, называются полостями Роша. Если одна из звезд вырастает настолько, что заполняет свою полость Роша, то вещество с нее устремляется на другую звезду в той точке, где полости соприкасаются. Часто звездный материал не опускается прямо на звезду, а сначала закручивается вихрем, образуя так называемый аккреционный диск. Если обе звезды настолько расширились, что заполнили свои полости Роша, то возникает контактная двойная звезда. Материал обеих звезд перемешивается и сливается в шар вокруг двух звездных ядер. Поскольку, в конечном счете все звезды разбухнут, превращаясь в гиганты, а многие звезды являются двойными, то взаимодействующие двойные системы - явление нередкое.

1.10 Звезда переливается через край

Одним из поразительных результатов переноса массы в двойных звездах является так называемая вспышка новой.

Одна звезда расширяется так, что заполняет свою полость Роша; это означает раздувание наружных слоев звезды до того момента, когда ее материал начнет захватываться другой звездой, подчиняясь ее тяготению. Эта вторая звезда - белый карлик. Внезапно блеск увеличивается примерно на десять звездных величин - вспыхивает новая. Происходит не что иное, как гигантский выброс энергии за очень короткое время, мощный ядерный взрыв на поверхности белого карлика. Когда материал с раздувшейся звезды устремляется к карлику, давление в низвергающемся потоке материи резко возрастает, а температура под новым слоем увеличивается до миллиона градусов. Наблюдались случаи, когда через десятки или сотни лет вспышки новых повторялись. Другие взрывы наблюдались лишь однажды, но они могут повториться через тысячи лет. На звездах иного типа происходят менее драматические вспышки - карликовые новые, - повторяющиеся через дни и месяцы.

Когда ядерное топливо звезды оказывается израсходованным и в ее глубинах прекращается выработка энергии, звезда начинает сжиматься к центру. Сила тяготения, направленная внутрь, больше не уравновешивается выталкивающей силой горячего газа.

Дальнейшее развитие событий зависит от массы сжимающегося материала. Если эта масса не превосходит солнечную более чем в 1,4 раза, звезда стабилизируется, становясь белым карликом. Катастрофического сжатия не происходит благодаря основному свойству электронов. Существует такая степень сжатия, при которой они начинают отталкиваться, хотя никакого источника тепловой энергии уже нет. Правда, это происходит лишь тогда, когда электроны и атомные ядра сжаты невероятно сильно, образуя чрезвычайно плотную материю.

Белый карлик с массой Солнца по объему приблизительно равен Земле.

Всего лишь чашка вещества белого карлика весила бы на Земле сотню тонн. Любопытно, что чем массивнее белые карлики, тем меньше их объем. Что представляет собой внутренность белого карлика, вообразить очень трудно. Скорее всего, это нечто вроде единого гигантского кристалла, который постепенно остывает, становясь все более тусклым и красным. В действительности, хотя астрономы белыми карликами называют целую группу звезд, лишь самые горячие из них, с температурой поверхности около 10 000 С, на самом деле белые. В конечном итоге каждый белый карлик превратится в темный шар радиоактивного пепла абсолютно мертвые останки звезды. Белые карлики настолько малы, что даже наиболее горячие из них испускают совсем немного света, и обнаружить их бывает нелегко. Тем не менее, количество известных белых карликов сейчас исчисляется сотнями; по оценкам астрономов, не менее десятой части всех звезд Галактики - белые карлики. Сириус, самая яркая звезда нашего неба, является членом двойной системы, и его напарник - белый карлик под названием Сириус В.

1.11 Нейтронные звезды

Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, на атом не остановится. Гравитационные силы в этом случае столь велики, что электроны вдавливаются внутрь атомных ядер. В результате изотопы превращаются в нейтроны, способные прилегать друг к другу без всяких промежутков. Плотность нейтронных звезд превосходит даже плотность белых карликов; но если масса материала не превосходит 3 солнечных масс, нейтроны, как и электроны, способны сами предотвратить дальнейшее сжатие. Типичная нейтронная звезда имеет в поперечнике всего лишь от 10 до 15 км, а один кубический сантиметр ее вещества весит около миллиарда тонн. Помимо неслыханной громадной плотности, нейтронные звезды обладают еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая на столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнитное поле. В общем, вращаются все звезды, но когда звезда сжимается, скорость ее вращения возрастает - точно так же, как фигурист на льду вращается гораздо быстрее, когда прижимает к себе руки.

1.12 Крабовидная туманность

Один из самых известных остатков сверхновой, Крабовидная туманность, обязана своим названием Уильяму Парсонсу, третьему графу Россу, который первым наблюдал ее в 1844 г. Ее впечатляющее имя не совсем соответствует этому странному объекту. Теперь мы знаем, что туманность - остаток сверхновой, которую наблюдали и описали в 1054 г. китайские астрономы. Ее возраст был установлен в 1928 г. Эдвином Хабблом, измерившим скорость ее расширения и обратившим внимание на совпадение ее положения на небе со старинными китайскими записями. Она имеет форму овала с неровными краями; красноватые и зеленоватые нити светящегося газа видны на фоне тусклого белого пятна. НИТИ СВЕТЯЩЕГОСЯ газа напоминают сеть, наброшенную на отверстие. Белый свет исходит от электронов, несущихся по спиралям в сильном магнитном поле. Туманность является также интенсивным источником радиоволн и рентгеновских лучей. Когда астрономы осознали, что пульсары - это нейтрон сверхновых, им стало ясно, что искать пульсары надо именно в таких остатках типа Крабовидной туманности. В 1969 г. 6ыло обнаружено, что одна из звезд вблизи центра туманности периодически излучает радиоимпульсы, а также рентгеновские сигналы каждые 33 тысячных доли секунды. Это очень высокая частота даже для пульсара, но она постепенно понижается. Те пульсары, которые вращаются гораздо медленнее, намного старше пульсара Крабовидной туманности.

1.13 Наименование Сверхновых

Хотя современные астрономы не были свидетелями сверхновой в нашей Галактике, им удалось наблюдать, по крайней мере, второе по интересу событие - сверхновую в 1987 г. в Большом Магеллановом облаке, ближней галактике, видимой в южном полушарии. Сверхновой дали имя ЯХ 1987А. Сверхновые именуются годом открытия, за которым следует заглавная латинская буква в алфавитном порядке, соответственно последовательности находок, БХ это сокращение от ~сверхновая~. (Если за тд их открыто более 26, следуют обозначения АА, ВВ и т.д.)

Глава 2. Физическая природа звезд

Мы уже знаете, что звезды -- это далекие солнца, по этому, изучая природу звезд, мы будем сравнивать их физические характеристики с физическими характеристиками Солнца.

Звезды - пространственно-обособленные, гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения массы вещества в интервале от 10 29 до 10 32 кг (0,005-100 М ¤), в недрах которых в значительных масштабах происходили, происходят или будут происходить термоядерные реакции превращения водорода в гелий.

Классификация звезд в зависимости от их основных физических характеристик отражена в таблице 1.

Таблица 1

Классы звезд		Размеры R¤	Плотность г/см 3	Светимость L¤	Время жизни, лет	% общего числа звезд	Особенности
Ярчайшие сверхгиганты							Тяготение описывается законами классической механики Ньютона; давление газа описывается основными уравнениями молекулярно-кинетической теории; выделение энергии зависит от температуры в зоне термоядерных реакций протон-протонного и азотно-углеродного циклов
Сверхгиганты
Яркие гиганты
Нормальные гиганты
Субгиганты
Нормальные звезды
Красные
Белые карлики							Конечные этапы эволюции нормальных звезд. Давление определяется плотностью электронного газа; энерговыделение не зависит от температуры
Нейтронные звезды		8-15 км (до 50 км)					Конечные этапы эволюции звезд-гигантов и субгигантов. Тяготение описывается законами ОТО, давление неклассическое

Размеры звезд колеблются в очень широких пределах от 10 4 м до 10 12 м. Гранатовая звезда m Цефея имеет диаметр 1,6 млрд. км; красный сверхгигант е Возничего А имеет размеры в 2700 R¤ - 5,7 млрд. км! Звезды Лейтена и Вольф- 475 меньше Земли, а нейтронные звезды имеют размеры 10 - 15 км (рис. 1).

Рис. 1. Относительные размеры некоторых звезд, Земли и Солнца

Быстрое вращение вокруг своей оси и притяжение близких массивных космических тел нарушает сферичность формы звезд, "сплющивая" их: звезда R Кассиопеи имеет форму эллипса, её полярный диаметр составляет 0,75 экваториального; в тесной двойной системе W Большой Медведицы компоненты приобрели яйцевидную форму.

2.1 Цвет и температура звезд

Во время наблюдений звездного неба вы могли заметить, что цвет звезд различен. Подобно тому как по цвету раскаленного металла можно судить о его температуре, так цвет звезды свидетельствует о температуре ее фотосферы. Вы знаете, что между максимальной длиной волны излучения и температурой существует определенная зависимость у различных звезд максимум излучения приходится на разные длины волн. Например, наше Солнце -- желтая звезда. Такого же цвета Капелла, температура которой около 6000 о К. Звезды, имеющие температуру 3500-4000 o К, красноватого цвета (Альдебаран). Температура красных звезд (Бетельгейзе) примерно 3000 о К. Самые холодные из известных в настоящее время звезд имеют температуру менее 2000 о К. Такие звезды доступны наблюдениям в инфракрасной части спектра.

Известно много звезд более горячих, чем Солнце. К ним относятся, например, белые звезды (Спика, Сириус, Вега). Их температура порядка 10 4 - 2х10 4 К. Реже встречаются голубовато-белые, температура фотосферы которых 3х10 4 -5х10 4 К. В недрах звезд температура не менее 10 7 К.

