Светимость звезд доклад по астрономии
Обновлено: 18.05.2024
Звезды выбрасывают в открытый космос громадное количество энергии, почти полностью представленной разными видами лучей. Суммарная энергия излучения светила, испускаемая за отрезок времени — это и есть светимость звезды. Показатель светимости очень важен для изучения светил, поскольку зависит от всех характеристик звезды.
Простые тонкости светимости
Первое, что стоит отметить, говоря о светимости звезды — ее легко спутать с другими параметрами светила. Но в деле все очень просто — надо только знать, за что отвечает каждая характеристика.
Светимость звезды (L) отражает в первую очередь количество энергии, излучаемой звездой — и потому измеряется в ваттах, как и любая другая количественная характеристика энергии. Это объективная величина: она не меняется при перемещении наблюдателя. У Солнца этот параметр составляет 3,82 × 1026 Вт. Показатель яркости нашего светила часто используется для измерения светимости других звезд, что куда удобнее для сопоставления — тогда он отмечается как L☉, (☉— это графический символ Солнца.)
Светимость часто путают с видимой звездной величиной (m), которая описывает количество энергии, видимое наблюдателем — проще говоря, насколько ярко видно от или иной объект в определенной точке Вселенной. (Еще этот параметр называют блеском). Звездная величина безразмерная — измеряется условными единицами, и чем меньше показатель, тем ярче объект. Также величина субъективная — расстояние от светящегося объекта значит больше, чем его истинная светимость.
- К примеру, звездная величина Солнца на Земле — −26,7, а звезды Арктур , самого яркого светила созвездия Волопас — −0,05. При этом Арктур в 210 раз ярче и в 25 раз больше нашего светила! Поэтому звездная величина применяется астрономами преимущественно во время земных наблюдений — так проще классифицировать звезды и искать их на звездном небе. Также она заложена в компьютеры беспилотных космических аппаратов, которые ориентируются в пространстве по звездным картам.
- Более объективной, но не синонимичной светимости является абсолютная звездная величина (M). Это звездная величина светила, видимая на расстоянии 10 парсек . Чаще всего используется болометрическая абсолютная величина — то есть учитывающая все спектры излучения звезды: рентгеновский, ультрафиолетовый и т. д. У Солнца этот параметр составляет +4,7, когда у Арктура — −0,38. Абсолютная величина используется астрономами для вычисления светимости звезды.
Очевидно, что наиболее информативной и универсальной характеристикой среди вышеперечисленных является светимость. Так как этот параметр отображает интенсивность излучения звезды наиболее подробно, с его помощью можно узнать многие характеристики звезды — от размера и массы до интенсивности ядерных реакций .
Светимость от А до Я
Количество энергии, выделяемой во время ядерной реакции, напрямую зависит от массы звезды — чем она больше, тем сильнее гравитация сжимает ядро светила, и тем больше водорода одновременно превращается в гелий. Но не одна ядерная энергия определяет светимость звезды — ведь ее надо еще излучать наружу.
И тут вступает в игру площадь излучения. Ее влияние в процессе передачи энергии очень велико, что легко проверяется даже в быту. Лампа накаливания, нить которой нагревается до 2800 °C, за 8 часов работы существенно не изменит температуру в помещении — а обычная батарея температурой в 50–80 °C сумеет прогреть комнату до ощутимой духоты. Разницу в эффективности обуславливают отличия в количестве поверхности, излучающей энергию.
Соотношение площади ядра звезды и ее поверхности часто бывает соизмеримо с пропорциями нити лампочки и батареи — поперечник ядра красного сверхгиганта может составлять всего одну десятитысячную общего диаметра звезды. Таким образом, на светимость звезды серьезно влияет площадь ее излучающей поверхности — то есть поверхности самой звезды. Температура тут оказывается не столь существенной. Накал поверхности звезды Альдебаран на 40% меньше температуры фотосферы Солнца — но из-за больших размеров, ее светимость превышает солнечную в 150 раз.
Получается, в вычислениях светимости звезды роль размеров важнее температуры и энергии ядра? На самом деле нет. Голубые гиганты с высокой светимостью и температурой обладают схожей светимостью с красными сверхгигантами, которые намного больше размерами. Кроме того, самая массивная и одна из наиболее горячих звезд, R136a1 , обладает самой высокой яркостью среди всех известных звезд. До открытия нового рекордсмена, это ставит точку в дискуссии о наиболее важном для светимости параметре.
Использование светимости в астрономии
Абзацем выше упоминалось о том, как температура звезды влияет на светимость. Эту зависимость астрономы используют для выяснения параметров звезды — особенно тогда, когда цвет , самый точный индикатор нагрева объекта, искажается гравитацией . Также яркость звезды косвенно связана с ее составом. Чем меньше в веществе светила элементов, тяжелее гелия и водорода, тем больше она может набрать массы — критической характеристики в определении яркости звезды.
Характеристика небесных тел может быть очень запутанной. Только у звезд есть видимая, абсолютная величина, светимость и другие параметры. С последним мы и попробуем разобраться. Что такое светимость звезд? Имеет ли она что-то общее с их видимостью на ночном небосклоне? Какая светимость у Солнца?
Природа звезд
Звезды – очень массивные космические тела, излучающие свет. Они образуются из газов и пыли, в результате гравитационного сжатия. Внутри звезд находится плотное ядро, в котором происходят ядерные реакции. Они и способствуют свечению звезд. Основными характеристиками светил являются спектр, размер, блеск, светимость, внутренняя структура. Все эти параметры зависят от массы конкретной звезды и её химического состава.
Что такое светимость звезд?
Термоядерные реакции внутри звезд сопровождаются выбросами энергии. Светимостью же называют физическую величину, которая отражает, сколько именно энергии производит небесное тело за определенное время.
Её часто путают с другими параметрами, например, с яркостью звезд на ночном небе. Однако яркость или же видимая величина – это примерная характеристика, которая никак не измеряется. Она во многом связана с удаленностью светила от Земли и описывает только то, насколько хорошо звезда видна на небосклоне. Чем меньше цифра этой величины, тем больше её видимая яркость.
В отличие от неё, светимость звезд – это объективный параметр. Он не зависит от того, где находится наблюдатель. Это характеристика звезды, определяющая её энергетическую мощность. Она может изменяться в разные периоды эволюции небесного тела.
Приближенной к светимости, но не тождественной, является абсолютная звездная величина. Она обозначает яркость светила, видимую наблюдателю на расстоянии 10 парсек или 32,62 световых лет. Обычно она используется для вычисления светимости звезд.
Определение светимости
Количество энергии, которое выделяет небесное тело, определяется в ваттах (Вт), джоулях на секунду (Дж/с) или в эргах на секунду (эрг/с). Существует несколько способов найти необходимый параметр.
Его легко вычислить по формуле L = 0,4(Ma -M),если знать абсолютную величину нужной звезды. Так, латинской буквой L обозначается светимость, буква М – это абсолютная звездная величина, а Ма – абсолютная величина Солнца (4,83 Ма).
Другой способ предполагает больших знаний о светиле. Если нам известны радиус (R) и температура ( Tef )его поверхности, то светимость можно определить по формуле L=4pR 2 sT 4 ef. Латинская s в данном случае означает стабильную физическую величину - постоянную Стефана-Больцмана.
Светимость нашего Солнца равна 3.839 х 10 26 Ваттам. Для простоты и наглядности, ученые обычно сравнивают светимость космического тела именно с этой величиной. Так, существуют объекты в тысячи или миллионы раз слабее или мощнее Солнца.
Классы светимости звезд
Для сравнения звезд между собой, астрофизики использую различные классификации. Их делят по спектрам, размерам, температурам и т.д. Но чаще всего, для более полной картины используют сразу несколько характеристик.
Существует центральная гарвардская классификация, основанная на спектрах, которые излучают светила. В ней используют латинские буквы, каждая из которых соответствует конкретному цвету излучения (О-голубой, В – бело-голубой, А – белый и т.д.).
Звезды одного спектра могут иметь различную светимость. Поэтому ученые разработали йеркскую классификацию, которая учитывает и этот параметр. Она разделяет их по светимости, основываясь на абсолютной величине. При этом каждому виду звезд приписывают не только буквы спектра, но и цифры, отвечающие за светимость. Так, выделяют:
- гипергигантов (0);
- ярчайших сверхгигантов (Ia+);
- ярких сверхгигантов (Ia);
- нормальных сверхгигантов (Ib);
- ярких гигантов (II);
- нормальных гигантов (III);
- субгигантов (IV);
- карликов главной последовательности (V);
- субкарликов (VI);
- белых карликов (VII);
Чем больше светимость, тем меньше значение абсолютной величины. У гигантов и сверхгигантов оно обозначается со знаком минус.
