Астронет > 2.11 Звезды

Астронет: Е. Б. Гусев/РГПУ им. С.А. Есенина Качественные задачи по астрономии
http://variable-stars.ru/db/msg/1179964/node26.html

Вверх

2.11 Звезды

Исторически созвездие возникло как определенная конфигурация звезд, сейчас это определенный участок небесной сферы. В 1922 году все небо было разделено на 88 созвездий, из них 31 находится в северной полусфере, 48 в южной, а остальные 9 расположены по обе стороны небесного экватора.

Созвездий Зодиака - 12: Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева. Весы, Скорпион, Стрелец, Козерог, Водолей, Рыбы. Между Скорпионом и Стрельцом находится еще одно эклиптикальное созвездие - Змееносец. Однако это созвездие не было включено древними в зодиак.

Созвездие Змеи состоит из двух не связанных между собой частей. Западная часть называется Головой Змеи, восточный "кусок" - хвостом. Разделено созвездие Змеи созвездием Змееносца.

Три самые яркие звезды летнего ночного неба: Вега ( $\alpha$ Лиры), Денеб ( $\alpha$ Лебедя), Альтаир ( $\alpha$ Орла) образуют вершины треугольника - господствующей конфигурации ярких звезд этого сезона года.

Три ярчайшие звезды созвездий Орион, Большой Пес и Малый Пес - Бетельгейзе, Сириус и Процион образуют равностороннюю фигуру, называемую зимним треугольником.

До октября 1988 года точка летнего солнцестояния находилась в созвездии Близнецов, а с этого времени находится в созвездии Тельца, вблизи его восточной границы. В созвездии Рака эта точка располагалась во II веке до нашей эры, когда было обнаружено явление прецессии. В созвездии Тельца точка летнего солнцестояния будет находиться на протяжении 3000 лет.

Сириус ( $\alpha$ Большого Пса) - самая яркая звезда неба, ее видимая звездная величина -1,^m4. Вега ( $\alpha$ Лиры) - самая яркая звезда северной полусферы, ее видимая звездная величина +0,^m1.

Самая ближайшая звезда - это Проксима ("Ближайшая") Центавра, компонент тройной звезды а Центавра. Проксима Центавра - красный карлик с видимой звездной величиной 11^m, с расстояние от Солнца 1,3 парсека.

Сверхновая, вспыхнувшая в 1054 году в Тельце и принадлежавшая нашей Галактике, описана в китайских и японских летописях под именем "звезды-гостьи".

В принципе любая звезда на небе может считаться удивительной - так разнообразен мир звезд. Однако "Удивительной" или "Дивной" (по латыни "Мира") называют o Кита, которая меняет блеск в очень больших пределах (2.^m0- 10.^m1). Она относится к классу долгопериодических переменных звезд - красных гигантов, имеющих очень низкую температуру поверхности (около 2000^oC).

"Звезда дьявола" - Алголь ( $\alpha$ Персея), это затменно- переменная звезда. Она меняет блеск в 3 раза вследствие покрытия горячей звезды более холодной с периодом около 3 суток. "Эль-Гуль" по-арабски означает дьявол.

Звезда $\alpha$ созвездия Скорпион, в котором бывает виден и Марс, по яркости и цвету близка к Марсу. Древние греки называли эту звезду Антарес, что означает "Соперник Марса". Арес - это греческое имя планеты Марс. Антарес - красный гигант, его светимость равна 700 светимостям Солнца.

Вследствие прецессии полюса мира перемещаются среди звезд. Через четыре тысячелетия звездой, близкой к Северному полюсу, мира станет $\gamma$ Цефея, через 11500 лет - Вега.

Южные полюсы Урана и его спутников направлены сейчас примерно на Солнце, которое и является для них полярной звездой в южном полушарии.

Арктур ( $\alpha$ Волопаса) был первой звездой, у которой было обнаружено собственное движение в пространстве. Это открытие было сделано Э.Галлеем в 1717 году. За 800 лет звезда проходит на небе расстояние, равное угловому диаметру Луны (0.^o5).

Самую большую угловую скорость движения на небесной сфере - 10.27" в год - имеет звезда, открытая американским астрономом Э.Барнардом в 1916 году. Она находится в созвездии Змееносца. После системы $\alpha$ Центавра это самая близкая звезда, до нее всего 6 световых лет. Звезда относится к красным карликам.

Если орбита звезды-спутника не лежит в картинной плоскости, то главная звезда не находится в фокусе эллипса, описываемого звездой-спутником.

В принципе любая звезда имеет инфракрасное излучение, но в астрономии под ИК-звездами понимают звезды, излучающие основную часть энергии в диапазоне 0,74-2 микрометра. Большинство из найденных ИК-звезд относится к долгопериодическим переменным звездам с температурами 1500-3000 К. Однако есть ИК-звезды, излучающие в далекой инфракрасной области ( $\lambda$ > 4 мкм). Предполагают, что за такое излучение ответственна газопылевая оболочка, окружающая звезду.