Температура видимой поверхности звезд составляет от 3000 К до 100000 К. Недавно открытая звезда HD 93129A в созвездии Кормы имеет температуру поверхности 220000 К! Самые холодные - Гранатовая звезда (m Цефея) и Мира (o Кита) имеют температуру 2300К, e Возничего А - 1600 К.

2.2 Спектры и химический состав звезд

Важнейшие сведения о природе звезд астрономы получают, расшифровывая их спектры. Спектры большинства звезд, как и спектр Солнца, представляют собой спектры поглощения: на фоне непрерывного спектра видны темные линии.

Сходные между собой спектры звезд сгруппированы в семь основных спектральных классов. Они обозначаются прописными буквами латинского алфавита:

О-В-А-F-G-K-M

и располагаются в такой последовательности, что при пере ходе слева направо цвет звезды меняется от близкого к голубому (класс О), белому (класс А), желтому (класс О), красному (класс М). Следовательно, в том же направлении от класса к классу происходит убывание температуры звезд.

Таким образом, последовательность спектральных классов отражает различие цвета и температуры звезд, Внутри каждого класса существует разделение еще на десять подклассов. Например, спектральный класс F имеет такие под классы:

F0-F1-F2-F3-F4-F5-Fб-F7-F8-F9

Солнце относится к спектральному классу G2.

В основном атмосферы звезд имеют сходный химический состав: самыми распространенными элементами в них, как и на Солнце, оказались водород и гелий. Разнообразие звездных спектров объясняется прежде всего тем, что звезды имеют разную температуру. От температуры зависит физическое состояние, в котором находятся атомы вещества в звездных атмосферах по виду спектра, при невысоких температурах (красные звезды) в атмосферах звезд могут существовать нейтральные атомы и даже простейшие молекулярные соединения (С 2 , СN, ТiО, ZrO и др.). В атмосферах очень горячих звезд преобладают ионизованные атомы.

Кроме температуры, вид спектра звезды определяется давлением и плотностью газа ее фотосферы, наличием магнитного поля, особенностями химического состава.

Рис. 35. Основные спектральные классы звезд

Спектральный анализ звездного излучения свидетельствует о сходстве их состава с химическим составом Солнца и об отсутствии неизвестных на Земле химических элементов. Различия во внешнем виде спектров различных классов звезд свидетельствуют о различиях их физических характеристик. Температура, наличие и скорость вращения, напряженность магнитного поля и химический состав звезд определяются на основе прямых спектральных наблюдений. Законы физики позволяют сделать выводы о массе звезд, их возрасте, внутреннем строении и энергетике, подробно рассмотреть все этапы эволюции звезд.

Почти все спектры звезд являются спектрами поглощения. Относительное количество химических элементов является функцией температуры.

В настоящее время в астрофизике принята единая классификация звездных спектров (табл. 2). По особенности спектров: наличию и интенсивности атомарных спектральных линий и молекулярных полос, цвету звезды и температуре ее излучающей поверхности звезды разделены на классы, обозначаемые буквами латинского алфавита:

W - O - B - F - G - K - M

Каждый класс звезд разделяется на десять подклассов (А0...А9).

Спектральные классы от О0 до F0 называются "ранними"; от F до М9 - "поздними". Некоторые ученые относят звезды классов R, N к классу G. Ряд звездных характеристик обозначается дополнительными маленькими буквами: у звезд-гигантов перед указанием класса ставится буква "g", у звезд-карликов - буква "d", у сверхгигантов - "с", у звезд с линиями излучения в спектре - буква "е", у звезд с необычными спектрами - "р" и т. д. Современные звездные каталоги содержат спектральные характеристики сотен тысяч звезд и их систем.

W ѕ O ѕ B ѕ A ѕ F ѕ G ѕ K ѕ M ......... R ... N .... S

Таблица 2.Спектральная классификация звезд

	Температура, К		Характерные спектральные линии	Типичные звезды
			Звезды типа Вольфа-Райе с линиями излучения в спектре	S Золотой Рыбы
		голубовато-белые	Линии поглощения Не + , N + , He, Mg + , Si ++ , Si +++ (знак + означает степень ионизации атомов данного химического элемента)	z Кормы, l Ориона, l Персея
		бело-голубые	Линии поглощения Не + , He, Н, О + , Si ++ усиливаются к классу А; заметны слабые линии Н, Са +	e Ориона, a Девы, g Ориона
			Линии поглощения Н, Са + интенсивны и усиливаются к классу F, появляются слабые линии металлов	a Большого Пса, a Лиры, g Близнецов
		желтоватые	Линии поглощения Са + , Н, Fe + кальция и металлов усиливаются к классу G. Возникают и усиливаются линия кальция 4226A и полоса углеводорода	d Близнецов, a Малого Пса, a Персея
			Линии поглощения кальция Н и Са + интенсивны; линия 4226A и линия железа довольно интенсивны; многочисленны линии металлов; линии водорода слабеют; интенсивна полоса G	Солнце, a Возничего
		оранжевые	Линии поглощения металлов, Са + , 4226A интенсивны; линии водорода мало заметны. С подкласса К5 наблюдаются полосы поглощения окиси титана TiO	a Волопаса, b Близнецов, a Тельца
		Линии поглощения Са + , многих металлов и полосы поглощения молекул углерода	R Северной Короны
		Мощные полосы поглощения молекул окиси циркония (ZrO)
		Полосы поглощения молекул углерода С 2 и циана СN
			Мощные полосы поглощения молекул окиси титана TiO, VO и других молекулярных соединений. Заметны линии поглощения металлов Са + , 4226A ; полоса G слабеет	a Ориона, a Скорпиона, o Кита, Проксима Центавра
		Планетарные туманности
		Новые звезды

Таблица 3. Усредненные характеристики звезд основных спектральных классов, находящихся на главной последовательности (арабские цифры - десятичные подразделения внутри класса): S p - спектральный класс, M b - абсолютная болометрическая звездная величина, T эф - эффективная температура, M, L, R - соответственно масса, светимость, радиус звезд в солнечных единицах, t m - время жизни звезд на главной последовательности:

2.3 Светимости звезд

Светимость звезд - количество энергии, излучаемое их поверхностью в единицу времени - зависит от скорости выделения энергии и определяется законами теплопроводности, размерами и температурой поверхности звезды. Разность в светимости может достигать 250000000000 раз! Звезды большой светимости называют звездами-гигантами, звезды малой светимости - звездами-карликами. Наибольшей светимостью обладает голубой сверхгигант - звезда Пистолет в созвездии Стрельца - 10000000 L¤ ! Светимость красного карлика Проксимы Центавра около 0,000055 L¤ .

Звезды, как и Солнце, излучают энергию в диапазоне всех длин волн электромагнитных колебаний. Вы знаете, что светимость (L) характеризует общую мощность излучения звезды и представляет одну из важнейших ее характеристик. Светимость пропорциональна площади поверхности (фотосферы) звезды (или квадрату радиуса R) и четвертой степени эффективной темпера туры фотосферы (Т), т. е.

L = 4ПR 2 оT 4 . (45)

Формула, связывающая абсолютные звездные величины и светимости звезд, аналогична известному вам соотношению между блеском звезды и ее видимой звездной величиной, т. е.

L 1 /L 2 = 2,512 (M 2 - M 1) ,

где L 1 и L 2 -- светимости двух звезд, а М 1 и М 2 -- их абсолютные звездные величины.

Если в качестве одной из звезд выбрать Солнце, то

L/L о = 2,512 (Мо - М) ,

где буквы без индексов относятся к любой звезде, а со значком о к Солнцу.

Принимая светимость Солнца за единицу (Lо = 1), получим:

L = 2.512 (Мо - M)

lg L = 0.4 (Мо - M). (47)

По формуле (47) можно вычислить светимость любой звезды, у которой известна абсолютная звездная величина.

Звезды имеют различную светимость. Известны звезды, светимости которых в сотни и тысячи раз превосходят светимости Солнца. Например, светимость а Тельца (Альдебаран) почти в 160 раз больше светимости Солнца (L = 160Lо); светимость Ригеля (в Ориона) L = 80000Lо

У подавляющего большинства звезд светимости сравнимы со светимостью Солнца или меньше ее, например, светимость звезды, известной под названием Крюгер 60А, L = 0,006 Lо.

2.4 Радиусы звезд

Используя самую современную технику астрономических наблюдений, удалось в настоящее время непосредственно измерить угловые диаметры (а по ним, зная расстояние, и линейные размеры) лишь нескольких звезд. В основном астрономы определяют радиусы звезд другими методами. Один из них дает формула (45). Если известна светимость L и эффективная температура Т звезды, то, используя формулу (45), можно вычислить радиус звезды R, ее объем и площадь фотосферы.

Определив радиусы многих звезд, астрономы убедились в том, что существуют звезды, размеры которых резко отличаются от размеров Солнца. Наибольшие размеры у сверхгигантов. Их радиусы в сотни раз превосходят радиус Солнца. Например, радиус звезды а Скорпиона (Антарес) не менее чем в 750 раз превосходит солнечный. Звезды, радиусы которых в десятки раз превосходят радиус Солнца, Называются гигантами. Звезды, по размерам близкие к Солнцу или меньшие, чем Солнце, относятся к карликам. Среди карликов есть звезды, которые меньше Земли или даже Луны. Открыты звезды и еще меньших размеров.

2.5 Массы звезд

Масса звезды -- одна из важнейших ее характеристик. Массы звезд различны. Однако, в отличие от светимостей и размеров, массы звезд заключены в сравнительно узких пределах: самые массивные звезды обычно лишь в десятки раз превосходят Солнце, а наименьшие массы звезд порядка 0,06 Мо. Основной метод определения масс звезд дает исследование двойных звезд; обнаружена зависимость между светимостью и массой звезды.

