Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter7_07.html

Методика преподавания астрономии

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 6 урока
"Рождение звезд"

Цель: формирование фундаментального астрономического понятия "звезда": космический процессе звездообразования.

Задачи обучения:

Общеобразовательные: формирование фундаментальных астрономических понятий о космических объектах – звездах, звездных системах, космической среде и туманностях как объектах познания астрономии и о космических процессах образования звезд и звездных систем:

1) О космической среде как одном из основных типов космических объектов:

- о межзвездной среде как одном из классов космической среды, основных ее признаках и свойствах.

2) О туманностях как одном из основных типов космических объектов:

- об основных признаках и свойствах данного типа космических объектов и о классификации туманностей по их основным физическим характеристикам (плотности), особенностям происхождения, внутреннего строения и состава.

- об основных классах, группах и подгруппах туманностей: галактических молекулярных облаках (ГМО); диффузных газопылевых светлых и темных туманностях; глобулах; протозвездных облаках; протозвездах, и их главных характеристиках.

3) О коричневых карликах как классе космических объектов, промежуточном между звездами и планетными телами.

4) О звездных системах как одном из основных типов космических систем:

- об основных признаках и свойствах данного типа космических систем;
- об основах классификации звездных систем по уровню сложности их структуры;
- об основных классах и группах звездных систем: планетных системах; двойных и кратных звездах; звездных О- и Т-ассоциациях; рассеянных и шаровых звездных скоплениях.

5) О космических процессах формирования звезд и звездных систем при прохождением ГМО сквозь ветви галактической спирали и физике образования отдельных звезд, двойных и кратных звезд и планетных систем из вещества диффузных газопылевых туманностей.

6) О космическом явлении изменения светимости молодых звезд:

- об основных классах физических переменных звезд: цефеидах, лиридах, эруптивных переменных и т.д.
- о причинах пульсации цефеид, связи между периодом изменения блеска и светимостью цефеид и использовании этой зависимости для определения космических расстояний.

Воспитательные:

1) Формирование научного мировоззрения учащихся:

- в ходе знакомства с физической природой звезд и звездных систем, туманностей и космической среды;
- на основе раскрытия фундаментальных природных закономерностей (причинной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений и процессов, перехода количественных изменений в качественные, единства и взаимодействия противоположностей), философских положений о материальном единстве и познаваемости мира, преемственности научных знаний при изложении астрономического материала о звездах, звездных системах, туманностях, космической среде и истории их исследования;
- при изучении материала об образовании звезд и звездных систем как одного из проявлений космических космогонических процессов.

2) Атеистическое воспитание учащихся в результате опровержения мифа о "сотворении мира" (Солнечной системы, Солнца и звезд) в свете описания их образования как частных случаев соответствующих космических процессов и при объяснении причин изменений блеска физически переменных звезд.

Развивающие: формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные схемы, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, космических процессов и космических явлений, делать выводы.

 Ученики должны знать:

- признаки фундаментальных астрономических понятий "туманность", "звездная система" и "космическая среда" как отдельных типов космических объектов;
- основные характеристики межзвездной среды;
- принципы классификации и главные характеристики основных классов и групп туманностей;
- принципы классификации и главные характеристики основных классов и групп звездных систем;
- основные сведения о космических процессах формирования звезд и звездных систем, о механизме образования отдельных звезд, двойных и кратных звезд и планетных систем из вещества диффузных газопылевых туманностей.
- основные сведения о космическом явлении изменения светимости молодых звезд, основных классах физических переменных звезд: цефеидах, лиридах, эруптивных переменных; причинах пульсации цефеид и использовании зависимости "период - светимость" цефеид для определения космических расстояний.

Ученики должны уметь: анализировать и систематизировать учебный материал, использовать обобщенные планы для изучения космических объектов, космических процессов и космических явлений, составлять классификационные схемы, делать выводы.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии, схемы и рисунки звезд, звездных систем (двойных и кратных звезд, рассеянных и шаровых скоплений), темных и светлых диффузных туманностей; строения ГМО; взаимодействия ГМО и галактических рукавов; процессов звездообразования;
- диапозитивы из слайд-фильма "Иллюстрированная астрономия": "Звезды и галактики";
- диафильмы и фрагменты диафильмов: "Звезды"; "Природа звезд"; "Происхождение и развитие небесных тел";
- кинофильмы и кинофрагменты: "Двойные звезды"; "Переменные звезды"; "Вселенная".
- таблицы: "Звезды"; "Диаграмма "Цвет – светимость"; "Двойные звезды"; "Переменные звезды"; "Звездные скопления, туманности, Галактика";
- наглядные пособия и ТСО: настенная и подвижные карты звездного неба.

Задание на дом: по материалу учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: изучить §§ 24 (1), 25 (1), 26; 28 (1, 2); упр. 24 (1, 2).
- Е.П. Левитана: изучить §§ 26, 27 (1-3), 31 (2); вопросы к параграфам.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: изучить §§ 25 (1, 2), 30, 31 (1); вопросы к параграфам. 

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Актуализация астрономических знаний	Беседа	3
2	Изложение нового материала: 1) Космическая среда, ГМО и туманности 2) Космогония звезд и звездных систем. 3) Двойные и кратные звезды и звездные скопления 4) Физически переменные звезды	Лекция, беседа, рассказ учителя	25-30
3	Закрепление изученного материала.	Работа по группам, самостоятельное решение задач в тетради	10-12
4	Подведение итогов урока. Домашнее задание		3-5

 Методика проведения урока:

Необходимость изложения большого объема достаточно сложного учебного материала определяет методику проведения занятия: лекция, рассказ учителя и на отдельных участках урока – беседа.

Ученики должны усвоить, что процесс образования звезд является одним из закономерных этапов развития неживой материи. В настоящее время ученые могут наблюдать почти все стадии звездообразования в самых разных условиях и уголках Метагалактики, создавать и проверять компьютерные модели этого процесса. Процесс образования звезд подробно изучен, хотя полная его теория, ввиду сложности и многообразия, еще не создана.

Урок начинается с актуализации учебного материала: ученикам сообщается, что они приступают к изучению нового, важного материала о космическом процессе звездообразования. Можно вслед за этим сразу приступить к изложению нового материала, а можно в небольшой беседе проверить знания учеников и создать в классе рабочее настроение, вызвать у учащихся интерес к изучению процесса рождения звезд.

В начале беседы желательно спросить у школьников определение понятия "космические процессы" и (или) напомнив его, попросить перечислить известные им космические процессы (образование планетных систем и планетных тел; существование звезд, планетных систем и планетных тел). Сообщив ученикам, что образование звезд и звездных систем тесно связано с эволюцией туманностей, можно попросить учащихся вспомнить, что они знают о туманностях, дать определение этого понятия. Комментарий-уточнение (исправление) сказанного школьниками плавно перерастает в изложение нового материала.

Знакомим учеников с понятиями космической среды, галактических молекулярных облаков и туманностей:

Образование звезд неразрывно связано с процессами, протекающими в космической среде.

Космическое пространство часто по ошибке отождествляют и даже именуют "вакуум" – абсолютно пустое безвоздушное пространство. На самом деле абсолютно пустого пространства в природе не существует. Разреженная материя, заполняющая все пространство Метагалактики (Вселенной) называется космической средой. Она состоит в основном из космического газа (водорода и гелия), космической пыли и взаимодействующих с этим веществом магнитных и гравитационных полей космических тел, излучающих в пространство электромагнитные волны и космические лучи (потоки заряженных частиц). В зависимости от плотности выделяются межгалактическая, межзвездная и межпланетная среда.

Межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами в пределах галактик (Галактики) и составляет до 2 % общей массы их видимого вещества. Основные ее компоненты: 1) межзвездный разреженный газ (свыше 99 % массы) плотностью до 10^-24 кг/м³ (0,25-1 частица/см³ : водород (до 77,4 %), гелий (21 %) и другие соединения (1,6 %) при температуре от 10 до100 К; 2) межзвездная пыль (до 1 % массы) плотностью около 4× 10^-27 кг/м³: графитовые (С₂) и силикатные (SiO) частицы размерами 10^-8-10^-6 м; 3) межзвездное магнитное поле напряженностью 10^-6 - 10^-5 Гс, имеющее сложную структуру и активно взаимодействующее с межзвездным газом, изменяя характеристики его движения, и пылью (поляризуя свет); 4) космические лучи высоких энергий (10¹² - 10¹⁸ эВ), концентрирующиеся в галактическом диске; 5) электромагнитное излучение звезд и других космических объектов.

Свет звезд поглощается пылевым компонентом межзвездной среды. В соответствие с законами физики наиболее сильно рассеивается коротковолновая часть спектра электромагнитного излучения. Звезды "бледнеют" и "краснеют" с удалением от наблюдателя: в плоскости Галактики: на расстоянии 1000 пк испускаемый звездой световой поток ослабевает в 4 раза. Межзвездное поглощения света космической средой необходимо учитывать при расчетах космических расстояний, светимости и других характеристик удаленных космических объектов.

Внутри Галактики межзвездная среда распределяется весьма неравномерно: ее плотность возрастает в плоскости Галактики по направлению к центру Галактики, достигая наибольшей концентрации в спиральных ветвях (рукавах), ядре Галактики и в отдельных гигантских молекулярных облаках (ГМО) (рис. 44) размерами от 5 до 50 пк и массой до 2× 10⁵ М¤ , включающих в себя сотни более плотных сгустков - диффузных газопылевых туманностей.

Рис. 44. Строение ГМО - гигантского молекулярного облака: 1. Теплая "шуба" из молекулярного водорода толщиной до 50 пк, М = 105 М¤ , Т = 50 K; r = 102 ч/см3. 2. Диффузная оболочка (Н2, ОН, СО и т. д.): R = 10-100 пк, Т = 10 К, М = 105 - 106 М¤ ,r = 300 частиц/см3. 3. Крупномасштабные конденсации (диффузные газопылевые туманности): R = 1-10 пк, М = 104 М¤ , Т = 20 К, r = 5× 10частиц/см3. 4. Мелкие конденсации (темные газопылевые туманности): R = 1 пк, М = 102 -103 М¤ , Т = 20К, r = 104 частиц/см3. 5. Мелкие уплотнения (глобулы): R = 0,1 пк, М = 1-102 М¤ , Т = 20К, r = 105-106 частиц/см3.

Туманности - тип космических объектов: пространственно-обособленные, гравитационно-связанные скопления газопылевой материи массами от 10²⁸ до 10³⁶ кг (от 0,1 М¤ до 10⁴ М¤ ), размерами от 1 до 10 пк и средней плотностью вещества 10³ частиц/см³. Состоят из молекулярного водорода (Н₂), гидроксила (ОН, НО), угарного газа (СО), полициклических ароматических гидроуглеродов (нафталина, пирена и др.) и свыше 70 других неорганических (NO, SO, SiO, HCN, CH, H₂O, CH₃) и органических (HC₁₁N, HC₃N, муравьиной и уксусной кислоты, диметилового, этилового и других спиртов, CH₂OH, (CH₃)₂O, бензола С₆Н₆ и других соединений, образующихся на поверхности пылинок при их столкновении между собой и в результате ионизации ультрафиолетовым излучением близких звезд и космическими лучами, с увеличением концентрации сложных молекул внутри глобул.

Все современные туманности содержат пыль и газ почти в одинаковой пропорции. Условно выделяются пылевые или отражательные туманности, освещаемые близкими молодыми звездами классов В5-В9 и газовые - светлые, самосветящиеся (эмиссионные), переизлучающие излучение только что сформировавшихся молодых горячих звезд внутри туманности. На их фоне выделяются темные, поглощающие излучение, более плотные туманности размерами до 1 пк, массой 10²-10³ М¤ и средней плотностью до 10⁴ частиц/см³. Внутри них наблюдаются мелкие уплотнения, сгустки - глобулы размерами до 0,1 пк, массой 1-10 М¤ и плотностью 10⁵-10⁶ частиц/см³, в которых формируются звезды.

Формирование понятия о "массовом" звездообразовании в ГМО при их прохождении сквозь спиральные галактические рукава можно органично связать с формированием понятия о звездных системах – звездных ассоциациях и скоплениях:

В нашей Галактике и других галактиках процессы звездообразования происходят в областях с наибольшей концентрацией космической среды. 75 % звезд образуются вблизи плоскости галактического диска в спиральных рукавах Галактики, 15% в ГМО в "межрукавном" пространстве и 10 % вблизи центра Галактики. На цветных фотографиях хорошо заметно, что большинство молодых горячих звезд классов А, О и В сосредоточено в плоскости галактических дисков, в спиральных ветвях и вблизи центра галактик.

Рис. 45. Прохождение ГМО и звезд сквозь спиральные рукава

Ввиду того, что средняя плотность космического вещества в спиральных рукавах выше, чем в окружающем пространстве, они обладают увеличенным на 5-10 % гравитационным потенциалом: вблизи своих границ рукава притягивают вещество, сообщая ему дополнительное ускорение (при приближении к ним - положительное, при удалении - отрицательное) (рис. 45).

Звезды и другие массивные, плотные и сравнительно небольшие по размерам объекты проходят сквозь рукава, почти не взаимодействуя с их веществом.

Рис. 46. Формирование звезд в галактическом молекулярном облаке: 1. Рождается звезда класса О, В. 2. Излучение звезды разрушает молекулы газа и формирует ударную волну, сжимающую газ в облаке. 3. На краю облака возникает "волдырь", а волна сжатия проникает внутрь облака и способствует возникновению зародышей звезд. 4. Край облака разрывается, происходит выброс ионизированного газа  ("эффект шампанского"), конденсация в волне уплотнения сжимается, образуя новые протозвезды

Столкновение ГМО с веществом галактического рукава ведет к возникновению ударной волны, резкому росту плотности и температуры вещества на границе столкновения, распространяющейся внутрь газового облака, сжимающей его, нарушающей условия равновесия и инициирующей возникновение звезд (рис. 46).

Возникновение каждой новой звезды порождает в облаке ударную волну, сжимающую газ и способствующую возникновению новых звезд. Процесс звездообразования продолжается, пока на появление новых звезд не будет израсходована большая часть вещества облака (туманности) и плотность его не упадет ниже определенного предела.

Так образуются группы из десятков, реже - сотен и тысяч молодых звезд - звездные ассоциации размерами от 100 до 600 св. лет возрастом до 10⁶-10⁷лет. ОВ-ассоциации содержат большое число юных горячих массивных голубых, голубовато-белых и бело-голубых звезд. Т-ассоциации состоят из маломассивных звезд, еще не достигших главной последовательности и находящихся на завершающей стадии гравитационного сжатия; среди них много неправильных переменных (изменяющих свою светимость) звезд типа Т Тельца. Часть звездных ассоциаций, имеющих большие размеры и низкую пространственную плотность звезд, рассеивается в пространстве отдельными звездами; из более плотных ассоциаций с течением времени образуются не имеющие правильных очертаний рассеянные звездные скопления размерами до 20 св. лет и состоящие из десятков и сотен звезд главной последовательности - гравитационно-связанные системы звезд, перемещающиеся в пространстве как единое целое, сосредоточенные в основном вблизи плоскости Галактики.

Значительное число молодых звездных ассоциаций и рассеянных звездных скоплений объединяются в звездные комплексы размерами 500-1000 пк возрастом до 50-100 миллионов лет.

Возможно, эволюция древнейших звездных скоплений и ассоциаций привела к образованию шаровых звездных скоплений - имеющих правильную сферическую форму гравитационно-связанных систем размерами до 300 св. лет, состоящих из десятков тысяч звезд возрастом 12-14 млрд. лет. В нашей Галактике 147 шаровых звездных скоплений.

Вне спиральных рукавов "спусковым механизмом" звездообразования могут стать ударные волны при взрывах близких звезд, столкновения облаков между собой, звездный ветер близких голубых сверхгигантов и т. д.

В настоящее время некоторые ученые полагают, что многообразие физических характеристик звезд обуславливается, помимо прочего, разнообразием условий их формирования: начальной массой, химическим составом, плотностью облака, мощностью воздействия ударных волн и т. д. Новорожденные звезды индивидуальны как люди и многие их них подобно братьям и сестрам, несут "материнские" черты. На звезды как на людей накладывает свой отпечаток эпоха и место, где они родились и прожили свою жизнь.

Далее рассматривается процесс образования звезды в недрах газопылевой туманности. Степень подробности и теоретизации изложения материала определяется заинтересованностью учащихся и уровнем их физико-математической подготовки.

Формирование понятий о возникновении звезд, планетных тел и их систем может основываться на сходстве условий протекания данных космических процессов, связанных с эволюцией газовых (газопылевых) облаков - туманностей с их гравитационной и термохимической нестабильностью, приводящей к гравитационному сжатию облаков до пределов, определяемых действием сил, уравновешивающих действие сил тяготения.

В зависимости от начальной массы космических облаков возникают объекты:

- при М £ 10² - 10⁵ М¤ (10³² - 10³⁵ кг) - звездные скопления и ассоциации;
- при М £ 0,1 - 10² М¤ (10²⁹ - 10³² кг) - образуются звезды;
- при М £ 0,01 - 0,1 М¤ (10²⁷ - 10²⁹ кг) - планетные системы.

Характеристики возникающих объектов определяются другими основными характеристиками сжимающихся облаков: размерами, однородностью строения, плотностью, температурой и химическим составом, скоростью вращения, наличием магнитного поля и т.д. Неоднородность распределения вещества внутри облака ведет к его распаду на отдельные, самостоятельно сжимающиеся и сравнительно слабо связанные между собой фрагменты - компоненты космических систем. Следует обратить внимание учеников на то, что уменьшение размеров и повышении пространственной плотности звездных скоплений по сравнению с порождающими их звездными ассоциациями является следствием взаимного притяжения звезд.

Желательно ознакомить учащихся с 2-3 различными сценариями образования объектов наиболее распространенных классов космических тел и их систем, обобщая изученный материал при построении пояснительных схем.

Первый вариант соответствует простейшим условиям образования космических объектов при минимальном наборе возможных физических характеристик облака (М; R; r ; T), однородности облака и отсутствии у него вращения и магнитного поля.

Во втором варианте образования объекта в качестве дополнительного фактора выступает вращение облака вокруг своей оси.

В третьем варианте рассматривается возникновение объекта при наличии 2 - 3 дополнительных факторов (вращение облака; неоднородность облака; наличие магнитного поля и т.д.).

В классах со слабоуспевающими учениками, в классах с обычным уровнем физико-математической подготовки учеников и при недостатке учебного времени можно ограничиться качественным объяснением процессов образования космических объектов по схемам рис. 47: главное для учителя - добиться понимания школьниками условий, основных свойств и механизма образования космических объектов.

Рис. 47. Звездообразование

В физико-математических классах и на факультативных занятиях материал может излагаться более подробно и математизировано, с использованием подробных схем и моделей (с. 48-50):

В результате гравитационной неустойчивости газопылевых туманностей происходит их последовательная фрагментация (деление) на все более мелкие и плотные сгустки вещества вплоть до объектов массой 0,01 М¤ . Формирование протозвезд в недрах глобул начинается с гравитационного сжатия мелких уплотнений (темных туманностей), когда их размеры и масса становится выше критического значения:

, , где R – универсальная газовая постоянная, Т и r - температура и плотность газа, m_H - масса атома водорода; М_{кр »} 0,46-10 М¤ .

Рис. 48. Формирование звезд

Время полного гравитационного сжатия протозвездного облака t зависит от его начальной плотности и составляет: лет. Чем выше начальная плотность газа и ниже его температура, тем меньше масса протозвезды, но тем быстрее она превращается в нормальную звезду. В недрах глобул вначале формируются звезды главной последовательности, и лишь позже (если запасы газа еще не исчерпаны) звезды–гиганты спектральных классов О и В (на 1 массивную звезду приходится 200-300 нормальных звезд). Крупные Т-ассоциации со временем превращаются в ОВ-ассоциации.

Рассмотрим формирование звезд в облаке (уплотнении) массой 1 М¤ , на которое не действует внешние силы, а внутри облака действует лишь гравитация и давление газа (рис. 47).

В начале сжатия облако имеет размеры 2× 10⁶ R¤ , среднюю плотность 10^-19 г/см³ и температуру 15 К. Оно непрозрачно для видимого, но прозрачно для уносящего тепло инфракрасного излучения. Сжатия происходит изотермически. Время свободного падения частиц к центру облака - около 0,2 миллиона лет. Вскоре после начала сжатия плотность в облаке становится неоднородной, сильно увеличиваясь к центру. Через 260000 лет центральная часть становится из-за увеличившейся плотности вещества непрозрачной для теплового излучения и нагревается до 200 К. Образуется ядро массой 0,05 М¤ и радиусом 100 R¤ . Вещество облака продолжает стягиваться к центру и падает на ядро со скоростью 1 км/с.

Ядро медленно сжимается, уплотняется, разогревается до 2000 К. Начинается распад молекул водорода и ионизация атомов. Давление газа в центре ядра резко падает и оно сжимается до размеров 1R¤ . Новое ядро имеет массу около 0,001 М¤ и температуру 2× 10⁴ К. Скорость падения вещества на него достигает 100 км/с.

Плотность в центре протозвезд связана с их массой: . Чем ниже плотность, тем прозрачнее вещество для излучения: у массивных протозвезд для отвода тепла из центральных зон достаточно излучения и у горячих звезд-гигантов формируется лучистое ядро, а конвективная зона отсутствует; звезды с массами менее 3 М¤ имеют зону конвекции, увеличивающуюся с уменьшением массы звезды.

Протозвезда имеет радиус 2 R¤ с температурой в центре 2× 10⁵ К, а на поверхности 3× 10³ К. Она становится видимой в радиодиапазоне (оптическое и инфракрасное излучение полностью поглощается внешней оболочкой, разогревающейся до нескольких сотен кельвин). Излучение и потоки частиц протозвезды интенсивно тормозят и "сдувают" в пространство не успевшее упасть на ядро вещество облака, - тем сильнее, чем больше начальная масса облака. Масса звезды всегда меньше массы исходной "родительской" туманности: из облака массой 150 М¤ получается звезда массой 65 М¤ ; из облака массой 1 М¤ получается звезда массой 0,8-0,9 М¤ .

Последний этап эволюции протозвезды - медленное сжатие, пока температура в ее недрах не достигнет 6× 10⁶ К и вслед за быстрым "выгоранием" изотопов лития и бериллия начнутся термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Сжатие звезды продолжается до установления гидростатического равновесия между силами гравитационного сжатия и лучистого давления, выражаемого формулой: . Так рождаются звезды.

Чем больше их масса, тем быстрее заканчивается последнее сжатие:

Термоядерные реакции в недрах голубых гигантов начинают протекать уже через сотни тысяч лет.

Звезды солнечной массы становятся звездами главной последовательности за 50 миллионов лет; в ходе дифференциации внутреннего строения в возрасте 2 миллиона лет в их недрах формируются зоны лучистого переноса. Молодые звезды отличаются повышенной магнитной активностью: их магнитные поля отчасти захватываются из протозвездного облака, но в основном порождаются гидромагнитным динамо мощной конвективной зоны. Они замедляют изначально довольно высокую скорость вращения звезд (10-25 км/с) и взаимодействуют с веществом протопланетных дисков.

Звезды-карлики массой 0,08 М¤ "выходят на главную последовательность" за 15 миллиардов лет.

Протозвезды с массой менее 0,065 М¤ никогда не становятся настоящими звездами: давление вырожденного газа в ядре останавливает его сжатие при нагреве до Т » 2,5× 10⁶ К, задолго до значения температуры, необходимого для протекания термоядерных реакций.

Такие объекты называются коричневыми карликами. В классификации космических тел они занимают промежуточное положение между планетными телами и звездами.

Рис. 49

Выделяют 2 класса коричневых карликов. Масса L–карликов составляет 7× 10²⁸– 10²⁹ кг, температура фотосферы от 1000 К до 2200 К; в их спектрах наблюдаются линии поглощения щелочных металлов KI, NaI, RbI, CsI,а молекулярные полосы сильно ослаблены. Т-карлики обладают меньшей массой, температуры их фотосфер не превышают 1000 К; из линий поглощения щелочных металлов в спектрах видны лишь линии RbI, CsI, молекулярные полосы почти отсутствуют. В атмосферах коричневых карликов много молекулярного водорода и пыли. Максимум энергии красные карлики излучают в инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Молодые коричневые карлики имеют темно-красный цвет и похожи по внешнему виду на красные карлики, с возрастом они темнеют и становятся похожими на планеты-гиганты. Размеры коричневых карликов составляют около 150000 км и мало зависят от массы: ее увеличение ведет лишь к возрастанию средней плотности, достигающей в центре коричневых карликов 7× 10⁴ кг/см³.

