Диаграмма «цвет-светимость» (Герцшпрунга-Рассела)

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела, для наиболее известных звезд

Помните раздел о видах звезд в детской энциклопедии? Большинству известна эта картинка: ряд звезд с Солнцем посередине, увеличивающихся по размеру слева направо. Это, пусть и в упрощенном виде, диаграмма Герцшпрунга-Рассела — одна с основополагающих классификационных астрономических систем. Подобно другим популяризированным научным теориям, диаграмма ГР дала человечеству куда больше, чем просто наглядную демонстрацию классификации космических светил. С ее помощью астрономы смогли упорядочить один с центральных процессов во Вселенной — эволюцию звезд.

Путь к истине

Вывели диаграмму Герцшпрунга-Рассела в начале двадцатого века — переломный период для астрономии. Вместо описания космических объектов, протоколирования их движения и периодических явлений, астрономы задались новым вопросом — почему все происходит именно так?

Эволюция Звезд

Построение диаграммы стало результатом одним из множества логических экспериментов, проводимых в то время. Американцу Норрису Расселу и датчанину Эйнару Герцшпрунгу одновременно пришла в голову идея. Что будет, если выстроить звезды в одну систему координат, где их положение по вертикальной оси зависело бы от силы свечения, а по горизонтальной — от температуры? Если бы звезды распределились по системе равномерно, никакого открытия не было бы. Но любое отклонение от порядка показало бы закономерность в устройстве светил, объясняющая многие загадки.

Так и случилось. Если сила свечения по оси Y будет расти снизу вверх, а температура по оси X — справа налево, то звезды делятся на три четко выраженные группы — последовательности, как их именуют астрофизики:

  • Посередине, с верхнего левого в нижний правый угол, тянется Главная последовательность — ряд обычных, карликовых звезд, составляющих 90% от количества звезд во Вселенной. К ним относится и наше Солнце. Их температура прямо пропорциональна светимости — чем горячее звезда, тем ярче она горит.
  • В верхнем правом углу собрались светила, которые очень яркие, но с низкой температурой — на это указывает их красный цвет. В этой последовательности собрались звезды гиганты и сверхгиганты.
  • Ниже главной последовательности находятся звезды, нагревающиеся до голубого и белого цветов, а света излучают совсем немного. Это — белые карлики.

Разделение на последовательности не было самоцелью создания диаграммы. Выявленная закономерность между энергией и излучением звезды, связанная с протеканием внутреннего термоядерного процесса, стала иллюстрацией самой наглядной динамики во Вселенной — эволюции звезд.

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 (рис. 13.6).

Рис. 13.6. 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 (см. § 13) 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 не намного больше массы Солнца. Такие звезды не находятся в состоянии равновесия

Отдельно от главной последовательности на диаграмме находятся белые карлики (слева внизу) и красные сверхгиганты (справа сверху), 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.

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.

Внесолнечные планеты

Для человека самым «обыденным» объектом во Вселенной являются планеты. Да, многие слышали про звёзды, про туманности и сверхскопления. Но в силу высокой температуры, звёзды недоступны человечеству. Да и будущие космонавты будут иметь дело именно с планетами и их спутниками.

Естественно, все знают про 8 планет Солнечной Системы. Некоторые слышали о существовании планетоидов — карликовых планет на фронтире нашей системы. Но немногие знают, что существуют «экзопланеты» — планетарные тела, расположенные вне пределов Солнечной Системы. Как и в нашей системе, экзопланеты могут быть землеподобными и пригодными для жизни — но также они могут быть и абсолютно неприспособленными даже для простой высадки. О 8 самых известных экзопланетах мы сегодня и расскажем.

Сколько всего открыто экзопланет?

Удивительно, но до 1995 года ни один астроном не мог наверняка сказать, есть ли за пределами нашей системы экзопланеты или нет. Только наличие мощных телескопов вроде «Кеплера» и исследование Вселенной при помощи высокочастотного излучения позволили за короткий промежуток открыть около 3500 планет за пределами пояса Койпера.

Помимо уже открытых планет, примерно 5000 небесных тел ожидают официального «признания». В целом, современные учёные уверены: любая звезда меньше бело-голубого гиганта обязательно имеет несколько планет на своей орбите. Бело-голубые и голубые гиганты слишком молоды для того, чтобы вокруг них смогли сформировать планеты.

Самыми же необычными (но пока, к сожалению, необнаруженными) будут являться планеты-странники — небесные тела, которые свободно летают по Галактике, будучи «выброшенными» своими умирающими звёздами. Пока достоверных данных о наличии таких планет нет, но астрономы полагают, что такие небесные тела могут существовать.

Задания

Жизненный путь звезды

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

С момента образования, звезда в развитии не стоит на месте — и в диаграмме Герцшпрунца-Рассела это видно лучше всего. Рождение, старение и смерть светила отслеживается по диаграмме ГР четкой линией, называемой «эволюционным треком». Взяв, к примеру, трек нашего Солнца, можно выделить следующие этапы:

  • После рождения, около 90% «жизни» звезда располагается в Главной последовательности — поэтому к ней и принадлежит больше всего звезд. Срок такого стабильного существования непосредственно зависит от положения в диаграмме. Чем выше и левее звезда, тем ярче она и горячее — следовательно, в ней быстрее выгорает водород. Звезды пониже — тусклее, они могут существовать десятками миллиардов лет. Солнце тут заняло «золотую середину». Оно горит уже 5 миллиардов лет и будет гореть примерно столько же.
  • Что случится, когда водород — звездное топливо — полностью выгорит? В Солнца, как и в других небольших звезд, происходит гравитационное сжатие — коллапс. Так как энергии становится меньше, силы тяготения начинают сильнее сжимать ядро звезды. От этого загорается гелий в ядре — «пепел» от первичного горения водорода. Сила этого процесса такова, что светило расширяется в десятки раз и светится ярче. Но энергия горения гелия не превышает энергию водорода, и за счет увеличения площади, звезда остывает до красного цвета. Так Солнце превратится в красного гиганта, покинув Главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела ради высот гигантов.

    Фотография красного сверхгиганта Бетельгейзе

  • Но для звезд класса Солнца взлет вверх быстро заканчивается. Гелий заканчивается куда быстрее, чем водород — и гравитация сжимает ядро в маленькую плотную звезду, белого карлика, которой только и остается что остывать. В итоге, звезда падает вниз по диаграмме, где и остается до самого конца.
  • Звезд покрупнее ждет куда более яркая участь. Гелия в них достаточно, чтобы продолжать реакцию. После гелия термоядерную «эстафету» принимает новообразованный углерод, затем — магний. Рано или поздно звезда достигает критической массы, после которой взрывается в сверхновой. Ее энергия и свечение может быть сильнее, чем во всех звезд Вселенной одновременно. По диаграмме ГР, сверхновая находится необозримо высоко.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (цвет-светимость)

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Согласно гелиоцентрической системе Коперника с.с. состоит из горячей звезды – Солнца, которое находится в центре и планет, вращающихся вокруг Солнца. Таких планет до недавнего времени считалось девять: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Меркурий, Венера, Земля, Марс – планеты земной группы. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – планеты-гиганты. В 2006 году астрономы решили Плутон не включать в систему больших планет. Между Марсом и Юпитером простирается огромный астероидный пояс, в котором можно выделить несколько крупных астероидов, которые принято называть малыми планетами: Веста, Юнона, Церера. Такие астероиды, как Икар, имеют очень вытянутую орбиту и представляют для Земли большую опасность. Солнце относится к жёлтым карликам с температурой поверхности 6000К. Также в состав с.с. входят кометы, метеориты.

Законы Кеплера – законы движения планет солне чной системы

Расстояние от Земли до Луны 384,4 тыс км. От Земли до Солнца 150 млн км

Радиус Солнечной системы 4,5 млрд км, 40 а.е.

Расстояние от Солнца до ближайшей звезды Проксима Центавра 4, 22 свет года

Диаметр диска Галактики 100-120 тысяч свет лет

Галактики. Метагалактики.

Наша галактика называется «Млечный Путь».

1. Галактика – это звёздное образование, в состав которого входит Солнечная система, все видимые на небе звёзды, звёздные скопления, туманности. Млечный Путь действительно – это широкая светящаяся полоса на небосклоне.

Еще в 1610 году Галилео Галилей, наблюдая в телескоп Млечный Путь, установил, что он состоит из громадного числа звезды. Исходя из последующих наблюдений, ученые пришли к выводу, что все эти звезды образуют целую звездную систему, которую назвали галактикой. Итак, 1. галактика – это гравитационно связанная система, состоящая из звезд, звездных скоплений, а также из межзвездного газа и пыли. Все объекты галактики двигаются относительно общего центра масс.

Метагалактика – охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной, в которой насчитываются миллиарды звёзд. Метагалактика расширяется, о чём говорит красное смещение в спектрах галактик. Красное смещение, в соответствии с эффектом Доплера, имеют спектры удаляющихся объектов. От начала расширения Вселенной прошло 15 млрд. лет. Самые далёкие объекты Вселенной – квазары находятся от нас на расстоянии в несколько млрд. световых лет.

Галактики формировались в начальной стадии расширения Вселенной, за счёт возникновения центров гравитации.

Количество галактик в наблюдаемой Вселенной просто огромно. Несмотря на это, можно выделить три основных группы: эллиптические галактики, спиральные галактики и неправильные галактики.

Эллиптической галактикой называется галактика, имеющая форму круга или эллипса.

Спиральной галактикой называется галактика, состоящая из ядра и нескольких спиральных рукавов или ветвей..

Неправильной галактикой называется галактика, у которой нет четко выраженного ядра, и при этом у неё не обнаружена вращательная симметрия.

Некоторые активные галактики являются мощными источниками радиоизлучения. Подобные галактики стали называться радиогалактиками.

Но еще более мощными источниками радиоизлучения являются так называемые квазарыквазизвездныерадиоисточники. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимости обычных галактик. Например, ближайший к нам квазар имеет максимальную светимость, которая превосходит светимость Солнца в триллион раз. В центре квазаров, по современным представлениям, находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллиарды раз больше массы Солнца.

Максимальное расстояние, до которого можно наблюдать какие-либо небесные тела или астрономические объекты, составляет четыре гигапарсека. 1 пк = 3,26 светового года = 206265 астрономических единиц = 30,8366 триллиона километров.) Астрономическая единица — это среднее расстояние между центрами Земли и Солнца, равное большой полуоси орбиты Земли (около 150 млн. км).

Возраст Вселенной 13, 8• 109 лет.

3. Звёзды возникали в ходе эволюции галактик:

¨ сжатие холодного газопылевого облака до появления инфракрасного излучения – протозвезда;

¨ стадия сжатия до тех пор, пока силы внутреннего давления не уравновесят гравитационные силы;

¨ стационарная стадия – стадия выгорания водорода в ядре звезды и образование гелиевого ядра; выгорание водорода – термоядерный синтез – источник энергии звёзд;

¨ выгорание водорода вокруг гелиевого ядра;

¨ заключительный этап зависит от массы звезды:

если масса звезды не превышает 1 – 2 массы Солнца, то внешние слои звезды расширяются и покидают своё ядро. На месте гиганта остаётся маленький горячий белый карлик.

если масса звезды больше 2 масс Солнца, то они взрываются как новые и сверхновые звёзды, оболочка срывается и рассеивается в пространстве, а ядро, под действием центронаправленного взрыва ядра элементов распадаются на нуклоны. Ядро подвергается мощному сжатию и звезда может превратиться в нейтронную звезду или даже «чёрную дыру», могучее поле тяготения которой не выпускает за её пределы никакого излучения.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (цвет-светимость)

Карлики (главная последовательность): 0,1 Rʘ. Rʘ — радиус Солнца.

Белые карлики: 0,001 Rʘ

Гиганты: 10 Rʘ

Сверхгиганты: R = 100 Rʘ, Rʘ ≈ 6.98 *108 м, Tʘ ≈ 6000 К

Около 90 % звёзд находятся на главной последовательности. Их светимость обусловлена термоядерными реакциями превращения водорода в гелий. Выделяется также несколько ветвей проэволюционировавших звёзд — гигантов, в которых происходит горение гелия и более тяжёлых элементов. В левой нижней части диаграммы находятся полностью проэволюционировавшие белые карлики.

Ниже главной последовательности, начиная примерно от её середины, к правому нижнему углу тянется так называемая «последовательность (или ветвь) субкарликов» (на данной диаграмме не показана). Субкарлики — это старые, маломассивные, бедные тяжёлыми элементами звёзды. По современным воззрениям, они реликты времён самого начала звездообразования, дожившие до наших дней благодаря малой массе. Более массивные «звёзды-пионеры» давно уже взорвались как сверхновые и обогатили вещество Вселенной тяжёлыми элементами.

Видимая звездная величина m часто ее называют просто «звездная величина» указывает поток излучения вблизи наблюдателя, т.е. наблюдаемую яркость небесного источника

Абсолютная звёздная величина (M) для звёзд определяется как видимая звёздная величина объекта, если бы он был расположен на расстоянии 10 парсек от наблюдателя. Абсолютная звёздная величина Солнца +4,7.

Светимость в астрономии – полная энергия, излучаемая астрономическим объектом (планетой, звездой, галактикой и т. п.) в единицу времени.

4. Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной

«Теория Большого взрыва, наверное, самая популярная теория нашего времени. Теория заключается в том, что около 20 миллиардов лет назад, вместо Вселенной было лишь пустое пространство. Была лишь точка, которая взорвалась, и это стала началом Вселенной. Благодаря Большому взрыву, Вселенная начала разрастаться со скоростью света. Если описать детально, то произошел ядерный синтез, который дал начало концентрации водорода и гелия, а также лития. Температура горящего шара во Вселенной начала опускаться, и спустя 300 000 лет стала ниже температуры поверхности Солнца. Благодаря этому, электроны смогли удерживаться на орбитах атомов и производить лучи фотонов.

1Следующая ⇒


Немного истории

С диаграммой Герцшпрунга-Рассела связан небольшой курьез — как это часто случалось в науке, ее вывели двое ученых одновременно. Американец Рассел изучал долгое время закономерности развития звезд, и создал концепцию диаграммы в 1909 году — ее так и называли «диаграммой Рассела» Однако, Герцшпрунг в Дании, независимо от коллеги, вывел в точности такую же систему, и даже опубликовал плоды своего труда в 1905 году. Поскольку печать он вышел в тематическом журнале о фотографии и на немецком языке, о его первенстве мир узнал только в 1930-х годах. Тогда к названию и добавили имя Герцшпрунга.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: