Размеры, массы, плотность звезд. Спектры, цвет и температура звёзд

Звезды - небесные тела, в которых идут термоядерные реакции. Это наиболее распространённые объекты Вселенной. Более 98% массы видимого космического вещества сосредоточено в этих газовых шарах, остальная часть его рассеяна в межзвёздном пространстве.

Невооруженным глазом и тем более при наблюдениях в бинокль или телескоп нетрудно заметить, что звезды различаются по цвету. Цвет звезд в значительной степени определяется температурой их видимой поверхности.

При хорошей остроте зрения на небе видно около 6000 звёзд, по 3000 в каждом полушарии.

БЛЕСК

Первое, что замечает человек при наблюдении ночного неба, - это различная яркость (блеск) звёзд. Видимый блеск звёзд оценивают в звёздных величинах (см. статью "Звёздные величины"). Исторически сложившаяся система звёздных величин присваивала 1-ю величину наиболее ярким звёздам, а 6-ю - самым слабым, находящимся на пределе видимости невооружённым глазом. Впоследствии, чтобы производить объективные количественные оценки звёздных величин, эту шкалу усовершенствовали. Было принято, что разность в пять звёздных величин соответствует отличию в видимой яркости ровно в 100 раз. Следовательно, разница в одну звёздную величину означает, что звезда ярче другой в прим. 2,512 раза. Для более точных измерений шкала, содержащая только целые числа, оказалась слишком грубой, поэтому пришлось вводить дробные значения. Звёздные величины обозначают индексом т (от лат. magnitude - "величина"), который ставят вверху после числового значения. Например, яркость Полярной звезды 2,3^м.

Чтобы оценить блеск ярчайших небесных светил, шести ступеней было недостаточно. Появились нулевые и отрицательные звёздные величины. Так, полная Луна имеет блеск около -11т (в 10 тыс. раз ярче самой яркой звезды - Сириуса), Венера - до -4 m . С изобретением телескопа астрономы познакомились со звёздами слабее 6m. Даже в бинокль могут быть видны звёзды 10^m, а крупнейшим телескопам доступны объекты 27-29 m .

Видимый блеск - легко измеряемая, важная, но далеко не исчерпывающая характеристика. Для того чтобы установить мощность излучения звезды - светимость, надо знать расстояние до неё.

РАССТОЯНИЯ ДО ЗВЁЗД

Расстояние до далёкого предмета можно определить, не добираясь до него физически. Нужно измерить направления на этот предмет с двух концов известного отрезка (базиса), а затем рассчитать размеры треугольника, образованного концами отрезка и удалённым предметом. Это можно сделать, потому что в треугольнике известна одна сторона (базис) и два прилежащих угла. При измерениях на Земле этот метод называют триангуляцией.

Годичным параллаксом звезды называется угол, под которым с неё был бы виден средний радиус земной орбиты, перпендикулярный направлению на звезду.

Параллаксы даже самых близких звёзд чрезвычайно малы, меньше 1". Здесь требуются очень точные инструменты, поэтому не удивительно, что долгое время (до середины XIX в.) измерить параллаксы не удавалось. И разумеется, это было совершенно невозможно во времена Коперника, который впервые предложил метод параллаксов как прямое следствие своей гелиоцентрической системы (в геоцентрической системе параллактических смещений быть не должно).

С понятием параллакса связано название одной из основных единиц расстояний в астрономии - парсек (сокращение от "параллакс" и "секунда"). Это расстояние до воображаемой звезды, годичный параллакс которой равнялся бы точно 1"". Другими словами, радиус земной орбиты, равный одной астрономической единице (1 а. е.), виден с такой звезды под углом 1". Годичный параллакс любой звезды связан с расстоянием до неё простой формулой:

r = 1/п (пи)

где r - расстояние в парсеках, п - годичный параллакс в секундах.

Из соотношений в параллактическом треугольнике легко вычислить, что 1 парсек (пк) равен 206 265 а. е., или примерно 30 трлн километров. Это очень большая величина, свет преодолевает такой путь за 3,26 года.

Сейчас методом параллакса определены расстояния до многих тысяч звёзд. К сожалению, лишь для ближайших соседей это удаётся сделать с большой точностью. Однако существует ряд методов, с помощью которых расстояние до звезды можно получить косвенным путём, используя различные астрофизические или статистические соотношения. Так, светимость переменных звёзд, называемых цефеидами, оказалась связанной с периодом изменения их блеска. Зная период далёкой переменной звезды и её видимую звёздную величину, легко найти расстояние до звезды. Методы изучения двойных звёзд также позволяют вычислить расстояния до некоторых из них. Есть и другие косвенные способы определения расстояний до звёзд и звёздных систем.