"Новорожденные" звезды становятся видимыми после того, как рассеется окружавшая их газопылевая оболочка. Иногда нагреваемый газ равномерно и симметрично расширяется в пространстве вокруг звезды, но чаще, особенно у массивных звезд происходит истечение газа узкими потоками (объектами Хербига-Аро) со скоростью до 100-150 км/c: вероятно, газовые струи фокусируются протопланетными дисками (рис. 49).

При выходе звезды на главную последовательность проходящие в ее недрах процессы могут вызвать изменения некоторых основных физических характеристик звезд и обусловить их пульсации, наблюдаемые как периодическая переменность блеска.

"Идеальное" формирование звезд в ходе гравитационного сжатия протозвездного облака без влияния каких-либо других факторов происходит крайне редко: так возникают звезды-гиганты классов О и В, вращающихся вокруг своей оси со скоростью 300-500 км/с за счет неразделенного, вначале ничтожно малого момента импульса облака.

В реальных условиях на образование звезд оказывает влияние множество различных факторов. Роль распространяющихся в газовом облаке ударных волн уже упоминалась. Большое значение может иметь тепловая неустойчивость вещества облака, вращение облака вокруг своей оси и наличие у него магнитного поля (рис. 50).

Рис. 50. Формирование звезд и звездных систем

Сжимающееся по действием гравитации изначально вращавшееся облако массой 1 М¤ и радиусом 10⁴ R¤ ускоряет свое вращение. На любую частицу в облаке действуют сила гравитации, направленная к его центру, и центробежная сила, имеющая противоположное направление. Чем выше плотность вещества и чем меньше размеры облака, тем быстрее оно вращается, тем больше становится значение центробежной силы, препятствующей сжатию облака в плоскости вращения. Пропорционально сжатию усиливается и магнитное поле облака. Облако сплющивается в диск толщиной 1/8 радиуса облака; вещество падает вдоль оси вращения облака, целиком скапливается в диске и перестает падать к его центру.

В этот момент под действием усилившегося магнитного поля, за счет турбулентных (вихревых) движений вещества в облаке или других причин может произойти разделение момента импульса вещества.

Если скорость вращения облака была велика, оно может разорваться на два (или значительно реже три и более) почти не вращающихся, примерно одинаковых по массе фрагмента. Каждый из них сжимается затем под действием гравитации в протозвезду. Так образуются многие тесные двойные и кратные звездные системы, компоненты которых обращаются вокруг общего центра тяжести и перемещаются в пространстве как единое целое. По вышеописанному сценарию формируются многие двойные звездные системы с массой компонент 0,5-10 М¤ и периодом обращения свыше 25^d.

Часто разделения момента импульса между внешними и внутренними зонами протозвездного облака не происходит. При дальнейшем его сжатии центробежная сила превышает силу гравитации и центральная часть облака "рассасывается". Образуется газопылевой тор (кольцо) с наибольшей плотностью вещества на расстоянии 68 а.е. от оси вращения, где центробежная и гравитационная силы уравновешивают друг друга. Спустя всего 10000 лет в результате динамических процессов в торе развиваются два, реже три и более, уплотнения вещества, притягивающие к себе газ и пыль внутри тора. Они сжимаются под действием гравитации и спустя 50000 лет превращаются в протозвезды. Так возникают тесные двойные системы с массой компонент 0,8-1,5 М¤ и периодом обращения около 1-1,5^d, а также системы с массой компонент 2,5-8 М¤ и периодом обращения свыше 4^d.

Механизмом образования двойных и кратных звездных систем со сравнительно большими расстояниями между компонентами и существенными различиями в их массе и других характеристиках является взаимодействие протозвезд, молодых звезд и протопланетных дисков. В результате приливного взаимодействия звезды могут, теряя кинетическую энергию, объединяться в пары, а протопланетные диски - обретать наклон к их оси вращения.

По оценкам разных ученых, 50-80 % звезд в Галактике образуют двойные системы, и от 5 % до 30 % - входит в состав кратных систем, состоящих из 3 и более звезд.

Если основная часть момента импульса сравнительно медленно вращавшегося протозвездного облака передается внешним зонам, содержащим около 1% его массы, они станут вращаться еще быстрее и будут быстро сжиматься; а внутренние, образующие ядро облака зоны (99% его массы) прекращают или сильно замедляют свое вращение и сжимаются далее по действием сил гравитации, образуя протозвезду так, как это было описано в первой модели. Так образуются обладающие планетными системами одиночные звезды классов G, К, М, вращающиеся вокруг своей оси со скоростью до 50 км/с (до 30 % звезд Галактики).

В последние годы современная теория звездообразования подтвердилась обнаружением нескольких десятков формирующихся двойных и одиночных протозвезд возрастом 10³ - 10⁴ лет.

На завершающем этапе урока возникает возможность ознакомить учащихся с физическими переменными звездами, их основными классами, причинами и характером изменения светимости.

Поскольку причинами изменения блеска физических переменных звезд является изменение их поверхностной температуры и размеров, изучение данного материала способствует формированию понятия "светимость". Следует обратить внимание учащихся на общность (универсальность) применения законов физики к описанию качественно различных явлений и процессов: так, зависимость между цветом (температурой) и периодом колебаний цефеид может быть описана при помощи уравнения колебаний математического маятника.

Физические переменные звезды

Сложность физических процессов, происходящих в недрах звезд на начальных и конечных этапах их эволюции делает неустойчивыми ряд их важнейших характеристик: размеры, светимость, температуру и т. д., в результате чего земные наблюдатели регистрируют изменения блеска этих звезд.

Звезды, переменность блеска которых обусловлена происходящими в их недрах процессами, называются физическими переменными. В зависимости от характера переменности их разделяют на несколько групп.

Пульсирующие переменные испытывают плавные и непрерывные изменения блеска, связанные с колебаниями их радиусов и поверхностных температур около некоторого среднего значения. При сферически-симметричных пульсациях звезда периодически сжимается и расширяется, сохраняя форму шара; при не радиальных колебаниях она принимает форму то вытянутого, то сплюснутого эллипсоида (рис. 51).

В простейшем случае равномерное сжатие звезды со всех сторон приводит к возрастанию газового давления в недрах звезды. Возросшее давление будет "расталкивать" звездное вещество и диаметр звезды превысит ее равновесное значение, после чего сила тяжести окажется больше давления газа и будет возвращать его в направлении центра звезды: звезда начнет пульсировать. Период колебаний звезды при том или ином виде пульсаций определяется в основном средней плотностью вещества r _cр (полной массой и размерами звезды): .

Пульсации звезд могут вызвать происходящие в их недрах процессы при выходе звезд на главную последовательность. Таковы цефеиды и лириды.

Цефеиды (звезды классов F и G) регулярно изменяют свой блеск с амплитудой от 0,5^m до 1,5^m в течение от 1-3 до 11-30 суток. Так, d Цефея изменяет блеск от 3,5^m до 4,3^m с периодом 5,37 суток. Средний радиус звезды (около 30 R¤ ) то увеличивается, то уменьшается на 7 % (1,4× 10⁶ км), вместе с ним изменяется температура звезды и ее спектральный класс. Такой режим колебаний "обычных" цефеид называется фундаментальным. У "аномальных" цефеид (таких, как Полярная звезда) внешние и внутренние слои атмосферы колеблются в противофазе - режиме первого обертона. Чем выше светимость цефеиды, тем больше период изменения блеска Р: благодаря этому можно, изменив Р, определить расстояние до звезды или группы звезд в которой она находится (рис. 52-53), - поэтому цефеиды называют "маяками Вселенной". В настоящее время в Галактике известно более 700 цефеид.

Рис. 51 Пульсации звезд

Рис. 52. Кривая блеска звезды d Цефея

Рис. 53. Зависимость "период-светимость"
для пульсирующих переменных звезд

Лириды - звезды-гиганты ранних спектральных классов пульсируют с периодом 0,05-1,2 суток с амплитудами от 0,5^m до 2^m.

Существуют и другие виды пульсирующих переменных.

У взрывающихся (эруптивных) переменных изменения блеска связаны с внезапным выделением энергии в результате взрывоподобных процессов, связанных с различными выбросами вещества из звезд. Таковы молодые переменные звезды типа Т Тельца, UV Кита, и др., а также старые Новые и новоподобные звезды.

Некоторая небольшая переменность физических характеристик, видимо, свойственна всем звездам на протяжение всей их эволюции. К группе таких явлений относится солнечная активность, аналоги которой обнаружены у сотен звезд поздних спектральных классов. У отдельных желтых, оранжевых звезд и красных карликов пятна покрывают до 30-40 % площади поверхности (у Солнца – до 0,5 %), что вызывает более чем 10 % колебания блеска.

Звезды с просматривающейся, но сильно нарушающейся периодичностью блеска (в основном, гиганты и сверхгиганты поздних спектральных классов) называют полуправильными переменными. Неправильные переменные звезды изменяют блеск без признаков периодичности. Причинами изменения блеска может быть истечение вещества с образованием колец и дисков в экваториальной области быстровращающихся звезд (g Кассиопеи и другие).

Существование зависимости между светимостью и периодом изменения блеска цефеид дала астрономам новый способ измерения не только межзвездных, но даже межгалактических расстояний. Определив из наблюдений блеск и период его изменения, можно по графику зависимости "период-светимость" для цефеид (рис. 53) определить светимость звезды, а затем по формуле: , где m - видимый блеск; М - абсолютная звездная величина цефеиды, определить расстояние до нее или до группы звезд, в которой она находится (r).

Изученный материал закрепляется при выполнении заданий упражнения 16.

Упражнение 16:

1. Заполните таблицу 13 "Космические объекты", включив в нее материал о космической среде и туманностях:

Таблица 13

Космические объекты	Масса, кг	Размеры, м	Плотность г/см3	Химический состав	Особенности энергетики	Особенности происхождения

В качестве образца учитель должен иметь в виду данные таблицы 1 (первая книга пособия). Вначале ученики должны определить признак, по которому они будут классифицировать данные космические объекты (плотность). В ходе работы ученики выделяют космическую среду как тип космических объектов, а межпланетную, межзвездную и межгалактическую среду как ее составляющие, классы космических тел и заполнить соответствующие строки таблицы (данных о межпланетной среде берутся из темы "Планетные тела и планетные системы"); для сведений о межгалактической среде, изучаемой в следующей теме, оставляется пустая строка.

Аналогично заполняются строки, соответствующие сведениям про туманности. Выделяются основные признаки для классификации объектов (масса, размеры, плотность и т.д.); интересно предложить нескольким группам учеников различные основания классификации, а потом сравнить результаты. Производят классификацию: тип (туманности) – классы (ГМО и диффузные газопылевые) – группы (светлые (газовые) и темные (пылевые), протозвездные туманности, глобулы, протозвезды). Далее из учебника, пособия, лекции выписываются соответствующие данные.

2. Составьте общую классификационную схему "Звездные системы" (рис. 54):

Рис. 54

3. Заполните таблицу 14 "Звездные системы":

Таблица 14

Космические системы	Масса, кг	Размеры, м	Состав	Особенности

В качестве образца учитель имеет в виду данные таблицы 2 из первой книги пособия. Дальнейшая работа производится как в предыдущем упражнении: выделяются основания для классификации (масса, размеры, состав, сложность структуры и т.д.); тип (звездные системы), классы и группы (одиночные звезды с планетными системами; двойные и кратные звезды; звездные О- и Т-ассоциации; рассеянные и шаровые звездные скопления) космических объектов; заполняются соответствующие строки.

Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:

 Основные положения статьи Л.П. Суркова, Н.В. Лисина "Элементы проблемности при обучении астрономии в педагогическом институте" могут использоваться на уроках астрономии в физико-математических классах и на факультативных занятиях. Авторы предлагают следующую схему строения проблемной лекции по теме "Цефеиды":

1. Исходные данные: кривая изменения блеска d Цефея; история ее изучения Дж. Гудрайком.
2. Постановка проблемы: почему звезды типа d Цефея изменяют свой блеск?
3. Общее направление поиска решения: результаты исследования спектров этих звезд; построение кривой лучевых скоростей цефеид.
4. Разбивка проблемы на подпроблемы. Решение проблемы может идти по 2 путям: I гипотеза: цефеиды – это тесные двойные звезды, обращающиеся по эллиптическим орбитам, причем спектр более слабого компонента не обнаруживается (А.А. Белопольский, 1894 г.). II гипотеза цефеиды – это пульсирующие переменные звезды: при пульсации изменяются радиус и температура звезды, что приводит к изменению светимости и видимого блеска (Н.А. Умов, 1896 г.).
5. Проверка I гипотезы: оценка радиусов компонент по известным светимостям и спектральным классам; оценка больших полуосей орбит по III закону Кеплера.
6. Анализ результатов проверки I гипотезы. Она неверна, т.к. если считать цефеиды спектрально-двойными, то большие полуоси их орбит должны быть в 10 раз меньше радиуса самих звезд (Х. Шепли, 1914 г.).
7. Проверка II гипотезы: вывод формулы для периода пульсации цефеид; зависимости "период – средняя плотность", "период – светимость", "период – спектр", "период – возраст" графики изменения температуры и радиуса.
8. Анализ результатов проверки II гипотезы. Она может объяснить всю совокупность наблюдательных данных о цефеидах.
9. Выводы причиной изменения блеска цефеид являются пульсации звезды.

Далее по аналогичной схеме рассматриваются проблемы: 1) почему пульсируют звезды типа d Цефея? 2) Какой механизм поддерживает пульсации? 3) Будет ли пульсировать Солнце?

При изложение темы "Спектрально-двойные звезды" демонстрируются 4 последовательных фотографии спектра одной звезды. На 1 и 3 линии имеют нормальную длину волны, на 2 и 4 они разделены или смещены в красную или фиолетовую область, если блеск компонентов резко различен. Нужно на основании эффекта Доплера объяснить наблюдаемое явление. Совместные рассуждения преподавателя и учащихся ведут к выводу, что это можно объяснить лишь двойственностью звезды. Ученикам предлагается нарисовать кривую лучевой скорости т ответить на вопрос, от каких параметров зависит амплитуда и форма лучевой скорости? Постановка проблемы помогает усвоить сущность спектрального анализа.

В статье А.П. Кацыка, Р.М. Разика "Два практических задания по астрофизике" содержится несколько заданий для учащихся физико-математических классов в том числе на вычисление некоторых характеристик визуально-двойных звезд: используя данные угловых измерений, найти большую полуось орбиты, период и суммарную массу компонент. К сожалению, задания содержат терминологические ошибки.

В статье В.Ф. Порошина "Изучение двойных звезд с помощью моделей" [229] описаны модели двойной звездной системы, в том числе сложная в изготовлении механическая модель, позволяющая проиллюстрировать понятия визуально-двойных звезд, относительных и истинных орбит компонент, центра масс системы, методику определения масс компонент.

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>