Объекты с массой меньше, чем 0,08 масс Солнца, - это несостоявшиеся звезды, называемые коричневыми карликами. Из-за низкой температуры в них не могут начаться термоядерные реакции. Под действием сил тяготения они медленно сжимаются и за счет этого излучают в инфракрасной области. Коричневым карликом может считаться планета Юпитер, так как она излучает энергии больше, чем получает от Солнца.

Это так называемые звезды типа R Северной Короны. В этих переменных звездах время от времени блеск медленно ослабевает на 1-9 звездных величин, после чего постепенно возвращается к первоначальному значению. Предполагается, что блеск этих звезд, обладающих по сравнению с Солнцем избытком углерода, ослабляется частицами углерода, образующимися в выброшенном звездой облаке.

В атмосферах гигантов поздних спектральных классов обнаружен горячий водяной пар.

Новыми могут становиться звезды-белые карлики, входящие в систему тесной двойной звезды. От главной звезды на поверхность белого карлика перетекает водород. Когда его становится много (по массе 0,001 массы Солнца), то начинается термоядерный взрыв. С Земли взрыв регистрируется как вспышка Новой звезды.

Долгопериодическая переменная звезда типа Миры Кита - $\chi$ Лебедя имеет самую большую амплитуду блеска - 11 звездных величин. В максимуме ее блеск достигает 3,^m3, а в минимуме падает почти до 14^m.

Полярная звезда является переменной звездой-цефеидой, блеск которой изменяется с периодом около 4-х суток и амплитудой 0,14 звездной величины. Полярная звезда видна всю ночь в течение всего года во всем северном полушарии Земли, где и проживает большая часть населения планеты. Блеск Полярной 2^m.В последние годы амплитуда Полярной еще больше уменьшилась. По-видимому, звезда выходит из полосы нестабильности на диаграмме спектр-светимость и превращается в обычный гигант.

Самыми горячими являются звезды - ядра планетных туманностей. Температура поверхности этих звезд достигает более 50 тысяч кельвинов.

Одной из самых холодных является $\chi$ Лебедя, температура поверхности которой равна 1600 К. Однако самой холодной из известных в наше время, является звезда $\varepsilon$ Возничего. Температура ее поверхности всего 1300 К.

Период вращения рентгеновских пульсаров заключен в пределах от сотых долей секунды до сотен секунд.

На конечном этапе эволюции звезды с массой около одной массы Солнца сжимаются до размеров Земли.

Невращающиеся одиночные звезды имеют форму шара. Вращающаяся звезда сплюснута с полюсов. В тесных двойных системах форма фигур звезд более сложная. Пока размеры звезды малы по сравнению с размерами полости Роша, ее фигура напоминает трехосный эллипсоид. По мере приближения к полости Роша ее форма становится несимметричной. И, наконец, у звезды, заполнившей полость Роша, вблизи внутренней точки Лагранжа появляется "носик". Звезда становится похожей на грушу.

Звезды - массивные раскаленные газовые (плазменные) тела, излучающие собственный свет, в отличие от планет, которые светят отраженным от звезды светом. В недрах большинства звезд идут термоядерные реакции; в планетах такие реакции не идут. Пограничная масса равна примерно 0,02 массы Солнца или примерно 20 массам планеты Юпитер. С такой массой объект уже может считаться звездой, в его недрах, хотя и с малой скоростью, но водород превращается в гелий.

Равновесие вещества звезды и, следовательно, существование звезды как единого целого обусловлено равенством силы притяжения вещества, направленной к центру, и силы газового давления, направленной от центра.

Превышение силы газового давления над силами тяготения имеет место при взрыве звезды; обратное отношение - при коллапсе звезды.

Звезды, находящиеся в поздних стадиях эволюции,- нейтронные звезды, черные дыры излучают в рентгеновской области спектра. Процессы, связанные с рождением звезд, такие как конденсация пыли, сжатие, проявляют себя в инфракрасной области и радиодиапазоне.

а) На стадии протозвезды. Газовопылевое облако, сжимаясь, излучает в инфракрасной области спектра.

б) Звезда излучает за счет энергии термоядерного синтеза, когда она находится на главной последовательности, в стадии гиганта или сверхгиганта.

в) Сверхновые I типа после максимума блеска поддерживают свечение за счет распада радиоактивных вуклидов.

г) За счет тепловой энергии светит, охлаждаясь, белый карлик.

д) В тесных двойных системах горячая звезда подсвечивает поверхность более холодного компонента.

См.предыдущую задачу - д). В тесных двойных системах для земного наблюдателя холодная звезда показывает фазы. Условия: плоскость орбиты спутника не должна лежать в картинной плоскости.

На заключительном этапе своей жизни звезда может иметь светимость до 10¹⁰ светимостей Солнца и даже выше, то есть светимость звезды будет сравнима со светимостью галактики. Это происходит во время вспышки сверхновой.

В тесной двойной системе одним из компонентов может быть нейтронная звезда. Вещество, засасываемое этой звездой, в ее окрестностях разгоняется до скоростей, достигающих 100000 км/с. При соударении вещества с поверхностью выделяется энергия в виде рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение может возникнуть и при столкновении между собой падающих на черную дыру частиц.

В целом, механизм образования рентгеновского излучения подобен происходящему в рентгеновской трубке.

В барстерах компаньонами нейтронных звезд являются слабые по блеску старые звезды малой массы. Магнитное поле таких нейтронных звезд слабое. Аккреция вещества происходит по всей поверхности нейтронной звезды и поэтому нет периодичности в рентгеновском излучении.

В пульсарах компаньонами нейтронной звезды с сильным магнитным полем оказываются молодые яркие звезды-гиганты. Аккреция вещества происходит только в районе полюсов нейтронной звезды. Вращение такой нейтронной звезды может создать явление пульсара.

Как известно, темные пятна есть на поверхности Солнца. Предполагается также существование огромных устойчивых темных пятен на поверхности молодых звезд.

На Солнце вокруг пятен существуют яркие площадки -факелы, где наблюдается приток дополнительной энергии из конвективной зоны. Самыми яркими являются участки солнечных вспышек, которые по своей природе есть взрывы, вызванные сжатием солнечной плазмы.

На пульсарах яркими пятнами оказываются районы магнитных полюсов.

На главной последовательности находятся звезды, у которых в центре идут термоядерные реакции. Это состояние звезды оказывается достаточно долгим, поэтому главная последовательность - есть геометрическое место точек на плоскости светимость-температура, в которых звезды проводят большую часть своей жизни.

1) Термоядерный синтез в звездах является процессом естественным, а на Земле искусственным.

2) В звездах происходит синтез изотопа водорода протия в гелий, а на Земле в лабораториях в термоядерном синтезе используют дейтерий, тритий, литий.

3) Термоядерный синтез в звездах является процессом саморегулирующимся, а на Земле управляемый термоядерный синтез еще является крупной научной проблемой.

В красных гигантах и сверхгигантах термоядерные реакции протекают в слоевом источнике, постепенно продвигающемся в направлении от центра к поверхности. В процессе взрыва сверхновой ударная волна на короткое время нагревает внешнюю оболочку до такой высокой температуры, что в ней тоже идут термоядерные реакции. Термоядерные реакции могут происходить и в отдельных участках поверхности звезды, если там повышается температура до высоких значений.

Полностью перенос энергии в недрах звезд путем конвекции происходит у звезд двух типов: сверхгигантов и карликов. У других типов звезд конвекция имеет место вблизи поверхности, а во всем остальном объеме звезды энергия переносится излучением.

Двигатель внутреннего сгорания и любая физическая переменная звезда, в том числе и цефеида, суть тепловые машины. Например, в дизеле при сжатии рабочего вещества происходит его воспламенение. При этом давление резко повышается и сжатие сменяется расширением. При расширении и последующем выхлопе температура газа понижается. После этого процесс повторяется. Аналогичный процесс имеет место и в физических переменных звездах. При сжатии звезды недра перегреваются и давление вещества звезды повышается, звезда начинает расширяться и терять энергию. После этого снова звезда сжимается. Роль клапана играет слой двукратно ионизированного гелия, который при сжатии звезды увеличивает непрозрачность и тем самым ведет к перегреву звезды, а при расширении, наоборот, увеличивает прозрачность и способствует ее охлаждению.

Звезды с массой более 5 $M_{\bigodot }$ по мере развития термоядерных реакций становятся слоистыми. Внешний слой состоит из водорода и гелия, ниже следует чисто гелиевая оболочка, а еще глубже залегают оболочки из углерода, кислорода, марганца, кремния. В центре же образуется железное ядро.

Звезды-белые карлики представляют собой гелиевые ядра красных гигантов, внешняя оболочка которых, расширяясь, отделилась от звезды и превратилась в планетарную туманность.

При гравитационном коллапсе звезда массой 1-3 массы Солнца сжимается до размеров шара с диаметром 10 км. При этом происходит нейтронизация вещества, то есть превращение протонов и электронов в нейтроны. В таком состоянии звезды называют нейтронными. При определенных условиях нейтронные звезды наблюдаются в виде пульсаров. Вещество таких звезд находится в сверхплотном состоянии.

В недрах нейтронной звезды вещество находится в жидком сверхтекучем состоянии.

Внешняя оболочка нейтронных звезд представляет собой твердую кристаллическую кору из железа. При вращении такой звезды в коре могут возникнуть сильные напряжения, которые приводят к разломам коры.

В знаменитой газопылевой туманности Ориона, расположенной на расстоянии приблизительно 1500 световых лет от Солнца, происходит интенсивное звездообразование.

Возраст Ригеля ( $\beta$ Ориона) составляет всего лишь 10 млн лет, то есть примерно 0,002 от возраста Земли. Каждукз секунду Ригель обращает в энергию излучения 90 млрд тонн вещества, что в 23000 раз больше, чем Солнце. Через 10 млн лет эта звезда закончит свое существование.

Самых ярких звезд в созвездии Ориона еще не было во времена предшественников человека - синантропов.

Звезды с большой массой эволюционируют быстрее, чем звезды с малой массой.

Массивные звезды с массой, большей 5 масс Солнца, взрываются как Сверхновые II типа. Если масса ядра, оставшегося после взрыва, меньше трех солнечных, то возникает быстровращающийся пульсар с диаметром до 10 км. Если же масса остатков взорвавшегося гиганта больше, чем три солнечные массы, то происходит неудержимое гравитационное сжатие и образуется черная дыра.

Коллапс звезды - это неудержимое гравитационное сжатие массивной звезды после того, как у нее полностью выгорит ядерное горючее. Звезда при этом схлопывается в очень плотное и компактное образование. Коллапс сопровождается выделением большого количества энергии, что позволяет наблюдать это явление в виде вспышки Сверхновой.

По расчетам Сверхновые должны вспыхивать в Галактике каждые 30 лет. Однако регистрируются они существенно реже из-за поглощения света в межзвездной среде. Зарегистрировано же учеными всего 3 взрыва Сверхновых, кроме взрыва в феврале 1987 года: 4 июня 1054 года, 5 ноября 1572 года и 9 октября 1604 года.

Явление Сверхновой в Большом Магеллановом Облаке ученые на Земле наблюдали в ночь с 23 на 24 февраля 1987 года. Однако сам взрыв этой звезды произошел 180000 лет тому назад. Только сейчас свет донес информацию об этом событии до землян.

Крабовидная туманность - останки взрыва Сверхновой в 1054 году. Газы Крабовидной туманности разлетаются во все стороны от ядра со скоростью около 1000 км/с. В центре туманности находится пульсар.

Пульсары - это вращающиеся нейтронные звезды, магнитная ось которых не совпадает с осью вращения звезды. Пульсары излучают в узком телесном угле. С наблюдательной стороны характеризуются импульсным радио- и оптическим излучением с очень малым периодом (несколько десятков миллисекунд - несколько секунд).

Пульсары образуются при сжатии обычной вращающейся звезды. В процессе сжатия выполняется физический закон сохранения момента импульса. Так как при сильном сжатии существенно уменьшается момент инерции звезды, то в такой же степени возрастает угловая скорость вращения.

В то время как большинство физических переменных звезд являются именно пульсирующими, пульсары не пульсируют. Импульсы светового, радио- и рентгеновского излучения пульсаров связаны с их быстрым вращением.

Черные дыры - это космические объекты, образующиеся в результате релятивистского гравитационного коллапса массивных тел. Черные дыры обладают таким сильным гравитационным полем, что даже кванты света не могут покинуть объект. Вследствие этого сами черные дыры невидимы.

О наличии черной дыры в двойной системе можно судить по жесткому рентгеновскому излучению, испускаемому веществом соседней звезды, падающим с большой скоростью на черную дыру. Излучение возникает в результате трения между слоями газа.

Черная дыра косвенно может быть обнаружена по движению звезды-компаньона, видимой в оптическом диапазоне, вокруг общего центра масс.

Предположен также способ обнаружения массивной черной дыры по эффекту гравитационной линзы. Каждая звезда, находящаяся за черной дырой, будет видна в виде пары звезд с совершенно одинаковыми характеристиками.

Черные дыры испаряются. Их масса переходит в излучение: фотоны, нейтрино, гравитоны. Однако процесс испарения для массивных черных дыр очень медленный. Так, черная дыра, с массой, равной 10 массам Солнца, испарится за невообразимо долгий срок - 10⁶⁹ лет.

Ядерный этап эволюции звезд закончится через 10¹⁴ лет. Новые звезды образовываться не будут, а старые, остыв, превратятся в холодные тела или черные дыры.

Граница наблюдаемой звездной Вселенной находится от Земли на расстоянии порядка 10 миллиардов световых лет. Такое расстояние пройдет свет за время с момента образования первых звезд. На более далеких от нас расстояниях звезд просто нет. Такой же предел в размерах звездной Вселенной будет для любой точки Метагалактики.

Вверх