Почему звезды горячие кратко
Обновлено: 04.07.2024
Цвет звезды, прежде всего, отражает температуру ее поверхности. Самые горячие звезды – синие, а самые холодные – красные. Как правило, холодные звезды еще и маленькие, а горячие — очень большие и тяжелые. Звезды меньше 0,08 солнечных масс не становятся полноценными звездами (это коричневые карлики), звезды до 0,5 солнечной массы становятся красными карликами — они маленькие, неяркие и живут очень долго.
Солнце — и звезды такой же массы и возраста — это желтые карлики. Большие звезды — от 8 солнечных масс — это гиганты и сверхгиганты. Их совсем немного и живут они недолго, но именно они — самые заметные на небосклоне, именно они производят большую часть ионизирующего излучения и все тяжелые элементы во вселенной. Они взрываются сверхновыми и образуют нейтронные звезды и черные дыры.
Цвет звезды меняется по мере ее старения. Наше Солнце не всегда будет желтым карликом: оно будет светить еще около 5 миллиардов лет, а к концу своей жизни начнет расширяться, и превратится в красного гиганта. В конце концов Солнце скинет свою оболочку (перед этим недолго побудет большим и бледно-голубым) и от него останется медленно остывающий белый карлик.
Зависимость между цветом, температурой и массой звезды отображает Главная последовательность.
Заманчиво сказать, что звёзды горячие, потому что в них происходит ядерный синтез , который преобразует накопленную энергию в тепло.
Это правда, но лишь в некоторой степени.
Абсолютно верно, что ядерный синтез действительно происходит
в центре звёзд, и он производит энергию, до тех пор пока звезда плавит элементы, которые легче железа.
Ядерный синтез по-настоящему трудно начать . Это серьёзная задача
для физиков.
Чтобы заставить два элемента слиться, их ядра должны тесно соприкасаться друг с другом до тех пор, пока они сольются. Но проблема
в том, что ядра отталкиваются друг от друга — они оба имеют положительный заряд .
Для начала термоядерного синтеза нужна невероятно высокая температура воспламенения .
Высокая температура означает столкновение частиц друг с другом
на гораздо более высоких скоростях, что делает вероятность слияния
намного выше. Существующие проекты термоядерного синтеза нуждаются в температуре воспламенения, которая составляет несколько миллионов Кельвинов .
После начала процесса, реакция станет самоподдерживающейся , однако обойти начальную фазу зажигания невозможно.
Используя эту информацию можно понять, почему ядерный синтез сам
по себе не является ответом на поставленный вопрос.
Вернёмся к истокам, к моменту образования Солнца
Когда-то Солнце было обычным облаком газа , безмятежно плавающим
в космосе. Предполагаем, что это облако находилось довольно далеко
от всего остального — никаких других звёзд поблизости.
Что происходит, если поместить кучу частиц в свободное пространство? Возникает гравитация.
Облако газа будет сжиматься под действием собственной гравитации .
По мере того, как скопление частиц будет занимать меньший объём, частицы будут двигаться всё быстрее и быстрее за счёт высвобождения кинетической энергии. Что же происходит дальше?
Скорость возросла, поэтому облако газа будет расширяться. И снова сжиматься . Энергия будет постоянно балансировать между кинетической и гравитационной. Объект пока не сможет коллапсировать в более плотный. Частицы будут чаще сталкиваться друг с другом. В целом облако будет продолжать сжатие, но каждая отдельная частица может двигаться в случайном направлении в любой момент.
Что может быть связано со скоростью и силой частиц, движущихся
в случайном направлении?
Это то, что мы называем температурой и давлением. Температура ,
в общем случае, это кинетическая энергия, связанная со случайным движением частиц в теле. Давление — сила, действующая благодаря этому движению.
При сжатии облака, частицы преобразуют своё гравитационное движение в случайное. Случайное движение нагревает облако. По мере нагрева давление увеличивается, за счёт чего сжатие облака замедляется. Самое удивительно в том, что этот процесс является самоуправляющимся.
Если облако коллапсирует слишком быстро , скорость частиц возрастает, так же как температура и давление — замедляя коллапс.
Если температура повышается , облако расширяется, отнимая энергию
у частиц, замедляя их и уменьшая давление — это заставляет облако снова сжиматься.
Исходя из этого соотношения становится ясно, что чем тяжелее облако, тем горячее оно будет . Когда облако газа сжимается, оно нагревается, оказывая давление на собственные внешние слои, таким образом образуется прекрасная петля обратной связи .
Ядро облака, где давление и температура являются наибольшими, наконец достигает критической температуры, необходимой для начала ядерного синтеза. Наше облако теперь стало звездой!
В этот момент звезда прекращает сжатие за счёт дополнительной тепловой энергии от синтеза. Снова в игру вступает петля обратной связи — скорость плавления зависит от температуры, поэтому дальнейшее сжатие вызовет огромную волну нового синтеза, которое будет сжатию противодействовать.
Точно так же, если звезда расширяется, то ядро охлаждается, замедляя процессы слияния, и заставляя звезду снова сжиматься. Поэтому звезда остаётся стабильной .
Звезды принадлежат к горячейшим объектам Вселенной. Именно высокая температура нашего Солнца сделала возможной жизнь на Земле. Но причина такого сильного нагрева звезд долгое время оставалась неизвестной людям.
Откуда в звезде берется жар?
Разгадка секрета высокой температуры звезды лежит внутри нее. Имеется в виду не только состав светила — в буквальном смысле весь накал звезды исходит изнутри. Ядро — это горячее сердце звезды, в котором происходит термоядерная реакция синтеза, самая мощная из ядерных реакций. Этот процесс является источником энергии для всего светила — тепло из центра поднимается наружу, а затем и в открытый космос.
Материалы по теме
Поэтому температура звезды сильно различается в зависимости от места измерения. К примеру, температура в центре ядра нашего Солнца достигает 15 миллионов градусов Цельсия — а уже на поверхности, в фотосфере, жар спадает до 5 тысяч градусов.
Но существует еще и звездная корона, самая верхняя часть атмосферы звезды. Ее температура необычайно высока в сравнении с нагревом нижних слоев — у Солнца она доходит до 900 тысяч – 1 миллиона градусов Цельсия. Точной причины такого скачка ученые еще не знают, но в нем явно замешано магнитное поле Солнца. Оно играют немалую роль в формировании итоговой температуры поверхности звезды — но об этом чуть дальше.
Солнце — это самая рядовая звезда во Вселенной, поэтому ее показатели температуры свойственны большинству видимых звезд. Однако, есть звезды погорячее: раскаленная поверхность звезд — голубых сверхгигантов, таких как Джета в созвездии Кормы, достигает 200 000 °C! Страшно представить, насколько высока температура в их ядре — нагрев переваливает за сотню миллионов градусов по Цельсию. Красные гиганты, наоборот, холоднее — их фотосфера разогревается всего до 2,5–3 тысяч градусов по Цельсию.
Как видно, цвет звезды непосредственно определяется ее температурой — чем горячее звезда, тем ближе ее свет к синему цвету. Критерий цвета-температуры является решающим при распределении звезд по спектральным классам. Также это один из главных факторов расположения светила в диаграмме Герцшпрунга-Рассела — по ней можно найти звезды с похожими характеристиками, а также определить возраст звезды.
Почему температура звезды такая разная?
Первичное объединение атомов водорода — первый шаг процесса ядерного синтеза
Действительно, отличия в нагреве ядра звезды и ее поверхности удивляют. Если бы вся энергия ядра Солнца распределится по звезде равномерно, температура поверхности нашего светила составит несколько миллионов градусов по Цельсию! Не менее поразительные отличия в температуре между звездами разных спектральных классов.
Все дело в том, что температуру звезды определяют два главных фактора: уровень излучения энергии ядром и площадь излучающей поверхности. Рассмотрим их подробнее.
Излучение энергии ядром
Хотя ядро накаляется до 15 миллионов градусов, не вся эта энергия передается соседним слоям. Излучается только то тепло, которое было получено от термоядерной реакции. Энергия гравитационного сжатия, несмотря на свою мощь, остается в пределах ядра. Соответственно, температуру верхних слоев звезды определяет только сила термоядерных реакций в ядре.
Материалы по теме
Площадь излучающей поверхности
Однако звезды не только генерируют энергию, но и тратят ее. Следовательно, чем больше энергии звезда отдает, тем меньше ее температура. А количество отдаваемой энергии первоочередно определяет площадь излучаемой поверхности.
Истинность этого правила можно проверить даже в быту — белье сохнет быстрее, если его развесить пошире на веревке. А поверхность звезды расширяет ее ядро. Чем оно плотнее, тем выше его температура — и при достижении определенной планке, от накала зажигается водород вне звездного ядра.
Восход раскаленного красного гиганта в представлении художника
Различия в температуре на поверхности
Еще один важный пункт — некоторые места на поверхности одной и той же звезды могут иметь разную температуру. Перепады достигают нескольких тысяч градусов Цельсия! Все зависит от способа передачи энергии от ядра звезды. Астрофизики выделяют два основных — лучистый перенос и конвекцию:
- Во время лучистого переноса энергия ядерного синтеза пробивается из центра звезды прямо сквозь звездное вещество — в виде лучей. Этот путь эффективный с точки зрения сохранения энергии, но очень медленный. Если зона лучистого переноса находится у центра звезды, как у нашего Солнца, путь лучей займет несколько десятков тысяч лет.
- Конвекция же базируется на всем нам известном законе природы — теплые жидкости и газы поднимаются наверх, а холодные — опускаются вниз. И так как звезды состоят из газа, конвекция наблюдается и у них. Звездное вещество, разогреваясь у более горячих слоев звезды, поднимается к более холодным зонам светила с меньшим давлением газа. Там забранная изнутри энергия отдается в виде излучения.
Схема движения энергии в звезде солнечного типа
Размещение зон лучистого переноса и конвекции зависит от массы звезды. В звездах, масса которых меньше солнечной, преобладает только конвекция. Массивные светила переносят жар от ядра к внешним слоям конвекцией, а до самой поверхности — лучистым переносом.
У Солнца же все наоборот: энергия от ядра уходит в виде лучей, а потом уже выкидывается на поверхность конвективными потоками звездной плазмы. Там, в фотосфере, энергия Солнца снова превращается в свет — в том числе видимый человеческому глазу.
И именно благодаря конвекции на поверхности Солнца случаются перепады температуры. Места, в которых это происходит, выделяются еще и визуально. Три главных типа — это факелы, пятна и протуберанцы.
Пятна, факелы и протуберанцы
Как и факелы, так и пятна с протуберанцами на Солнце появляются благодаря магнитным полям звезды, пересекающим фотосферу в периоды повышенной активности. Факелы появляются на тех местах, где магнитные линии ускоряют конвективные потоки газов из глубин Солнца. Похожее происхождения имеют и протуберанцы — но зона выхода магнитного поля у них куда уже, а сила магнитных линий — больше. В пятнах, наоборот, магнитное поле тормозит процесс термопередачи — поэтому они тусклее и прохладнее.
В силу близости Солнца к нам, оно остается единственной звездой, на которой наблюдались такие явления. Но так как природа звезд очень схожа, астрономы предполагают наличие пятен и факелов на других светилах.
Как известно, температура внутри звезд очень высокая. Ведь благодаря ей и запускаются термоядерные реакции. При сжатии молекулярного облака гравитационными силами происходит нагрев, который при достаточной массе молекул всё увеличивается и увеличивается. Так, начинается синтез гелия из водорода или, проще говоря, рождается звезда.
Рождение звезды
Несмотря на то, что все облака состоят из молекул водорода, они отличаются друг от друга количеством его частиц. В итоге получается разная масса протозвезд. Хотя процесс формирования светил примерно одинаковый.
Главным образом, температура звезд повышается при их начальном образовании, а затем при реакциях, происходящих в их ядре. В свою очередь, тепло, производимое в центральной части светила, поднимается и в его верхние слои (то есть на поверхность). А так как у разных тел она разная в недрах, соответственно, она отличается и на поверхности.
Стоит отметить, что внутри и снаружи нагрев светила не может быть одинаковым. Что интересно, звёздная корона (внешняя часть атмосферы) во много раз горячее нижних атмосферных слоёв, но, разумеется, ядерный жар самый высокий.
Структура звезды
От чего зависит температура звезды
В действительности, она обуславливается двумя основными факторами.
Во-первых, уровнем производимой ядром энергии. По данным учёных, ядро разогревается до 15 млн градусов. Однако излучается только тепло, полученное в результате термоядерных реакций. А вот энергия от гравитационного сжатия остаётся в самом центре.
Температура поверхности звезд напрямую зависит от силы внутренних процессов, а также какие элементы в них задействованы. Например, если происходит синтез не только гелия из водорода, но и синтез с участием тяжёлых элементов, то и излучающая энергия будет в разы больше. Как следствие, поверхностный нагрев увеличится.
А во-вторых, важное значение имеет площадь поверхности, которая излучает внутреннюю энергию. Дело в том, что звёздные объекты производят и в то же время отдают энергию в космическое пространство. И сколько они её отдадут, зависит от внешней оболочки, то есть от излучаемой поверхности.
Когда у звёзд расширяются внешние границы, увеличивается и ядро. А чем оно плотнее, тем горячее. Но так лишь внутри, а снаружи (в фотосфере) такие звезды имеют низкую температуру. Проще говоря, чем больше площадь, тем больше энергетический расход.
Помимо этого, прослеживается связь размеров, масс, светимостей и температур звёздных объектов. К примеру, чем массивнее звёздное тело, тем выше его светимость, а значит и нагрев. Стоит отметить, что температура звезды определяет её цвет. Взаимосвязь характеристик светил отображена на диаграмме Герцшпрунга-Расела.
Диаграмма Герцшпрунга — Рассела
Как видно, спектральные классы отличаются между собой набором характеристик.
Как определить и в чем измеряется температура звезд
Стоит отметить, что для данной характеристики используют эффективную величину нагретости тела. Другими словами, насколько горячий объект, настолько он излучает энергию. В случае со звёздными телами, их накал даёт характеристику светимости.
А вот для определения эффективной температуры звезд применяют закон Стефана-Больцмана. Он гласит, что мощность излучения нагретого тела прямо пропорциональна площади поверхности и температуры четвёртой степени.
P=σST⁴
где σ — это постоянный коэффициент 5,7*10-8,
S — площадь, а P — излучаемая мощность.
На самом деле, определяется температура звезд в Кельвинах (К). Правда, можно перевести в градусы Цельсия (С).
Какие температуры поверхности могут иметь звезды
По оценке учёных, показатели отдельных светил разные. Более холодные обладают теплом 2000-5000 К, средняя температура (у жёлтых и оранжевых) тел составляет 5000-7500 К, а горячие представители достигают значений 7500-80000 К.
Наос (самая горячая звезда)
Какие звезды имеют самую низкую температуру
Наименьшую температуру поверхности имеют звезды красных цветов. Правда, называть их холодными не совсем точно. Потому как их нагретость равняется 2000-3000К.
Звезда Барнарда (одна из самых холодных звёзд)
У какого типа звезд наибольшая температура
Как вы думаете, какая температура на поверхности самых горячих звезд?
Между прочим, наиболее жаркие светила имеют голубой или белый цвет. Хотя самый высокий уровень у синих. Только вдумайтесь, их уровень тепла может достигать 40000К.
Итак, мы выяснили, что температура и размеры звёзд могут быть разными. Вдобавок их характеристики связаны между собой.
Также очевидно, что температура в центре звезды отличается от температуры поверхности, которые они могут иметь. Это лишний раз доказывает, что каждый небесный объект уникален. Даже если одни его свойства схожи с другими телами, обязательно будет отличие в каком-либо другом параметре.
Возможно, эта статья покажется кому-то тривиальной. Она предназначена для тех людей, которые не имеют четкого представления о том, что такое звезды. Потому что дальше мы будем говорить об эволюции звезд, а как говорить об эволюции того, о чем не имеешь представления?
Почему горят звезды
Если посмотреть на элементный состав Вселенной, то больше всего там водорода (около 70%) и гелия (около 30%). На все остальные существующие элементы приходится менее процента.
Господи, скажете вы, что же можно сделать из водорода и гелия - двух самых легких на свете газов - в таких количествах?
Из них можно сделать звезды.
Звезды содержат большую часть проявленной массы Вселенной (есть еще скрытая масса, или темная материя, про которую никто ничего не знает, кроме того, что она где-то и как-то существует). Звезды являются главными генераторами энергии во Вселенной. А еще они являются теми самыми вселенскими фабриками, в которых создаются все остальные существующие на свете элементы. То есть звезды - это не просто красивые точки на небе, но и главные преобразователи материи и энергии во Вселенной. Как видим, без звезд Вселенная была бы крайне скучным местом: много-много водорода, немного гелия и все.
Что же представляют собой звезды и как им удается так замечательно заниматься преобразованием энергии и материи? Возможно, это покажется странным, но обычная звезда - это просто огромный шар из водорода и гелия с небольшой примесью других элементов.
Размеры и массы у звезд бывают самые разные, но все они намного больше Земли. Обычно размеры и массы звезд выражают в солнечных диаметрах (радиусах) и массах. Поэтому полезно узнать, что замечательная звезда, благодаря которой мы с вами живем на Земле, имеет диаметр 1,392,000 км (в 109 раз больше диаметра Земли) и массу 1.9891*10 в тридцатой степени кг (в 332 900 раз больше массы Земли). Солнце - довольно средняя звезда: бывают звезды и намного больше, и намного меньше него. Существуют пределы возможных масс для звезд - как самый низкий (около одной сотой массы Солнца), так и самый высокий (около 150 масс Солнца). Что находится за этими пределами, мы узнаем чуть позже.
Но водород с гелием, как и любой газ, как известно, стремятся занять весь предоставленный им объем. Поскольку во Вселенной стенок нет, что же не дает газам, из которых состоит звезда, разлетаться по всей Вселенной?
Гравитация - главная сила, управляющая Вселенной. Это она упорядочивает огромные массы материи, которые иначе были бы равномерно размазаны по всему объему Вселенной, и не было бы в ней никакой структуры (а значит, и нас с вами). Привычные для нас электромагнитные взаимодействия играют во Вселенной крайне маленькую роль. Именно гравитация не только не дает огромной массе газа - телу звезды - разлетаться во все стороны, но и придает звезде шарообразную форму (потому что каждая молекула газа, находящаяся на определенном расстоянии от центра звезды, притягивается с одинаковой силой).
Хорошо, теперь мы имеем представление о звезде: огромный газовый шар из водорода и гелия, удерживаемый вместе гравитацией. Поскольку массы звезд огромны, то и гравитационные силы, действующие в них, тоже огромны. Но почему тогда под действием гравитации этот шар не сжимается в тесный-тесный и плотный-плотный комок, и каким образом газовому шару удается работать преобразователем энергии и материи? И вообще, почему эти шары светятся?
Потому что гравитация не только придает звездам форму, размер и плотность. Она их еще и зажигает.
Гравитационные силы сжимают газовый шар так, что в его центре образуется громадное давление и громадная температура. Под действием этого давления и этой температуры в центре звезды идут термоядерные реакции. Каждая существующая в природе звезда - это огромный термоядерный реактор.
Что такое термоядерная реакция? Это когда один элемент превращается в другой с выделением энергии. Поскольку больше всего в звездах водорода, то чаще всего в звездных ядрах горит именно водород, превращаясь в гелий. Эта реакция выделяет огромное количество тепла, еще больше разогревая звезду. А разогретый газ, как известно, оказывает мощное давление (чем горячее газ, тем сильнее давление). Это давление направлено из центра звезды наружу, оно противостоит гравитационным силам, сжимающим звезду, и уравновешивает их. Каждая обыкновенная звезда находится в гидростатическом равновесии: гравитация в ней уравновешена внутренним давлением. (Звезды, которые не являются обыкновенными, мы рассмотрим позже.)
Конечно, надо понимать, что газ внутри звезды находится не в привычном нам атомном или молекулярном виде. Огромные температуры и давление, а также термоядерные реакции разрушают атомы, срывают электроны с их оболочек. Так что газ этот не простой, а ионизованный, состоящий из смеси атомов, ядер и электронов. То есть это плазма.
