Абсолютные звездные величины и светимость звезды

Хотя Солнце является самым ярким светилом на нашем небе, это не значит, что оно излучает больше энергии, чем другие звезды. Из курса физики известно, что освещенность, создаваемая источниками энергии, зависит от расстояния до них, так небольшая лампочка в вашей комнате может казаться гораздо ярче, чем дальний прожектор. Для определения светимости, или общей мощности излучения, астрономы вводят понятие абсолютной звездной величины М. Звездную величину, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии r ₀ =10 пк, называют абсолютной звездной величиной. Примерно на таком расстоянии (11 пк, или 36 световых лет) от нас находится звезда Арктур, она имеет видимую звездную величину, почти равную абсолютной. Солнце на расстоянии 10 пк имело бы 'вид достаточно слабой звезды пятой звездной величины, то есть абсолютная звездная величина Солнца ~5 ^m.

Абсолютная звездная величина М определяет яркость, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии в 10 пк.

Светимость звезды определяет мощность излучения звезды. За единицу светимости принимается мощность излучения Солнца 4-10 ²⁶ Вт

Светимость звезды определяет количество энергии, излучаемое звездой за единицу времени, то есть мощность излучения звезды. За единицу светимости в астрономии принимают мощность излучения Солнца 4-10 ²⁶ Вт.

Цвет и температура звезд

Температуру звезды можно определить при помощи законов излучения черного тела. Самый простой метод измерения температуры звезды заключается в определении ее цвета. Правда, невооруженным глазом можно определить только цвет ярких звезд, так как чувствительность нашего глаза к восприятию цветов при слабом освещении очень мала. Цвет слабых звезд можно определить при помощи бинокля или телескопа, которые собирают больше света, поэтому в окуляре телескопа звезды кажутся нам более яркими.

За температурой звезды разделили на 7 спектральных классов, которые обозначили буквами латинского алфавита: О, В, A, F, G, К, М.

Цвета звезд определяют 7 основных спектральных классов. Самые горячие звезды голубого цвета относятся к спектральному классу О, холодные красные звезды — к спектральному классу М. Солнце имеет температуру фотосферы +5780 К, желтый цвет и относится к спектральному классу G.

Самую высокую температуру на поверхности имеют голубые звезды спектрального класса О, которые излучают больше энергии в синей части спектра. Каждый спектральный класс делится на 10 подклассов: АО, А1..А9.

Интенсивность излучения космических тел с разной температурой. Горячие звезды излучают больше энергии в синей части спектра, холодные звезды — в красной. Планеты излучают энергию преимущественно в инфракрасной части спектра.

Обычно в спектре каждой звезды есть темные линии поглощения, которые образуются в разреженной атмосфере звезды и в атмосфере Земли и показывают химический состав этих атмосфер. Оказалось, что все звезды имеют почти одинаковый химический состав, так как основные химические элементы во Вселенной — водород и гелий, а основное отличие различных спектральных классов обусловлено температурой звездных фотосфер.

Радиусы звезд

Для определения радиуса звезды нельзя использовать геометрический метод, потому что звезды находятся настолько далеко от Земли, что даже в большие телескопы еще до недавнего времени невозможно было измерить их угловые размеры — все звезды имеют вид одинаковых светлых точек. Для определения радиуса звезды астрономы используют закон Стефана-Больцмана

Радиус звезды можно определить, измеряя ее светимость и температуру поверхности.

Оказалось, что существуют звезды, которые имеют радиус в сотни раз больший радиуса Солнца, и звезды, имеющие радиус меньший, чем радиус Земли.

Диаграмма спектр-светимость

Солнце по физическим параметрам относится к средним звездам — оно имеет среднюю температуру, среднюю светимость и т. д. По статистике, среди множества различных тел больше всего таких, которые имеют средние параметры. Например, если измерить рост и массу большого количества людей различного возраста, то больше будет людей со средними величинами этих параметров. Астрономы решили проверить, много ли в космосе таких звезд, как наше Солнце. Для этой цели Э. Герцшпрунг (1873—1967) и Г. Рессел (1877—1955) предложили диаграмму, на которой можно обозначить место каждой звезды, если известны ее температура и светимость. Ее назвали диаграмма спектр-светимость, или диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Она имеет вид графика, на котором по оси абсцисс отмечают спектральный класс или температуру звезды, а по оси ординат — светимость.

  Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. По оси абсцисс отмечена температура звезд, по оси ординат — светимость. Солнце имеет температуру 5780 К и светимость 1. Холодные звезды на диаграмме расположены справа (красного цвета), а более горячие — слева (синего цвета). Звезды, излучающие больше энергии, находятся выше Солнца, а звезды-карлики — ниже. Большинство звезд, к которым относится и Солнце, находятся в узкой полосе, которую называют главной последовательностью звезд.