Связь между абсолютной величиной, температурой, спектром, светимостью звезд показывает диаграмма Герцшпрунга — Рессела. Она была принята ещё в 1910 году. Диаграмма объединяет гарвардскую и йеркскую классификации и позволяет рассматривать и классифицировать светила более целостно.
Разница в светимости
Параметры звезд сильно взаимосвязаны друг с другом. На светимость влияние оказывает температура звезды и её масса. А они во много зависят от химического состава светила. Масса звезды становится тем больше, чем меньше в ней тяжелых элементов (тяжелее водорода и гелия).
Самой большой массой обладают гипергиганты и различные сверхгиганты. Они наиболее мощные и яркие звезды во Вселенной, но вместе с тем, и редчайшие. Карлики, наоборот, обладают небольшой массой и светимостью, но составляют около 90% всех звезд.
Самой массивной звездой, которая известна сейчас, является голубой гипергигант R136a1. Её светимость превышает солнечную в 8,7 миллионов раз. Переменная звезда в созвездии Лебедя (Р Лебедя) превосходит по светимости Солнце в 630 000 раз, а S Золотой Рыбы превышает этот его параметр в 500 000 раз. Одна из самых маленьких известных звезд 2MASS J0523-1403 обладает светимостью 0,00126 от солнечной.
Благодаря работе астрономов разных стран, за последние десятилетия мы много узнали о развитии звёзд и их эволюции. Все данные получены благодаря наблюдению множества звёзд, находящихся на разных этапах эволюции.
Основными свойствами звёзд являются:
- светимость (полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени (L),
- температура поверхности,
- масса,
- радиус.
Между всеми этими характеристиками существует связь. Эта связь отображена на диаграмме Герцшпрунга - Рассела (Спектр – Светимость представлена на картинке)
Из этой диаграммы видно, что звёзды создают определённую последовательность. Полоса, идущая с левого верхнего угла в правый нижний, называется "главная последовательность" В верхнем правом углу находятся холодные, но в то же время огромные звёзды, называемые красными гигантами. В левом нижнем углу –"белые карлики". Очень горячие звёзды, но и очень маленькие. Солнце имеет спектральный класс G2.
Рассмотрим основные свойства подробнее.
Светимость
Светимость звёзд (L) чаще выражается в единицах светимости Солнца (4x эрг/с). Светимость звезды вычисляют по энергии, достигающей Земли, при условии, если известно расстояние до звезды. По светимости звёзды различаются в очень широких пределах. Большинство звёзд составляют "карлики", их светимость ничтожна иногда даже по сравнению с Солнцем.
Характеристикой светимости является "абсолютная величина" звезды. Есть ещё понятие "видимая звёздная величина", которая зависит от светимости звезды, цвета и расстояния до неё. В большинстве случаев используют "абсолютную величину", чтобы реально оценить размеры звёзд, независимо как далеко они находятся. Чтобы узнать истинную величину, просто нужно звёзды отнести на какое-то условное расстояние (допустим на 10ПК). Звёзды высокой светимости имеют отрицательные значения. Например, видимая величина солнца -26,8. На расстоянии в 10ПК эта величина будет уже +5 (самые слабые звёзды, видимые невооружённым глазом, имеют величину +6).
Температура поверхности
Известные законы термодинамики позволяют нам определить температуру тела, измеряя длину волны в максимуме излучения черного цвета.
Так, если температура поверхности 3-4 тыс. К, то её цвет красноватый, 6-7 тыс. К - жёлтый, 10-12 тыс. К - белый и голубой. В таблице ниже приведены интервалы длин волн, соответствующие различным цветам, которые можно наблюдать в оптическом диапазоне.
Цвет и длина волны
| Цвет | Диапазон длин волн, А |
| Фиолетовый, синий | 3900 - 4550 |
| Голубой | 4550 - 4920 |
| Зеленый | 4920 - 5570 |
| Желтый | 5570 - 5970 |
| Оранжевый | 5970 - 6220 |
| Красный | 6220 - 7700 |
Последовательность спектров звёзд, получающихся при непрерывном изменении их поверхностных слоёв, обозначается следующими буквами: O, B, A, F, G, K, M (от горячих к холодным). Каждый из этих классов подразделяется ещё на 10 подклассов (пример B1, B2, B3…). Четкая классификация спектрального класса звезд представлена в следующей таблице
Спектральные классы звезд
| Обозначение класса звезд | Характерный признак спектральных линий | Температура поверхности, K |
| O | Ионизованный гелий | > 30 000 |
| B | Нейтральный гелий | 11 000 - 30 000 |
| A | Водород | 7 200 - 11 000 |
| F | Ионизованный кальций | 6 000 - 7 200 |
| G | Ионизованный кальций, нейтральные металлы | 5 200 - 6 000 |
| K | Нейтральные металлы | 3 500 - 5200 |
| M | Нейтральные металлы, полосы поглощения молекул |
Автор: Татьяна Сидорова, дата обновления: 17.05.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!
Как известно, светимость звёзд является одной из их главных характеристик. Поскольку это первый признак, по которому мы отличаем светила на ночном небе.
Однако звёздное сияние разное, ведь даже невооружённым глазом видно, что одни блестят ярче других. В действительности, в астрономии светимость звёзд отражает не то, какие они яркие для наблюдателя, а их силу излучения.
Звёздный космос
Почему звёзды светятся на небе и излучают свет
Всё просто, потому что светила в результате происходящих внутри термоядерных реакций, очень высокой температуре вырабатывают энергию и излучают свет.
Если говорить точнее, при синтезе гелия из водорода высвобождается огромнейшее количество энергии, происходит горение водорода. У массивных звёзд горит не только он, но и гелий, а иногда и другие более тяжёлые элементы. В таком случае энергии производится намного больше.
Большая часть энергии производит разные виды излучений, а в совокупности они придают светилам способность светиться.
Таким образом, светимость звезды — это суммарное значение энергии излучения за определённый отрезок времени.
Светимость Бетельгейзе больше светимости Солнца в 80 тысяч раз, а максимальная — в 105 тысяч раз
Соответственно, чем больше энергии вырабатывает звёздное тело, тем выше светимость. Получается, что она зависит от массы объекта.
На самом деле, массивность играет важную роль. Правда, не только она определяет уровень светимости звёзд. Так как мало получить энергию, она же внутри, нужно её вывести на поверхность. Как оказалось, площадь излучающей поверхности также влияет на то, как светит звёздное тело. Чем она больше, тем сильнее излучение.
Можно сказать, что светимость звёзд отражает не только количество излучаемой энергии, но и размер её поверхности.
Также стоит отметить, что температура внутри и на поверхности любого космического объекта влияет практически на все его показатели и свойства.
Как определить светимость звёзд
Прежде всего, данная характеристика позволяет проводить сравнение между разными видами звёзд. Так как на неё влияют почти все звёздные параметры.
Рассчитать светимость звёзд можно по формуле:
Формула светимости звезды
где R — радиус звезды,
T — температура поверхности,
σ — постоянная Стефана — Больцмана.
Как видно из формулы, важными факторами являются масса, размер и температура. А зная суммарную энергию излучения светила, можно узнать всё остальное.
Однако не стоит путать светимость звёзд с их сиянием и блеском. Ведь блеск является всего лишь визуальным показателем яркости объекта, а мы говорим про количество излучаемой энергии. Правда, чтобы её вычислить необходимо знать абсолютную величину звезды (звездная величина при расстоянии до тела 10 парсек).
Спика — самая яркая звезда в созвездии Девы и шестнадцатая по яркости звезда неба с видимой звёздной величиной +1,04
Кроме того, часто светимость звёзд ошибочно называют видимой звёздной величиной. Хотя это также субъективная величина, при которой большое значение имеет расстояние до объекта.
Для изучения звёздных тел уровень светимости имеет важное значение, поскольку он зависит от химических и физических характеристик светила. То есть зная данный показатель можно узнать многое. Например, состав, цвет, размер, массу, и даже интенсивность термоядерных реакции.
Что интересно, обычное для нас мерцание звёзд на небе обусловлено многими факторами. Сколько всего происходит вокруг нас, что мы не видим и о чём даже не задумываемся.
Для земного наблюдателя светящиеся звезды, бесспорно, красивые небесные тела. А что за этим стоит и как происходит на самом деле, порой, непонятно и непостижимо. Но согласитесь, Вселенная прекрасна в своих порождениях.
Читайте также: