Звездные спектры и температура звезды

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 7

Химический состав звезды определяют по ее спектру излучения. Средний химический состав наружных слоев звезды выглядит примерно следующим образом. На 10 000 атомов водорода приходится 1 000 атомов углерода, пять атомов кислорода, два атома азота, один атом углерода, 0.3 атома железа. Содержание других элементов еще ниже. В то же время необходимо отметить, что тяжелые элементы, занимая во Вселенной весьма скромное место, определяют характер эволюции звезд. Кроме того, вопрос возникновения жизни на Земле, существования жизни во Вселенной прямо связан с эволюцией химических элементов, их происхождением.

Важную роль в поведении звезд играют магнитные поля. В пятнах на Солнце магнитное поле достигает 4 000 Э. Это поле, которое можно получить на Земле с помощью относительно сильного электромагнита. Напряженность магнитных полей отдельных звезд достигает 10 000 Э.

Мы перечислили основные характеристики звезд. Возникает вопрос, существует ли какая-либо связь между ними? Можно ли систематизировать существующие данные о миллионах наблюдаемых звезд?

Рассчитанные по данным наблюдений светимость, температура и радиус звезды связаны друг с другом. При помощи уравнений 1 и 2 по двум из этих параметров можно рассчитать третий. Звезды, как мы видим, чрезвычайно разнообразны.

Можно было бы ожидать, что во Вселенной, содержащей миллионы и миллионы звезд, представлены любые возможные сочетания этих параметров. Это предположение можно проверить, выбрав любые два параметра для большого количества звезд и построив диаграмму, связывающую их.

В 1905 году Э. Герцшпрунг и Г. Рессел независимо друг от друга заметили, что голубые (горячие) звезды малой светимости встречаются очень редко, а красные звезды образуют две группы. В 1911 году Герцшпрунг, а в 1913 году – Рессел начали строить диаграммы, связывающие светимость звезд со спектральным классом.

Сегодня диаграмма, на которую нанесены большинство известных звезд (измерять температуры и определять спектральные классы совсем слабых звезд практически невозможно), носит название диаграммы Герцшпрунга – Рессела (рис. 2.2.2).

Звезды лежат на этой диаграмме не случайным образом, а образуют явно выраженные последовательности. Большинство звезд находится в пределах сравнительно узкой полосы, идущей от левого верхнего угла диаграммы к правому нижнему. Это так называемая «главная последовательность». В верхнем правом углу – довольно беспорядочная группировка звезд. Их спектральные классы – G, K, M. Это яркие звезды с абсолютными звездными величинами от +2 до -6 – “красные гиганты”. В левой нижней части диаграммы – небольшое количество звезд. Их абсолютные величины +10 и больше, а спектральные классы от B до F. Т.е. это горячие звезды с низкой светимостью. Но низкая светимость при высокой поверхностной температуре может быть только тогда, когда радиус звезды мал. В этой части диаграммы находятся маленькие горячие звезды – «белые карлики».

Существование главной последовательности, на которую попадает, по крайней мере, 95 % всех звезд (в том числе и Солнце), является аргументом в пользу предположения, что большинство звезд подчиняется одним и тем же законам, имеет близкий химический состав, проходит одинаковые этапы в своем развитии.

Вероятная картина эволюции звезды такова. Вследствие случайного возрастания плотности из рассеянного во Вселенной вещества формируется богатое водородом газопылевое облако. Под влиянием сил гравитационного взаимодействия это облако уплотняется, образуя газовый шар. Заметим, что шар имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме. Поэтому образование шара из облака неопределенной формы энергетически выгодно

За счет гравитационных сил шар сжимается, плотность возрастает. Вещество теряет прозрачность, но остается газом. Но растет и давление внутри шара, противодействующее силам гравитации. При адиабатическом сжатии (отсутствует возможность обмена энергией с внешней средой; это тот же процесс, вследствие которого нагревается ручной насос при быстрой подкачке шины) температура шара (это уже протозвезда) увеличивается, часть энергии излучается в пространство. На диаграмме Герцшпрунга – Рессела (рис. 2) эти объекты, имеющие низкую температуру поверхности, располагаются справа от главной последовательности. С точки зрения размеров среди таких объектов могут быть как красные карлики, так и красные гиганты («красные» – потому, что спектр их излучения сдвинут в красную сторону, что соответствует относительно низким температурам). Все зависит от исходной массы флуктуации.

В дальнейшем протозвезда под действием гравитационных сил продолжает сжиматься. Ее размеры уменьшаются, поверхностная температура растет. То есть протозвезда «приходит» на главную последовательность. В этот период температура и плотность недр звезды становятся достаточными для начала термоядерной реакции. Давление и температура внутри звезды возрастают, гравитационные силы и силы внутреннего давления становятся равными, газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой.

Чтобы пройти эту самую раннюю стадию эволюции, протозвездам необходимо сравнительно немного времени. Все зависит от начальной массы. Если масса протозвезды больше массы Солнца, для этого нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше – несколько сотен миллионов лет.

Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда в течение значительного времени излучает, не меняя положения на диаграмме «спектр-светимость» (табл. 2.2.2). Ее излучение поддерживают термоядерные реакции в центральных областях, а размер – противодействие гравитационных сил и сил внутреннего давления.

Таким образом, главная последовательность представляет собой такую область на диаграмме «спектр-светимость», где звезда может длительно и устойчивоМасса звезды определяет место и время пребывания звезды на главной последовательности. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность, и она достаточно быстро расходует запасы водорода. Так, например, звезды главной последовательности с массой, превышающую солнечную в десятки раз (горячие голубые гиганты спектрального класса O), могут устойчиво излучать, находясь на главной последовательности всего лишь несколько миллионов лет. В то же время звезды с массой, близкой к массе Солнца, находятся на главной последовательности несколько миллиардов лет – в тысячи раз дольше излучать благодаря термоядерным реакциям.

В наружных областях звезды водород не «выгорает» из-за низких значений температуры и давления. Так как количество водорода в центральных областях звезды ограничено, рано или поздно (в зависимости от массы звезды) он практически весь «выгорит». При этом процессе масса и радиус центральной области звезды уменьшаются, при этом звезда перемещается на диаграмме «спектр-светимость» вправо.

Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее центральных областях «выгорит»? Температура в центральных областях уменьшается. Уменьшается и давление ионизированного газа, противодействующее силам гравитационного сжатия. Ясно, что звезда сжимается, давление в ее центре растет. При сжатии температура центральных областей увеличивается.

То есть звезда представляет собой саморегулирующуюся систему. При этом в центральной области звезды будет уже не только водород, но и гелий (в который превратился водород при термоядерной реакции). Расчеты показывают, что термоядерная реакция будет протекать на периферии ядра, в области достаточно насыщенной водородом. При этом размеры звезды и ее светимость начнут расти. Звезда сходит с главной последовательности, переходя в область красных гигантов. То есть при сжатии ядра ее оболочка раздувается, и, несмотря на рост температуры, светимость звезды падает.

Солнце перейдет в разряд красных гигантов примерно через 8 миллиардов лет.

После того, как вследствие термоядерной реакции температура ядра красного гиганта достигнет 100–150 миллионов кельвин, а его плотность будет достаточно велика, в ядре начнется новая термоядерная реакция:

Если звезды с массой меньше 1.4 массы Солнца могут преодолеть этап эволюции от протозвезды к красному гиганту и белому карлику, то звезды, у которых масса составляет от 1.4 до 2.5 масс Солнца, не могут перейти в устойчивое состояние белого карлика. После сброса оболочки они катастрофически быстро сжимаются до размеров порядка 10 км. При этом скорость вращения должна резко возрастать (вспомните фигуриста, прижимающего руки к телу во время вращения!). Теоретические расчеты показывают, что такие звезды состоят из вещества плотностью до 1015 г/см3. Это уже «плотно упакованные» нейтроны, образующие нейтронные звезды (рис. 2).

Первоначальная температура поверхности нейтронной звезды – сотни миллионов градусов (до миллиарда). Однако звезда быстро остывает. Даже в случае высокой температуры поверхности нейтронная звезда является очень сложным объектом для наблюдения из-за малых размеров. То есть пытаться обнаружить нейтронные звезды по тепловому и электромагнитному излучению бесполезно.