Химический состав звезд

Определяется по спектру (интенсивности фраунгоферовых линий в спектре).Разнообразие спектров звезд объясняется прежде всего их разной температурой, кроме того вид спектра зависит от давления и плотности фотосферы, наличием магнитного поля, особенностями химического состава. Звезды состоят в основном из водорода и гелия (95-98% массы) и других ионизированных атомов, а у холодных в атмосфере присутствуют нейтральные атомы и даже молекулы.

СВЕТИМОСТЬ

Когда были измерены расстояния до ярких звёзд, стало очевидным, что многие из них по светимости значительно превосходят Солнце. Если светимость Солнца принять за единицу, то, к примеру, мощность излучения четырёх ярчайших звёзд неба, выраженная в светимостях Солнца, составит:

L© = 4*10 26 Вт

Сириус 22 L©

Канопус 4700 L©

Арктур 107L©

Вега 50 L©

Это, однако, не означает, что Солнце очень "бледно" выглядит по сравнению с остальными звёздами. Его светимость в звёздном мире выше средней. Так, из нескольких десятков звёзд, расстояния до которых не превышают 15 световых лет, только две - Сириус и Процион - имеют более высокую светимость, чем Солнце, и ещё одна - алюфа Центавра - лишь немного уступает ему, у остальных же светимость значительно ниже. Известны звёзды, излучающие света в десятки тысяч раз меньше, чем Солнце, Интервал светимостей наблюдаемых звёзд оказался невероятно широким: они могут отличаться более чем в миллиард раз!

ЦBET И ТЕМПЕРАТУРА

Самые горячие звёзды - всегда голубого и белого цвета, менее горячие - желтоватого, холодные - красноватого. Но даже наиболее холодные звёзды имеют температуру 2-3 тыс. Кельвинов - горячее любого расплавленного металла.

Человеческий глаз не способен очень точно определить цвет звезды. Для более точных оценок служат фотографические и фотоэлектрические приёмники излучения, чувствительные к различным участкам видимого (или невидимого) спектра. Ведь цвет звезды зависит от того, на какой участок спектра приходится наибольшая энергия излучения. Сравнение звёздных величин в разных интервалах спектра (например, в голубом и жёлтом) позволяет количественно охарактеризовать цвет звезды и оценить её температуру.

СПЕКТРАЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЗВЁЗД

Более полную информацию о природе излучения звёзд даёт спектр. Спектральный аппарат, устанавливаемый на телескопе, при помощи специального оптического устройства - дифракционной решётки - раскладывает свет звезды по длинам волн в радужную полоску спектра. Самое коротковолновое видимое излучение соответствует фиолетовому цвету, а наиболее длинноволновое - красному. По спектру нетрудно узнать, какая энергия приходит от звезды на различных длинах волн, и оценить её температуру точнее, чем по цвету.

Многочисленные тёмные линии, пересекающие спектральную полоску, связаны с поглощением света атомами различных элементов в атмосфере звезды. Так как каждый химический элемент имеет свой набор линий, спектр позволяет определить, из каких веществ состоит звезда (оказалось, из тех же, что известны на Земле, а больше всего в звёздах самых лёгких элементов - водорода и гелия). Но даже у одного и того же элемента набор линий и количество энергии, поглощаемой в каждой из них, зависит от температуры и плотности атмосферы. Разработаны специальные физические методы определения характеристик звезды по анализу её спектра.

В горячих голубых звёздах с температурой свыше 10-15 тыс. кельвинов большая часть атомов ионизована, так как лишена электронов. Полностью ионизованные атомы не дают спектральных линий, поэтому в спектрах таких звёзд линий мало. Самые заметные принадлежат гелию. У звёзд с температурой 5-10 тыс. кельвинов (к ним относится Солнце) выделяются линии водорода, кальция, железа, магния и ряда других металлов. Наконец, у более холодных звёзд преобладают линии металлов и молекул, выдерживающих высокие температуры (например, молекул окиси титана).

Солнце G2 Сириус А1 Канопус F0 Арктур К2 Вега А0 Ригель В8 Денеб А2 Альтаир А7 Бетельгейзе М2
Полярная F8

РАЗМЕРЫ ЗВЁЗД

Звёзды так далеки, что даже в самый большой телескоп они выглядят всего лишь точками. Как же узнать размер звезды?

На помощь астрономам приходит Луна. Она медленно движется на фоне звёзд, по очереди "перекрывая" идущий от них свет. Хотя угловой размер звезды чрезвычайно мал, Луна заслоняет её не сразу, а за время в несколько сотых или тысячных долей секунды. По продолжительности процесса уменьшения яркости звезды при покрытии её Луной определяют угловой размер звезды. А зная расстояние до звезды, из углового размера легко получить её истинные (линейные) размеры.

Но лишь небольшая часть звёзд на небе расположена так удачно для земных наблюдателей, что может покрываться Луной. Поэтому обычно используют другие методы оценки звёздных размеров. Угловой диаметр ярких и не очень далёких светил может быть непосредственно измерен специальным прибором - оптическим интерферометром. Правда, такие измерения довольно трудоёмки. В большинстве случаев радиус звезды (R) определяют теоретически, исходя из оценок её полной светимости (L) во всём оптическом диапазоне и температуры (Т). По законам излучения нагретых тел светимость звезды пропорциональна величине R 2 T 4 . Сравнивая какую-либо звезду с Солнцем, получаем удобную для вычислений формулу:

позволяющую найти радиус звезды по её температуре и светимости (величины R®, L® и Т® = 6000 К известны).

Итак, по своим размерам, звезды делятся (название: карлики, гиганты и сверхгиганты ввел Генри Рессел в 1913г, а открыл их в 1905г Эйнар Герцшпрунг, введя название "белый карлик"), введены с 1953 года на:

• Сверхгиганты (I)
• Яркие гиганты (II)
• Гиганты (III)
• Субгиганты (IV)
• Карлики главной последовательности (V)
• Субкарлики (VI)
• Белые карлики (VII)

Измерения показали, что самые маленькие звёзды, наблюдаемые в оптических лучах, - так называемые белые карлики - имеют в диаметре несколько тысяч километров. Размеры же наиболее крупных - красных сверхгигантов - таковы, что, если бы можно было поместить подобную звезду на место Солнца, большая часть планет Солнечной системы оказалась бы внутри неё.

МАССА ЗВЕЗДЫ

Важнейшей характеристикой звезды является масса. Чем больше вещества собралось в звезду, тем выше давление и температура в её центре, а это определяет практически все остальные характеристики звезды, а также особенности её жизненного пути.

Прямые оценки массы могут быть сделаны только на основании закона всемирного тяготения. Такие оценки удалось получить для большого числа звёзд, входящих в двойные системы, измеряя скорости их движения вокруг общего центра масс. Все другие способы вычисления массы считаются косвенными, поскольку они строятся не на законе анализе тех звёздных характеристик, которые так или иначе связаны с массой Чаще всего это светимость. Для многих звёзд выполняется простое правило: чем выше светимость, тем больше масса. Эта зависимость нелинейна: например, с увеличением массы вдвое светимость возрастает более чем в 10 раз.

Массы звёзд заключены в пределах от нескольких десятков примерно до 0,1 массы Солнца. (При меньшей массе температура даже в центре тела будет недостаточно высока для выработки термоядерной энергии, такие объекты окажутся слишком холодными, их нельзя причислить к звёздам.) Таким образом, по массе звёзды различаются всего в несколько сот раз - гораздо меньше, чем по размерам (в сотни тысяч раз) или по светимости (более миллиарда раз).

Анализируя важнейшие характеристики звёзд, сопоставляя их друг с другом, учёные смогли установить и то, что недоступно прямым наблюдениям: как устроены звёзды, как они образуются и изменяются в течение жизни, во что превращаются, растратив запасы своей энергии.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела.

Класс O - это голубые звезды, их температура 22 000 °С. Типичные звезды - Дзета в созвездии Кормы, 15 Единорога.

Класс В – это бело-голубые звезды. Температура их 14 000 °С. Температура их 14 ООО °С. Типичные звезды: Эпсилон в созвездии Ориона, Ригель, Колос.

Класс A - это белые звезды. Их температура 10 000 °С. Типичные звезды - Сириус, Вега, Альтаир.

Класс F – это бело-желтые звезды. Температура их поверхности 6700 °С. Типичные звезды Канопус, Процион, Альфа в созвездии Персея.

Класс G - это желтые звезды. Температура 5 500 °С. Типичные звезды: Солнце (спектр С-2), Капелла, Альфа Центавра.

Класс K - это желто оранжевые звезды. Температура 3 800 °С. Типичные звезды: Артур, Поллукс, Альфа Большой Медведицы.

Класс M -. Это красные звезды. Температура 1 800 °С. Типичные звезды: Бетельгейзе, Антарес

Кроме звезд главной последовательности, астрономы выделяют такие типы звезд:

Коричневые карлики - звезды, в которых ядерные реакции никогда не могли компенсировать потери энергии на излучение. Их спектральный класс М - T и Y. В коричневых карликах могут протекать термоядерные процессы, но их масса все же слишком мала, чтобы начать реакцию превращения атомов водорода в атомы гелия, являющуюся главным условием для жизни полноценной звезды. Коричневые карлики - довольно «тусклые» объекты, если этот термин может быть применим к подобным телам, и астрономы исследуют их в основном благодаря выделяемому ими инфракрасному излучению.

Красные гиганты и сверхгиганты - это звезды с довольно низкой эффективной температурой в 2700- 4700°С, однако с огромной светимостью. Для их спектра характерно присутствие молекулярных полос поглощения, а максимум излучения приходится на инфракрасный диапазон.

Звезды типа Типа Вольфа - Райе - класс звезд, для которых характерна очень высокая температура и светимость. Звезды Вольфа - Райе отличаются от других горячих звезд наличием в спектре широких полос излучения водорода, гелия, а также кислорода, углерода, азота в разных степенях ионизации. Окончательной ясности происхождения звезд типа Вольфа - Райе не достигнуто. Однако можно утверждать, что в нашей Галактике это гелиевые остатки массивных звезд, сбросившие значительную часть массы на каком-то этапе своей эволюции.

Звезды типа T Тельца - класс переменных звезд, названный по имени своего прототипа Т Тельца (протозвезды на конечном этапе развития). Обычно их можно обнаружить рядом с молекулярными облаками и идентифицировать по их переменности (весьма нерегулярной) в оптическом диапазоне и хромосферной активности. Они принадлежат к звездам спектральных классов F, G, K, M и имеют массу меньше двух солнечных. Температура их поверхности такая же, как и у звезд главной последовательности той же массы, но они имеют несколько большую светимость, потому что их радиус больше. Основным источником их энергии является гравитационное сжатие.

Яркие голубые переменные, также известные как переменные типа S Золотой Рыбы - это очень яркие голубые пульсирующие гипергиганты, названные по звезде S Золотой Рыбы. Встречаются исключительно редко. Яркие голубые переменные могут сиять в миллион раз сильнее, чем Солнце и их масса может быть 150 солнечных, подходя к теоретическому пределу массы звезды, что делает их самыми яркими, горячими и мощными звездами во Вселенной.

Белые карлики – тип «умирающих» звезд. Небольшие звезды типа нашего Солнца, которые широко распространены во Вселенной в конце своей жизни превратятся в белых карликов - это маленькие звезды(бывшее ядра звезд) с очень высокой плотностью, которая в миллион раз выше плотности воды. Звезда лишена источников энергии и, постепенно остывает, становясь темной и невидимой, однако процесс остывания может длиться миллиарды лет.

Нейтронные звезды – класс звезд, как и белые карлики, образуются после гибели звезды с массой 8-10 масс Солнца (звезды с большей массы уже образуют черные дыры). В данном случае ядро сжимается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны. Одной из особенности нейтронных звезд является сильное магнитное поле. Благодаря ему и быстрому вращению, приобретенному звездой из-за несферического коллапса, в космосе наблюдаются радио- и рентгеновские источники, которые называются пульсары.

Эволюция звезд

Учебник для 10 класса

Спектры, температуры, светимости звезд и расстояния до них

Изучая звезды, наука выяснила их громадное разнообразие, хотя все они сходны с Солнцем в том отношении, что являются самосветящимися, раскаленными газовыми шарами черпающими из своих недр колоссальные запасы энергии. С одной стороны, это показывает, что наше Солнце во Вселенной не уникально, а одно из бесчисленных солнц и ничем особым из них не выделяется. С другой стороны, установлено, что в многообразии звезд существуют определенные закономерности, обусловленные физическими причинами.

В звездных каталогах содержатся координаты и оценка звездной величины не только всех 6000 звезд, видимых невооруженным глазом, но и множества более слабых - до 11-й звездной величины. Их число составляет около миллиона. На широко используемом астрономами фотографическом атласе неба видны звезды до 21-й звездной величины. Их на всем небе около 2 млрд.

§22.1. Спектры, цвет и температура звезд

Спектры звезд крайне разнообразны. Почти все они спектры поглощения. Это результат поглощения света во внешних оболочках звезд. Изучение спектров позволяет определить химический состав атмосфер звезд.

В атмосферах всех звезд преобладающими являются водород и гелий. Характер- спектров звезд зависит от температур и давлений в их атмосферах. При высокой температуре происходит разрушение молекул на атомы. При еще более высокой температуре разрушаются менее прочные атомы, они превращаются в ионы, теряя электроны. Ионизованные атомы многих химических элементов, как и нейтральные атомы, излучают и поглощают энергию определенных длин волн. Путем сравнения интенсивности линий поглощения атомов и ионов одного и того же химического элемента теоретически определяют их относительное количество. Оно является функцией температуры. Так по темным линиям спектров звезд можно определить температуру их атмосфер. Это дополняет возможность определения температур звезд по распределению энергии в их непрерывном спектре и по измерению получаемой от них энергии на Земле.

Спектры звезд разделены на классы, обозначаемые латинскими буквами и цифрами (см. рис. 88).

Цвет и спектр звезд связаны с их температурой. В сравнительно холодных звездах преобладает излучение в красной области спектра, отчего они и имеют красный цвет. Температура красных звезд низкая. Она растет последовательно при переходе от красных звезд к оранжевым, затем к желтым, желтоватым, белым и голубоватым. В такой последовательности меняется цвет накаляемого тела. В спектрах холодных красных звезд класса М с температурой около 3000°К видны полосы поглощения простейших двухатомных молекул, чаще всего оксиды титана. В спектрах других красных звезд преобладают оксиды углерода или циркония. Красные звезды первой величины класса М - Антарес, Бетельгейзе. В спектрах желтых звезд класса G, к которым относится и Солнце (с температурой 6000°К на поверхности), преобладают тонкие линии металлов: железа, кальция, натрия и др. Звездой типа Солнца по спектру, цвету и температуре является яркая Капелла в созвездии Возничего. В спектрах белых звезд класса А, как Сириус, Вега и Денеб, наиболее сильны линии водорода. Есть много слабых линий ионизованных металлов. Температура таких звезд около 10 000°К.

В спектрах наиболее горячих, голубоватых звезд с температурой около 30 000 К видны линии нейтрального и ионизованного гелия. Температуры большинства звезд заключены в пределах от 3000 до 30 000°К. У немногих звезд встречается температура около 100 000°К.

Источником энергии, получаемой большинством звезд и Солнцем, служат ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в их недрах при температуре свыше 10 000 000°К. (Подробнее об этом см. в § 30.)

Звёзды так далеки, что даже в самый большой телескоп они выглядят всего лишь точками. Как же узнать размер звезды?

На помощь астрономам приходит Луна. Она медленно движется на фоне звёзд, по очереди перекрывая идущий от них свет. Хотя угловой размер звезды чрезвычайно мал, Луна заслоняет её не сразу, а за время в несколько сотых или тысячных долей секунды. По продолжительности процесса уменьшения яркости звезды при покрытии её Луной определяют угловой размер звезды. А, зная расстояние до звезды, из углового размера легко получить её истинные размеры.

Но лишь небольшая часть звёзд на небе расположена так удачно, что может покрываться Луной. Поэтому обычно используют другие методы оценки звёздных размеров. Угловой диаметр ярких и не очень далёких светил может быть непосредственно измерен специальным прибором – оптическим интерферометром. Но в большинстве случаев радиус звезды (R) определяют теоретически, исходя из оценок её полной светимости (L) и температуры (T):

R 2 = L / (4πσT 4)

Размеры звезд бывают очень различны. Встречаются звезды сверхгиганты, радиус которых в тысячи раз больше солнечного. С другой стороны известны звезды-карлики с радиусом в десятки раз меньше, чем у Солнца.

Важнейшей характеристикой звезды является масса. Чем больше вещества собралось в звезду, тем выше давление и температура в её центре, а это определяет практически все остальные характеристики звезды, а так же особенности её жизненного пути.

Прямые оценки массы могут быть сделаны только на основании закона всемирного тяготения. Масса звезд колеблется в значительно меньших пределах: примерно от 10 28 до 10 32 килограмм. Существует связь между массой звезды и ее светимостью: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость. Светимость пропорциональна примерно четвертой степени массы звезды:

Сильно различаются плотности звезд. Например, плотность красного гиганта Бетелгейзе в полторы тысячи раз меньше плотности комнатного воздуха (имеется в виду средняя плотность; в центре звезды плотность гораздо больше, чем на поверхности). Кстати, диаметр этой звезды в 300 раз больше диаметра Солнца, объем, соответственно, в 27 миллионов раз больше, а масса всего в 15 раз превышает солнечную. А плотность белого карлика Сириус в 30000 раз больше плотности воды, то есть в 1500 раз больше плотности золота. 1 литр такого вещества весит 30 тонн.

1. Многообразие звезд. Гарвардская классификация звездных спектров.

Основной метод изучения звезд – исследование их спектров. Специальный аппарат, устанавливаемый на телескопе, при помощи дифракционной решётки раскладывает свет звезды по длинам волн в радужную полоску спектра. Астрономы получают множество сведений о звездах, расшифровывая их спектры. Спектр звезды позволяет определить, какая энергия приходит от звезды на различных длинах волн, и оценить её температуру точнее, чем по цвету. Многочисленные тёмные линии, пересекающие спектральную полоску, связаны с поглощением света атомами различных элементов в атмосфере звёзд. Так как каждый химический элемент имеет свой набор линий, спектр позволяет определить, из каких веществ состоит звезда. Спектры звезд можно разделить на несколько основных классов.

Еще в 70-х годах XIX века один из пионеров астрофизики директор Ватиканской обсерватории А. Секки предложил первую классификацию звездных спектров. Позже она была расширенна и уточнена.

В 1924 году Гарвардская обсерватория завершила публикацию каталога Г. Дрепера, содержащего классификацию свыше 225 тысяч звезд. Современная классификация является уточненной и дополненной версией этой классификации, общепринятой в современной астрономии.

По Гарвардской классификации выделялось семь спектральных классов, обозначенных латинскими буквами O, B, A, F, G, K, M. При движении по ряду слева направо изменяется цвет звезды: O – голубой, А – белый, G – желтый, М – красный. В том же направлении соответственно уменьшается температура звезд.

П
озже к Гарвардской классификации спектров были добавлены два ответвления и еще один главный классW. В итоге классификация звездных спектров ныне выглядит следующим образом:

Кроме того, каждый основной класс делится еще на десять подклассов, например О1, О2, О3 и так далее. Наше Солнце относится к классу G2.

Звезды имеют в основном примерно одинаковый химический состав: основные компоненты – водород и гелий с небольшими примесями других веществ. Поэтому разнообразие спектров объясняется различными температурами звезд.

Самые горячие звезды – звезды класса W. Температура их поверхности достигает 100000 К. Их цвет – голубой. Голубые также звезды класса O. Их температура от 50000 К и ниже. Голубовато-белые звезды класса B имеют температуру 12000 – 25000 К; белые звезды класса А – 11000 К. Желтые звезды классов F и G и желтовато-оранжевые класса К имеют температуру порядка 4500 К. И, наконец, самые холодные звезды – красные звезды класса М с температурой ниже 3600 К.

В 1905 году голландский астроном Э. Герцпрунг попробовал сопоставить абсолютные величины звезд и их спектральные классы. В 1913 году его работу завершил американец Г. Рассел. В результате получилась знаменитая диаграмма, названная именами ученых.

Как видно из диаграммы, спектральный класс звезды и ее светимость находятся в некоторой зависимости: точки, соответствующие различным звездам, группируются в несколько скоплений. Эти скопления называют последовательностями.

Основная масса звезд принадлежит главной последовательности. Чем горячее звезда главной последовательности, тем большую светимость она имеет. Кроме главной последовательности выделяются также белые карлики, гиганты и сверхгиганты.

Диаграмма показывает, что звезды данного спектрального класса не могут иметь произвольную светимость, и наоборот, звезды определенной светимости не могут иметь произвольную температуру.

В ясную ночь, присмотревшись, можно увидеть на небе мириады разноцветных звезд. Задумывались ли вы, от чего зависит оттенок их мерцания, и какие бывают цвета небесных светил?

Цвет звезды определяется температурой ее поверхности . Россыпь светил, словно драгоценные камни, имеет бесконечно разнообразные оттенки, словно волшебная палитра художника. Чем горячее объект, тем энергия излучения с его поверхности выше, а значит, короче длина испускаемых волн.

Даже незначительная разница в длине волны меняет воспринимаемый человеческим глазом цвет. Самые длинные волны имеют красный оттенок, с увеличением температуры он меняется на оранжевый, желтый, переходит в белый, а затем становится бело-синим.

Газовая оболочка светил выполняет функции идеального излучателя. По цвету звезды можно вычислить ее возраст и температуру поверхности. Конечно, оттенок при этом определяется не «на глаз», а с помощью специального инструмента - спектрографа.

Изучение спектра звезд - фундамент астрофизики нашего времени. То, какие бывают цвета небесных светил, является чаще всего единственной доступной для нас информацией о них.

Голубые звезды

Звезды голубого цвета - самые большие и горячие. Температура их внешних слоев составляет, в среднем, 10000 по Кельвину, а может достигать и 40000 для отдельных звездных гигантов.

В этом диапазоне излучают новые звезды, только начинающие свой «жизненный путь». Например, Ригель , одна из двух главных светил созвездия Ориона, голубовато-белая.

Желтые звезды

Центр нашей планетной системы - Солнце - имеет температуру поверхности, превосходящую 6000 по Кельвину. Из космоса оно и подобные ему светила выглядят ослепительно белыми, хотя с Земли кажутся, скорее, желтыми. Золотые звезды имеют средний возраст.

Из других известных нам светил белой звездой является и Сириус , хотя на глаз его цвет определить довольно сложно. Это происходит потому, что он занимает низкое положение над горизонтом, и по пути к нам его излучение сильно искажается за счет многократного преломления. В средних широтах Сириус, часто мерцая, способен всего за полсекунды продемонстрировать весь цветовой спектр!

Красные звезды

Темный красноватый оттенок имеют звезды с низкой температурой , например, красные карлики, масса которых составляет менее 7,5% от веса Солнца. Их температура ниже 3500 по Кельвину, и хотя их свечение представляет собой богатый перелив множества цветов и оттенков, мы видим его красным.

Гигантские светила, чье водородное топливо закончилось, также выглядят красными или даже коричневыми. В целом, в этом диапазоне спектра находится излучение старых и остывающих звезд.

Отчетливый красный оттенок имеет вторая из главных звезд созвездия Ориона, Бетельгейзе , а чуть правее и выше ее располагается на карте неба Альдебаран , имеющий оранжевый цвет.

Старейшая красная звезда из ныне существующих - HE 1523-0901 из созвездия Весов - гигантское светило второго поколения, найденное на окраинах нашей галактики на удалении в 7500 световых лет от Солнца. Ее возможный возраст составляет около 13,2 миллиарда лет, что не намного меньше предполагаемого возраста Вселенной.

Вещество нашей Вселенной структурно организовано и образует большое многообразие феноменов различного масштаба с весьма сильно разнящимися физическими свойствами. Одно из важнейших таких свойств - температура. Зная этот показатель и используя теоретические модели, можно судить о многих характеристиках того или иного тела - о его состоянии, строении, возрасте.

Разброс значений температуры у различных наблюдаемых компонентов Вселенной весьма велик. Так, самая низкая величина ее в природе зафиксирована для туманности Бумеранг и составляет всего 1 K. А каковы самые высокие температуры во Вселенной, известные на сегодняшний день, и о каких особенностях различных объектов свидетельствуют? Для начала посмотрим, как же ученые определяют температуру удаленных космических тел.

Спектры и температура

Всю информацию о далеких звездах, туманностях, галактиках ученые получают, исследуя их излучение. По тому, на какой частотный диапазон спектра приходится максимум излучения, определяется температура как показатель средней кинетической энергии, которой обладают частицы тела, - ведь частота излучения связана прямой зависимостью с энергией. Так что самая высокая температура во Вселенной должна отражать, соответственно, и наибольшую энергию.

Чем более высокими частотами характеризуется максимум интенсивности излучения, тем горячее исследуемое тело. Однако полный спектр излучения распределен по очень широкому диапазону, и по особенностям видимой его области («цвету») можно делать определенные общие выводы о температуре, например, звезды. Окончательная же оценка производится на основе изучения всего спектра с учетом полос эмиссии и поглощения.

Спектральные классы звезд

На основе спектральных особенностей, включая цвет, была разработана так называемая Гарвардская классификация звезд. Она включает семь основных классов, обозначаемых буквами O, B, A, F, G, K, M и несколько дополнительных. Гарвардская классификация отражает поверхностную температуру звезд. Солнце, фотосфера которого разогрета до 5780 K, относится к классу желтых звезд G2. Наиболее горячи голубые звезды класса O, самые холодные - красные - принадлежат классу M.

Гарвардскую классификацию дополняет Йеркская, или классификация Моргана-Кинана-Келлман (МКК - по фамилиям разработчиков), подразделяющая звезды на восемь классов светимости от 0 до VII, тесно связанных с массой светила - от гипергигантов до белых карликов. Наше Солнце - карлик класса V.

Примененные совместно, в качестве осей, по которым отложены значения цвет - температура и абсолютная величина - светимость (свидетельствующая о массе), они дали возможность построить график, широко известный как диаграмма Герцшпрунга-Рассела, на котором отражены главные характеристики звезд в их взаимосвязи.

Самые горячие звезды

Из диаграммы явствует, что наиболее горячими являются голубые гиганты, сверхгиганты и гипергиганты. Это чрезвычайно массивные, яркие и короткоживущие звезды. Термоядерные реакции в их недрах протекают очень интенсивно, порождая чудовищную светимость и высочайшие температуры. Такие звезды относятся к классам B и O либо к особому классу W (отличается широкими эмиссионными линиями в спектре).

Например, Эта Большой Медведицы (находится на «конце ручки» ковша) при массе, в 6 раз превышающей солнечную, светит в 700 раз мощнее и имеет поверхностную температуру около 22 000 K. У Дзеты Ориона - звезды Альнитак, - которая массивнее Солнца в 28 раз, внешние слои нагреты до 33 500 K. А температура гипергиганта с наивысшей известной массой и светимостью (как минимум в 8,7 миллионов раз мощнее нашего Солнца) - R136a1 в Большом Магеллановом облаке - оценена в 53 000 K.

Однако фотосферы звезд, как бы сильно разогреты они ни были, не дадут нам представления о самой высокой температуре во Вселенной. В поисках более жарких областей нужно заглянуть в недра звезд.

Термоядерные топки космоса

В ядрах массивных звезд, стиснутых колоссальным давлением, развиваются действительно высокие температуры, достаточные для нуклеосинтеза элементов вплоть до железа и никеля. Так, расчеты для голубых гигантов, сверхгигантов и очень редких гипергигантов дают для этого параметра к концу жизни звезды порядок величины 10 9 K - миллиард градусов.

Строение и эволюция подобных объектов пока еще недостаточно хорошо изучены, соответственно и модели их еще далеко не полны. Ясно, однако, что очень горячими ядрами должны обладать все звезды больших масс, к каким бы спектральным классам они ни принадлежали, - например, красные сверхгиганты. Несмотря на несомненные различия в процессах, протекающих в недрах звезд, ключевым параметром, определяющим температуру ядра, является масса.

Звездные остатки

От массы в общем случае зависит и судьба звезды - то, как она окончит свой жизненный путь. Маломассивные звезды типа Солнца, исчерпав запас водорода, теряют внешние слои, после чего от светила остается вырожденное ядро, в котором уже не может идти термоядерный синтез, - белый карлик. Наружный тонкий слой молодого белого карлика обычно имеет температуру до 200 000 K, а глубже располагается изотермическое ядро, нагретое до десятков миллионов градусов. Дальнейшая эволюция карлика заключается к его постепенному остыванию.

Гигантские звезды ждет иная судьба - взрыв сверхновой, сопровождающийся повышением температуры уже до значений порядка 10 11 K. В ходе взрыва становится возможен нуклеосинтез тяжелых элементов. Одним из результатов подобного феномена является нейтронная звезда - очень компактный, сверхплотный, со сложной структурой остаток погибшей звезды. При рождении он столь же горяч - до сотен миллиардов градусов, однако стремительно остывает за счет интенсивного излучения нейтрино. Но, как мы увидим далее, даже новорожденная нейтронная звезда - не то место, где температура - самая высокая во Вселенной.

Далекие экзотические объекты

Существует класс космических объектов, достаточно удаленных (а значит, и древних), характеризующихся совершенно экстремальными температурами. По современным воззрениям, квазар представляет собой обладающую мощным аккреционным диском, образуемым падающим на нее по спирали веществом - газом или, точнее, плазмой. Собственно, это активное галактическое ядро в стадии формирования.

Скорость движения плазмы в диске настолько велика, что вследствие трения она разогревается до сверхвысоких температур. Магнитные поля собирают излучение и часть вещества диска в два полярных пучка - джета, выбрасываемых квазаром в пространство. Это чрезвычайно высокоэнергетический процесс. Светимость квазара в среднем на шесть порядков выше светимости самой мощной звезды R136a1.

Теоретические модели допускают для квазаров эффективную температуру (то есть присущую абсолютно черному телу, излучающему с той же яркостью) не более 500 миллиардов градусов (5×10 11 K). Однако недавние исследования ближайшего квазара 3C 273 привели к неожиданному результату: от 2×10 13 до 4×10 13 K - десятки триллионов кельвинов. Такая величина сравнима с температурами, достигающимися в явлениях с наивысшим известным энерговыделением - в гамма-всплесках. На сегодняшний день это самая высокая температура во Вселенной, которая была когда-либо зарегистрирована.

Жарче всех

Следует иметь в виду, что квазар 3С 273 мы видим таким, каким он был около 2,5 миллиарда лет назад. Так что, учитывая, что, чем дальше мы заглядываем в космос, тем более отдаленные эпохи прошлого наблюдаем, в поисках самого горячего объекта мы вправе окинуть взглядом Вселенную не только в пространстве, но и во времени.

Если вернуться к самому моменту ее рождения - приблизительно 13,77 миллиарда лет назад, наблюдать который невозможно, - мы обнаружим совершенно экзотическую Вселенную, при описании которой космология подходит к пределу своих теоретических возможностей, связанному с границами применимости современных физических теорий.

Описание Вселенной становится возможным, начиная с возраста, соответствующего планковскому времени 10 -43 секунд. Самый горячий объект в эту эпоху - сама наша Вселенная, с планковской температурой 1,4×10 32 K. И это, согласно современной модели ее рождения и эволюции, максимальная температура во Вселенной из всех когда-либо достигавшихся и возможных.