В ядрах звезд возможны такие температуры и давление, что не только ядра водорода будут превращаться в ядра гелия, но и ядра гелия - в ядра более тяжелых элементов, а они - в ядра еще более тяжелых элементов, и так до железа. Элементы тяжелее железа при обычных термоядерных реакциях в звездах не образуются, потому что дальше ядерные реакции идут уже не с выделением, а с поглощением тепла. Но в любом случае, все эти элементы любезно создали для нас звезды. Посмотрите на любой предмет, начиная, собственно, с себя. Все атомы углерода, кислорода, азота, серы и других элементов, кроме водорода, входящие в состав вашего тела, некогда возникли в сердце звезды.
Но таких звезд, которые создают элементы тяжелее гелия, во Вселенной сравнительно немного.
Помните главную последовательность на диаграмме Герцшпрунга-Рассела? Огромная, протянувшаяся через весь график диагональная полоса, на которую попали 80% всех звезд. Так вот, звезды главной последовательности - это звезды, в ядрах которых горит водород.
Причем водорода в звездах так много, что его хватает на миллионы и миллиарды лет. Во всяком случае, наше Солнце - типичная звезда главной последовательности - превращает водород в гелий уже четыре с половиной миллиарда лет и будет продолжать в том же духе еще столько же или немножко дольше.
А более тяжелые элементы, от лития до железа, создаются в гигантах, сверхгигантах и гипергигантах.
Кстати, в астрономии абсолютно все вещества тяжелее гелия называют металлами. К этому сложно привыкнуть, ведь для астрономов и кислород, и углерод, и кремний, и сера - все это металлы! Содержание металлов (в астрономическом смысле) в звезде называют ее металличностью. Металличность звезды - это очень важный показатель, говорящий о том, возможны ли у этой звезды каменистые планеты (а следовательно, жизнь). Потому что планеты формируются из того же материала, что и звезда, и если в звезде нет ничего, кроме водорода и гелия, то и планеты у нее могут быть только газовые.
Как они устроены
Легко догадаться, что звезда вряд ли представляет собой однородный такой газовый шарик. Все-таки обычно термоядерные реакторы устроены посложнее. Сочетание гравитации, давления и термоядерных реакций структурирует звезду, определяет ее внутреннее строение.
Вот как устроена обычная звезда главной последовательности (в том числе Солнце):
- В центре звезды находится ядро. Оно очень плотное, разогрето до миллионов градусов, и там идут термоядерные реакции.
- Центр звезды окутывает зона излучения. В этой зоне энергия из ядра передается наружу (т.е. во внешние слои) путем излучения. Вещество в этой зоне неподвижно.
- Вокруг зоны излучения находится зона конвекции. В этой зоне вещество в буквальном смысле перемешивается, вынося разогретые внутренние массы наружу.
(У очень крупных и тяжелых звезд зона конвекции и зона излучения меняются местами.)
- Затем идет фотосфера. Это непрозрачный тоненький слой, который не дает возможности увидеть то, что происходит внутри звезды. Когда мы говорим о цвете и температуре звезды, имеется в виду именно цвет и температура фотосферы. На фотосфере образуются пятна (те самые "пятна на солнце", но они могут быть на любой звезде) - районы с более низкой температурой, механизм образования которых еще не понятен.
- За фотосферой идет атмосфера звезды, состоящая из хромосферы, переходного слоя и короны. Атмосфера звезды крайне разрежена и может тянуться на миллионы километров. В атмосфере звезд появляются гигантские звездные вспышки, туда поднимаются с поверхности звезды протуберанцы.
- На еще более огромные расстояния тянется звездный ветер - потоки очень горячих частиц, оторвавшихся от звезды и улетающих в мировое пространство.
Схема внутреннего строения типичной звезды середины главной последовательности (цифры относятся к Солнцу)
Обратите внимание: ядерные реакции идут только в ядре звезды. Поэтому превратиться в гелий может только тот водород, который находился в ядре звезды с самого начала или как-то туда попал из внешних слоев при перемешивании. У нашего Солнца вокруг ядра находится зона излучения, в которой не происходит никакого перемешивания вещества, так что горит и будет гореть в Солнце только водород ядра. А это всего 10% от всего водорода, который содержится в Солнце. А вот маленькие красные карлики полностью конвективны - зоны излучения у них нет, вещество в них перемешивается полностью. Поэтому в них может сгореть весь содержащийся водород.
Читайте также: