Что такое звёзды

Что такое звёзды

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.

Некоторые звёзды получили названия в соответствии с положением, которое

они занимают в созвездии. Например, находящаяся в созвездии Лебедя звезда

Денеб (слово переводится как «хвост») действительно дислоцируется в этой

части тела воображаемого лебедя. Ещё один пример. Звезда Омикрон, она

больше известна под названием Мира, что переводится с латинского как

«удивительная», находится в созвездии Кита. Мира обладает способностью

изменять свою яркость. На длительные периоды она вообще исчезает из поля

зрения, имеются в виду наблюдения невооружённым глазом. Название звезды и

объясняется её спецификой. В основном звёзды получили названия в эпоху

античности, поэтому нет ничего удивительного в том, что большинство

названий имеет латинские, греческие, а позже и арабские корни.

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.

КАК РОЖДАЕТСЯ ЗВЕЗДА.

Звёзды рождаются, когда облако, состоящее в основном из межзвёздного газа

и пыли, сжимается и уплотняется под действием собственной гравитации.

Считается, что именно этот процесс приводит к образованию звёзд. С помощью

оптических телескопов астрономы могут увидеть эти зоны, они похожи на

тёмные пятна на ярком фоне. Их называют «гигантскими комплексами

молекулярных облаков», потому что водород входит в их состав в форме

молекул. Эти комплексы, или системы, наряду с шаровыми звёздными

скоплениями, представляют собой самые крупные структуры в галактике, их

диаметр иногда достигает 1300 световых лет.

Более молодые звёзды, их называют «звёздное население I», образовались из

остатков, получившихся в результате вспышек старых звёзд, их называют

«звёздное население II». Вспышка взрывного характера вызывает ударную

волну, которая доходит до ближайшей туманности и провоцирует её сжатие.

Глобулы Бока.

Итак, происходит сжатие части туманности. Одновременно с этим процессом

начинается образование плотных тёмных газопылевых облаков круглой формы. Их

называют «глобулы Бока». Бок – американский астроном голландского

происхождения (1906-1983) – впервые описал глобулы. Масса глобул примерно в

200 раз превышает массу нашего Солнца.

По мере того как глобула Бока продолжает сгущаться, её масса

увеличивается, притягивая к себе благодаря гравитации материю из соседних

областей. В связи с тем, что внутренняя часть глобулы сгущается быстрее,

чем внешняя, глобула начинает разогреваться и вращаться. Через несколько

сотен тысяч лет, во время которых происходит сжатие, образуется

протозвезда.

Эволюция протозвезды.

Благодаря увеличению массы к центру протозвезды притягивается всё больше

материи. Энергия, высвободившаяся из сжимающегося внутри газа,

трансформируется в тепло. Давление, плотность и температура протозвезды

повышаются. Из-за повышения температуры звезда начинает светиться тёмно-

красным светом.

Протозвезда имеет очень большие размеры, и, хотя тепловая энергия

распределяется по всей её поверхности, она всё равно остаётся относительно

холодной. В ядре температура растёт и достигает нескольких миллионов

градусов по Цельсию. Вращение и круглая форма протозвезды несколько

видоизменяются, она становится более плоской. Этот процесс длится миллионы

лет.

Увидеть молодые звёзды трудно, так как они ещё окружены тёмным пылевым

облаком, из-за которого практически не виден блеск звезды. Но их можно

рассмотреть при помощи специальных инфракрасных телескопов. Горячее ядро

протозвезды окружено вращающимся диском из материи, обладающей большой

силой притяжения. Ядро настолько разогревается, что начинает выбрасывать

материю с двух полюсов, где сопротивляемость минимальна. Когда эти выбросы

сталкиваются с межзвездной средой, они замедляют движение и рассеиваются по

обеим сторонам, образуя каплевидную или аркообразную структуру, известную

под названием «объект Хербика-Харо».

Звезда или планета?

Температура протозвезды доходит до нескольких тысяч градусов. Дальнейшее

развитие событий зависит от габаритов этого небесного тела; если масса

небольшая и составляет менее 10% от массы Солнца, это значит, что нет

условий для прохождения ядерных реакций. Такая протозвезда не сможет

превратиться в настоящую звезду.

Учёные рассчитали, что для превращения сжимающегося небесного тела в

звезду его минимальная масса должна составлять не менее 0,08 от массы

нашего Солнца. Газосодержащее облако меньших размеров, сгущаясь, будет

постепенно охлаждаться и превратится в переходный объект, нечто среднее

между звездой и планетой, это так называемый «коричневый карлик».

Планета Юпитер представляет собой небесный объект слишком малых размеров,

чтобы стать звездой. Если бы он был больше, возможно, в его недрах начались

бы ядерные реакции, и он наряду с Солнцем способствовал бы появлению

системы двойных звёзд.

Ядерные реакции.

Если масса протозвезды большая, она продолжает сгущаться под действием

собственной гравитации. Давление и температура в ядре растут, температура

постепенно доходит до 10 миллионов градусов. Этого достаточно для

соединения атомов водорода и гелия.

Далее активизируется «ядерный реактор» протозвезды, и она превращается в

обычную звезду. Затем выделяется сильный ветер, который разгоняет

окружающую оболочку из пыли. После этого можно видеть свет, исходящий из

образовавшейся звезды. Эта стадия называется «фаза Т-Тельцы», она может

длиться 30 миллионов лет. Из остатков газа и пыли, окружающих звезду,

возможно образование планет.

Рождение новой звезды может вызвать ударную волну. Дойдя до туманности,

она провоцирует конденсацию новой материи, и процесс звёздообразования

продолжится посредством газопылевых облаков. Небольшие по размеру звезды

слабые и холодные, крупные же – горячие и яркие. Большую часть своего

существования звезда балансирует в стадии равновесия.

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВЁЗД.

Наблюдая за небом даже невооружённым глазом, можно сразу отметить такую

особенность звёзд, как яркость. Одни звёзды очень яркие, другие – более

слабые. Без специальных приборов в идеальных условиях видимости можно

рассмотреть около 6000 звёзд. Благодаря биноклю или телескопу наши

возможности значительно возрастают, мы можем любоваться миллионами звёзд

Млечного пути и внешних галактик.

Птолемей и «Альмагест».

Первую попытку составить каталог звёзд, основываясь на принципе степени

их светимости, предпринял эллинский астроном Гиппарх из Никеи во II веке до

н.э. Среди его многочисленных трудов фигурировал и «Звёздный каталог»,

содержащий описание 850 звёзд, классифицированных по координатам и

светимости. Данные, собранные Гиппархом, а он, кроме этого, открыл и

явление прецессии, были проработаны и получили дальнейшее развитие

благодаря Клавдию Птолемею из Александрии во II в. н.э. Он создал

фундаментальный опус «Альмагест» в тринадцати книгах. Птолемей собрал все

астрономические знания того времени, классифицировал их и изложил в

доступной и понятной форме. В «Альмагест» вошёл и «Звёздный каталог». В его

основу были положены наблюдения Гиппарха, сделанные четыре столетия назад.

Но «Звёздный каталог» Птолемея содержал примерно на тысячу звёзд больше.

Каталогом Птолемея пользовались практически везде в течение тысячелетия.

Он разделил звёзды на шесть классов по степени светимости: самые яркие были

отнесены к первому классу, менее яркие – ко второму и так далее.

К шестому классу относятся звёзды, едва различимые невооруженным глазом.

Термин «сила свечения небесных тел», используется и в настоящее время для

определения меры блеска небесных тел, причём не только звёзд, но также

туманностей, галактик и других небесных явлений.

Звёздная величина в современной науке.

В середине XIX в. английский астроном Норман Погсон усовершенствовал

метод классификации звёзд по принципу светимости, существовавший со времён

Гиппарха и Птолемея. Погсон учёл, что разница в плане светимости между

двумя классами 2,5. Погсон ввёл новую шкалу, по которой разница между

звёздами первого и шестого классов составляет 100 а.е. То есть отношение

блеска звезд первой звёздной величины составляет 100. Это отношение

соответствует интервалу в 5 звёздных величин.

Относительная и абсолютная звёздная величина.

Звёздная величина, измеренная при помощи специальных приборов,

вмонтированных в телескоп, указывает, какое количество света звезды доходит

до наблюдателя на Земле. Свет преодолевает расстояние от звезды до нас, и,

соответственно, чем дальше расположена звезда, тем более слабой она

кажется. То есть при определении звёздной величины необходимо принимать во

внимание расстояние до звезды. В данном случае речь идёт об относительной

звёздной величине. Она зависит от расстояния.

Есть звёзды очень яркие и очень слабые. Для сравнения яркости звёзд

независимо от их расстояния идо Земли было введено понятие «абсолютная

звёздная величина». Она характеризует блеск звезды на определённом

расстоянии в 10 парсек (10 парсек = 3,26 светового года). Для определения

абсолютной звёздной величины необходимо знать расстояние до звезды.

Цвет звёзд.

Следующей важной характеристикой звезды является её цвет. Рассматривая

звёзды даже невооружённым глазом, можно заметить, что не все они одинаковы.

Есть голубые, жёлтые, оранжевые, красные звёзды, а не только белые. Цвет

звёзд многое говорит астрономам, прежде всего он зависит от температуры

поверхности звезды. Красные звёзды – самые холодные, их температура

составляет примерно 2000-3000 оС. Жёлтые звёзды, как наше Солнце, имеют

среднюю температуру 5000-6000 оС. Самые горячие – белые и голубые звёзды,

их температура составляет 50000-60000 оС и выше.

Загадочные линии.

Если пропустить свет звезды через призму, мы получим так называемый

спектр, он будет пересекаться линиями. Эти линии являются своего рода

«идентификационной картой» звезды, так как по ним астрономы могут

определить химический состав поверхностных слоёв звёзд. Линии принадлежат

различным химическим элементам.

Сравнивая линии в звёздном спектре с линиями, выполненными в лабораторных

условиях, можно определить, какие химические элементы входят в состав

звёзд. В спектрах основными являются линии водорода и гелия, именно эти

элементы составляют основную часть звезды. Но встречаются и элементы группы

металлов – железо, кальций, натрий и др. В солнечном ярком спектре видны

линии почти всех химических элементов.

ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА-РЕССЕЛЛА.

Среди параметров, характеризующих звезду, существуют два самых главных –

это температуры и абсолютная звёздная величина. Температурные показатели

тесно связаны с цветом звезды, а абсолютная звёздная величина – со

спектральным классом. Имеется в виду классификация звёзд по интенсивности

линий в их спектрах. Согласно используемой в настоящее время классификации,

звёзды в соответствии с их спектрами делятся на семь основных спектральных

классов. Они обозначены латинскими буквами O, B, A, F, G, K, M. Именно в

этой последовательности температура звёзд понижается от нескольких десятков

тысяч градусов класса O до 2000-3000 градусов звёзд типа M.

Абсолютная звёздная величина, т.е. мера блеска, указывает количество

энергии, излучаемой звездой. Её можно вычислить теоретически, зная

расстояние звезды.

Выдающаяся идея.

Идея связать между собой два основных параметра звезды пришла в голову

двум учёным в 1913 году, причём они вели работы независимо друг от друга.

Речь идёт о голландском астрономе Эйнаре Герцшпрунге и американском

астрофизике Генри Норрисе Ресселле. Учёные творили на расстоянии тысяч

километров друг от друга. Они составили график, связавший воедино два

основных параметра. Горизонтальная ось отражает температуру, вертикальная –

абсолютную звёздную величину. В результате получилась диаграмма, которой

были присвоены имена двух астрономов – диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, или,

проще, диаграмма Г-Р.

Звезда – критерий.

Посмотрим, как составляется диаграмма Г-Р. Прежде всего, необходимо

выбрать звезду-критерий. Для этого подходит звезда, расстояние до которой

известно, или другая – с уже вычисленной абсолютной звёздной величиной.

Следует иметь в виду, что интенсивность светимости любого источника, будь

то свеча, лампочка или звезда, изменяется в зависимости от расстояния.

Математически это выражается так: интенсивность светимости «I» на

определённом расстоянии «d» от источника обратно пропорциональна «d2».

Практически это означает, что если расстояние увеличивается вдвое, то

интенсивность светимости уменьшается в четыре раза.

Затем следует определить температуру выбранных звёзд. Для этого надо

идентифицировать их спектральный класс, цвет и после этого определить

температуру. В настоящее время вместо спектрального типа используется

другой эквивалентный ему показатель – «индекс цвета».

Далее надо измерить звёздную величину звезды с двумя разными по длине

волнами (например, использовать два фильтра, пропускающих только синий и

жёлтый цвета). Подсчитать разницу.

Эти два параметра наносятся на одну плоскость с температурой,

понижающейся слева направо, на абсциссе. Абсолютная светимость фиксируется

на ординате, повышение отмечается снизу вверх.

Главная последовательность.

На диаграмме Г-Р звёзды располагаются вдоль диагональной линии, идущей

снизу вверх и слева направо. Эта полоса называется Главная

последовательность. Звёзды, входящие в её состав, называются звёздами

Главной последовательности. Солнце относится именно к этой группе. Это

группа жёлтых звёзд с поверхностной температурой примерно 5600 градусов.

Звёзды Главной последовательности находятся в наиболее «спокойной фазе»

своего существования. В недрах их ядер атомы водорода перемешиваются,

образуется гелий. Фаза Главной последовательности составляет 90% времени

существования звезды. Из 100 звёзд 90 находятся именно в этой фазе, хотя

распределяются по разным позициям в зависимости от температуры и

светимости.

Главная последовательность представляет собой «узкую область», это

свидетельствует о том, что звёзды с трудом сохраняют баланс между силой

притяжения, которая тянет внутрь, и силой, образующейся в результате

ядерных реакций, она тянет к внешней стороне зоны. Звезда, подобная Солнцу,

равная 5600 градусов, для поддержания баланса должна иметь абсолютную

звёздную величину порядка +4,7. Это следует из диаграммы Г-Р.

Красные гиганты и белые карлики.

Красные гиганты находятся в верхней зоне справа, расположенной с внешней

стороны Главной последовательности. Характерной чертой этих звёзд является

очень низкая температура (примерно 3000 градусов), но при этом они ярче

звёзд, имеющих идентичную температуру и расположенных в Главной

последовательности.

Естественно, возникает вопрос: если энергия, излучаемая звездой, зависит

от температуры, то почему же звёзды с одинаковой температурой имеют разную

степень светимости. Объяснение следует искать в размере звёзд. Красные

гиганты более яркие потому, что их излучающая поверхность намного больше,

чем у звёзд из Главной последовательности.

Неслучайно этот тип звёзд получил название «гиганты». Действительно, их

диаметр может превышать диаметр Солнца в 200 раз, эти звёзды могут занимать

пространство в 300 миллионов км, что вдвое больше расстояния от Земли до

Солнца! С помощью положения о влиянии размера звезды попробуем объяснить

некоторые моменты в существовании других звёзд – белых карликов. Они

расположены внизу слева в диаграмме Г-Р.

Белые карлики – очень горячие, но совсем неяркие звёзды. При одинаковой

температуре с крупными и горячими бело-голубыми звёздами Главной

последовательности белые карлики намного меньше по размерам. Это очень

плотные и компактные звёзды, они в 100 раз меньше Солнца, их диаметр

примерно такой же, как земной. Можно привести яркий пример высокой

плотности белых карликов – один кубический сантиметр материи, из которой

они состоят, должен весить около одной тонны!

Шаровые звёздные скопления.

При составлении диаграмм Г-Р шаровых звёздных скоплений, а в них

находятся в основном старые звёзды, очень сложно определить Главную

последовательность. Её следы фиксируются в основном в нижней зоне, где

концентрируются более холодные звёзды. Это связано с тем, что горячие и

яркие звёзды уже прошли стабильную фазу своего существования и перемещаются

вправо, в зону красных гигантов, а если миновали её, то в зону белых

карликов. Если бы люди были в состоянии проследить за свою жизнь все

эволюционные стадии звезды, они смогли бы увидеть, как она изменяет свои

характеристики.

Например, когда водород в ядре звезды прекращает гореть, температура во

внешнем слое звезды понижается, сам слой расширяется. Звезда выходит из

фазы Главной последовательности и направляется в правую часть диаграммы.

Это касается в первую очередь крупных по массе звёзд, наиболее ярких, -

именно этот тип эволюционирует быстрее.

С течением времени звёзды выходят из Главной последовательности. На

диаграмме фиксируется «turning point» - «поворотная точка», благодаря ней,

возможно, довольно точно вычислить возраст звёзд скоплений. Чем выше на

диаграмме находится «поворотная точка», тем моложе скопление, и,

соответственно, чем ниже на диаграмме она находится, тем старше по возрасту

звёздное скопление.

Значение диаграммы.

Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла оказывает огромную помощь в изучении

эволюции звёзд на протяжении их существования. За это время звёзды

претерпевают изменения, трансформации, в какие-то периоды они очень

глубокие. Нам уже известно, что звёзды отличаются не по собственным

характеристикам, а по типам фаз, в которых они пребывают в то или иное

время.

С помощью этой диаграммы можно вычислить расстояние до звёзд. Можно

выбрать любую звезду, находящуюся в Главной последовательности, с уже

определённой температурой и посмотреть её продвижения на диаграмме.

РАССОЯНИЕ ДО ЗВЁЗД.

Когда мы смотрим на небо невооружённым глазом, звёзды, даже самые яркие,

кажутся нам блестящими точками, расположенными на одинаковом от нас

расстоянии. Небесный свод раскинулся над нами как ковёр. Неслучайно позиции

звёзд выражены только в двух координатах (прямое восхождение и склонение),

а не в трёх, словно они расположены на поверхности, а не трёхмерном

пространстве. С помощью телескопов мы не можем получить всю информацию о

звёздах, например по фотографиям космического телескопа «Хаббл» мы не можем

точно определить, на каком расстоянии находятся звёзды.

Глубина пространства.

О том, что Вселенная имеет и третье измерение – глубину, - люди узнали

относительно недавно. Только в начале XIX века благодаря совершенствованию

астрономического оборудования и инструментов учёные смогли измерить

расстояние до некоторых звёзд. Первой была звезда 61 Лебедя. Астрономом

Ф.В. Бессель установил, что она находится на расстоянии 10 световых лет.

Бессель был одним из первых астрономов, измеривших «годичный параллакс». До

настоящего времени метод «годичного параллакса» лежит в основе измерения

расстояния до звёзд. Это чисто геометрический метод – достаточно измерить

угол и вычислить результат.

Но простота метода не всегда соответствует результативности. Из-за

большой удалённости звёзд углы очень маленькие. Их можно измерить с помощью

телескопов. Угол параллакса звезды Проксима Центавра, ближайшей из тройной

системы Альфа Центавра, маленький (0.76 точный вариант), но под таким углом

можно рассмотреть монету в сто лир на расстоянии десятка километров.

Разумеется, чем дальше расстояние, тем меньшим становится угол.

Неизбежные неточности.

Ошибки в плане определения параллакса вполне возможны, причём их число

увеличивается по мере удаления объекта. Хотя, с помощью современных

телескопов, можно измерить углы с точностью до тысячной, ошибки всё равно

будут: на расстоянии 30 световых лет они составят примерно 7%, 150 св. лет

– 35%, а 350 св. лет – до 70%. Разумеется, большие неточности делают

измерения бесполезными. Используя «метод параллакса», можно успешно

определить расстояния до нескольких тысяч звёзд, расположенных в районе

примерно 100 световых лет. Но в нашей галактике находятся более 100

миллиардов звёзд, диаметр которых составляет 100 000 световых лет!

Существует несколько вариантов метода «годичного параллакса», например

«вековой параллакс». Метод учитывает движение Солнца и всей Солнечной

системы в направлении созвездия Геракла, со скоростью 20км/сек. При таком

движении учёные имеют возможность собрать нужную базу данных для проведения

успешного расчёта параллакса. За десять лет получено информации в 40 раз

больше, чем это было возможно ранее.

Затем с помощью тригонометрических вычислений определяется расстояние до

определённой звезды.

Расстояние до звёздных скоплений.

Проще вычислить расстояние до звёздных скоплений, особенно рассеянных.

Звёзды расположены относительно близко друг от друга, поэтому, вычислив

расстояние до одной звезды, можно определить и расстояние до всего

звёздного скопления.

Кроме того, в этом случае можно использовать статистические методы,

позволяющие сократить число неточностей. Например, метод «сходящихся

точек», он часто применяется астрономами. Он основывается на том, что при

длительном наблюдении за звёздами рассеянного скопления выделяются

движущиеся к общей точке, она и называется сходящейся точкой. Измерив, углы

и радиальные скорости (то есть скорости приближения к Земле и удаления от

неё), можно определить расстояние до звёздного скопления. При использовании

этого метода возможно 15% неточностей при расстоянии в 1500 световых лет.

Он используется и при расстояниях в 15 000 световых лет, что вполне

подходит для небесных тел в нашей Галактике.

Main Sequence Fitting – установление Главной последовательности.

Страницы: 1, 2, 3