Астрономия

Урок 4: Звёзды и их характеристика

Характеристика звёзд

Посмотрев на безоблачное ночное небо, мы обязательно увидим большое количество звезд. Удивительно, но среди них есть гиганты и карлики. Они различаются температурой, цветом, возрастом, составом. Масса звезд также разная. Даже умирая, эти объекты не исчезают без следа. Они превращаются в другие тела, которые имеют очень интересные и необычные свойства.

Обложка урока взята с источника.

План урока:

Основные характеристики звезд

Количество звезд и расстояние между ними

Звездные скопления и туманности

 

Основные характеристики звезд

Звезды представляют собой огромные шары из раскаленного сжиженного газа. Эти тела образуются благодаря гравитационному сжатию газопылевых облаков. Со временем ядро таких образований уплотняется и разогревается. Наконец, когда температура ядра достигает 10 миллионов градусов, в нем запускаются термоядерные реакции, а сам газовый шар начинает излучать свет и тепло.

1 harakteristika zvyozd
Источник

 

Светимость

Основным источником энергии большинства светил (в том числе и Солнца) является так называемый водородный цикл. Это цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий без участия катализаторов.

Еще задолго до нашей эры было замечено, что звезды различаются по своей яркости. По этому принципу Гиппарх, астроном из древней Греции, во 2 веке до н.э., используя уже накопленные знания, составил каталог, куда вошли около 850 звезд. Он достаточно точно определил их координаты, а также впервые поделил небесные светила на категории. Исследователь ввел понятие звездной величины.

Звездная величина – это степень блеска небесного светила. Она измеряется в условных единицах, причем чем меньше будет ее показатель, тем ярче сам объект. При ее изменении на одну единицу блеск меняется в 2,5 раза.

Каждая группа включает звезды, которые имеют примерно одинаковую силу блеска. Самые яркие из них получили название - звезды первой величины. Объекты, имеющие несколько меньший блеск, были отнесены к звездам второй величины и т.д.

Ученый был уверен в том, что все небесные тела расположены на одинаковом расстоянии от Земли, и поэтому разница в блеске зависит исключительно от размера звезды. Со временем было установлено, что объекты находятся от нас на разном расстоянии. Поэтому даже гигантское тело, которое сильно удалено от Солнечной системы, земному наблюдателю будет казаться маленьким и тусклым по сравнению с близко расположенным ярким карликом. Несмотря на это заключение, современные астрономы сохранили, и активно используют, гиппарховую классификацию и по сей день. Только теперь звездная величина означает видимый блеск звезды, а к ее физическому размеру не имеет никакого отношения.

2 harakteristika zvyozd
Источник

Сам же видимый блеск зависит не только от расстояния, на которое от нас удалено то или иное тело, но и от светимости звезды, которую обуславливают размер поверхности и температура звезд. Уровень светимости обозначается относительно силы света Солнца. В настоящее время для точного обозначения яркости той или иной звезды ученым приходиться использовать дроби. Например, тела, которые по уровню светимости находятся между звездами первой и второй величины, считаются принадлежащими к 1,5 звездной величине. Есть тела, имеющие звездные величины 1,8; 2,4; 3,7; 5,6 и т.д. Кроме того, на небе видно несколько ярких светил, которые по своему блеску превышают блеск звезд первой величины. Для этих звезд специально были выделены нулевая и отрицательная звездные величины.

Считается, что невооруженным взглядом человек способен рассмотреть на небе тела 1-6 величин. Хотя звезды 5-6 величины могут увидеть только те, кто обладает великолепным зрением, да и то при условии абсолютно чистого неба. Звезды 7 величины можно рассмотреть в обычный театральный бинокль, а вот для 8-9 величины нужен бинокль полевой.

Современные телескопы позволяют увидеть на небе звезды с еще более слабым свечением. Таким аппаратам доступно исследование звезд до 25 и более величины. Во Вселенной достаточно много невероятно ярких звезд. По сравнению с ними наше Солнце выглядит достаточно блекло. Их относят к звездам наибольшей светимости.

 

Температура

Ученые научились определять температуру любой звезды. Для этого берут во внимание ее цвет. Если быть более точным – спектр излучения, которое испускает объект. Было установлено, что самыми горячими считаются голубые (синие) звезды. Температура   их поверхности в среднем колеблется от 10 000 0С до 40 000 0С. Поверхность таких тел накапливает огромное количество энергии, поэтому их можно смело назвать ультрафиолетовыми. Затем идут белые – 7500-10 000 0С.  Желтые и оранжевые - 5 000-7 5000С. Красные – холоднее всех - 2 500-5 000 0С.

Как известно, самая горячая часть любой звезды – это ее ядро. В нем происходят все термоядерные реакции, которые в свою очередь являются источником энергии светила. Из центральной части звезды тепло поднимается к поверхности, а затем излучается в космос. Поэтому температурные показатели ядра и верхней части звезды могут сильно отличаться. Например, температура ядра Солнца достигает +15 млн. 0С, а на поверхности +6 тыс. 0С. У каждого светила есть звездная корона -  самая верхняя часть атмосферы. Температура в ней намного выше, чем на поверхности звезды. У Солнца она достигает +900 000-1000000 0С. Ученые до сих пор не могут объяснить причину такого резкого скачка, но, скорей всего, это связано с магнитными полями.

Таких звезд как Солнце во Вселенной очень много. Его температурные показатели характерны для многих видимых светил. Но также в космическом пространстве есть звезды намного горячее Солнце. Это голубые сверхгиганты. Температура некоторых из них может достигать +200 тыс. 0С. И это только на поверхности. Сложно представить, до скольких градусов может разогреваться звездное ядро. По мнению ученых, его температура достигает сотни миллионов 0С.

 

Химический состав

Если анализировать химический состав звезд, то он очень похож на состав Солнца и Земного шара. У большей части звезд в составе преобладает гелий и водород. На их долю приходится 99% всей звездной массы. И только 1% - это кислород, углерод, железо, азот, кремний, магний. По мере снижения температуры, в составе звезды обнаружили простые соединения – оксиды титана, циркония, радикалы.

3 harakteristika zvyozd
Источник

Иногда во Вселенной находят звезды, в составе которых преобладает определенный элемент. Например, кремний, железо, марганец, углерод. Учеными также были обнаружены звезды с аномальным химическим составом. Так в некоторых молодых светилах, которые относят к красным гигантам, выявили высокое содержание различных тяжелых элементов. У одной из таких звезд завышено количество молибдена.

4 harakteristika zvyozd
Источник

На химический состав звезд очень сильно влияет местонахождения объекта в галактике. Старые звезды, расположившиеся в сферической части галактического пространства, имеют незначительное количество атомов тяжелых металлов. В то время как у звезд в спиральных рукавах тяжелых элементов гораздо больше. Как раз в этой части галактики чаще всего происходит образование новых светил. Исходя из этого, ученые сделали вывод, что наличие тяжелых элементов в химическом составе звезды, говорит о начале ее жизни.

Термоядерные реакции, происходящие в ядре каждой звезды, со времен меняют ее химический состав. Главнейшей реакцией синтеза в светилах является протон-протоновый цикл. Она заключается в слиянии 4 атомов водорода воедино, что приводит к образованию 1 атома гелия. Происходит огромный выход энергии – примерно 98% от всей энергии звезды. Данный процесс получил название «горение водорода». В нашем Солнце за 1 секунду сгорает около 4 млн. тонн этого вещества.

Рассмотрим, как изменяется химический состав звезд на примере Солнца. Со временем количество гелия в центральной части нашего Светила будет расти, что приведет к увеличению объема ядра. Следовательно, будет расти и площадь термоядерных реакций. Как результат увеличатся температурные показатели и свечение. Спустя 1 млрд. лет (возраст Солнца на тот момент составит 5,6 млрд. лет) рост энергии составит 10%. Когда возраст Светила достигнет 8 млрд. лет его излучение будет 140% по отношению к современному. В этот период земные условия изменятся настолько сильно, что наша планета станет похожей на Венеру.

Чем быстрее будут протекать протон-протонные реакции, тем активней начнет меняться состав звезды. Скорость сгорания водорода вырастит, это нарушит баланс между солнечной оболочкой и его ядром. Водородная оболочка будет становиться все шире и шире, в то время как ядро из гелия начнет терять свои размеры.

Первые существенные изменения в химическом составе Солнца будут происходить примерно через 1 млрд. лет. Сильнейший рост температуры и сжатия ядра активируют очередную стадию термоядерной реакции, в ходе которой начнется горение гелия. Солнце станет вспыхивать в 5,2 тыс. раз сильнее, чем сегодня.

Все это время центральная часть звезды продолжит накаляться, а ее оболочка достигнет земной орбиты и при этом сильно остынет. Также начнет уменьшаться масса Светила. Звездный ветер будет уносить частички водорода, гелия и других элементов в космическое пространство. Солнце станет красным гигантом. Конец развития нашего Светила наступит после полного истощения оболочки. На его месте останется плотное небольшое ядро – белый карлик. В течение миллиардов лет оно будет постепенно остывать.  

 

Масса и размеры звезд

Размеры звезд, как и температура поверхности, имеют свои отличия. Ученые используют различные методы для определения размера того или иного тела. Науке известны звезды-гиганты и звезды-карлики. Каждый объект имеет свою массу, от которой напрямую зависит продолжительность его жизни. Те тела, которые обладают большой массой, непредсказуемы. По космическим меркам их жизненный цикл достаточно мал – несколько миллионов лет, после чего они могут внезапно взорваться безо всяких видимых причин и образовать сверхновые звезды. Подобные изменения становятся причиной космических катастроф.

Зная массу звезды, ученые прослеживают и эволюцию ее развития. Масса также влияет и на температуру тела.

Для определения звездной массы, ученые изучают движения звезд, которые входят в группы или образуют пары. В таких парах или группах объекты притягиваются друг к другу и вращаются вокруг общего центра масс. Для определения массы той или иной звезды используют закон всемирного тяготения. Измеряют ее в единицах массы Солнца, которая составляет около 2*1030 кг. Масса остальных звезд варьируется в пределах 0,1 до 60 солнечных масс.

5 harakteristika zvyozd
Сравнительная характеристика звезд Источник

Для определения размера звезд ученые используют, как оптические приборы, так и расчеты. Так удалось определить, что размеры объектов могут составлять сотни тысяч или даже миллионов км. К примеру, солнечный диаметр равен 1392000 км, а ведь наше Светило далеко не самая большая звезда во Вселенной. Конечно, есть и совсем маленькие звезды – нейтронные. Их диаметр всего 10-20 км. Одними из крупнейших гигантов являются Бетельгейзе, Арктур, Антарес.

6 harakteristika zvyozd
Источник

По размерам многие звезды будут отличаться сильнее, чем по массе. Чем больше светило, тем меньше плотность его вещества и наоборот. Плотность вещества у звезд-гигантов может быть на порядок меньше чем плотность воздуха в земных условиях. На Солнце плотность вещества в 1,4 раза выше воды. Белые карлики будут гораздо плотнее нашего светила. Например, масса 1 см3 вещества звезды Сириус составляет 50 кг. И это далеко не самые высокие показатели. Самыми плотными считаются нейтронные звезды. Показатель их плотности 1014 г/см3. Чтобы получить такое значение, нужно Земной шар сжать до диаметра в полкилометра.

 

Количество звезд и расстояние между ними

До сих пор точного количества звезд на небосводе не назовет ни один исследователь. Сведенья об этом весьма приблизительны. Для наблюдения невооруженным взглядом доступно достаточно большое количество звезд – около 6000 светил. Стоит учесть, что определенную часть из них можно видеть только в Северном полушарии, а другую часть – лишь Южном полушарии. А вот используя современные мощные телескопы, подобных тел можно насчитать миллиарды и триллионы.

Так что пока ученые подсчитали лишь те звезды, которые доступны наблюдателю без специальных технических средств, либо в телескоп. Эти светила были занесены в специальные звездные каталоги. В них есть название, координаты, описание особенностей движения, температура звезды. Здесь же можно найти следующие характеристики звезд: класс, звездная величина, размер, плотность, уровень светимости, удаленность от Солнечной системы. Первые такие каталоги появились еще около 5000 -6000 лет назад. Одним из самых древних считается каталог, составленный древнегреческим астрономом Гиппархом. Это произошло в 136 году до н.э. В нем ученый перечислил 850 звезд, которые видны невооруженным глазом. Через 200 лет каталог Гиппарха дополнил Клавдий Птолемей. В нем уже значилось 1022 звезды. Причем координаты указывались с довольно высокой точностью. Интересно, что труд Птолемея ученые активно использовали на протяжении почти полутора тысячи лет.

7 harakteristika zvyozd
Источник

Звездный атлас Яна Гевелия (1611 - 1687), изданный в 1690 году, насчитывал уже 1564 звезды. Часть объектов этот ученый открывал уже с помощью телескопа. Именно их открытие позволило специалистам заглянуть в глубины космического пространства.

Современные звездные каталоги включают в себя не только огромное количество обычных звезд. В них есть и другие космические объекты – переменные, двойные, новые и сверхновые звезды, кометы, астероиды, черные дыры. Их списки изменяются и уточняются едва ли не ежегодно в соответствии с новыми данными.

8 harakteristika zvyozd
Источник

Расстояние между звездами настолько огромные, что свет от звезды к звезде идет многие десятки лет. В астрономии для измерения величины расстояния используют такую единицу, как световой год. Он равен приблизительно 9460 млн. км. Звезды, которые на небе якобы находятся рядом друг с другом, в действительности отдалены одна от другой на несколько световых лет. А расстояние между двумя звездами, которые существенно отдаленные между собой, может исчисляться от десятков до миллионов световых лет.

 

Звездные скопления и туманности

Как известно, звезды распределены по небу неравномерно. На одних участках Вселенной они расположились очень тесно, и эти районы, благодаря своей высокой светимости, очень хорошо видны с больших расстояний. В других же местах светила находятся друг от друга более отдаленно, и поэтому на фоне ночного неба выглядят одинокими искрами. То, что мы воспринимаем как густую россыпь сияющих светил, носит название звездных скоплений. Другими словами, это группы звезд, связанных между собой силами тяготения. Все объекты такого космического сообщества имеют общее происхождение и похожи друг на друга по своему химическому составу.

Ученые выделяют два вида звездных скоплений:

  • шаровые;
  • рассеянные.

Шаровые звездные скопления насчитывают обычно десятки и сотни тысяч звезд. Эти образования отличаются почти правильной шарообразной формой, звезды в них упорядочены, как будто в соответствии с четким планом.

9 harakteristika zvyozd
Источник

Шаровые звездные скопления являются самыми древними объектами в галактике. Звезд-гигантов, которые считаются самыми молодыми из существующих светил, там не обнаружено вообще. А это указывает на то, что шаровые скопления образовались вскоре после Большого Взрыва. Интересно, что концентрация таких объектов увеличивается по направлению к центру галактики.

Существует еще одна пока необъяснимая особенность. Все без исключения шаровые звездные скопления относительно галактического центра расположены практически симметрично. Большинство из них находятся по направлению к созвездию Стрельца. Ведь именно там расположен центр нашей Галактики.

В составе рассеянных звездных скоплений светил насчитывается намного меньше – в среднем всего несколько десятков или сотен. Причем звезды, входящие в скопления, далеко не всегда хорошо заметны. Очень часто они почти неприметны либо туманны, как будто размыты. Четкая форма им так же не свойственна.

10 harakteristika zvyozd
Источник

Звездное скопление Плеяды (народное название – Стожары) – одно из самых известных рассеянных звездных скоплений. Оно находится в созвездии Тельца. Невооруженным глазом там можно различить 7 – 8 звезд, которые расположены друг к другу очень близко. В телескоп же видно более полутора сотен светил, находящихся на небольшой площади. Самая яркая звезда Плеяд – Альциона. Это и есть одно из скоплений, в котором звезды образуют более-менее обособленную систему, связанную общим движением в пространстве. Диаметр скопления Плеяды составляет около 50 световых лет.

В созвездии Тельца, окружая его главную и самую яркую красноватую звезду-гигант Альдебаран, расположилось еще одно звездное скопление – Гиады. Оно более размытое.

Сейчас самыми интересными космическими объектами для астрономов являются так называемые звездные ассоциации. Так ученые называют самые молодые образования в Галактике, скопления молодых звезд, чей возраст не превышает 10-20 миллионов лет. Обычно в звездные ассоциации входят группы определенных типов светил, имеющих единое происхождение.

Туманности – это довольно большие, слабо светящиеся туманные пятна, которыми «украшена» чернота космоса.

11 harakteristika zvyozd
Источник

Обычно такие пятна Вселенной объединяют в один вид – галактические туманности. Так называются внутригалактические облака разреженных газов и пыли. Те из них, которые содержат в своем составе преимущественно газы, делятся на два вида:

  • сфероидальные планетарные туманности;
  • диффузные туманности.

Сфероидальные планетарные образования имеют более-менее четкие очертания. При наблюдении в телескоп они похожи на круглые или овальные диски, напоминающих диски планет (или их колец). Их диаметр в среднем составляет около 10 000 астрономических единиц.

В центре каждого из таких объектов обязательно находится достаточно горячая звезда. Она – источник свечения туманности. Ее температура достигает обычно 70 000 – 150 000 0С.  Разреженный газ, из которого и состоит такое «пятно», разлетается от звезды в разные стороны. Скорость движения его составляет десятки километров в секунду. Иногда планетарные туманности могут иметь вид не сферы, а кольца. Это происходит в том случае, когда газовая оболочка вокруг звезды имеет внутреннюю полость.

Часть туманностей определенной формы не имеют. Они похожи на клочья густого тумана, лениво растекающегося струями в разные стороны. Это, так называемые диффузные образования. Такие объекты также состоят из разреженных газов, которые светятся под действием света горячих звезд в их центре. Вообще, все газовые туманности светятся за счет переработки в видимый свет коротковолнового (ультрафиолетового) излучения очень горячих звезд, расположенных либо в самой туманности, либо поблизости от нее.

Кроме газовых, во Вселенной есть множество и других туманных пятен. Образованы они не газовыми частичками, а облаком пылинок, которые по своим размерам вполне сравнимы с частицами обычного дыма. Такие образования, соответственно, называются пылевыми галактическими туманностями. Они относятся к диффузным объектам и могут быть как светлыми, так и темными.

Периодически такое облако встречается со звездой и на некоторое время скрывается от глаз удаленного наблюдателя. Частички космической пыли довольно быстро нагреваются и тогда все облако начинает тускло светиться. Такие светлые туманности, отражающие свет ближайших звезд, относятся к очень красивым, однако не столь частым явлениям.

Далеко не всегда пылевое облако проходит вблизи звезды. Чаще всего подобные объекты относятся к темному типу. Если рядом нет космического тела, способного осветить пыль, она образует темные пылевые облака, часто с четко очерченными краями. Больше всего их в светлых областях Млечного Пути или на фоне светящихся галактических туманностей.

Классическим образцом темной пылевой туманности является туманность Конская Голова. Она находится в созвездии Ориона. Она эффектно смотрится благодаря подсвечиванию близлежащей светлой диффузной туманности и действительно похожа на голову лошади. Самое интересное, что это образование является лишь частью большого темного пылевого облака.

12 harakteristika zvyozd
Источник

Примером планетарной туманности является Улитка, которая образовалась около 10 000 лет назад из вещества внешних слоев вспыхнувшей новой звезды.

Достаточно известной и наиболее изученной учеными считается туманность Андромеды. Это единственная галактика, которую с трудом, но можно увидеть невооруженным глазом.

Исследование звезд продолжается из года в год. Ученые открывают новые космические объекты, уточняют имеющиеся данные, делают новые расчеты. Не так давно было установлено, что около некоторых звезд есть планеты, на которых возможно в дальнейшем обнаружат признаки жизни. 

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Какое количество звезд доступно для наблюдения невооруженным взглядом:
1Около 4 500
2Около 5 000
3Около 6 000
4Около 3 500
Ответить
3
Вопрос: 2
Какую туманность с трудом, но можно увидеть невооруженным взглядом:
1Туманность Андромеды
2Туманность Конская Голова
3Туманность Веретено
4Туманность Голубой снежок
Ответить
1
Вопрос: 3
Звездное скопление Плеяды находится в созвездии:
1Ориона
2Тельца
3Льва
4Стрельца
Ответить
2
Вопрос: 4
Самыми древними объектами в галактике являются:
1Шаровые звездные скопления
2Рассеянные звездные скопления
3Звездные скопления
4Шаровые и рассеянные звездные скопления
Ответить
1
Вопрос: 5
Какую единицу астрономы используют для измерения величины расстояния между звездами:
1Километр
2Световой год
3Микрометр
4Нанометр
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Какое количество звезд доступно для наблюдения невооруженным взглядом:
1) Около 4 500 2) Около 5 000 3) Около 6 000 4) Около 3 500
2 вопрос:

Какую туманность с трудом, но можно увидеть невооруженным взглядом:
1) Туманность Андромеды 2) Туманность Конская Голова 3) Туманность Веретено 4) Туманность Голубой снежок
3 вопрос:

Звездное скопление Плеяды находится в созвездии:
1) Ориона 2) Тельца 3) Льва 4) Стрельца
4 вопрос:

Самыми древними объектами в галактике являются:
1) Шаровые звездные скопления 2) Рассеянные звездные скопления 3) Звездные скопления 4) Шаровые и рассеянные звездные скопления
5 вопрос:

Какую единицу астрономы используют для измерения величины расстояния между звездами:
1) Километр 2) Световой год 3) Микрометр 4) Нанометр
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Около 6 000
2 вопрос: Туманность Андромеды
3 вопрос: Тельца
4 вопрос: Шаровые звездные скопления
5 вопрос: Световой год