Сравнение размеров звезд и планет


Физические характеристики

Во всей Вселенной существует огромное количество звёзд, поэтому тот факт, что наша Солнечная система не является единственной, неудивителен. Всего 150-200 лет назад человек имел о космическом пространстве скудные представления и ложные убеждения. Размеры Солнечной системы для него часто ограничивались возможностями телескопических устройств. Но в начале 20 века ситуация существенно изменилась. Учёным удалось получить информацию о порядке возникновения Вселенной, процессах, приведших к появлению звёзд и планет, явлениях, спровоцировавших возникновение Солнечной системы.

В итоге каждое небесное тело имело собственную особую форму и находилось на определённом месте. Одни тела превратились в спутники, другие стали самостоятельными объектами, третьи вовсе прекратили своё существование. На всё это ушло порядка 4,5 миллиардов лет. Описывая размеры Солнечной системы, можно отметить, что масса её равна 1,0014 единиц, и 99,8% этого веса приходится на Солнце. Лишь 0,2% массы распределено на другие тела – планетарные объекты, спутниковые элементы, астероиды, пыль космическая.

Размеры и модели звёзд

Обнаружение физических двойных звёзд, то есть систем близко расположенных в пространстве звёзд, связанных силами тяготения и обращающихся около общего центра масс, позволило оценить их массы, используя третий обобщённый закон Кеплера.

Однако оставался нерешённым вопрос об определении размеров звёзд. Дело в том, что все звёзды расположены так далеко от нас, что за редким исключением даже в самые мощные телескопы они видны как точки. Лишь не так давно для некоторых очень крупных звёзд удалось получить изображения их дисков. На некоторых фотографиях иногда удаётся рассмотреть и пятна.

Для близких звёзд определить их линейный радиус можно по известным угловому радиусу и расстоянию до неё (или её годичному параллаксу):

Но в большинстве случаев линейные радиусы звёзд принято выражать в радиусах Солнца. Если учесть, что 1 а. е. в радиусах Солнца равна 149,6 · 106 км : 0,696 · 106 км = 215, то получим формулу для определения линейных радиусов звёзд в радиусах Солнца:

Для примера давайте с вами определим размер ε Ориона, если её угловой диаметр равен 0,00072», а годичный параллакс —0,0024».

Мы рассмотрели самый простой способ определения размеров звёзд. Но в большинстве случаев радиусы далёких звёзд приходится рассчитывать на основе данных об их светимости и температуре. Светимость звезды определяется по той же формуле, по которой можно найти светимость нашего Солнца:

Разделим первое уравнение на второе:

И упростим его:

Теперь примем, что радиус Солнца и его светимость равны единице, и перепишем предыдущее уравнение с учётом этих условий:

Из полученного соотношения легко выразить линейный радиус звезды в линейных радиусах Солнца:

Давайте для примера рассчитаем радиус одной из самых больших из известных звёзд, если температура её фотосферы составляет порядка 3500 К, а светимость в 270 000 раз больше светимости. Солнца. Для простоты расчётов примем, что температура фотосферы Солнца равна 6000 К.

Чтобы понять, насколько она огромна, представьте, что если её разместить в центре Солнечной системы, то она закроет орбиту Сатурна. Свету, чтобы облететь один раз вокруг звезды, потребовалось бы около 8 часов. А сверхзвуковому самолёту при скорости в 4500 км/ч на это понадобилось бы около 220 лет.

Есть во Вселенной и маленькие звёзды. Так, размеры белых карликов сравнимы с размерами нашей планеты. А радиусы нейтронных звёзд достигают всего нескольких десятков километров. Например, у нейтронной звезды PSR J1614-2230, обнаруженной в 2006 году, радиус составляет всего 13 километров.

Но её масса в 1,97 раза больше массы Солнца. Давайте оценим плотность вещества этой звезды. Для простоты расчётов будем считать, что масса Солнца равна 2 ∙ 1030 килограммам.

Для сравнения средняя плотность вещества в тяжёлых атомных ядрах составляет около 2,8 ∙ 1017 кг/м3.

Расчёты средней плотности звёзд различных типов, проведённые на основе имеющихся данных об их массе и размерах, показывают, что она может значительно отличаться. Так, например, средняя плотность нашего гипергиганта из предыдущей задачи составляет всего около 10–5 кг/м3, то есть она примерно в 100 000 раз меньше плотности воздуха при нормальных условиях.

В зависимости от массы и размеров звёзды различаются по внутреннему строению, хотя все они имеют примерно одинаковый химический состав.

Итак, взглянем на диаграмму спектр — светимости. Как мы помним, в верхней части главной последовательности располагаются горячие массивные звёзды. Возьмём, к примеру, звезду, масса которой примерно в 10 раз больше массы Солнца, а светимость превышает солнечную в 3000 раз.

Расчёты показывают, что в центре такой звезды располагается конвективное ядро, размером примерно в 0,2 радиуса звезды. Оставшуюся же часть звезды занимает лучистая оболочка, где перенос энергии осуществляется посредством излучения. Такая звезда примерно на 90 % состоит из водорода и на 9 % из гелия. Согласитесь, что такая звезда устроена достаточно просто. А основным источником её энергии является углеродный цикл, в котором происходит превращение водорода в гелий под действием трёх катализаторов: углерода, азота и кислорода.

Посмотрим теперь, что представляют собой звезды, расположенные на нижней части главной последовательности.

Ну, во-первых, у этих звёзд нет конвективного ядра, но есть внешняя конвективная зона. Она начинается на расстоянии примерно в 0,65 полного радиуса звезды и продолжается практически до самой её поверхности. Источником энергии таких звёзд является известный нам протон-протонный цикл.

Переместимся в верхний правый угол диаграммы. Как мы помним, здесь располагаются очень массивные звёзды. Для примера рассмотрим гиганта, радиус которого примерно в 20 раз больше радиуса Солнца. Пусть масса гиганта лишь слегка превышает массу Солнца (1,3М

⨀), а его светимость будет больше светимости Солнца в 230 раз.

При расчётах структуры такой звезды выяснилась удивительная вещь: в центре звезды нет водорода, он весь выгорел. Там находится маленькое ядро (0,001R), почти целиком состоящее из гелия. Как следствие, в ядре таких звёзд термоядерные реакции не идут, а его температура остаётся постоянной. Поэтому ядро называется изотермическим

. Его окружает тонкий энерговыделяющий слой, в котором происходят термоядерные реакции углеродного цикла. Далее идёт слой, в котором энергия переносится излучением. Его толщина составляет примерно 1/5 радиуса звезды. А далее идут наружные слои гиганта, охваченные бурной конвекцией. Эти слои содержат около 70 % массы всей звезды. Но тогда мы приходим к удивительному выводу: маленькое ядро гиганта весит почти одну третью его часть. А чайная ложка вещества ядра весит почти тонну.

Возникает закономерный вопрос: неужели вещество ядра красного гиганта можно считать газом?

Ответ однозначен: «Да». Но газ этот особенный, и, чтобы объяснить все его свойства, мы должны рассмотреть строение белых карликов. Их светимость очень мала (иногда в тысячу раз меньше светимости Солнца). В то же время их масса сравнима с массой Солнца, а размеры — с размерами планет.

Это приводит к тому, что средняя плотность вещества белых карликов (105—109 г/см³), что почти в миллион раз выше плотности звёзд главной последовательности. Но что же это такое? Быть может, вещество белых карликов — это жидкость или твёрдое тело?

Нет. Плотность жидкости или твёрдого тела не может превышать 20 г/см3. При такой плотности атомы вещества уже предельно тесно расположены друг к другу. Из этого следует, что внутри белого карлика нет атомов! А вещество представляет собой очень плотный ионизированный газ, состоящий из атомных ядер и отдельных электронов. Такой газ называется вырожденным электронным газом

. Его давление определяется только плотностью и не зависит от температуры. Снаружи белый карлик покрыт тонкой оболочкой идеального газа.

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что в 1995 году были открыты коричневые карлики, являющиеся промежуточным звеном между звёздами и планетами. Они обладают слишком малой массой, что не обеспечивает температуры, необходимой для протекания термоядерных реакций в его недрах. Про них говорят, что они ещё не звёзды, но уже и не планеты.

Понять, как связаны между собой различные типы звёзд, как они возникают и как происходит их эволюция, оказалось возможным только на основе изучения всей совокупности звёзд, образующих огромные звёздные системы — галактики

. Но о них мы с вами поговорим в одном из следующих уроков.

Описание модели

В центре СС находится наше естественное светило – Солнце. Оно имеет непосредственное отношение к перечню 100 миллиардов звёзд, которые пребывают на космической территории галактики «Млечный путь». Оно обладает средними размерами и относится к спектральной группе G2V («Желтые карлики»). Диаметр Солнечной системы, а точнее самой звезды составляет 1 миллион 392 тысячи километров. В настоящее время наблюдается середина цикла её жизни. Внушительная масса позволяет звезде удерживать около себя 8 планет, каждая из которых представлена отдельной системой.

Границы Солнечной системы

В качестве приграничной области нашей звезды выступает пояс Койпера и облако Оорта. Эти зоны находятся на значительном отдалении, однако воздействие Солнца на них распространено. В них есть большое количество прочих объектов, оказывающих влияние на состояние СС.

  1. Облако Оорта – это сферическое пространство, расположенное вокруг СС. Дистанция между ним и звездой – от 2 световых лет. Здесь рождаются кометы, которые затем подлетают к планетам на близкое расстояние.
  2. Пояс Койпера содержит остаточный материал, который использовался в процессе формирования СС. Преимущественно он представлен небольшими частицами льда из космоса, а также облаками из аммиака, метана.

Между этими областями и глубоким космосам на внешних краях имеется чрезмерно разреженная область. Она включает в себя преимущественно газовые и ледяные остатки.

Радиус и диаметральное сечение

Определяя радиус Солнечной системы и диаметр Солнечной системы, можно прийти к выводу, что эти показатели зависят от того, на какой объект ориентируется исследователь. Ведь размер может определяться на базе самой дальней орбиты планеты или максимально отдалённого объекта.

Если сосредоточиться на планетах, стоит обратить внимание на орбитальный проход планеты Нептун. В этом случае радиус будет равняться отметке в 4,545 миллиардов километров, а диаметр – вдвое больше – 9,09 млрд. км. Если Эрида войдёт в список планет, данный показатель будет изменён.

Самое отдалённое тело, как принято считать в кругах учёных, Седня. Она располагается втрое дальне по отношению к Земле, нежели Плутон. Это расстояние составляет 143,73 млрд. км, что приводит к диаметру, равному 287,46 млрд. км. Получается, что каждый раз диаметр Солнечной системы неодинаков.

Ещё одним способом подсчёта размеров является изучение гелиосферы. Данное формирование представлено пузырём, в котором происходит столкновение ветра с межзвёздной средой. Точка, в которой ветер останавливается, называется гелиопаузой. Происходит такое явление на отдалённости, равной 90 а. е. при диаметре соответственно 180 а. е.

Сравнение размеров звезд и планет

Меркурий

— является самой маленькой планетой земной группы. Радиус Меркурия составляет 2439,7 + 1,0 км. Масса планеты 0,055 земной. Площадь 0,147 земной.
Марс
— превосходит по размерам только Меркурий. Масса планеты равна 10,7% массы Земли. Объём равен 0,15 объёма Земли.

Венера

— наиболее приближена к Земле по своим показателям. Период обращения 224,7 земных суток. Объём равен 0,857 земных. Масса-0,815 земных.

Земля

— четвёртая в списке по величине после Меркурия.

Нептун

— по массе Нептун больше Земли в 17,2 раза.

Уран

— чуть больше Нептуна.

Сатурн

— классифицируется как газовый гигант на ровне с Юпитером, Нептуном и Ураном. Радиус планеты 57316 + 7 км. Масса-5,6846 х 1026 кг.

Юпитер

— самая крупная планета в Солнечной системе. Классифицируется как газовый гигант. Радиус планеты 69173 + 7 км. Масса-1,8986 х 1027 кг.

Солнце

— единственная звезда Солнечной системы. Масса Солнца равна 99,866% от суммарной массы нашей Солнечной системы, превышает массу Земли в 333 000 раз. Диаметр Солнца равен 109 диаметрам Земли. Объём-1 303 600 объёмов Земли.

Сириус

— самая яркая звезда на ночном небе. Находится в созвездии Большого Пса. Сириус можно увидеть из любого региона Земли, кроме самых северных. Сириус находится в 8,6 световых лет от Солнечной системы. Сириус больше нашего Солнца в два раза.

Арктур

— самая яркая звезда в созвездии Волопаса. Если вы поднимите глаза в ночное небо, то второй по яркости звездой и окажется Арктур.

Альдебаран

— самая яркая звезда в созвездии Тельца. Масса-2,5 массы Солнца. Радиус-38 радиуса Солнца.

Ригель

— самая яркая звезда созвездия Орион, бело-голубой сверхгигант. Находится Ригель на расстоянии 870 световых лет от нашего Солнца. Ригель в 68 раз больше нашего Солнца, а светимость в 85 000 раз сильнее солнечной. Ригель считается одной из самых мощных звёзд в галактике. Масса-17 масс Солнца, радиус составляет 70 радиусов Солнца.

Антарес

— звезда находится в созвездии Скорпиона и считается самой яркой в данном созвездии. Красный сверхгигант. Расстояние 600 световых лет. Светимость Антареса сильнее солнечной в 10 000 раз. Масса звезды составляет 15-18 масс Солнца. Имея такой большой размер и такую маленькую массу, можно сделать вывод, что плотность звезды очень низкая.

Бетельгейзе

— красный сверхгигант в созвездии Ориона. Примерное расстояние до звезды 500-600 световых лет. Диаметр звезды превышает диаметр Солнца примерно в 1000 раз. Масса Бетельгейзе равна 20-ти массам Солнца. Яркость звезды превышает солнечную в 100 000 раз

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: