Солнце и звезды Солнце © Гиенко Е. Г. , кафедра астрономии и гравиметрии СГГА
Звезды Раскаленные газовые шары большой массы, излучающие энергию. Масса – основная характеристика звезды Основной химический состав: Водород Н и Гелий Не Источник энергии: реакции ядерного синтеза: 4 ядра водорода образуют 1 ядро гелия 4 Н → … →… →Не g-кванты (энергия) Масса 4 Н > Масса He
Равновесие звезды: сила давления раскаленного газа = = сила гравитационного сжатия
Общие сведения о Солнце М⊙ = 330 тыс. М = 99, 9%массы Солн. Системы R⊙=109 R Tповерхности = 6000 К, T в центре = 15 млн. К Оборот вокруг оси: на экваторе за 25, сут на полюсах – за 27 сут. Возраст: ~ 5 млрд. лет Солнце посылает в пространство: ЭМ излучение Солнечный ветер - Эл. заряженные частицы Космические лучи – эл. заряженные частицы большой скорости и энергии
Светимость Солнца L⊙= 4⋅1026 Вт количество энергии, посылаемое Солнцем в пространство. Солнечная постоянная – количество солнечной энергии, приходящееся на единицу площади за единицу времени. Важность изучения Солнца: • ближайшая к нам типичная звезда • влияние на биосферу Земли • источник энергии
Внутреннее строение Солнца Методы изучения: • Физико-математическая модель на основе наблюдения внешних слоев Солнца • Гелиосейсмология – изучение колебаний Солнца
1. Ядро. Реакции ядерного синтеза 1 2 3 Фотосфера Хромосфера Корона 2. Зона лучистого переноса. Энергия передается наружу от слоя к слою в результате последовательного поглощения – излучения квантов ЭМ энергии. 3. Конвективная зона. Перемешивание вещества. Горячий газ – вверх, Холодный – вниз.
Атмосфера Солнца 1. Фотосфера (сфера света) Внутренний слой атмосферы Солнца. Высота 200 -300 км. Температура 6000 К. От Ф. - основная доля видимого излучения Солнца. Ф. условно называют поверхностью Солнца. Детали фотосферы • гранулы – верхушки потоков газа (результат конвекции) 1– 2 тыс. км, темные дорожки – 300 -600 км. Каждая гранула живет не более 10 мин.
• пятна – темные, более холодные образования на диске Солнца Тень: T ~ 4000 К Диаметр: 1 -40 тыс. км (диаметр Земли ~13 тыс. км) Пятна – места выхода в атмосферу сильных магнитных полей. Магнитное поле уменьшает поток энергии – T падает. Полутень: T ~ 5000 K Пятна рождаются парами, группами. N S Одно пятно в паре – N, Другое – S. Живут на протяжении 2 -3 оборотов Солнца
Наблюдения пятен: 1610, Галилей: Первое описание пятен на Солнце. Генрих Швабе, Германия, XIX в. , первые систематические наблюдения солнечных пятен. Вольф, астроном, Швейцария: предложил для количественной оценки активности Солнца использовать условную величину – число Вольфа W = f + 10 g f – общее количество пятен, g – группы пятен • Факелы, факельные поля Пятна окружены факельными полями. Факелы горячее окружающей атмосферы на 2 000 К.
2. Хромосфера (сфера цвета) Слой атмосферы красновато-фиолетовой окраски Высота 10 -15 тыс. км Температура 12 -18 тыс. К Рост температуры: Распространение волн и магнитных полей (как в микроволновке) Спикулы – продолговатые вытянутые язычки пламени (вид горящей травы)
Протуберанцы – различные яркосветящиеся образования в виде арок, дуг.
Хромосферные вспышки – взрывы большой энергии, в результате – потоки жесткого рентгеновского излучения и солнечных космических лучей.
3. Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Самая протяженная, горячая (1 -2 млн. К), разреженная. Корональный газ – высокоионизированная плазма
Солнечная активность и ее влияние на биосферу Земли Проявления С. А. : • • пятна факелы, факельные поля протуберанцы хромосферные вспышки Циклы С. А. : • ~ 11 лет (каждые 11 лет меняется полярность пятен) • ~ 22 года (полная смена полярности пятен) • ~ 100 лет
Солнечные пятна в момент максимума солн. активности
Активность Солнца (числа Вольфа)
Але ксандр Леони дович Чиже вский ( 1897 -1964) — советский биофизик, основоположник гелиобиологии, аэроионификации, электрогемодинамики, поэт, художник, философ
Влияние солн. активности на межпланетную среду и Землю
Механизм влияния солнечной активности на биосферу Земли: 1) Возмущение магнитного поля Земли → изменение свойств воды → влияние на живые организмы на клеточном уровне 2) Изменение температурного режима → влияние на жизнедеятельность организмов
Солнечная активность и 11 -летний цикл солнечной среднеполушарная температура активности на срезе дерева Солнечная активность и количество аварий
Определение основных характеристик звезд
Расстояния до звезд D ⊙ p 1 а. е. Годичный параллакс p – угол, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, расположенный перпендикулярно лучу зрения D = 1 a. e. /sinp p – мал, sinp ≈ p(рад)=p /206265 D = 206265 a. e. /p 1 Парсек (пк) – расстояние, для которого годичный параллакс p равен 1 Расстояние в парсеках Dпк = 1/p Соотношение между единицами измерения расстояний 1 пк = 3. 26 св. года = 206265 а. е.
Видимая звездная величина m - мера блеска звезды для наблюдателя. Гиппарх, II в. до н. э. : разделил все звезды по блеску на 6 величин. Звезды 1 -й величины ярче звезд 6 -й – в 100 раз. Отношение блеска I звезд с m 1, m 2: 2, 5125 = 100 Блеск звезды зависит от количества выделяемой энергии (светимости) и от расстояния до нее. Сравнение светимостей звезд возможно при условии равных расстояний до них.
Абсолютная звездная величина M - видимая звездная величина, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии 10 пк Характеризует светимость звезды L. Отношение светимостей L звезд с M 1, M 2:
Видимые и абсолютные звездные величины некоторых звезд: m Вега: +0, 1 Альдебаран: +1, 1 Солнце: - 26, 7 M +0, 6 -0, 5 +4, 9 Соотношение между видимой и абсолютной звездными величинами: M = m + 5 - 5 lg. D – A, (*) M = m + 5 +5 lgp – A, D – расст. в пк, А – межзвездное поглощение света (*) – для определения расстояний до звезд m – непосредственно из наблюдений, M – косвенными методами
Определение характеристик звезд по их спектрам: Спектры звездных атмосфер – спектры поглощения (набор темных линий на фоне непрерывного (радужного) спектра)
1. Химический состав: по характерному набору спектральных линий Исследование множества звезд и туманностей: Вселенная химически однородна 2. Температура атмосферы: по спектральному классу (цвету звезды) Спектральные классы: О-B-A-F-G-K-M Голубые – красные 30000 К – 3500 К Солнце: G 2 – желтый карлик
3. Радиальная скорость звезды вдоль луча зрения Vr (к- или от- наблюдателя): Эффект Доплера → смещение спектральных линий: в красную сторону (красное смещение, звезда удаляется) в фиолетовую сторону (фиолетовое смещение, звезда приближается) Dl = l ⋅Vr/c 4. Осевое вращение, магнитное поле: по характерной форме и наклону линий: наклон линий – вращение вокруг оси; расщепление линий – в магнитном поле.
Определение светимостей и радиусов звезд Светимость L – количество энергии, излучаемое звездами в пространство. Пропорциональна площади звезды (R 2) и температуре T в четвертой степени L=4 p⋅s R 2 T 4 s - постоянная Стефана-Больцмана Отношение к светимости Солнца: T – по спектральному классу, М – косвенными методами, Можно вычислить радиус звезды (R/R⊙)
Определение масс звезд 1. Масса двойных звезд (большинства)– по третьему закону Кеплера-Ньютона. Сравнение движения звезд в системе с движением Земли вокруг Солнца. 2. Масса одиночных звезд главной последовательности – по абсолютной величине М
М -5 Спектральный класс Зависимость между звездными B A F G M характеристиками K L/L⊙ 1 млн Диаграмма Герцшпрунга – Рессела Сверхгиганты (Цвет-Светимость) O Красные гиганты 0 ⊙ 5 100 1 10 15 1 тыс 1/1 тыс Красные карлики Белые карлики 30 000 6 000 Температура, К 1/10 тыс 3 500
Коричневые карлики 1996 – 1997 гг – открыт новый класс небесных объектов – коричневые карлики. T≤ 2000 К, темно-красный цвет или только инфракрасное излучение. Новый спектральный класс Т. Масса ≥ 13 масс Юпитера. Долговременный источник энергии – гравитационное сжатие
Коричневые карлики Тип объекта Масса, в массах Солнца Термоядерный синтез H → He D → He Звезда 0, 1 – 0, 075 Долгий Краткий Коричневый карлик Планета 0, 075 – 0, 065 Краткий 0, 065 – 0, 013 Нет Краткий < 0, 013 Нет
Новые формы материи во Вселенной • Темная материя • Темная энергия
Эволюция звезд 1. Образование звезд
Туманность “Конская голова” в созвездии Ориона.
Туманность Ориона Расстояние 1300 световых лет
Скопление Трапеция в Туманности Ориона
Туманность “Трехраздельная” в созвездии Стрельца. Расстояние 3000 световых лет
Звезды, возбуждащие свечение туманности “Трехраздельная”
Туманность Кошачья лапа
Эволюция звезд 1. Образование звезд Холодное (2 -3 К) газопылевое (в основном, водород) облако→ сжатие под действием гравитации → повышение температуры и давления в центре → протозвезда. Энергия протозвезды – за счет гравитационного сжатия. Повышение температуры в центре протозвезды до 8 -10 млн. К →реакции ядерного синтеза → Звезда главной последовательности. 2. Жизнь звезд на главной последовательности. превращение водорода в гелий в ядре. Равновесие: давление газа=гравитац. сжатие.
Образование звезд и жизнь на главной последовательности (Солнце=1) Светимость (Солнце=1) Температура поверхности (К) 0, 8 0, 25 4940 0, 68 100 20 000 1, 0 6 000 1 30 10 000 9, 0 3900 30 500 3, 64 0, 1 24 Масса Время жизни (в ед. солн. образования на главной (млн. лет) последователь радиуса) ности (млн. лет) Радиус
Вывод: Чем больше масса, тем больше светимость, температура, радиус, тем меньше время образования звезды время жизни на главной последовательности
3. Последний этап жизни звезд 0, 8 M⊙<Масса< 1, 5 M⊙ ОБРАЗОВАНИЕ ГЕЛИЕВОГО ЯДРА → НАРУШЕНИЕ РАВНОВЕСИЯ→КРАСНЫЙ ГИГАНТ → ПЕРЕМЕННАЯ → СБРОС ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ → СЖАТИЕ → БЕЛЫЙ КАРЛИК 1, 5 M⊙ <Масса< 3 M⊙ СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ В ЯДРЕ →ОБРАЗОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОГО ЯДРА →ВЗРЫВ СВЕРХНОВОЙ → СЖАТИЕ → НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА Масса > 3 M⊙ СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ В ЯДРЕ →ОБРАЗОВАНИЕ ЖЕЛЕЗНОГО ЯДРА →ВЗРЫВ СВЕРХНОВОЙ СЖАТИЕ→КОЛЛАПС → ЧЕРНАЯ ДЫРА
Красный гигант Мира (удивительная) в созвездии Кита
Переменные звезды – звезды, у которых периодически изменяются радиус, температура, светимость. Нарушено равновесие. Звезды на последнем этапе жизни. Цефеиды – вид переменных звезд, с малым правильным периодом (несколько сут. ), с большой светимостью. d Цефея – первая обнаруженная звезда такого вида. Самая известная цефеида – Полярная, оранжевый гигант на расстоянии 600 св. лет. Цефеиды – “маяки” Вселенной. По ним можно определять расстояние до ближайших галактик, в которых цефеиды видны. Принцип определения расстояний: Период изменения характеристик цефеиды (можно измерить)– функция абсолютной звездной величины М. Видимая зв. величина m – также измеряется. Расстояние - из формулы M = m + 5 - 5 lg. D
Изменение характеристик цефеиды
Сброс газовой оболочки (планетарной туманности). В центре – белый карлик Туманность “Кольцо” в созвездии Лиры. Диаметр 0, 5 световых лет Расстояние 5 000 световых лет
Сложная планетарная туманность. Расстояние 3000 световых лет
Белый карлик – очень плотная горячая звезда. Остывает, не сжимаясь Размеры сравнимы с размерами Земли. Последний этап эволюции звезд, похожих на Солнце
Сверхновые последний этап жизни массивных звезд. Образование железного ядра приводит к взрыву сверхновой. Звезда может светить несколько дней как все звезды галактики. (блеск возрастает в миллиарды раз) Высвобождается огромное количество энергии. Образуются химические элементы тяжелее железа Остаток взрыва – газопылевая туманность, может далее послужить основой для образования звезд второго поколения (например, Солнца). Центральная часть сжимается, образуется нейтронная звезда, или, если масса достаточно велика, то происходит коллапс и образуется черная дыра.
Крабовидная туманность – остаток взрыва сверхновой 1054 г. В центре туманности – нейтронная звезда (пульсар) Крабовидная туманность в созвездии Тельца
Сверхновая 1987 А в Магеллановом облаке
Сверхновая 1987 А в феврале 1994 г.
Петля Лебедя – остаток взрыва сверхновой
Туманность Вуаль
Часть остатка сверхновой в Парусах
Нейтронная звезда – “твердый” остаток взрыва сверхновой. Сжатие так сильно, что электроны “вминаются” в протоны, образуя нейтроны. Плотность Н. З. равна плотности атомного ядра. Н. З. обладают магнитным полем и очень быстро вращаются вокруг оси. Если магнитная ось и ось вращения не совпадают, то нейтронная звезда становится источником радиоволн – пульсаром. Первоначально сигналы пульсаров считали посланиями других цивилизаций. Нейтронная звезда как пульсар
Красный гигант Звезда главной последовательности Ядро Зона лучистого переноса Конвективная зона Нейтронная звезда Внешняя кора Внутренняя кора Нейтронная жидкость Твердое ядро
Черная дыра – один из вариантов – результат коллапса после взрыва сверхновой. Материя сильно сжата. Гравитация очень велика. Меняются свойства пространства и времени. Вторая космическая скорость у черной дыры больше скорости света, поэтому свет не может ее покинуть. Обнаруживают черные дыры по взаимодействию с другими объектами: 1) если черная дыра входит в состав двойной системы, то вещество с соседней звезды “падает” на черную дыру, при этом излучаются ЭМ волны в рентгеновском диапазоне 2) черная дыра искажает свет, идущий от источников, расположенных позади нее – эффект “гравитационных линз” 3) скорость вращения некоторых галактик свидетельствует о том, что в центре их находится сверхмассивный невидимый объект – черная дыра.
Свет, исходящий из окрестностей черной дыры
Черная дыра в галактике NGC 4261
Эволюция Солнца
М -5 O B Спектральный класс A F G K Сверхгиганты Красные гиганты 0 ⊙ 5 L/L⊙ 1 млн 1 тыс 100 1 10 15 M 1/1 тыс Красные карлики Белые карлики 30 000 6 000 Температура, К 1/10 тыс 3 500
Эволюция Солнца на диаграмме цвет - светимость
Двойные и кратные звезды Звезды, как правило, рождаются группами в газопылевом облаке. Большинство звезд – кратные или двойные • Физически двойные – связаны между собой силами тяготения, движутся вокруг общего центра масс. 2. Оптически двойные – оказались рядом на небесной сфере случайно (спроецировались). Пример: Мицар и Алькор в созвездии Большой Медведицы. Между ними 10 св. лет.
Мицар и Алькор
Шестикратная система Кастор в созвездии Близнецов
Виды двойных звезд 1. Визуально двойные – двойственность заметна даже в небольшой телескоп. Пример: Мицар: в телескоп - 2 звезды. 2. Спектральные двойные – двойственность определяется по смещению линий в спектре. Пример: Мицар: каждая компонента – спектрально двойная. Итого, Мицар – 4 -х кратная звезда. 3. Астрометрически двойные – периодическое небольшое смещение яркой звезды относительно невидимой тяжелой компоненты под действием силы тяготения. Пример: Сириус и Сириус. В – белый карлик
4. Затменно – двойные (затменно-переменные): одна звезда периодически заслоняет другую – периодически меняется суммарный блеск звезды Затменно - двойная звезда (тип Алголь)
Эволюция двойных звезд Между звездами, образующими двойную систему, происходит обмен веществом. При этом наступает момент, когда звезда уже не в состоянии принимать вещество (газ) со своей соседки – “переливается через край”. Возникает термоядерный взрыв вспышка новой звезды → увеличение блеска в тысячи и миллионы раз за время от нескольких сут. до нескольких мес. Известны звезды, которые повторно вспыхивали как новые. Новые звезды – результат эволюции двойных звезд
Взаимодействие звезд в тесной двойной системе
Новая Лебедя
Образование Солнечной системы Особенности Солнечной системы: 1. Планеты и астероиды движутся вокруг Солнца в одном направлении примерно в одной и той же плоскости (эклиптики). 2. Солнце вращается в ту же сторону. 3. Вращение планет вокруг оси в том же направлении. Исключения: Венера (медленное обратное вращение), Уран (ось вращения лежит в плоскости его орбиты. 4. Средний химический состав планет и Солнца приблизительно одинаковый 5. Возраст Солнца 5 млрд. лет, Земли и других планет – 4, 5 млрд. лет.
Вывод: Солнце, планеты и другие тела солнечной системы образовались из вращающегося газопылевого облака
Возражения: 1. Обратное вращение Венеры и Урана Возможная причина – катастрофы/столкновения во время образования Солнечной системы. 2. Распределение момента количества движения в Солнечной системе. Солнце вращается очень медленно по сравнению с планетами-гигантами – нарушен закон сохранения момента количества движения. Возможная причина – торможение вращения Солнца в магнитном поле.
Гипотеза Канта-Лапласа: И. Кант, середина XVIII в: Солнечная система образовалась из облака пыли. П. Лаплас, конец XVIII в: Медленно вращающаяся туманность, состоящая из разреженного горячего газа. При сжатии туманности скорость вращения возрастает, туманность сплющивается, из центральной части образуется Солнце. В плоскости экватора Солнца отделяются газовые кольца. Из концентрической системы этих колец возникают планеты.
Современные представления о происхождении Солнечной системы Отечественные ученые В. Г. Фесенков (1889 -1972), О. Ю. Шмидт (1891 -1956) Планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц Планетезимали – зародыши планет – Крупные твердые тела, подобные астероидам. П. объединяются, образуя планеты
1) 102 -103 лет 3) Образовалось протосолнце (ПС) и диск. МО В периферийных частях СН диска – образование планетгигантов ~1 ПК 3) 10 -106 лет сверхновой 5(СН)→ 1) Взрыв неоднородное сжатие плотного. ПС молекулярного ⊙ облака (МО) ~ 10 а. е. ) 2) 4) Солнце – звезда. лет 103 -105 Газ выметается звездным ветром. Пылевые частицы оседают к средней плоскости диска. Образуются планетезимали. Образование планет земной группы ~ 0, 05 ПК (104 а. е. ) 4) 2) Фрагменты, на 106 -108 лет кот. распалось облако – в стадии гравитационного ПС В З М ⊙ сжатия 1 а. е.
Образование Солнечной системы
Гипотеза Джинса (катастроф): Образование планет С. С. из вещества, вырванного из Солнца при прохождении рядом с ним массивной звезды
Протопланетный диск у звезды Бета Живописца