Если в ядре звезды «выгорел» весь водород, то давление газа в ядре не может уравновесить гравитационные силы при массе звезды, превышающей некоторый предел (по разным оценкам от 2.5 до 10 масс Солнца).

Что может произойти с такой звездой? Она начнет сжиматься с огромной скоростью, плотность вещества начнет резко расти. Через весьма короткое время (секунды!) звезда может превратиться в сверхплотную точку, будет раздавлена своей собственной массой – гравитационный коллапс.

Возможно ли такое сжатие звезды?

Вспомним о так называемой второй космической скорости. Это скорость, которую должно иметь тело, чтобы покинуть поверхность планеты или звезды и выйти на параболическую траекторию. Для Земли вторая космическая скорость – 11.18 км/c. Для Солнца – 700 км/с. Если наше Солнце сожмется до радиуса 3 км, то вторая космическая скорость станет равной скорости света – 300 000 км/с. Тут вступают в действие законы общей теории относительности. Замедляется течение времени, из такого объекта не может выйти никаких излучений и частиц. То есть этот объект для внешнего мира будет заметен только по очень сильному гравитационному полю. Такой объект называют «гравитационной могилой» или «черной дырой».

Именно с черными дырами связаны гипотетические модели многосвязных Вселенных, гипотезы о том, что черные дыры – входы в другие миры. Возможно, что ядро нашей Галактики – черная дыра.

Что-то мы можем узнать о планетах Солнечной системы. Наличие планетных систем около иных звезд можно выявить только по особенностям движения звезды или по особенностям ее излучения.

Мы наблюдаем 8 планет Солнечной системы (рис. 2.3.1) и их спутники (табл. 2.3.1). Первая планета, открытая с помощью телескопа – Уран (1781 год, Гершель). В 1846 году по отклонению орбиты Урана было теоретически предсказано существование и найдена планета Нептун. В 1930 году по возмущениям в движении Урана была обнаружена планета Плутон. Однако в 2006 году Международный астрономический союз дал новое определение понятия «планета» в результате Плутон потерял статус настоящей планеты и стал относиться к классу малых (карликовых) планет.

Наблюдения за планетами позволили выявить следующие закономерности.

Возраст Земли около 5 миллиардов лет. Максимальный возраст у метеоритов – объектов, приходящих к нам из Солнечной системы – 7 миллиардов лет.

Таблица 2.3.1

Характеристики планет Солнечной системы

(масса и радиус Земли приняты за 1)

Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, при этом характеристики эллипсов (большая и малая полуоси) за 5–7 миллиардов лет мало изменились. В таблице 2.3.1 приведены значения эксцентриситета орбиты, характеризующего отклонение орбиты от окружности. Для окружности эксцентриситет равен нулю. Видно, у всех планет, за исключением Меркурия и Плутона орбиты весьма близки к окружности. Орбита Плутона вытянута настолько сильно, что в 1979–1999 гг. он находился ближе к Солнцу, чем Нептун. Через самую ближнюю к Солнцу точку орбиты, перигелий, Плутон прошел в 1989 году. Плоскости эллиптических орбит всех планет лежат почти в одной плоскости (плоскости эклиптики). Наибольшее отклонение плоскости орбиты от эклиптики опять же у Меркурия и Плутона. Именно такие особенности орбиту Плутона дали основание считать его крупнейшей карликовой планетой пояса Койпера.

Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и тем же направлении. Все планеты и Солнце вращаются в одном направлении вокруг своих осей. Исключение составляет Венера, которая вращается в направлении противоположном остальным планетам.

У всех планет и Солнца экватор наклонен к плоскостям орбит. У Урана ось вращения вокруг оси фактически лежит в плоскости эклиптики. Планета как бы «катится» по орбите. Знак «минус» в таблице означает, что орбита наклонена в сторону, противоположную наклонению орбиты Земли.

Орбиты большинства спутников планет круговые. Большинство спутников и кольцо Сатурна обращаются вокруг своих планет в том же направлении, в котором планеты обращаются вокруг Солнца.

В настоящее время известен ряд гипотез образования Солнечной системы, основанных на этих данных.

Одна из первых – гипотеза Канта – Лапласа. По этой гипотезе предполагается образование планет в результате эволюции холодной (И. Кант) или горячей (П. Лаплас) пылевой туманности, быстро вращающейся вокруг центра масс. Эти гипотезы, при своем резком отличии, выдвигают общее представление о возникновении Солнечной системы в результате закономерного развития пылевой туманности. В то же время эти гипотезы не удовлетворяют закону сохранения момента импульса.

Одна из современных гипотез формирования Солнечной системы, предполагает, что первоначальная масса материала, из которого образованы планеты, составляла около 1 % массы Солнца и была выброшена из него в тот момент, когда Солнце теряло вращательную устойчивость. Этот выброс с течением времени сформировался в протопланетный диск. Из него впоследствии и сконденсировались планеты. Не исключено, что планеты образовались не одновременно, а при разных выбросах вещества из Солнца. В частности, планеты – гиганты Юпитер и Сатурн образовались позже Урана, Нептуна, планет земной группы.

Наличие у звезд газопылевых оболочек подтверждается наблюдениями. Есть основания полагать, что большинство звезд класса F, еще не достигнувших главной последовательности, имеют такие оболочки. Наблюдать такие оболочки достаточно сложно. При наблюдениях за инфракрасным излучением звезд обнаружено, что тепловое излучение ряда звезд не соответствует температуре их поверхности.

Малые планеты. В 1596 великий астроном И. Кеплер предсказал существование планеты между орбитами Марса и Юпитера. В 1766 году И. Д. Тициус и в 1772 году И. Э. Боде выявили закономерность в расстояниях известных в то время планет от Солнца. Если принять расстояние от Земли до Солнца за 1, то расстояния до других планет можно найти прибавлением числа 0.4 (расстояние до Меркурия) к произведению Для Венеры n=0.

Именно этот факт послужил одним из стимулов для поиска новых планет. На расстоянии 2.8 а.е. нет никаких больших планет. Однако в 1801 году Пиацци, директор обсерватории в Палермо, на этом расстоянии обнаружил очень маленький объект и показал, что он относится к Солнечной системе. Обнаруженная малая планета названа Церерой. В 1802 году была открыта еще одна малая планета – Паллада, двигающаяся на таком же расстоянии от Солнца. Позже был обнаружен еще ряд малых планет, позволивший немецкому астроному и врачу Г. Ольберсу в 1804 году высказать гипотезу о том, что малые планеты произошли в результате разрыва на куски одной большой планеты, радиус орбиты которой некогда лежал на расстоянии 2.8 астрономической единицы от Солнца (табл. 2.3.2).

Правило Тициуса – Боде для планет Солнечной системы

Астероиды – небольшие каменные объекты, находящиеся, прежде всего, между орбитами Марса и Юпитера. Наблюдения более чем 7 000 астероидов в двух или более позициях позволили точно определить их орбиты. Астероиды меньше любой из девяти главных планет Солнечной системы. Около 30 имеют диаметр, превышающий 200 км. Церера, самая крупная малая планета, имеет диаметр около 935 км. Паллада, вторая по размеру, до 535 км. Приблизительно 250 астероидов имеют диаметр, по крайней мере, 100 км. Миллионы астероидов не больше валуна. Именно они падают на поверхность Земли в виде метеоритов.

Самые большие астероиды по форме близки к сфере. Это утверждение основывается на постоянстве их яркости (при движении тел иной формы яркость, то есть количество отраженного солнечного света, должна изменяться). Меньшие астероиды имеют широкий диапазон форм. Икар, например, является почти сферическим, диаметром только 2 км. Эрос похож на плиту размерами 10х15х30 км3.

В 1993–1994 годах космический корабль «Галилео», проходя через пояс астероидов на пути к Юпитеру, получил изображение астероида с наибольшим размером 56 км, имеющего собственный крошечный спутник размером около 1.5 км, расположенный на расстоянии 100 км. Это самый маленький известный естественный спутник в Солнечной системе.

Дополнительно

С существованием пояса астероидов связана опасность, которой подвергается Земля. Крупные астероиды могут вследствие тех или иных причин выйти из пояса астероидов и пересечь орбиту Земли, в том числе – и упасть на Землю. Сейчас известно около 600 астероидов, приближающихся к Земле, или орбиты которых пересекают орбиту Земли. Оценки показывают, что таких тел с массой более 100 кг может быть около 100 тысяч.

Оценки показывают, что астероид диаметром 1 км может столкнуться с Землей один раз за 1 миллион лет. В результате столкновения произойдет взрыв силой в несколько водородных бомб, образуется кратер диаметром около 13 км. Некоторые исследователи полагают, что исчезновение динозавров и многих других животных приблизительно 65 миллионов лет назад было вызвано падением на севере полуострова Юкатан астероида диаметром до 10 км.

Современные астрономические исследования показывают возможность существования пояса малых планет, расположенных за орбитой Нептуна – пояс Койпера. Крупнейшим объектом пояса Койпера является Плутон.

Кометы. Всякая комета состоит из твердой части (ядра) и газопылевой атмосферы. Ядро кометы имеет диаметр 1–2 км, наблюдать ядро нельзя и лишь косвенные наблюдения дают возможность оценить его массу (около миллиарда тонн). Ядро кометы – рыхлое образование, смесь сконденсировавшихся водяного пара, аммиака и метана.

Орбиты комет очень вытянутые эллипсы, периоды обращения – более 100 лет. Только четвертая часть известных комет имеет периоды менее 7 лет. И каждый год на смену старым кометам приходят новые, ранее не известные.

Существует ряд гипотез происхождения комет. По гипотезе голландского астронома Я.Х. Оорта, ядра комет – остатки того протопланетного облака, из которого когда-то возникла планетная система. Из этих областей, расположенных за орбитой Плутона, и приходят кометы – облако Оорта названное в честь астронома.

Окончательного объяснения происхождению комет на сегодня не существует.

Кометы имеют различные периоды от 3.3 года для кометы ЭНКе до 2 000 лет для кометы Донати. Всего известно более 200 комет, периодически приходящих к Солнцу.

Кометы с короткими периодами (от 3 до 9 лет) образуются в области Юпитера. Кометы с периодами в десятки лет образуются в области Нептуна. Так комета Галлея имеет период 76 лет. Известны и кометы с периодами в тысячи лет.

Кроме малых планет и астероидов в межпланетном пространстве встречаются более мелкие объекты – размером от 100 мкм и не более 10 км. Такие объекты называются метеороиды. Такой объект влетевший с огромной скоростью (10-70 км/с) в атмосферу Земли сильно разогревается из-за трения и светится становится метеором или болитом. Не долетая до поверхности Земли, он может полностью сгореть или взорваться. Летящий в атмосфере Земли и светящийся метеор получил название «падающая звезда». Известное всем явление «звездный дождь» это светящиеся и летящие в атмосфере Земли метеоры, практически все они сгорают, не долетая до ее поверхности. Если метеор все таки достигает поверхности Земли он становится метеоритом. Найденные на Земле метеориты имеют массу от нескольких граммов до десятков тонн, в последнем случае это были астероиды.

Представления о форме Земли люди имели давно. Еще в VI веке до нашей эры Пифагор утверждал, что Земля имеет форму шара и свободно и неподвижно висит в центре Вселенной. Вокруг нее движутся имеющие форму шара планеты и Солнце, окруженные небесной сферой с рассыпанными на ней звездами. Однако уже тогда Филолай впервые сформулировал предположение о том, что Земля не есть центр Вселенной.

Первые четкие доказательства шарообразности Земли сформулированы Аристотелем. Обратив внимание на форму Луны в различных фазах, Аристотель утверждал, что с Земли такую картину можно видеть только в том случае, если Луна – шар. Но если Луна шар, то из естественных соображений надо предположить, что и Земля – шар.

Второе доказательство шарообразности Земли Аристотель связывал с лунными затмениями. Справедливо полагая, что лунное затмение – это прохождение тени Земли по лунному диску, он обратил внимание на форму тени, соответствующую телу шарообразной формы.

Известно и еще одно рассуждение Аристотеля о шарообразности Земли. Путешественники, возвратившиеся с востока (имеется в виду – из Индии) и с запада (из Африки), рассказывали, что и там, и там есть слоны. Но слоны могут быть только в одной стране. Значит Земля – шар, идя на восток или на запад, мы достигаем страну, в которой живут слоны.

Современные представления о форме и размерах Земли состоят в следующем. В качестве математически удобной и достаточно близкой к реальной фигуре Земли принимается эллипсоид вращения – пространственная фигура, получаемая вращением эллипса вокруг одной из его осей (для Земли – малой оси). Именно на этот эллипсоид проецируют все измерения, выполненные на реальной Земле. Еще более близким к реальной поверхности Земли считают геоид. Это фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана, будь она свободна от всяческих возмущений (приливов, неоднородностей атмосферного давления и т.п.). Сила тяжести в любой точке перпендикулярна гипотетической поверхности геоида. Представить такую поверхность можно, продлив поверхность океана под континенты. Геоид и эллипсоид вращения, описывающие поверхность Земли, достаточно близки друг другу.

Приведем основные характеристики земного эллипсоида. Большая полуось (радиус экватора) эллипсоида – 6378160 м, малая полуось (половина расстояния между полюсами) – 6356912 м (рис. 2.2.1).Движение Земли во Вселенной достаточно сложно. Земля двигается вокруг Солнца с орбитальной скоростью около 30 км/с. При этом Земля вращается вокруг своей оси. Скорость движения точки на поверхности зависит от широты, в средних широтах она близка к 250 м/с.

Но и ось вращения Земли не является неподвижной. Из-за влияния Луны и жидких оболочек она описывает в пространстве коническую поверхность. Ось конуса перпендикулярна к плоскости эклиптики. Это движение называется прецессией. Оно знакомо каждому, кто когда-либо запускал детский волчок. Период прецессии около 24 тысяч лет. Вследствие прецессии ось вращения Земли в разные эпохи направлена на разные звезды.

Полярная – самая яркая звезда близ теперешнего северного полюса мира – не всегда будет указывать на полюс. Примерно через 12 тысяч лет вблизи полюса будет находиться звезда Вега. Ежегодно направление земной оси отклоняется на 50 угловых секунд.

Масса Земли 6*10²⁴ кг, средняя плотность – 5 500 кг/м3. Это значение существенно превышает среднюю плотность пород, образующих доступную для исследований кору Земли. То есть плотность земных недр существенно выше средней плотности.

Что на сегодняшний день известно о строении Земли? При исследовании Вселенной мы имеем один универсальный инструмент — электромагнитное излучение. Для исследований недр Земли этот инструмент непригоден. С помощью глубинного бурения достигнуты глубины около 15 км. Только с такой глубины геологи имеют образцы пород. Причем скважин такой глубины единицы.

Однако появляется новый инструмент – звук, акустические колебания.

При землетрясениях и взрывах возникают упругие волны двух типов продольные (разрежения и сжатия, звуковые волны в газе относятся к продольным волнам) и поперечные (сдвиговые, распространяющиеся только в твердых телах). Эти волны распространяются в упругой среде и могут быть зафиксированы с помощью приборов. Скорость продольных волн около 8 км/с, поперечных – 4 км/с. Чем плотнее среда, тем больше скорость распространения упругих волн, тем слабее они затухают с расстоянием.

Если бы недра Земли были однородны, то порожденные взрывом или землетрясением продольные и поперечные волны должны были бы, слегка ослабнув, дойти до любой точки поверхности Земли. Этого не происходит.

Результаты наблюдений показывают, что Земля неоднородна и состоит из слоев разной плотности, причем через внутренние слои упругие поперечные волны не проходят. То есть внутри Земли есть жидкие оболочки (рис. 2.4.2).

Современные представления о внутреннем строении Земли состоят в следующем (рис. 2.4.3).

На глубину в среднем 35 км простирается кора (под материками толщина коры до 70 км, под океанами 5 – 10 км). То есть пятнадцатикилометровая скважина – слабый укол поверхностных слоев.

На глубинах до 400 км находится верхняя мантия. На расстоянии около 2900 км от поверхности начинается нижняя мантия, а на глубине 4 000 км – внешнее ядро.

Химический состав геосфер и оболочек Земли

Оболочка, геосфера

Содержание (в весовых процентах)