Звёзды

Звезда — это небесное тело, излучающее свет.

Этим она отличается от планет, комет, спутников и туманностей, которые освещаются на небе Солнцем или близлежащими звездами.

Звезда — огромная, но простая система

Температура звёзд

Вещество, из которого состоят звезды, это раскаленный газ — плазма. Самая высокая температура на поверхности звезд достигает 150 000 кельвинов. (Речь идет о поверхности образовавшегося белого карлика).

Температура измеряется с помощью анализа излучения, исходящего с поверхности звезды. Из недр звезд не может вырваться ни один фотон, поэтому с ними мы никогда непосредственно не знакомимся.

И все же человек способен с завидной точностью рассчитать температуру в любой точке в глубинах звезды.

Так, например, в центре Солнца температура достигает 13 000 000 кельвинов.

Температура в центре звезд, количество нуклонов в которых больше, чем в Солнце (то есть звезды с большой массой), еще более высокая: десятки, даже сотни миллионов градусов. И более 3 000 000 000 кельвинов достигает температура в недрах звезд с самой большой массой.

Количество вещества в звезде

Звезда — это огромная и в то же время простая система элементарных частиц.

Количество вещества в звезде средней величины — это невероятно большое количество нуклонов, которое можно выразить цифрой с пятьюдесятью семью нулями. Просто для наглядности, это вот такое число:

1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Количество вещества в звезде типа нашего Солнца примерно в триста тысяч раз превышает количество вещества, из которого состоит наша планета Земля. Т.е. количество нуклонов в Солнце примерно в 300 000 раз больше количества нуклонов в Земле.

Количество вещества в звезде, т.е. массу звезды, выражает количество нуклонов, из которых оно складывается.

Несмотря на то, что Солнце как система по размерам во много раз превышает Землю, все же оно намного проще нашей планеты. Земля, как и остальные планетные тела, состоит из пород, порода — из кристаллов, кристаллы — из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядра и электронов.

Вещество звезды состоит лишь из атомных ядер (прежде всего из протонов и альфа-частиц) и электронов. Молекулы и атомы присутствуют на поверхности звезды в ничтожном количестве, а более сложные системы в них вообще отсутствуют.

Сложные системы частиц не могут существовать в раскаленных недрах звезд, так как под влиянием резких столкновений протонов и электронов они бы распались. Именно по этой причине звезды построены лишь из ядер и электронов.

Весьма простым является также определение температуры, массы, давления и химического состава в любой точке внутри звезды. Но рассчитать те же самые характеристики Земли мы пока не умеем.

Тем и объясняется тот факт, что недра далеких звезд астрономы изучили лучше, чем с недра нашей планеты, на которой мы живем.

Недра далеких звезд

Каким образом астрономы изучают недра далеких звезд?

При помощи наблюдений они прежде всего определяют массу, радиус и температуру на поверхности далекой звезды. Хотя недра звезд мы и не видим, но нам известно, что они состоят из плазмы.

Свойства и поведение плазмы в настоящее время достаточно хорошо изучены: известно, например, что давление в плазме тем выше, чем она горячее и плотнее. В то же время давление в определенной точке внутри звезды равно весу всех слоев, находящихся над этой точкой.

Если давление плазмы повышается, то звезда расширяется, в противном случае она сжимается. Если же радиус звезды неизменен, это означает, что ее собственная гравитация и давление находятся в равновесии.

Описанные выше взаимоотношения можно выразить математически и с помощью ЭВМ рассчитать модель звезды т.е., температуру, плотность, давление и химическое строение на любой глубине под поверхностью далеких звезд.

Основной силой, которая связывает все ядра и электроны, чтобы образовали в совокупности звезды, является гравитация.

Точнее говоря, собственное притяжение, ибо любое ядро в звезде подвержено действию силы притяжения к любому другому ядру.

Более слабая гравитационная сила действует также между ядром и электроном. Между электронами в звезде также действуют силы гравитационного притяжения, но очень слабые, так как их масса намного меньше массы ядер.

Размер и масса далеких звезд

Даже самые маленькие звезды обладают большой массой, примерно в десять тысяч раз превышающей массу Земли. Самые крупные звезды обладают массой в миллионы раз большей, чем масса Земли.

Масса далеких звезд
Далекая двойная звезда, которая состоит из легкой (красной) и тяжелой (синей) звезд. Обе звезды вращаются вокруг общего центра масс. В зависимости от удаленности звезд от центра масс можно рассчитать собственную массу этих далеких звезд.

Размер и масса далеких звезд могут быть самые разные. Белые карлики по своим размерам примерно равны Земле, в то же время их плотность примерно в миллион раз превышает плотность воды. Принято говорить, что вещество таких звёзд находится в вырожденном состоянии.

Размер и масса звезд-гигантов в миллионы раз больше Солнца. Солнце же, в свою очередь, примерно в миллион раз больше Земли.

Размер самых маленьких звезд, которых приходилось наблюдать — в сто миллионов раз меньше Земли. Это нейтронные звезды.

Чтобы в такой маленький объем могла вместиться громадная звездная масса, не уступающая массе обычных звезд, нейтронные звезды должны обладать фантастической массой и плотностью. Вещество этих звезд состоит только из нейтронов.

Нейтронные звезды наблюдают как пульсирующие источники радиоизлучения и называют пульсарами. Масса нейтронных звезд-пульсаров — в несколько раз больше массы Солнца.

Расстояния до звезд

Расстояния до звезд трудно себе представить. Звезды находятся от нас невообразимо далеко. Исключением является лишь наша звезда — Солнце, которая расположена ближе, чем остальные звезды в миллионы раз.

И все же весьма трудно представить себе расстояние от Земли до Солнца, не говоря уже про расстояния до других звезд.

Тем не менее, астрономы научились измерять и рассчитывать эти расстояния.

Расстояния до звезд, с точки зрения человека, столь огромны, что необходимо было ввести совсем новую единицу измерения — световой год. Представить себе световой год просто невозможно, ибо это за пределами человеческого опыта.

Световой год — расстояние, которое световой луч преодолеет за один год.

Свет «пролетает» за секунду 300 000 (триста тысяч) километров. За время, которое вы потратите на то, чтобы произнести слова «двадцать один», свет способен обежать семь раз вокруг Земли или пролететь расстояние от Земли до Луны (ну почти, немного не долетит до Луны). Космонавтам для такого полета понадобится три дня.

За одну минуту свет преодолевает 18 000 000 (восемнадцать миллионов) километров. Иными словами, межпланетная станция, находящаяся на расстоянии восемнадцати миллионов километров от Земли, получит сигнал с нашей планеты лишь спустя минуту после того, как он послан.

За год свет пролетит десять биллионов километров — это расстояние и называют световым годом.

3.26 светового года составляют единицу, названную парсек. Одному парсеку соответствует 206 265 астрономических единиц, то есть 30.86*1012 км.

Нередко для измерения расстояния до звезд недостаточно и парсеков, в таком случае употребляется мегапарсек, который в миллион раз больше парсека и равен, таким образом, 3 260 000 световых лет.

Измерение расстояния до звезды

Измеряют расстояния до звезд астрономы примерно так же, как на Земле определяют расстояния до недоступных мест.

Сперва измеряют расстояние между двумя любыми точками А и В, а после этого величины углов α и β. При помощи несложного расчета определяется искомое расстояние точки X от точек А и В.

Для измерения расстояния до звезды необходимо избрать расстояние между А и В как можно большее. Самым большим расстоянием связанным с Землей является диаметр земной орбиты.

Поэтому измерение расстояния до звезды делают следующим образом: учёные фотографируют звезду и тот участок неба, в котором она расположена, дважды в течение года с полугодичным интервалом. Земля в это время находится в противоположных, максимально отдаленных точках орбиты.

Звезды на первой фотографии несколько сдвинуты по отношению к их расположению на второй фотографии. Их сдвиг тем заметнее, чем ближе эти звезды к нам.

Именно этот сдвиг (паралакс), хотя и небольшой, но все же измеримый при помощи точной аппаратуры, и дает возможность рассчитать расстояние до звезды.

Существуют, конечно, и другие способы измерения расстояния до звезд, но основным является тот, который мы выше описали.

Движение звезд в пространстве

Ничто во Вселенной не находится в неподвижном состоянии, все в постоянном движении и звёзды не исключение.

Планеты, кометы, метеоры, искусственные и естественные спутники планет, космические корабли — все это движется со скоростью до ста километров в секунду.

Движение звезд в пространстве мы определяем двумя характеристиками. Его можно сравнить с движением скорого поезда, который проезжает станцию и дает гудки. Поезд движется относительно окружающего пространства, и нам приходится поворачивать голову, чтобы следить за ним.

Звезды в пространстве движутся относительно других звезд, галактик и звездных скоплений. Такое движение звезд называется собственным движением звезды.

Хотя движение звезд в пространстве во много раз превышает скорость движения поезда, из-за громадного расстояния за всю свою жизнь мы не заметим даже малейшего их сдвига.

Именно поэтому наши предки их называли неподвижные звезды. Им казалось, что звезды на небосклоне недвижимы.

Понадобились мощные телескопы, спектрографы и сверхчувствительные фотопластинки, чтобы астрономы, наконец, убедились в том, что за время человеческой жизни движение звезд в пространстве все-таки можно заметить, хотя оно и незначительное.

Астрономы фотографируют небо дважды на протяжении нескольких десятков лет. В результате точного сопоставления двух полученных фотографий можно определить, на какое расстояние звезда передвинулась. Естественно, что это движение звезд ничтожно.

Самым быстродвигающимся звездам потребуется несколько веков, чтобы земному наблюдателю казалось, что они переместились на небосклоне на расстояние, равное диаметру Луны.

За тысячелетия движение звезд в пространстве уже становятся более заметными. Поскольку направление собственного движения звезд различно, то через десятки тысяч лет знакомые нам созвездия будут полностью «разбросаны» по небу.

Движение звезд Большой МедведицыСкорость движения звезд исчисляется многими километрами в секунду, поэтому их положение на небе безостановочно, хотя и очень медленно, меняется, как это показано на примере Большой Медведицы. Вверху — современная форма созвездия, в центре — 200 000 лет тому назад, внизу — через 200 000 лет.

На вокзале вы наверно не раз обращали внимание, что звук гудка поезда выше, когда он приближается, и ниже, когда поезд удаляется от нас.

Точно так же обстоит дело и со звездами, разница лишь в том, что мы измеряем не высоту тона, а «высоту», точнее говоря, частоту колебаний света.

Для таких измерений предназначен спектрограф, прикрепленный к концу телескопа вместо окуляра. Скорость приближения или удаления звезды, измеренная таким образом, называется лучевой скоростью.

Излучение звезд

Звезды являются мощными источниками света и других видов излучения:

  • инфракрасного,
  • радиоизлучения,
  • ультрафиолетовых
  • и рентгеновских лучей.

Перечисленные виды излучения человеческий глаз не может видеть, хотя некоторые из них оказывают на глаз человека отрицательное влияние.

Излучение звезды возникает в результате термоядерных реакций в глубинах ее недр. Оттуда оно проникает к менее горячей поверхности звезды и лишь после этого попадает в окружающее межзвездное пространство.

Количество излучения, которое звезда испускает за одну секунду (мощность звезды) называется светимостью.

Расстояние до Земли на светимость звезды влияния не оказывает.

Светимость нашего Солнца составляет 400 000 триллионов киловатт (точнее 3.8*1023 киловатт). Из этого невероятно большого количества энергии на Землю попадает каждую секунду всего лишь одна двухмиллиардная часть, то есть двести биллионов киловатт (точнее 180*1012 кВт или 180 000 ТВт).

Через солнечную светимость выражается также светимость других звезд.

Существуют звезды-гиганты и сверхгиганты, светимость которых во много тысяч раз превышает светимость Солнца (например, звезды Ригель и Денеб). И наоборот, светимость звездных карликов в тысячи раз меньше светимости Солнца.

Светимость звездных карликов отличается от светимости сверхгигантов, как светлячки от мощных рефлекторов противовоздушной обороны.

Яркость звезды, какой мы видим ее с Земли, зависит кроме светимости также и от расстояния. Разумеется, что расстояние не оказывает влияния на светимость звезды, хотя обитатели Земли и воспринимают более близкую звезду как более яркую по сравнению со звездой одинаковой светимости, но более отдаленной.

Переменные звезды

Все звезды в космическом пространстве движутся.

Любая из звезд в течение длительных периодов времени развивается, меняет свои внешние и внутренние свойства. Эти медленные эволюционные изменения, осуществляющиеся на протяжении миллионов и даже миллиардов лет, мы не можем наблюдать.

Но все же существует немало звезд, которые меняют свою яркость довольно быстро. Они называются переменными звездами.

Некоторые можно наблюдать невооруженным глазом и, сравнивая их яркость с яркостью остальных звезд, легко определить ее изменения.

Звезды меняют яркость по самым разным причинам. Некоторые пульсируют как наше сердце. Период пульсации некоторых звезд (например, RR Лиры) длится несколько часов, других (δ Цефея) несколько дней, или даже несколько месяцев (Мира Кита).

Затменно-переменная двойная звезда
Затменно-переменная двойная звезда. Небольшая красная и большая белая звезды вращаются вокруг общего центра масс и при этом периодически закрывают друг друга. Мы видим эти две звезды как одну звезду переменной яркости (внизу).

Близкие двойные звезды являются не шарами по форме, а вытянутыми эллипсоидами, поворачивающимися к нам при взаимном вращении светящей поверхностью разной величины. Такие изменения в яркости можно заметить, например, у звезды β Лиры.

В процессе взаимного вращения обе звезды могут закрывать друг друга, что отражается в изменении общей яркости. Это так называемые затменные переменные звезды, примером которых является Алголь в созвездии Персея.

Взрывающиеся звезды резко меняют свою яркость. К ним принадлежат, например, новые, сверхновые и т.п.

Яркость поверхности вращающихся переменных звезд бывает не везде одинакова. На поверхности некоторых звезд, например, можно найти места с низкой температурой (аналогичные солнечным пятнам) или, наоборот, области высоких температур.

К этой группе принадлежат также и пульсары — нейтронные звезды, которые вращаются с огромной скоростью. Период пульсации таких звезд предельно точен и длится примерно одну секунду. Медленнее всех пульсируют звезды типа Мира Кита и ей подобные.

Представим себе, что наше Солнце становится все ярче и через пять месяцев яркость его — в тысячу раз сильнее сегодняшнего, а потом на протяжении последующих шести месяцев яркость достигает нормального уровня. Жизнь на Земле, в таких условиях, конечно, не могла бы существовать. Поэтому планеты вокруг подобных переменных звезд не могут стать носителями жизни.

Звезда Кастор
Звезду Кастор мы наблюдаем в телескоп как две голубые звезды, которые вращаются вокруг друг друга. Несколько в отдалении от них находится третья, слабая красноватая звезда, период обращения которой вокруг этих двух звезд составляет несколько тысяч лет. Спектрограф показывает, что каждая из трех звезд — двойная звезда (так называемая спектрально-двойная звезда). На планете, относящейся к этой системе, мы наблюдали бы очень интересный небосклон.
Оцените статью
Добавить комментарий