2.6 Средние плотности звезд

Средние плотности звезд изменяются в интервале от 10 -6 г/см 3 до 10 14 г/см 3 - в 10 20 раз! Так как размеры звезд различаются значительно больше, чем их массы, то и средние плотности звезд сильно отличаются друг от друга. У гигантов и сверхгигантов плотность очень мала. Например, плотность Бетельгейзе около 10 -3 кг/м 3 . Вместе с тем существуют чрезвычайно плотные звезды. К ним относятся небольшие по размерам белые карлики (их цвет обусловлен высокой температурой). Например, плотность белого карлика Сириус В более 4х10 7 кг/м 3 . В настоящее время известны значительно более плотные белые карлики (10 10 - 10 11 кг/м 3). Огромные плотности белых карликов объясняются особыми свойствами вещества этих звезд, которое представляет собой атомные ядра и оторванные от них электроны. Расстояния между атомными ядрами в веществе белых карликов должны быть в десятки и даже сотни раз меньше, чем в обычных твердых и жидких телах, с которыми мы встречаемся в земных условиях. Агрегатное состояние, в котором находится это вещество, нельзя назвать ни жидким, ни твердым, так как атомы белых карликов разрушены. Мало похоже это вещество на газ или плазму. И все-таки его принято считать «газом», учитывая, что расстояние между частицами даже в плотных белых карликах во много раз больше, чем сами ядра атомов или электроны.

Заключение

1. Звезды - отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся от других космических объектов.

2. Звезды - один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный) тип космических тел.

3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям.

4. Все основные характеристики звезд (размеры, светимость, энергетика, время "жизни" и конечные этапы эволюции) взаимозависимы и определяются значением массы звезд.

5. Звезды почти целиком состоят из водорода (70-80%) и гелия (20-30%); доля всех остальных химических элементов составляет от 0,1% до 4%.

6. В недрах звезд происходят термоядерные реакции.

7. Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и лучевого (газового) давления.

8. Законы физики позволяют рассчитывать все основные физические характеристики звезд на основе результатов астрономических наблюдений.

9. Основным, наиболее продуктивным методом исследования звезд является спектральный анализ их излучения.

Список литературы

1. Е. П. Левитан. Учебник Астрономии для 11 кл., 1998 г.

2. Материалы с сайта http://goldref.ru/

Глоссарий

Телескопы, предназначенные для проведения фотографических наблюдений, называются астрографами. Преимущества астрофотографии перед визуальными наблюдениями: интегральности - способности фотоэмульсии постепенно накапливать световую энергию; моментальности; панорамности; объективности - на нее не влияют личные особенности наблюдателя. Обычная фотоэмульсия более чувствительна к сине-фиолетовому излучению, но в настоящее время астрономы применяют при съемке космических объектов фотоматериалы, чувствительные к различным частям спектра электромагнитных волн, не только к видимым, но и к инфракрасным и ультрафиолетовым лучам. Чувствительность современных фотоэмульсий составляет десятки тысяч единиц ISO. Широкое применение получили киносъемка, видеозапись, применение телевидения.

Астрофотометрия - один из основных методов астрофизических исследований, определяющий энергетические характеристики объектов путем измерения энергии их электромагнитного излучения. Основными понятиями астрофотометрии являются:

Блеск небесного светила - это освещенность, создаваемая им в точке наблюдения:,

где L - полная мощность излучения (светимость) светила; r - расстояние от светила до Земли.

Для измерения блеска в астрономии используют особую единицу измерения - звездную величину. Формула перехода от звездных величин к единицам освещенности, принятым в физике:

где m - видимая звездная величина светила.

Звездная величина (m) - это условная (безразмерная) величина испускаемого светового потока, характеризующая блеск небесного светила, выбранная таким образом, что интервал в 5 звездных величин соответствует изменению блеска в 100 раз. Одна звездная величина отличается в 2,512 раз. Формула Погсона связывает блеск светил с их звездными величинами:

Определяемая звездная величина зависит от спектральной чувствительности приемника излучения: визуальная (m v) определяется прямым наблюдениями и отвечает спектральной чувствительности человеческого глаза; фотографическая (m р) определяется измерением освещенности светилом на фотопластинке, чувствительной к сине-фиолетовым и ультрафиолетовым лучам; болометрическая (m в) отвечает полной, просуммированной по всему спектру излучения, мощности излучения светила. Для протяженных, имеющих большие угловые размеры объектов определяется интегральная (общая) звездная величина, равная сумме блеска его частей.

Для сравнения энергетических характеристик космических объектов, удаленных на разные расстояния от Земли, ведено понятие абсолютной звездной величины.

Абсолютная звездная величина (М) - звездная величина, которой обладало бы светило на расстоянии 10 парсек от Земли: , где p - параллакс светила, r - расстояние от светила. 10 пк = 3,086Ч 10 17 м.

Абсолютная звездная величина ярчайших звезд-сверхгигантов около -10 m .

Абсолютная звездная величина Солнца + 4,96 m .

Светимость (L) - количество энергии, излучаемой поверхностью светила в единицу времени. Светимость звезд выражается в абсолютных (энергетических) единицах или в сравнении со светимостью Солнца (L¤ или LД). L ¤ = 3,86Ч 10 33 эрг/с.

Светимость светил зависит от их размеров и температура излучающей поверхности. В зависимости от приемников излучения различают визуальную, фотографическую и болометрическую светимость светил. Светимость связана с видимой и абсолютной звездной величиной светил:

Коэффициент А(r) учитывает поглощение света в межзвездной среде.

О светимости космических тел можно судить по ширине спектральных линий.

Светимость космических объектов тесно связана с их температурой: , где R * - радиус светила, s - постоянная Стефана-Больцмана, s = 5,67Ч 10 -8 Вт/м 2Ч К 4 .

Так как площадь поверхности шара, а по уравнению Стефана-Больцмана, .

По светимости звезд можно определить их размеры:

По светимости звезд можно определить массу звезд:

Протозвезда - звезда в самой ранней стадии образования, когда в межзвездном облаке возникает уплотнение, но ядерные реакции внутри нее еще не начались.

Звездная величина - характеристика видимого блеска звезд. Видимая звездная величина не имеет ничего общего с размером звезды. Этот термин имеет историческое происхождение и характеризует только блеск звезды. Самые яркие звезды имеют нулевую и даже отрицательную звездную величину. Например, такие звезды, как Вега и Капелла, имеют примерно нулевую величину, а самая яркая звезда нашего неба - Сириус - минус 1.5.

Галактика - огромная вращающаяся звездная система.

Периастр - точка максимального сближения обеих звезд двойной системы.

Спектрограмма - постоянная регистрация спектра, получаемая фотографически или в цифровой форме при помощи электронного детектора.

Эффективная температура - мера выделения энергии объектом (в частности, звездой), определенная как температура абсолютно черного тела, имеющего такую же полную светимость, что и наблюдаемый объект. Эффективная температура является одной из физических характеристик звезды. Поскольку спектр нормальной звезды подобен спектру абсолютно черного тела, эффективная температура является хорошим показателем температуры ее фотосферы.

Малое Магелланово Облако (ММО) - один из спутников нашей Галактики.

Парсек - единица расстояния, используемая в профессиональной астрономии. Она определяется как расстояние, на котором объект имел бы годичный параллакс, равный одной дуговой секунде. Один парсек эквивалентен 3,0857 * 10 13 км, 3,2616 световых лет или 206265 а.е.

Параллакс - изменение относительного положения объекта при рассмотрении его с разных точек зрения.

Шаровое звездное скопление - плотное скопление сотен тысяч или даже миллионов звезд, форма которого близка к сферической.

Звездный интерферометр Майкельсона - cерия интерферометрических приборов, построенных A.A. Майкельсоном (1852-1931) для измерения диаметров звезд, которые не могут быть измерены непосредственно с помощью наземных телескопов.

Прямое восхождение (RA) - одна из координат, используемых в экваториальной системе для определения положения объектов на небесной сфере. Представляет собой эквивалент долготы на Земле, но измеряется в часах, минутах и секундах времени в восточном направлении от нулевой точки, в качестве которой принято пересечение небесного экватора и эклиптики, известное как первая точка Овна. Один час прямого восхождения эквивалентен 15 дуговым градусам; это кажущийся угол, который из-за вращения Земли небесная сфера проходит за один час звездного времени.

Пульсирующий (Р) звездообразный (S) (источник) радиоизлучения (R).

Склонение (DEC) - одна из координат, определяющая положение на небесной сфере в экваториальной системе координат. Склонение - эквивалент широты на Земле. Это угловое расстояние, измеряемое в градусах, к северу или югу от небесного экватора. Северное склонение положительно, а южное - отрицательно.

Полость Роша - область пространства в системах двойных звезд, ограниченная поверхностью в форме "песочных часов", на которой лежат точки, где силы гравитации обоих компонентов, действующие на небольшие частицы вещества, равны между собой.

Точки Лагранжа - точки в орбитальной плоскости двух массивных объектов, вращающихся вокруг общего центра тяжести, где частица с пренебрежимо малой массой может оставаться в равновесном положении, т.е. неподвижной. Для двух тел, находящихся на круговых орбитах, имеется пять таких точек, но три из них неустойчивы к малым возмущениям. Две оставшиеся, расположенные на орбите менее массивного тела на угловом расстоянии в 60° по обе стороны от него, устойчивы.

Прецессия - равномерное периодическое движение оси вращения свободно вращающегося тела, когда на него действует вращающий момент, возникающий из-за внешних гравитационных влияний.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

События в области астрономии с древнейших времён и до наших дней. Классификация звёзд, их основные характеристики: масса, светимость, размер, химический состав. Зависимость между звёздными параметрами, диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, эволюция звезды.

курсовая работа , добавлен 12.03.2010


Из чего состоят звезды? Основные звездные характеристики. Светимость и расстояние до звезд. Спектры звезд. Температура и масса звезд. Откуда берется тепловая энергия звезды? Эволюция звезд. Химический состав звезд. Прогноз эволюции Солнца.

контрольная работа , добавлен 23.04.2007


Эволюция взглядов о рождении звёзд. Из чего образуются звёзды? Жизнь черного облака. Облако становится звёздой. сновные звездные характеристики. Светимость и расстояние до звёзд. Спектры звёзд и их химический состав. Температура и масса.

курсовая работа , добавлен 05.12.2002


Карта звездного неба. Ближайшие звезды. Ярчайшие звезды. Крупнейшие звезды нашей Галактики. Спектральная классификация. Звездные ассоциации. Эволюция звезд. Диаграммы Герцшпрунга – Рессела шаровых скоплений.

реферат , добавлен 31.01.2003


Происхождение звезд, их движение, светимость, цвет, температура и состав. Скопление звезд, звезды-гиганты, белые и нейтронные карлики. Расстояние от нас до звезд, их возраст, способы определения астрономических расстояний, фазы и этапы эволюции звезды.

реферат , добавлен 08.06.2010


Жизненный путь звезды и ее основные характеристики и разнообразие. Изобретение мощных астрономических приборов. Классификация звезд по физическим характеристикам. Двойные и переменные звезды и их отличия. Диаграмма спектр-светимости Герцшпрунга-Рассела.

реферат , добавлен 18.02.2010


Состав межзвёздного пространства Вселенной. Жизненный путь звезды: возникновение в космическом пространстве, типы звёзд по цвету и температуре. Белые карлики и чёрные дыры, сверхновые образования как эволюционные формы существования звёзд в галактике.

презентация , добавлен 25.05.2015


Температура поверхности нашего желтого Солнца. Спектральные классы звезд. Процесс зарождения звезды. Уплотнение до начала Главной последовательности. Превращение ядра водорода в ядро гелия. Образование сверхновой и нейтронной звезды. Граница черной дыры.

реферат , добавлен 02.09.2013


Понятие светимости, ее особенности, история и методика изучения, современное состояние. Определение степени светимости звезд. Сильные и слабые по светимости звезды, критерии их оценивания. Спектр звезды и его определение с помощью теории ионизации газов.

реферат , добавлен 12.04.2009


Звёзды - небесные тела, которые, подобно нашему Солнцу, светятся изнутри. Строение звезд, его зависимость от массы. Сжатие звезды, которое приводит к повышению температуры в ее ядре. Срок жизни звезды, ее эволюция. Ядерные реакции горения водорода.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Белый карлик, самый горячий из известных, и планетарная туманность NGC 2440, 07.05.2006г Физическая природа звёзд

2 слайд

Описание слайда:

Спектр λ = 380 ∻ 470 нм – фиолетовый, синий; λ = 470 ∻ 500 нм – сине-зеленый; λ = 500 ∻ 560 нм – зеленый; λ = 560 ∻ 590 нм – желто-оранжевый λ = 590 ∻ 760 нм –красный. Распределение цветов в спектре =К О Ж З Г С Ф Запомнить, например: Как Однажды Жак Звонарь Городской Сломал Фонарь. В 1859г Г.Р.Кирхгоф (1824-1887, Германия) и Р.В.Бунзен (1811-1899, Германия) открыли спектральный анализ: газы поглощают те же длины волн, которые излучают в нагретом состоянии. У звезд на фоне сплошных спектров наблюдаются темные (фраунгоферовы) линии – это спектры поглощения. В 1665г Исаак Ньютон (1643-1727) получил спектры солнечного излучения и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света. В 1814г Йозеф фон ФРАУНГОФЕР (1787-1826, Германия) обнаружил, обозначил и к 1817г подробно описал 754 линии в солнечном спектре (названы его именем), создав в 1814г прибор для наблюдения спектров - спектроскоп. Спектроскоп Кирхгофа-Бунзена

3 слайд

Описание слайда:

Спектры звезд Спектры звезд – это их паспорт с описанием всех звездных закономерностей. По спектру звезды можно узнать ее светимость, расстояние до звезды, температуру, Изучение звездных спектров – это фундамент современной астрофизики. Спектрограмма рассеянного скопления «Гиады». Уильям ХЕГГИНС (1824-1910, Англия) астроном, первым применив спектрограф, начал спектроскопию звезд. В 1863г показал, что спектры Солнца и звезд имеют много общего и что их наблюдаемое излучение испускается горячим веществом и проходит через вышележащие слои более холодных поглощающих газов. Комбинированный спектр излучения звезды. Сверху «естественное» (видимое в спектроскопе), снизу - зависимость интенсивности от длины волны. размер, химический состав ее атмосферы, скорость вращения вокруг оси, особенности движения вокруг общего центра тяжести.

4 слайд

Описание слайда:

Химический состав Химический состав определяется по спектру (интенсивности фраунгоферовых линий), зависящего также от температуры, давления и плотности фотосферы, наличием магнитного поля. Звезды состоят из тех же химических элементов, которые известны на Земле, но в основном из водорода и гелия (95-98% массы) и других ионизированных атомов, а у холодных звезд в атмосфере присутствуют нейтральные атомы и даже молекулы. По мере повышения температуры состав частиц, способных существовать в атмосфере звезды, упрощается. Спектральный анализ звёзд классов О, B, A (Т от 50 000 до 10 0000С) показывает в их атмосферах линии ионизированных водорода, гелия и ионы металлов, в классе К (50000С) обнаруживаются уже радикалы, а в классе М (38000С) - молекулы оксидов. Химический состав звезды отражает влияние факторов: природы межзвездной среды и тех ядерных реакций, которые развиваются в звезде в течение ее жизни. Начальный состав звезды близок к составу межзвездной материи из которой возникла звезда. Остатки сверхновой NGC 6995 - это горячий светящийся газ, образовавшийся после взрыва звезды 20-30 тысяч лет назад. Подобные взрывы активно обогащали пространство тяжелыми элементами из которых впоследствии образовывались планеты и звезды следующего поколения

5 слайд

Описание слайда:

Цвет звезд В 1903-1907гг. Эйнар Герцшпрунг (1873-1967, Дания) первым определяет цвета сотен ярких звезд. Звезды имеют самые разные цвета. У Арктура желто-оранжевый оттенок, Ригель бело-голубой, Антарес ярко-красный. Доминирующий цвет в спектре звезды зависит от температуры ее поверхности. Газовая оболочка звезды ведет себя почти как идеальный излучатель (абсолютно черное тело) и вполне подчиняется классическим законам излучения М.Планка (1858–1947), Й.Стефана (1835–1893) и В.Вина (1864–1928), связывающим температуру тела и характер его излучения. Закон Планка описывает распределение энергии в спектре тела и указывает, что с ростом температуры повышается полный поток излучения, а максимум в спектре сдвигается в сторону коротких волн. Во время наблюдений звездного неба могли заметить, что цвет (свойство света вызывать определенное зрительное ощущение) звезд различен. Цвет и спектр звезд связан с их температурой. Свет разных длин волн возбуждает разные цветовые ощущения. Глаз чувствителен к длине волны, несущей максимальную энергию λмах=b/T (закон Вина, 1896г). Подобно драгоценным камням звезды рассеянного скопления NGC 290 переливаются различными красками. Фото КТ им. Хаббла, апрель 2006г.

6 слайд

Описание слайда:

Температура звезд Температура звезд непосредственно связана с цветом и спектром. Первое измерение температуры звезд произведено в 1909г германским астрономом Юлиус Шейнер (1858-1913), проведя абсолютную фотометрию 109 звезд. Температура определяется по спектрам с помощью закона Вина λmax.Т=b, где b=0,289782.107Å.К - постоянная Вина. Бетельгейзе (снимок телескопа им.Хаббла). В таких холодных звездах с Т=3000К преобладают излучения в красной области спектра. В спектрах таких звезд много линий металлов и молекул. Большинство звезд имеют температуры 2500К <Т< 50000К Звезда HD 93129A (созв. Корма) самая горячая – Т= 220000 К! Самые холодные - Гранатовая звезда (m Цефея), Мира (o Кита) – Т= 2300К e Возничего А - 1600 К.

7 слайд

Описание слайда:

Спектральная классификация В 1866г Анжело Секки (1818-1878, Италия) дал первую спектральную классическую звезд по цвету: Белые, Желтоватые, Красные. Гарвардская спектральная классификация впервые была представлена в Каталоге звездных спектров Генри Дрэпера (1837-1882, США), подготовленного под руководством Э.Пикеринга (1846–1919) к 1884г. Все спектры были расставлены по интенсивности линий (позже в температурной последовательности) и обозначены буквами в алфавитном порядке от горячих к холодным звездам: O B A F G K M. К 1924г окончательно была установлена Энной Кэннон (1863-1941, США) и издана каталогом в 9 томов на 225330 звезд- каталог HD.

8 слайд

Описание слайда:

Современная спектральная классификация Наиболее точную спектральную классификацию представляет система МК, созданная У.Морганом и Ф.Кинаном в Йеркской обсерватории в 1943г, где спектры расставлены как по температуре, так и по светимости звезд. Были дополнительно введены классы светимости, отмеченные римскими цифрами: Ia, Ib, II, III, IV, V и VI, соответственно указывающие на размеры звезд. Дополнительными классами R, N и S обозначены спектры, похожие на K и M, но с иным химическим составом. Между каждыми двумя классами введены подклассы, обозначенные цифрами от 0 до 9. Например, спектр типа A5 находится посередине между A0 и F0. Дополнительными буквами иногда отмечают особенности звезд: «d» – карлик, «D» – белый карлик, «p» – пекулярный (необычный) спектр. Наше Солнце относится к спектральному классу G2 V

9 слайд

Описание слайда:

10 слайд

Описание слайда:

Светимость звезд В 1856г Норман Погсон (1829-1891, Англия) устанавливает формулу для светимостей через абсолютные М звездные величины (т.е. с расстояния в 10 пк). L1/L2=2,512 М2-М1. Рассеянное скопление «Плеяды» содержит много горячих и ярких звезд, которые были сформированы в одно и то же время из газопылевого облака. Голубая дымка, сопутствующая «Плеядам», - рассеянная пыль, отражающая свет звезд. Одни звезды светят ярче, другие - слабее. Светимость– мощность излучения звезды – полная энергия, излучаемая звездой в 1 секунду. [Дж/с=Вт] Звезды излучают энергию во всем диапазоне длин волн L = 3,846.1026Вт/с Сравнивая звезду с Солнцем, получим L/L=2,512 М-М, или lgL=0,4 (M -M) Светимость звезд: 1,3.10-5L

11 слайд

Описание слайда:

Размеры звезд Определяют: 1) Непосредственным измерением углового диаметра звезды (для ярких ≥2,5m, близких звезд, >50 измерено) с помощью интерферометра Майкельсона. Впервые 3декабря 1920г измерен угловой диаметр звезды Бетельгейзе (α Ориона) = А. Майкельсон (1852-1931, США) и Ф. Пиз (1881-1938, США). 2) Через светимость звезды L=4πR2σT4 в сравнении с Солнцем. Звезды за редчайшим исключением наблюдаются как точечные источники света. Даже в самые большие телескопы нельзя увидеть их диски. По своим размерам, звезды делятся с 1953 года на: Сверхгиганты (I) Яркие гиганты (II) Гиганты (III) Субгиганты (IV) Карлики главной последовательности (V) Субкарлики (VI) Белые карлики (VII) Названия карлики, гиганты и сверхгиганты ввел Генри Рессел в 1913г, а открыл их в 1905г Эйнар Герцшпрунг, введя название "белый карлик". Размеры звезд 10 км

12 слайд

Описание слайда:

Масса звезд Одна из важнейших характеристик звезд, указывающая на ее эволюцию - определение жизненного пути звезды. Способы определения: 1. Зависимость масса-светимость L≈m3,9 2. 3-й уточненный закон Кеплера в физически двойные системах Теоретически масса звезд 0,005M

13 слайд

Описание слайда:

Близлежащие звезды Звёзды, которые нельзя увидеть невооружённым глазом, помечены серым цветом Обозначение Спектр. класс Звёздная величина Светимость Темп,K Радиус Масса Парал. Звёздная система Звезда вид. абс. Солнце G2V -26,58 4,84 1 5780 1,0 1 α Центавра Проксима M5.5Ve 11,05 15,53 0,000055 2900 0,145 0,12 0,772" Центавр A G2V -0,01 4,38 1,56 5790 1,227 0,907 0,747" Центавр B K0V 1,33 5,71 0,453 5260 0,865 1,095 Звезда Барнарда (ß Змееносца) M4.0Ve 9,54 13,22 0,000449 3200 0,161 0,166 0,547" Вольф 359 (CN Льва) M6.0V 13,53 16,55 0,000019 0,15 0,092 0,419" Лаланд 21185 (Б.Медведица) M5.5e 7,50 10,44 0,00555 3500 0,448 0,393" Сириус (α Большого Пса) Сириус A A1V -1,46 1,47 23,55 10400 1,7-1,9 2,14 0,380" Сириус B DA2 8,68 11,34 0,00207 8000 0,92 1,03 Luyten 726-8 UV Кита M5.5e 13,02 15,40 0,000042 2800 0,14 0,102 0,374" BL Кита M6.0e 12,52 15,85 0,000068 2800 0,14 0,109 Росс 154 (V1216 Стрельца) M3.5Ve 10,6 13,07 0,000417 0,24 0,171 0,337" Росс 248 (HH Андромеды) M5.5Ve 12,29 14,79 0,000108 0,17 0,121 0,316" ε Эридана K2V 3,73 6,19 0,305 5100 0,84 0,850 0,310" Лакайль 9352 (CD-36°15693) M1.5Ve 9,75 0,52 0,529 0,304" Росс 128 (FI Девы) M4.0Vn 13,51 0,00054 0,16 0,156 0,299"

Описание слайда:

Сравнительные характеристики звезд по размерам Классы звезд Массы М¤ Размеры R¤ Плотность г/см3 Светимость L¤ Время жизни, лет % общего числа звезд Ярчайшие сверхгиганты до100 103–104 <0,000001 >105 105 <0,000001 Сверхгиганты 50–100 102–103 0,000001 104–105 106 0,001 Яркие гиганты 10–100 > 100 0,00001 > 1000 107 0,01 Нормальные гиганты до 50 > 10 0,0001 > 100 107–108 0,1 - 1 Субгиганты до 10 до 10 0,001 до 100 108–109 Нормальные звезды 0,005-5 0,1-5 0,1-10 0,0001-10 109–1011 до 90 - белые до 5 3–5 0,1 10 109 - желтые 1 1 1,5 1 1010 - красные 0,005 0,1 10 0,0001 1011–1013 Белые карлики 0,01–1,5 до 0,007 103 0,0001 до 1017 до 10 Нейтронные звезды 1,5–3 (до 10) 8–15 км (до 50 км) 1013–1014 0,000001 до 1019 0,01-0,001

Урок 24

Тема урока по астрономии: Физическая природа звезд

Ход урока астрономии:

I. Новый материал

Распределение цветов в спектре =К О Ж З Г С Ф = запомнить можно например по тексту: Как однажды Жак Звонарь городской сломал фонарь.

Исаак Ньютон (1643-1727) в 1665г разложил свет в спектр и объяснил его природу.

Уильям Волластон в 1802г наблюдал темные линии в солнечном спектре, а в 1814г их независимо обнаружил и подробно описал Йозеф фон ФРАУНГОФЕР (1787-1826, Германия) (они называются линиями Фраунгофера) 754 линии в солнечном спектре. В 1814г он создал прибор для наблюдения спектров - спектроскоп.

В 1959г Г. КИРХГОФ, работая вместе с Р. БУНЗЕН с 1854г, открыли спектральный анализ, назвав спектр непрерывным и сформулировали законы спектрального анализа, что послужило основой возникновения астрофизики:

• 1. Нагретое твердое тело дает непрерывный спектр.
• 2. Раскаленный газ дает эмиссионный спектр.
• 3. Газ, помещенный перед более горячим источником, дает темные линии поглощения.

У. ХЕГГИНС первым применив спектрограф начал спектроскопию звезд. В 1863г показал, что спектры Солнца и звезд имеют много общего и что их наблюдаемое излучение испускается горячим веществом и проходит через вышележащие слои более холодных поглощающих газов.

Спектры звезд – это их паспорт с описанием всех звездных закономерностей. По спектру звезды можно узнать ее светимость, расстояние до звезды, температуру, размер, химический состав ее атмосферы, скорость вращения вокруг оси, особенности движения вокруг общего центра тяжести.

2. Цвет звезд

ЦВЕТ - свойство света вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения. Свет разных длин волн возбуждает разные цветовые ощущения:

от 380 до 470 нм имеют фиолетовый и синий цвет,

от 470 до 500 нм - сине-зеленый,

от 500 до 560 нм - зеленый,

от 560 до 590 нм - желто-оранжевый,

от 590 до 760 нм - красный.

Однако цвет сложного излучения не определяется однозначно его спектральным составом.

Глаз чувствителен к длине волны, несущей максимальную энергию?мах=b/T (закон Вина, 1896г).

В начале 20-го столетия (1903-1907гг) Эйнар Герцшпрунг (1873-1967, Дания) первым определяет цвета сотен ярких звезд.

3. Температура звезд

Непосредственно связана с цветом и спектральной классификацией. Первое измерение температуры звезд произведено в 1909г германским астрономом Ю. Шейнер. Температура определяется по спектрам с помощью закона Вина [? max.Т=b, где b=0,2897*107A.К - постоянная Вина]. Температура видимой поверхности большинства звезд составляет от 2500 К до 50000 К. Хотя например недавно открытая звезда HD 93129A в созвездии Кормы имеет температуру поверхности 220000 К! Самые холодные - Гранатовая звезда (m Цефея) и Мира (o Кита) имеют температуру 2300К, а e Возничего А - 1600 К.

4. Спектральная классификация

В 1862г Анжело Секки (1818-1878, Италия) дает первую спектральную классическую звезд по цвету, указав 4 типа: Белые, Желтоватые, Красные, Очень красные

Гарвардская спектральная классификация впервые была представлена в Каталоге звездных спектров Генри Дрэпера (1884г), подготовленного под руководством Э. Пикеринга. Буквенное обозначение спектров от горячих к холодным звездам выглядит так: O B A F G K M. Между каждыми двумя классами введены подклассы, обозначенные цифрами от 0 до 9. К 1924г классификация окончательно была установлена Энной Кэннон.

Порядок спектров можно запомнить по терминологии: = Один бритый англичанин финики жевал как морковь

Солнце – G2V (V – это классификация по светимости - т.е. последовательности). Эта цифра добавлена с 1953 года. | Таблица 13 – там указаны спектры звезд |.

5. Химический состав звезд

Определяется по спектру (интенсивности фраунгоферовых линий в спектре).Разнообразие спектров звезд объясняется прежде всего их разной температурой, кроме того вид спектра зависит от давления и плотности фотосферы, наличием магнитного поля, особенностями химического состава. Звезды состоят в основном из водорода и гелия (95-98% массы) и других ионизированных атомов, а у холодных в атмосфере присутствуют нейтральные атомы и даже молекулы.

6. Светимость звезд

7. Размеры звезд - существует несколько способов их определения:

• 1) Непосредственное измерение углового диаметра звезды (для ярких?2,5m, близких звезд, >50 измерено) с помощью интерферометра Майкельсона. Впервые измерен угловой диаметр? Ориона- Бетельгейзе 3декабря 1920г = Альберт Майкельсон и Франсис Пиз.
• 2) Через светимость звезды L=4?R2?T4в сравнении с Солнцем.
• 3) По наблюдениям затмения звезды Луной определяют угловой размер, зная расстояние до звезды.

По своим размерам, звезды делятся (название: карлики, гиганты и сверхгиганты ввел Генри Рессел в 1913г, а открыл их в 1905г Эйнар Герцшпрунг, введя название "белый карлик"), введены с 1953 года на:

• Сверхгиганты (I)
• Яркие гиганты (II)
• Гиганты (III)
• Субгиганты (IV)
• Карлики главной последовательности (V)
• Субкарлики (VI)
• Белые карлики (VII)

Размеры звезд колеблются в очень широких пределах от 104 м до 1012 м. Гранатовая звезда m Цефея имеет диаметр 1,6 млрд. км; красный сверхгигант e Возничего А имеет размеры в 2700R? - 5,7 млрд. км! Звезды Лейтена и Вольф-475 меньше Земли, а нейтронные звезды имеют размеры 10 - 15 км.

8. Масса звезд - одна из важнейших характеристик звезд, указывающая на ее эволюцию, т.е. определяет жизненный путь звезды.

Самые легкие звезды с точно измеренной массой находятся в двойных системах. В системе Ross 614 компоненты имеют массы 0,11 и 0,07 M?. В системе Wolf 424 массы компонентов составляют 0,059 и 0,051 M?. А у звезды LHS 1047 менее массивный компаньон весит всего 0,055 M?.

Обнаружены "коричневые карлики" с массами 0,04 - 0,02 M?.

Хотя массы звезд имеют меньший разброс, чем размеры, но плотности их сильно различаются. Чем больше размер звезды, тем меньше плотность. Самая маленькая плотность у сверхгигантов: Антарес (? Скорпиона) ?=6,4*10-5кг/м3, Бетельгейзе (? Ориона) ?=3,9*10-5кг/м3.Очень большие плотности имеют белые карлики: Сириус В?=1,78*108кг/м3. Но еще больше средняя плотность нейтронных звезд. Средние плотности звезд изменяются в интервале от 10-6 г/см3 до 1014 г/см3 - в 1020 раз!

Самые-самые звезды.

II. Закрепление материала:

• 1. Задача 1: Светимость Кастора (а Близнецы) в 25 раз превосходит светимость Солнца, а его температура 10400К. Во сколько раз Кастор больше Солнца?
• 2. Задача 2: Красный гигант в 300 раз превосходит Солнце по размеру и в 30 раз по массе. Какова его средняя плотность?
• 3. Используя таблицу классификации звезд (ниже) отметить, как изменяются с увеличением размера звезды ее параметры: масса, плотность, светимость, время жизни, число звезд в Галактике

Домашнее задание по астрономии: §24, вопросы стр. 139. Стр. 152 (п. 7-12), составление презентации по одной из характеристик звезд.

Федеральное агенство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Челябинский государственный педагогический университет» (ГОУ ВПО «ЧГПУ»)

РЕФЕРАТ ПО КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Тема: Физическая природа звезд

Выполнила: Рапохина Т. И.
543 группа
Проверила: Баркова В.В.

Челябинск – 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………… ………………3
Глава 1. Что такое звезда………………………………………………………4

Сущность звезд…………………………………………………………….. .4
Рождение звезд………………………………………………………………7

1.2 Эволюция звезд……………… …………………………………………… 10
1.3 Конец звезды……………………………………………………………… .14
Глава 2. Физическая природа звезд…………………………………………..24
2.1 Светимость ………………………………………………… …………….24
2.2 Температура………………………………………………… …………..…26
2.3 Спектры и химический состав звезд…………………………….…… ……27
2.4 Средние плотности звезд………………………………………………….28
2.5 Радиус звезд………………………………………………………………… .39
2.6 Масса звезд………………………………………………………………… 30
Заключение…………………………………………………… ………………..32
Список литературы………………………………… …………………………33
Приложение…………………………………………………… ………………34

ВВЕДЕНИЕ

Ничего нет более простого, чем звезда...
(А. С. Эддингтон)

Испокон веков Человек старался дать название предметам и явлениям, которые его окружали. Это относится и к небесным телам. Сначала названия получили самые яркие, хорошо видимые звёзды, с течением времени – и другие.
Открытие звёзд, видимый блеск которых со временем меняется, привело к специальным обозначениям. Они обозначаются прописными латинскими буквами, за которыми следует название созвездия в родительном падеже. Но первая переменная звезда, обнаруженная в каком-то созвездии, обозначается не буквой A. Отсчёт ведётся от буквы R. Следующая звезда обозначается буквой S и так далее. Когда все буквы алфавита исчерпаны, начинается новый круг, то есть после Z снова используется A. При этом буквы могут удваиваться, например «RR». «R Льва» означает, что это первая открытая переменная звезда в созвездии Льва.
Звезды очень интересны для меня, поэтому я решила написать реферат именно на эту тему.
Звезды - это далекие солнца, по этому, изучая природу звезд, мы будем сравнивать их физические характеристики с физическими характеристиками Солнца.

Глава 1. ЧТО ТАКОЕ ЗВЕЗДА
1.1 СУЩНОСТЬ ЗВЕЗД
При внимательном разглядывании звезда представляется светящейся точкой, иногда с расходящимися лучами. Явление лучей связано с особенностью зрения и не имеет отношения к физической природе звезды.
Любая звезда - это удаленное от нас солнце. Ближайшая из звезд - Проксима - находится в 270000 раз дальше от нас, чем Солнце. Самая яркая звезда неба Сириус в созвездии Большой Пёс, расположенная на расстоянии 8x1013км, имеет примерно такую же яркость, как и 100-ваттная электрическая лампочка на расстоянии 8 км (если не учитывать ослабление света в атмосфере). Но для того, чтобы лампочка была видна под таким же углом, под которым виден диск далёкого Сириуса, ее диаметр должен быть равен 1 мм!
При хорошей видимости и нормальном зрении над горизонтом одновременно можно увидеть около 2500 звёзд. Имеют собственные имена 275 звезд, например, Алголь, Альдебаран, Антарес, Альтаир, Арктур, Бетельгейзе, Вега, Гемма, Дубхе, Канопус (вторая по яркости звезда), Капелла, Мицар, Полярная (путеводная звезда), Регул, Ригель, Сириус, Спика, Сердце Карла, Тайгета, Фомальгаут, Шеат, Этамин, Электра и др.
Вопрос, сколько звезд в данном созвездии, лишен смысла, так как ему недостает конкретности. Для ответа необходимо знать остроту зрения наблюдателя, время, когда ведутся наблюдения (от этого зависит яркость неба), высоту созвездия (у горизонта трудно обнаружить слабую звезду из-за атмосферного ослабления света), место наблюдения (в горах атмосфера чище, прозрачнее - поэтому видно больше звезд) и т.д. В среднем на одно созвездие приходится примерно 60 звезд, наблюдаемых невооруженным глазом (у Млечного Пути и в больших созвездиях - больше всего). Например, в созвездии Лебедь можно насчитать до 150 звёзд (область Млечного Пути); а в созвездии Лев - только 70. В небольшом созвездии Треугольник видно всего 15 звезд.
Если же учитывать звезды до 100 раз более слабые, чем самые слабые звезды, ещё различимые зорким наблюдателем, то в среднем на одно созвездие будет приходится около 10000 звезд.
Звезды различаются не только по их яркости, но и по цвету. Например, Альдебаран (созвездие Телец), Антарес (Скорпион), Бетельгейзе (Орион) и Арктур (Волопас) - красные, а Вега (Лира), Регул (Лев), Спика (Дева) и Сириус (Большой Пёс) - белые и голубоватые.
Звезды мерцают. Это явление хорошо заметно у горизонта. Причина мерцания - оптическая неоднородность атмосферы. Прежде, чем попасть в глаз наблюдателя, свет звезды пересекает в атмосфере множество мелких неоднородностей. По своим оптическим свойствам они похожи на линзы, концентрирующие или рассеивающие свет. Непрерывное перемещение таких линз и является причиной мерцания.
Причину изменения цвета при мерцании поясняет рис.6, из которого видно, что синий (с) и красный (к) свет от одной и той же звезды перед тем, как попасть в глаз наблюдателя (О), проходит в атмосфере неравные пути. Это - следствие неодинакового преломления в атмосфере синего и красного света. Несогласованность колебаний яркости (вызванных разными неоднородностями) приводит к разбалансировке цветов.

Рис.6.
В отличие от общего мерцания, цветовое можно заметить только у звезд близких к горизонту.
У некоторых звезд, названных переменными звездами, изменения яркости происходят гораздо более медленно и плавно, чем при мерцании, рис. 7. Например, звезда Алголь (Дьявол) в созвездии Персей меняет свою яркость с периодом 2,867 суток. Причины “переменности” звезд многообразны. Если две звезды обращаются вокруг общего центра масс, то одна из них может периодически закрывать другую (случай Алголя). Кроме того, некоторые звезды меняют яркость в процессе пульсации. У других звезд яркость изменяется при взрывах на поверхности. Иногда взрывается вся звезда (тогда наблюдается сверхновая звезда, светимость которой в миллиарды раз превосходит солнечную).

Рис.7.
Движения звезд друг относительно друга со скоростями в десятки километров в секунду приводят к постепенному изменению звездных узоров на небе. Однако продолжительность жизни человека слишком мала, чтобы такие изменения удалось заметить при наблюдениях невооружённым глазом.

1.2 РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗД

Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу утверждения, что звезды образуются путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд из этой среды продолжается и в настоящее время. Выяснение этого обстоятельства является одним из крупнейших достижений современной астрономии. Еще сравнительно недавно считали, что все звезды образовались почти одновременно много миллиардов лет назад. Крушению этих метафизических представлений способствовал, прежде всего, прогресс наблюдательной астрономии и развитие теории строения и эволюции звезд. В результате стало ясно, что многие наблюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли тогда, когда на Земле уже был человек.
Важным аргументом в пользу вывода о том, что звезды образуются из межзвездной газово-пылевой среды, служит расположение групп заведомо молодых звезд (так называемых «ассоциаций») в спиральных ветвях Галактики. Дело в том, что согласно радиоастрономическим наблюдениям межзвездный газ концентрируется преимущественно в спиральных рукавах галактик. В частности, это имеет место и в нашей Галактике. Более того, из детальных «радио изображений» некоторых близких к нам галактик следует, что наибольшая плотность межзвездного газа наблюдается на внутренних (по отношению к центру соответствующей галактики) краях спирали, что находит естественное объяснение, на деталях которого мы здесь останавливаться не будем. Но именно в этих частях спиралей наблюдаются методами оптической астрономии «зоны Н Н», т. е. облака ионизованного межзвездного газа. Причиной ионизации таких облаков может быть только ультрафиолетовое излучение массивных горячих звезд - объектов заведомо молодых.
Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. В прошлом веке и в начале этого века предлагались различные гипотезы о природе источников энергии Солнца и звезд. Некоторые ученые, например, считали, что источником солнечной энергии является непрерывное выпадение на его поверхность метеоров, другие искали источник в непрерывном сжатии Солнца. Освобождающаяся при таком процессе потенциальная энергия могла бы, при некоторых условиях» перейти в излучение. Как мы увидим, ниже, этот источник на раннем этапе эволюции звезды может быть довольно эффективным, но он никак не может обеспечить излучение Солнца в течение требуемого времени.
Успехи ядерной физики позволили решить проблему источников звездной энергии еще в конце тридцатых годов нашего столетия. Таким источником являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при господствующей там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов градусов).
В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры, протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно "просачивается" сквозь недра звезд и в конце концов, значительно трансформированная, излучается в мировое пространство. Это исключительно мощный источник. Если предположить, что первоначально Солнце состояло только из водорода, который в результате термоядерных реакций целиком превратится в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 10 52 эрг. Таким образом, для поддержания излучения на наблюдаемом уровне в течение миллиардов лет достаточно, чтобы Солнце "израсходовало" не свыше 10% своего первоначального запаса водорода.
Теперь мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Строго говоря, этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься. Некоторые астрономы раньше считали, что такие протозвезды наблюдаются в отдельных туманностях в виде очень темных компактных образований, так называемых глобул. Успехи радиоастрономии, однако, заставили отказаться от такой довольно наивной точки зрения. Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам. Весьма вероятно, (что на этом самом раннем этапе эволюции звезды вокруг нее образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты.
При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным. Коль скоро поток излучения с единицы поверхности пропорционален четвертой степени температуры (закон Стефана - Больцмана), температура поверхностных слоев звезды сравнительно низка, между тем как ее светимость почти такая же, как у обычной звезды с той же массой. Поэтому на диаграмме "спектр -светимость" такие звезды расположатся вправо от главной последовательности, т. е. попадут в область красных гигантов или красных карликов, в зависимости от значений их первоначальных масс.
В дальнейшем протозвезда продолжает сжиматься. Ее разморы становятся меньше, а поверхностная температура растет вследствие чего спектр становится все более ранним. Таким образом, двигаясь по диаграмме "спектр - светимость", протозвезда довольно быстро "сядет" на главную последовательность. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для тою, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давление газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение и газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой.

Великолепные колонны, состоящие главным образом из газообразного водорода и пыли дают начало новорождённым звёздам внутри туманности Орла.

Фото: NASA, ESA, STcI, J Hester and P Scowen (Arizon State University)

1.3 ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Чтобы пройти самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше - несколько сот миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезды обнаружить трудно. Все же звезды в такой стадии, по-видимому, наблюдаются. Мы имеем в виду очень интересные звезды типа Т Тельца, обычно погруженные в темные туманности.
В 5966 г. совершенно неожиданно выявилась возможность наблюдать протозвезды на ранних стадиях их эволюции. Велико же было удивление радиоастрономов, когда при обзоре неба на волне 18 см, соответствующей радиолинии ОН, были обнаружены яркие, чрезвычайно компактные (т. е. имеющие малые угловые размеры) источники. Это было настолько неожиданно, что первое время отказывались даже верить, что столь яркие радиолинии могут принадлежать молекуле гидроксила. Была высказана гипотеза, что эти линии принадлежат какой-то неизвестной субстанции, которой сразу же дали "подходящее" имя "мистериум". Однако "мистериум" очень скоро разделил судьбу своих оптических "братьев" - "небулия" и "короння". Дело в том, что многие десятилетия яркие линии туманностей и солнечной короны не поддавались отождествлению с какими бы то ни было известными спектральными линиями. Поэтому их приписывали неким, неизвестным на земле, гипотетическим элементам - "небулию" и "коронию". В 1939-1941 гг. было убедительно показано, что загадочные линии "корония" принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция.
Если для "развенчания" "небулия" и "корония" потребовались десятилетия, то уже через несколько недель после открытия стало ясно, что линии "мистериума" принадлежат обыкновенному гидроксилу, но только находящемуся в необыкновенных условиях.
Итак, источники "мистериума" - это гигантские, природные космические мазеры, работающие на волне линии гидроксила, длина которой 18 см. Именно в мазерах (а на оптических и инфракрасных частотах - в лазерах) достигается огромная яркость в линии, причем спектральная ширина ее мала. Как известно, усиление излучения в линиях благодаря такому эффекту возможно тогда, когда среда, в которой распространяется излучение, каким-либо способом "активирована". Это означает, что некоторый "сторонний" источник энергии (так называемая "накачка") делает концентрацию атомов или молекул на исходном (верхнем) уровне аномально высокой. Без постоянно действующей "накачки" мазер или лазер невозможны. Вопрос о природе механизма "накачки" космических мазеров, пока еде окончательно не решен. Однако скорее всего "накачкой" служит достаточно мощное инфракрасное излучение. Другим возможным механизмом «накачки» могут быть некоторые химические реакции.
Механизм "накачки" этих мазеров пока еще не совсем ясен, все же можно составить себе грубое представление о физических условиях в облаках, излучающих мазерным механизмом линию 18 см. Прежде всего, оказывается, что эти облака довольно плотны: в кубическом сантиметре там имеется по крайней мере 10 8 -10 9 частиц, причем существенная (а может быть и большая) часть их - молекулы. Температура вряд ли превышает две тысячи градусов, скорее всего она порядка 1000 градусов. Эти свойства резко отличны от свойств даже самых плотных облаков межзвездного газа. Учитывая еще сравнительно небольшие размеры облаков, мы невольно приходим к выводу, что они скорее напоминают протяженные, довольно холодные атмосферы звезд - сверхгигантов. Очень похоже, что эти облака есть не что иное, как ранняя стадия развития протозвезд, следующая сразу за их конденсацией из межзвездной среды. В пользу этого утверждения (которое автор этой книги высказал еще в 1966 г.) говорят и другие факты. В туманностях, где наблюдаются космические мазеры, видны молодые горячие звезды. Следовательно, там недавно закончился и, скорее всего, продолжается и в настоящее время, процесс звездообразования. Пожалуй, самое любопытное это то, что, как показывают радиоастрономические наблюдения, космические мазеры этого типа как бы "погружены" в небольшие, очень плотные облака ионизованного водорода. В этих облаках имеется много космической пыли, что делает их ненаблюдаемыми в оптическом диапазоне. Такие "коконы" ионизуются молодой, горячей звездой, находящейся внутри них. При исследовании процессов звездообразования весьма полезной оказалась инфракрасная астрономия. Ведь для инфракрасных лучей межзвездное поглощение света не так существенно.
Мы можем теперь представить следующую картину: из облака межзвездной среды, путем его конденсации, образуются несколько сгустков разной массы, эволюционирующих в протозвезды. Скорость эволюции различна: для более массивных сгустков она будет больше. Поэтому раньше всего превратится в горячую звезду наиболее массивный сгусток, между тем как остальные будут более или менее долго задерживаться на стадии протозвезды. Их-то мы и наблюдаем как источники мазерного излучения в непосредственной близости от "новорожденной" горячей звезды, ионизующей не сконденсировавший в сгустки водород "кокона". Разумеется, эта грубая схема будет в дальнейшем уточняться, причем, конечно, в нее будут внесены существенные изменения. Но факт остается фактом: неожиданно оказалось, что некоторое время (скорее всего - сравнительно короткое) новорожденные протозвезды, образно выражаясь, "кричат" о своем появлении на свет, пользуясь новейшими методами квантовой радиофизики (т. е. мазерами).
Оказавшись на главной последовательности и перестав сжигаться, звезда длительно излучает практически не меняя своего положения на диаграмме "спектр - светимость". Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет собой как бы геометрическое место точек на диаграмме "спектр - светимость", где звезда (в зависимости от ее массы) может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям. Место звезды на главной последовательности определяется ее массой. Следует заметить, что имеется еще один параметр, определяющий положение равновесной излучающей звезды на диаграмме "спектр- светимость". Таким параметром является первоначальный химический состав звезды. Если относительное содержание тяжелых элементов уменьшится, звезда "ляжет" на диаграмме ниже. Именно этим обстоятельством объясняется наличие последовательности субкарликов. Как уже говорилось выше, относительное содержание тяжелых элементов у этих звезд в десятки раз меньше, чем у звезд главной последовательности.
Время пребывания звезды на главной последовательности определяется ее первоначальной массой. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность и она довольно быстро расходует запасы своего водородного "горючего". Так, например, звезды главной последовательности с массой, превышающей солнечную в несколько десятков раз (это горячие голубые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на этой последовательности всего лишь несколько миллионов лет, в то время как звезды с массой, близкой к солнечной, находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет.
"Выгорание" водорода (т. е. превращение его в гелий при термоядерных реакциях) происходит только в центральных областях звезды. Это объясняется тем, что звездное вещество перемешивается лишь в центральных областях звезды, где идут ядерные реакции, в то время как наружные слон сохраняют относительное содержание водорода неизменным. Так как количество водорода в центральных областях звезды ограниченно, рано или поздно (в зависимости от массы звезды) он там практически весь "выгорит". Расчеты показывают, что масса и радиус центральной ее области, в которой идут ядерные реакции, постепенно уменьшаются, при этом звезда медленно перемещается на диаграмме "спектр - светимость" вправо. Этот процесс происходит значительно быстрее у сравнительно массивных звезд.
Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре "выгорит"? Так как выделение энергии в центральных областях звезды прекращается, температура и давление не могут поддерживаться там на уровне, необходимом для противодействия силе тяготения, сжимающей звезду. Ядро звезды начнет сжиматься, а температура его будет повышаться. Образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия (в который превратился водород) с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в таком состоянии носит название "вырожденного". Он обладает рядом интересных свойств. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра, в сравнительно тонком слое. Звезда как бы "разбухает", и начнет "сходить" с главной последовательности, переходя в области красных гигантов. Далее, оказывается, что звезды гиганты с меньшим содержанием тяжелых элементов будут иметь при одинаковых размерах более высокую светимость.

Эволюция звезды класса G на примере Солнца:

1.4 КОНЕЦ ЗВЕЗДЫ
Что произойдет со звездами, когда реакция "гелий - углерод" в центральных областях исчерпает себя, так же как и водородная реакция в тонком слое, окружающем горячее плотное ядро? Какая стадия эволюции наступит вслед за стадией красного гиганта?

Белые карлики

Совокупность данных наблюдений, а также ряд теоретических соображений говорят о том, что на этом этапе эволюции звезды, масса которых меньше, чем 1,2 массы Солнца, существенную часть своей массы, образующую их наружную оболочку, "сбрасывают". Такой процесс мы наблюдаем, по-видимому, как образование так называемых "планетарных туманностей". После того как от звезды отделится со сравнительно небольшой скоростью наружная оболочка, "обнажатся" ее внутренние, очень горячие слои. При этом отделившаяся оболочка будет расширяться, все дальше и дальше отходя от звезды.
Мощное ультрафиолетовое излучение звезды - ядра планетарной туманности - будет ионизовать атомы в оболочке, возбуждая их свечение. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится в белый карлик.
Таким образом белые карлики как бы "вызревают" внутри звезд - красных гигантов - и "появляются на свет" после отделения наружных слоев гигантских звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе белые карлики, в которых весь водород "выгорел" и ядерные реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Логическим выводом отсюда является признание генетической связи между самыми поздними этапами эволюции звезд и белыми карликами.

Белые карлики с углеродной атмосферой

На расстоянии 500 световых лет от Земли в созвездии Водолея находится умирающая звезда типа Солнца. За последние несколько тысяч лет эта звезда породила туманность Улитку - хорошо изученную близкую планетарную туманность. Планетарная туманность является обычной конечной стадией эволюции для звезд этого типа. На этом изображении туманности Улитка, сделанном инфракрасной космической обсерваторией показано излучение, приходящее преимущественно от расширяющихся оболочек молекулярного водорода. Пыль, которая обычно присутствует в таких туманностях, должна интенсивно излучать также в инфракрасном диапазоне. Однако кажется, что она отсутствует в этой туманности. Причина может находиться в самой центральной звезде - белом карлике. Эта маленькая, но очень горячая звезда излучает энергию в коротковолновом ультрафиолетовом диапазоне и поэтому не видна на инфракрасном изображении. Астрономы полагают, что со временем это интенсивное ультрафиолетовое излучение могло разрушить пыль. Ожидается, что Солнце также будет проходить стадию планетарной туманности через 5 миллиардов лет.

На первый взгляд, туманность Улитка (или NGC 7293) имеет простую круглую форму. Од-нако теперь стало ясно, что эта хорошо исследованная планетарная туманность, порожденная похожей на Солнце звездой, приближающейся к концу своей жизни, обладает удивительно сложной структурой. Ее протяженные петли и похожие на кометы газопылевые сгустки были исследованы на изображениях, полученных космическим телескопом Хаббла. Однако это четкое изображение туманности Улитка было получено на телескопе с диаметром объектива всего в 16 дюймов (40.6 см), оснащенным камерой и набором широкополосных и узкополосных фильтров. На цветном составном изображении можно увидеть вызывающие интерес детали структуры, включая сине-зеленые радиальные полоски, или спицы, длиной ~1 световой год, которые делают туманность похожей на космическое колесо велосипеда. Присутствие спиц, по-видимому, свидетельствует, что сама туманность Улитка – старая, проэволюционировавшая планетарная туманность. Туманность находится на расстоянии всего в 700 световых лет от Земли в созвездии Водолея.

Черные карлики

Постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые "черные" карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд. Однако финал жизни сравнительно массивных звезд может быть значительно, более драматическим.

Нейтронные звезды

Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, на том не остановится. Гравитационные силы в этом случае очень велики, что электроны вдавливаются внутрь атомных ядер. В результате изотопы превращаются в нейтроны способные прилетать друг к другу без всяких промежутков. Плотность нейтронных звезд превосходит даже плотность белых карликов; но если масса материала не превосходит 3 солнечных масс, нейтроны, как и электроны, способны сами предотвратить дальнейшее сжатие. Типичная нейтронная звезда имеет в поперечнике всего лишь от 10 до 15 км, а один кубический сантиметр ее вещества весит около миллиарда тонн. Помимо неслыханно громадной плотности, нейтронные звезды обладают еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая на столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнитное поле. В общем, вращаются все звезды, но когда звезда сжимается, скорость ее вращения возрастает - точно так же, как фигурист на льду вращается гораздо быстрее, когда прижимает к себе руки. Нейтронная звезда совершает несколько оборотов в секунду. Наряду с этим исключительно быстрым вращением, нейтронные звезды имеют магнитное поле, в миллионы раз более сильное, чем у Земли.

Хаббл увидел одиночную нейтронную звезду в космосе.

Пульсары

Первые пульсары были открыты в 1968 г., когда радиоастрономы обнаружили регулярные сигналы, идущие к нам из четырех точек Галактики. Ученые были поражены тем фактом, что какие-то природные объекты могут излучать радиоимпульсы в таком правильном и быстром ритме. Вначале правда, ненадолго астрономы заподозрили участие неких мыслящих существ, обитающих в глубинах Галактики. Но вскоре было найдено естественное объяснение. В мощном магнитном поле нейтронной звезды движущиеся по спирали электроны генерируют радиоволны, которые излучаются узким пучком, как луч прожектора. Звезда быстро вращается, и радиолуч пересекает линию нашего наблюдения, словно маяк. Некоторые пульсары излучают не только радиоволны, но и световые, рентгеновские и гамма-лучи. Период самых медленных пульсаров около четырех секунд, а самых быстрых - тысячные доли секунды. Вращение этих нейтронных звезд было по каким-то причинам еще более ускорено; возможно, они входят в двойные системы.
Благодаря проекту распределенных вычислений Einstein@Home на 2012 год найдено 63 пульсара.

Темный пульсар

Сверхновые

Звезды, массы которых не достигают 1,4 солнечной, умирают тихо и безмятежно. А что происходит с более массивными звездами? Как возникают нейтронные звезды и черные дыры? Катастрофический взрыв, которым заканчивается жизнь массивной звезды, - это воистину впечатляющее событие. Это самое мощное из природных явлений, совершающихся в звездах. В мгновение высвобождается больше энергии, чем излучает ее наше Солнце за 10 миллиардов лет. Световой поток, посылаемый одной гибнущей звездой, эквивалентен целой галактике, а ведь видимый свет составляет лишь малую долю полной энергии. Остатки взорвавшейся звезды разлетаются прочь со скоростями до 20 000 км в секунду.
Такие грандиозные звездные взрывы называются сверхновыми. Сверхновые - довольно редкое явление. Каждый год и других галактиках обнаруживают от 20 до 30 сверхновых, главным образом в результате систематического поиска. За столетие в каждой галактике их может быть от одной до четырех. Однако в нашей собственной Галактике сверхновых не наблюдали с 1604 г. Может быть, они и были, но остались невидимыми из-за большого количества пыли в Млечном Пути.

Взрыв сверхновой звезды.

Черные дыры

ОТ звезды, имеющей массу больше, чем три солнечных, и радиус больше 8,85километра, свет уже не сможет уйти от нее в пространство. Уходящий от поверхности луч искривляется в поле силы тяжести так сильно, что возвращается обратно на поверхность. Кванты света
и т.д.................