Звезды принадлежат к горячейшим объектам Вселенной. Именно высокая температура нашего Солнца сделала возможной на Земле. Но причина такого сильного нагрева звезд долгое время оставалась неизвестной людям.

Разгадка секрета высокой температуры звезды лежит внутри нее. Имеется в виду не только состав светила - в буквальном смысле весь накал звезды исходит изнутри. - 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.

Поэтому температура звезды сильно различается в зависимости от места измерения. К примеру, температура в центре ядра нашего достигает 15 миллионов градусов Цельсия - а уже на поверхности, в фотосфере, жар спадает до 5 тысяч градусов.

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 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 , несмотря на свою мощь, остается в пределах ядра. Соответственно, температуру верхних слоев звезды определяет только сила термоядерных реакций в ядре.

Различия тут могут быть качественные и количественные. Если ядро достаточно большое, в нем «сгорает» больше водорода. Этим путем энергию получают молодые и зрелые звезды размеров Солнца, а также голубые гиганты и сверхгиганты. Массивные звезды вроде красных гигантов тратят в ядерной «топке» не только водород, но и гелий, или даже углерод и кислород.

Процессы синтеза с ядрами тяжелых элементов дает намного больше энергии. В рамках термоядерной реакции синтеза, энергия получается за счет избыточной массы соединяющихся атомов. Во время , которая происходит внутри Солнца, 6 ядер водорода с атомной массой 1 объединяются в одно ядро гелия с массой 4- грубо говоря, 2 лишних ядра водорода переходят в энергию. А когда «горит» углерод, сталкиваются ядра с массой уже 12 - соответственно, выход энергии куда больше.

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.

Звезды – это гигантские скопления раскаленного газа. Состоят они в основном из двух видов газа – водорода и гелия. Из-за синтеза водорода и гелия происходит выброс энергии, благодаря которому звезды такие яркие и горячие и, наверное, поэтому кажутся нам белыми. А что насчет самой известной звезды – ? Она уже не кажется нам такой белой, и больше похожа на желтую. А еще есть красные, коричневые, голубые звезды.

Для того, чтобы понять, почему звезды бывают разных цветов, надо проследить весь жизненный путь звезды от момента ее возникновения, до полного угасания.

Photo by Nigel Howe

Теперь ты понимаешь, что каждая звезда проходит разные пути своего развития и постоянно меняет свой размер, цвет, яркость, температуру. Отсюда столько разновидностей звезд. Самые маленькие звезды – красные. Средние звезды имеют желтую окраску, например, наше Солнце. Звезды побольше – синие, они являются самыми яркими звездами. Коричневые карлики имеют очень маленькую энергию и не способны компенсировать потерю энергии на излучение. Белые карлики – это постепенно остывающие звезды, которые вскоре становятся невидимыми и темными.

Единственная звезда нашей Солнечной системы, Солнце, относится к типу «желтых карликов». Полярная звезда, которая указывает путь морякам – голубой сверхгигант. А ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра является красным карликом. Большинство звезд во Вселенной являются также красными карликами. А мы видим все звезды белыми, почему? Оказывается, виной тому тусклость звезд и наше зрение. Оно недостаточно зоркое, чтобы уловить разные цвета таких звезд. Но цвет самых ярких звезд мы, все таки, можем различить.

Теперь ты знаешь, что звезды бывают не только белые и сможешь легко справиться с заданием.

Задание:

1. Нарисуй небо полное разноцветных звезд. Именно такое небо, которое мы видели бы, если бы имели более зоркое зрение.

О звездах

Послушайте! Ведь, если звезды зажигают -

значит - это кому-нибудь нужно?

Значит - это необходимо,

чтобы каждый вечер

над крышами

загоралась хоть одна звезда?!

И физиков, и лириков тянет поговорить о звездах, а художники пытаются запечатлеть звездное небо на своих полотнах.
Но любуясь мерцающими звездами на ночном небе, мы иногда вспоминаем, что звезды - это далекие, огромные и разнообразные миры.

Какие же бывают звезды?
Звезда с точки зрения астрономии — массивный светящийся газовый шар той же природы, что и Солнце .
Образуются звезды из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия.
Звезды отличаются друг от друга по массе, спектру свечения, по этапам эволюции.
И вот какими бывают звезды

Спектральные классы
По спектральному классу звезды варьируются от горячих голубых до холодных красных, по массе — от 0,0767 до 300 солнечных масс. Светимость и цвет звезды зависит от температуры её поверхности и массы. Спектральные классы - по порядку от горячих к холодным такие: (O, B, A, F, G, K, M).

Звездная диаграмма
В начале XX века, Герцшпрунг и Рассел нанесли на диаграмму «Абсолютная звёздная величина» — «спектральный класс » различные звёзды, и оказалось, что большая их часть сгруппирована вдоль узкой кривой - главной последовательности звезд.

На главной последовательности находится и наше Солнце — типичная звезда спектрального класса G, желтый карлик.
Обозначение класса звёзд: сначала идет буквенное обозначение спектрального класса, далее арабскими цифрами спектральный подкласс, потом римскими цифрами идет класс светимости (номер области на диаграмме). Солнце имеет класс G2V.

Звезды главной последовательности
Эти звезды находятся на таком этапе жизни, при котором энергия излучения полностью компенсируется энергией, протекающих в ее центре, термоядерных реакций . Свечение у таких звезд может быть различное, в зависимости от вида реакции.
В этом классе ученые выделяют такие виды звезд: О- голубые, В- бело-голубые, А- белые, F- бело-желтые; G- желтые; К- оранжевые; М- красные.
Самую высокую температуру имеют звезды голубые, самую низкую - красные . Солнце относится к желтым разновидностям звезд, его возраст составляет чуть более 4,5 млрд. лет .
Гигантами считаются светила, имеющие диаметр и массу в десятки тысяч раз превосходящие Солнце.
Кстати, для запоминания классов звезд есть забавная мнемоническая фраза : Один Бритый Англичанин Финики Жует, Как Морковь (O, B, A, F, G, K, M)..

Оказаывается, многообразие видов звезд - это отражение количественных характеристик звезд (масса, химический состав) и эволюционного этапа на котором в данный момент находится звезда.
ЗВЁЗДНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ в астрономии — последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение жизни.
Звезда за миллионы и миллиарды лет своей жизни проходит самые разные стадии эволюции…

Эволюция Солнца

Звезда может из звезды-гиганта превратиться в Белого карлика или Красного гиганта, а потом вспыхнуть Сверхновой или превратиться в страшную Черную дыру.
Как же происходят эти превращения?

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Матерью каждого небесного тела можно именовать гравитацию, а отцом - сопротивление материи сжатию.
Звезда начинает свою жизнь как облако межзвёздного газа , сжимающееся под действием собственного тяготения и принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура возрастает.
Когда температура в центре достигает 15-20 млн , начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой !
Голубой гигант — звезда спектрального класса O или B . Это молодые горячие массивные звёзды. Массы голубых гигантов достигают 10—20 масс Солнца , а светимость в тысячи раз превышает солнечную.
На первой стадии жизни звезды в ней доминируют реакции водородного цикла . Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий , термоядерные реакции прекращаются.

Красный гигант - одна из стадий эволюции звезды.
Диаметр светила увеличивается к моменту выгорания водорода в его ядре. Свечение раскаленных газов приобретает красный оттенок, а температура их сравнительно невысока.

Без давления, возникавшего в ходе реакций и уравновешивавшего собственное гравитационное притяжение звезды, звезда снова начинает сжатие . Температура и давление повышаются.
Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре около 100 млн не начнутся термоядерные реакции с участием гелия .
Возобновившееся термоядерное горение вещества, гелия, становится причиной чудовищного расширения звезды, её размер увеличивается в 100 раз! Звезда становится красным гигантом , а фаза горения гелия продолжается несколько миллионов лет.

Красные гиганты и сверхгиганты —звёзды с низкой температурой (3000 — 5000 К), однако с огромной светимостью. Абсолютная звёздная величина таких объектов −3m—0m, а максимум их излучения в инфракрасном диапазоне.
Практически все красные гиганты являются переменными звёздами .
Происходит дальнейшее термоядерное превращение гелия (гелий — в углерод , углерод — в кислород , кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).
Красный карлик
Маленькие, холодные красные карлики медленно сжигают запасы водорода и остаются такими миллиарды лет, а массивные сверхгиганты изменятся уже через несколько миллионов лет после формирования.
Звёзды среднего размера , как Солнце, остаются на главной последовательности около 10 миллиардов лет.
После гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; это вызывает сильную перестройку звезды. Размер атмосферы звезды увеличивается, и она начинает терять газ в виде потоков звёздного ветра .

Белый карлик или черная дыра?
Судьба звезды зависит от её исходной массы.
Ядро звезды может закончить эволюцию:
как белый карлик (маломассивные звёзды),
как нейтронная звезда (пульсар) — если её масса превышает предел Чандрасекара,
и как чёрная дыра — если масса превышает предел Оппенгеймера — Волкова.
В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями — вспышками сверхновых .

Белые карлики
Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденного ядра не уравновесит гравитацию .

В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом . Она лишена источников энергии и, остывая, становится тёмной и невидимой .

Новая звезда — тип катаклизмических переменных. Блеск у них меняется не так резко, как у сверхновых (хотя амплитуда может составлять 9m).

Сверхновые звёзды — звёзды, заканчивающие свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Термином «сверхновые» были названы звёзды, которые вспыхивали сильнее «новых звёзд». На самом деле все они новыми не являются, вспыхивают уже существующие звёзды. Но иногда вспыхивали звёзды, которые ранее были на небе не видны, что и создавало эффект появления новой звезды.

Гиперновая — коллапс тяжёлой звезды после того, как в ней больше не осталось источников для поддержания термоядерных реакций; очень большая сверхновая. Термин используется для описания взрывов звёзд с массой от 100 и более масс Солнца.

Переменная звезда — это звезда, за всю историю наблюдения которой хоть один раз менялся блеск. Причин переменности много. Например, если звезда двойная, то одна звезда, проходя по диску другой звезды, будет его затмевать.


Но в большинстве случаев переменность связана с нестабильными внутренними процессами

Чёрная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).


Граница этой области называется горизонтом событий , а её характерный размер — гравитационным радиусом. В простейшем случае он равен радиусу Шварцшильда .
R ш=2G M/с 2
где c — скорость света, M — масса тела, G — гравитационная постоянная.
………………………
Нейтронная звезда — астрономический объект, состоящий из нейтронной сердцевины и тонкой (∼1 км) коры вырожденного вещества, содержащей тяжёлые атомные ядра. Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но радиусы составляют лишь десятки километров . Считается, что нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых .

Так Крабовидная туманность в созвездии Тельца , является остатками сверхновой , взрыв которой наблюдался, согласно записям арабских и китайских астрономов, 4 июля 1054 года . Вспышка была видна на протяжении 23 дней невооружённым глазом даже в дневное время.
Крабовидная туманность в условных цветах (синий — рентгеновский, красный — оптический диапазон). В центре — пульсар .

Пульсар — космический источник периодического радио- (радиопульсар), оптического, рентгеновского или гамма излучений, приходящих на Землю в виде периодических импульсов .
Первый пульсар, нейтронная звезда , был открыт в июне 1967 г. Джоселин Белл, аспиранткой Э. Хьюиша. Она открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн . Феномен позже был объяснён, как направленный радиолуч от вращающегося объекта — своеобразный «космический маяк». Но обычные звёзды разрушились бы от столь высокой скорости вращения, на роль «маяков» подходили только нейтронные звезды.
За этот результат Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию.
Интересно , что сначала пульсару присвоили имя LGM-1 (от Little Green Men — маленькие зелёные человечки). Такое название было связано с предположением, что эти периодические импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение . Потом гипотеза о сигналах внеземной цивилизации отпала.

Цефеиды — класс пульсирующих переменных звёзд с точной зависимостью период—светимость, названный по звезде δ Цефея . Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда .
Коричневые карлики это тип звезд, в которых ядерные реакции не компенсировали потери энергии на излучение. Их существование предсказали в середине XX в, а в 2004 году коричневый карлик впервые был обнаружен.


На сегодняшний день открыто достаточно таких звезд, их спектральный класс М — T.

Черный карлик -конечная стадия эволюции звезды с небольшой массой, остывшая и безжизненная.
......................
Другие Космические объекты

Белая дыра
Это гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временной противоположностью чёрной дыры.
Квазары
Квазар — это чрезвычайно далекий, внегалактический объект с высокой светимостью и малым угловым размером, далёкое активное ядро галактики . По одной из теорий, квазары - галактики на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество.
От слов quas istell a r («квазизвёздный», «похожий на звезду ») и (« »), дословно «квазизвёздный радиоисточник».

Галактика (др.-греч. молочный) — гигантская система из звёзд , звёздных скоплений , межзвёздного газа . Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего

Специалисты выдвигают несколько теорий их возникновения. Наиболее вероятная из низ гласит о том, что такие звезды голубого цвета, очень давно были двойными, и у них происходил процесс слияния. Когда 2 звезды объединяются, то возникает новая звезда с гораздо большой яркостью, массой, температурой.

Голубые звезды примеры:

• Гамма Парусов;
• Ригель;
• Дзета Ориона;
• Альфа Жирафа;
• Дзета Кормы;
• Тау Большого Пса.

Звезды белого цвета — белые звезды

Один ученый обнаружил очень тусклую звезду белого цвета, которая была спутником Сириуса и она получила название Сириус В. Поверхность это уникальной звезды разогрета до 25000 Кельвинов, а радиус её маленький.

Белые звезды примеры:

• Альтаир в созвездии Орла;
• Вега в созвездии Лиры;
• Кастор;
• Сириус.

Звезды желтого цвета — желтые звезды

Такие звезды имеют свечение желтого цвета, а их масса находиться в пределах массы Солнца — это около 0,8-1,4. Поверхность таких звезд обычно разогрета до температуры 4-6 тыс. Кельвинов. Живет такая звезда около 10 млрд. лет.

Желтые звезды примеры:

• Звезда HD 82943;
• Толиман;
• Дабих;
• Хара;
• Альхита.

Звезды красного цвета — красные звезды

Первые красные звезды открыли в 1868 году. Их температура довольно таки низкая, а внешние слои красных гигантов заполнены большим количеством углерода. Ранее подобные звезды составляли два спектральных класса — N и R, но сейчас ученые смогли определить еще один общий класс — C.

Какого цвета звезды

Цвета звезд. Звезды имеют самые разные цвета. У Арктура желто-оранжевый оттенок, Ригель бело-голубой, Антарес ярко-красный. Доминирующий цвет в спектре звезды зависит от температуры ее поверхности. Газовая оболочка звезды ведет себя почти как идеальный излучатель (абсолютно черное тело) и вполне подчиняется классическим законам излучения М.Планка (1858–1947), Й.Стефана (1835–1893) и В.Вина (1864–1928), связывающим температуру тела и характер его излучения. Закон Планка описывает распределение энергии в спектре тела. Он указывает, что с ростом температуры повышается полный поток излучения, а максимум в спектре сдвигается в сторону коротких волн. Длина волны (в сантиметрах), на которую приходится максимум излучения, определяется законом Вина: l max = 0,29/T . Именно этот закон объясняет красный цвет Антареса (T = 3500 K) и голубоватый цвет Ригеля (T = 18000 К). Закон Стефана дает полный поток излучения на всех длинах волн (в ваттах с квадратного метра): E = 5,67" 10 –8 T 4 .

Спектры звезд. Изучение звездных спектров – это фундамент современной астрофизики. По спектру можно определить химический состав, температуру, давление и скорость движения газа в атмосфере звезды. По доплеровскому смещению линий измеряют скорость движения самой звезды, например, по орбите в двойной системе.

В спектрах большинства звезд видны линии поглощения, т.е. узкие разрывы в непрерывном распределении излучения. Их называют также фраунгоферовыми или абсорбционными линиями. Они образуются в спектре потому, что излучение горячих нижних слоев атмосферы звезды, проходя сквозь более холодные верхние слои, поглощается на некоторых длинах волн, характерных для определенных атомов и молекул.

Спектры поглощения звезд сильно различаются; однако интенсивность линий какого-либо химического элемента далеко не всегда отражает его истинное количество в атмосфере звезды: в значительно большей степени вид спектра зависит от температуры звездной поверхности. Например, атомы железа есть в атмосфере большинства звезд. Однако линии нейтрального железа отсутствуют в спектрах горячих звезд, поскольку все атомы железа там ионизованы. Водород – это главный компонент всех звезд. Но оптические линии водорода не видны в спектрах холодных звезд, где он недостаточно возбужден, и в спектрах очень горячих звезд, где он полностью ионизован. Зато в спектрах умеренно горячих звезд с температурой поверхности ок. 10 000 К самые мощные линии поглощения – это линии бальмеровской серии водорода, образующиеся при переходах атомов со второго энергетического уровня.

Давление газа в атмосфере звезды также имеет некоторое влияние на спектр. При одинаковой температуре линии ионизованных атомов сильнее в атмосферах с низким давлением, поскольку там эти атомы реже захватывают электроны и, следовательно, дольше живут. Давление атмосферы тесно связано с размером и массой, а значит и со светимостью звезды данного спектрального класса. Установив по спектру давление, можно вычислить светимость звезды и, сравнивая ее с видимым блеском, определить «модуль расстояния» (M - m ) и линейное расстояние до звезды. Этот очень полезный метод называют методом спектральных параллаксов.

Показатель цвета. Спектр звезды и ее температура тесно связаны с показателем цвета, т.е. с отношением яркостей звезды в желтом и голубом диапазонах спектра. Закон Планка, описывающий распределение энергии в спектре, дает выражение для показателя цвета: C.I. = 7200/T – 0,64. У холодных звезд показатель цвета выше, чем у горячих, т.е. холодные звезды относительно ярче в желтых лучах, чем в голубых. Горячие (голубые) звезды выглядят более яркими на обычных фотопластинках, а холодные звезды выглядят ярче для глаза и особых фотоэмульсий, чувствительных к желтым лучам.

Спектральная классификация. Все разнообразие звездных спектров можно уложить в логичную систему. Гарвардская спектральная классификация впервые была представлена в Каталоге звездных спектров Генри Дрэпера , подготовленного под руководством Э.Пикеринга (1846–1919). Сначала спектры были расставлены по интенсивности линий и обозначены буквами в алфавитном порядке. Но развитая позже физическая теория спектров позволила расположить их в температурную последовательность. Буквенное обозначение спектров не изменили, и теперь порядок основных спектральных классов от горячих к холодным звездам выглядит так: O B A F G K M. Дополнительными классами R, N и S обозначены спектры, похожие на K и M, но с иным химическим составом. Между каждыми двумя классами введены подклассы, обозначенные цифрами от 0 до 9. Например, спектр типа A5 находится посередине между A0 и F0. Дополнительными буквами иногда отмечают особенности звезд: «d» – карлик, «D» – белый карлик, «p» – пекулярный (необычный) спектр.

Наиболее точную спектральную классификацию представляет система МК, созданная У.Морганом и Ф.Кинаном в Йеркской обсерватории. Это двумерная система, в которой спектры расставлены как по температуре, так и по светимости звезд. Ее преемственность с одномерной Гарвардской классификацией в том, что температурная последовательность выражена теми же буквами и цифрами (A3, K5, G2 и т.д.). Но дополнительно введены классы светимости, отмеченные римскими цифрами: Ia, Ib, II, III, IV, V и VI, соответственно указывающие на яркие сверхгиганты, сверхгиганты, яркие гиганты, нормальные гиганты, субгиганты, карлики (звезды главной последовательности) и субкарлики. Например, обозначение G2 V относится к звезде типа Солнца, а обозначение G2 III показывает, что это нормальный гигант с температурой примерно как у Солнца.