Если Солнце — средняя звезда, то на диаграмме должно быть скопление точек вблизи того места, которое занимает Солнце. То есть большинство звезд должны быть желтого цвета с такой же светимостью, как Солнце. Каково же было удивление астрономов, когда оказалось, что в космосе не нашли звезды, которую можно считать копией Солнца. Большинство звезд на диаграмме оказались в узкой полосе, которую называют главной последовательностью. Диаметры звезд главной последовательности отличаются в несколько раз, а их светимость по закону Стефана-Больцмана определяется температурой поверхности. В эту полосу вошли Солнце и Сириус. Существенная разница в температуре на поверхности звезд различных спектральных классов объясняется разной массой этих светил: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Например, звезды главной последовательности спектральных классов О и В в несколько раз массивнее Солнца, а красные карлики имеют массу в десятки раз меньшую, чем солнечная.

Белые карлики — звезды, имеющие радиус в сотни раз меньший солнечного и плотность в миллионы раз большую плотности воды.

Красные карлики — звезды с массой меньшей, чем у Солнца, но большей, чем у Юпитера. Температура и светимость этих звезд остаются постоянными на протяжении десятков миллиардов лет.

Красные гиганты — звезды, имеющие температуру 3000-4000 К и радиус в десятки раз больший солнечного. Масса этих звезд ненамного больше массы Солнца. Такие звезды не находятся в состоянии равновесия.

Отдельно от главной последовательности на диаграмме находятся белые карлики и красные сверхгиганты, которые имеют примерно одинаковую массу, но значительно отличаются по размерам. Гиганты спектрального класса М имеют почти такую же массу, как белые карлики спектрального класса В, поэтому средние плотности этих звезд существенно различаются. Например, радиус красного гиганта Бетельгейзе в 400 раз больший радиуса Солнца, но масса этих звезд почти одинакова, поэтому красные гиганты спектрального класса М имеют среднюю плотность в миллионы раз меньшую, чем плотность земной атмосферы. Типичным представителем белых карликов является спутник Сириуса.

Главная загадка диаграммы спектр-светимость заключается в том, что в космосе астрономы еще не нашли хотя бы две звезды с одинаковыми физическими параметрами — массой, температурой, светимостью, радиусом. Наверное, в течение эволюции звезды меняют свои физические параметры, поэтому маловероятно, что мы сможем отыскать в космосе еще одну звезду, которая зародилась одновременно с нашим Солнцем, имея тождественные начальные параметры.

Выводы

Физические характеристики звезд: светимость, температура, радиус, плотность — существенно разнятся между собой. Между этими характеристиками существует взаимосвязь, отражающая эволюционный путь звезды. Солнце по своим параметрам относится к желтым звездам, находящимся в состоянии равновесия, и не меняющим своих размеров в течение миллиардов лет. В космосе существуют звезды-гиганты, которые в тысячи раз больше Солнца, и звезды-карлики, радиус которых меньший радиуса Земли.

Тесты

1. Какими единицами астрономы измеряют расстояние до звезд?

А. Километрами.
Б. Астрономическими единицами.
В. Параллаксами.
Г. Световыми годами.
Д. Парсеками.

1. Видимая звездная величина определяет:

А. Светимость звезды.
Б. Радиус звезды.
В. Яркость звезды.
Г. Освещенность, которую создает звезда на Земле.
Д. Температуру звезды.

1. На каком расстоянии абсолютная и видимая звездные величины имеют одинаковое значение?

А. 1 а. е.
Б. 10 а. е.
В. 1 св. год.
Г. 10 св. лет.
Д. 1 пк.
Е. 10 пк.

1. Какие из приведенных спектральных классов звезд имеют на поверхности наивысшую температуру?

А. А;
Б. В;
В. F;
Г. G;
Д. К.

1. Выберите температуру на поверхности и спектральный класс, к которому относится Солнце:

А. А +10000 К;
Б. В. +10000 К;
В. С. +6000 К;
Г. G. +6000 К;
Д. М. +3000 К.

1. Какие звезды имеют самую высокую температуру на поверхности и какому спектральному классу они принадлежат?
2. В чем состоит разница между видимой и абсолютной звездными величинами?
3. Как астрономы измеряют температуру звезд?
4. Звезды какого цвета имеют самую высокую температуру на поверхности? Наименьшую температуру?
5. Существуют ли звезды, масса которых меньше массы Земли? Радиус которых меньше радиуса Земли?

Ключевые понятия и термины:

Абсолютная звездная величина, видимая звездная величина, диаграмма спектр-светимость, парсек, северный полярный ряд, светимость звезды, спектральные классы.

 

 

Эволюция звезд

Зарождение звезд

Астрономы создали теорию эволюции звезд благодаря тому, что в космосе можно наблюдать миллиарды звезд разного возраста. Это немного похоже на то, как за несколько часов можно описать рост и развитие дерева, которое растет десятки лет, — надо только пойти в лес и изучить деревья разных возрастов. Вселенная — это своеобразный космический парк, в котором звезды рождаются, некоторое время светят, а затем погибают.