Основные характеристики звезд

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД

 

    Звезда - это  горячий газовый шар, разогреваемый  за счет ядерной энергии и  удерживаемый силами тяготения.  Основную информацию о звездах  дает испускаемый ими свет  и электромагнитное излучение  в других областях спектра.  Главными факторами, определяющими свойства звезды, являются её масса, химический состав и возраст. Звезды должны меняться со временем, так как они излучают энергию в окружающее пространство. Информация о звездной эволюции может быть получена из диаграммы Герцшпрунга-Рассела, представляющей собой зависимость светимости звезды от температуры её поверхности (рис.1).

 

    На диаграмме  Герцшпрунга-Рассела звезды распределены  неравномерно. Около 90% звезд сконцентрировано  в узкой полосе, пересекающей  диаграмму по диагонали. Эту  полосу называют главной последовательностью. Её верхний конец расположен в области ярких голубых звезд. Различие в заселенности звезд, находящихся на главной последовательности и областей, примыкающих к главной последовательности, составляет несколько порядков величины. Причина в том, что на главной последовательности находятся звезды на стадии горения водорода, которая составляет основную часть времени жизни звезды. Солнце находится на главной последовательности. Его положение указано на рис. 1. 
    Следующие по населенности области после главной последо-вательности - белые карлики, красные гиганты и красные сверх-гиганты. Красные гиганты и сверхгиганты - это в основном звезды на стадии горения гелия и более тяжелых ядер.  
    Светимость звезды - полная энергия, испускаемая звездой в единицу времени. Светимость звезды может быть вычислена по энергии, достигающей Земли, если известно расстояние до звезды. 
    Из термодинамики известно, что, измеряя длину волны в максимуме излучения черного тела, можно определить его температуру. Черное тело с температурой 3 K будет иметь максимум спектрального распределения на частоте 3·10¹¹ Гц. Черное тело с температурой 6000 K будет излучать зеленый свет. Температуре 10⁶ K соответствует излучение в рентгеновском диапазоне. В таблице 2 приведены интервалы длин волн, соответствующие различным цветам, наблюдаемым в оптическом диапазоне.

Таблица 1

Цвет  и длина волны

 

    Температура  поверхности звезды рассчитывается  по спектральному распределению  излучения. 
    Классификацию спектрального класса звезд легко понять из таблицы 2. 
    Каждая буква характеризует звезды определенного класса. Звезды класса O самые горячие, класса N - самые холодные. В звезде класса O видны в основном спектральные линии ионизованного гелия. Солнце принадлежит к классу G, для которого характерны линии ионизованного кальция. 
    В таблице 4 приведены основные характеристики Солнца. Пределы изменения таких характеристик звезд как масса (M), светимость (L), радиус (R) и температура поверхности (T) даны в таблице 5.

Таблица 2

Спектральные  классы звезд

 

 

 

    Для звезд  главной последовательности с  известной массой зависимость  масса-светимость показана на  рис.2 и имеет вид  
L ~ Mⁿ, где n = 1.6 для звезд малой массы (M < M ) и n = 5.4 для звезд большой массы (M > M ). Это означает, что перемещение вдоль главной последовательности от звезд меньшей массы к звездам большей массы приводит к увеличению светимости.     
 
 
 

Таблица 3

Основные  характеристики Солнца

Таблица 4

Пределы изменения характеристик различных  звезд

 

    Таким образом, более массивные звезды оказываются и более яркими.  
    В левой нижней части диаграммы (рис.9) - вторая по численности группа - белые карлики. В правом верхнем углу диаграммы группируются звезды с высокой светимостью, но низкой температурой поверхности - красные гиганты и сверхгиганты. Этот тип звезд встречается реже. Названия “гиганты” и “карлики” связаны с размерами звезд. Белые карлики не подчиняются зависимости масса-светимость, характерной для звезд главной последовательности. При одной и той же массе они имеют значительно меньшую светимость, чем звезды главной последовательности. 
    Звезда может находиться на главной последовательности на определенном этапе эволюции и быть гигантом или белым карликом на другом. Большинство звезд находится на главной последовательности потому, что это наиболее длительная по времени фаза эволюции звезды. 
    Одним из существенных моментов в понимании эволюции Вселенной является представление о распределении образующихся звезд по массам. Изучая наблюдаемое распределение звезд по массам и учитывая время жизни звезд различной массы, можно получить распределение звезд по массам в момент рождения. Установлено, что вероятность рождения звезды данной массы, очень приближенно, обратно пропорциональна квадрату массы (функция Солпитера):

F(M) ~ M^-7/3.

Однако это  лишь общая закономерность. В некоторых  областях наблюдается дефицит массивных  звезд. В областях, где много молодых  звезд, звезд малой массы меньше. Считается, что первые звезды были в  основном яркими, массивными и короткоживущими.  
    По-видимому, функция масс должна обрываться на нижнем конце около масс ~ (0.1 - 0.025) M . Используя в качестве нижней оценки два значения масс M ~ 0.1 M и 0.025 M , можно получить относительную массу звезд, имеющих массы больше 5M :

и долю массы  звезд, имеющих массу меньше солнечной, -

 

    Для того, чтобы объяснить наблюдаемые  распространенности различных элементов,  необходимо предположить, что в  звездах происходят ядерные реакции,  в которых и образуются эти  элементы. Особенности протекания  ядерных реакций рассмотрены  ниже.  

 Рождение звезды. Согласно современным представлениям образование звезд происходит внутри облака газа и пыли. Обычно исходят из представления о том, что однородно распределенное вещество в пространстве неустойчиво и может собираться в сгустки под действием сил тяготения. Небольшие, случайно образовавшиеся сгустки плотности растут из-за гравитационной неустойчивости. Чтобы образовалась звезда необходимо сжатие некоторой области газопылевого облака до такой стадии пока она не станет достаточно плотной и горячей. В процессе такой концентрации вещества происходит увеличение температуры и давления. Возникают условия для появления звезды. По мере того, как будет происходить сжатие вещества, из которого образуется звезда, будет повышаться температура звезды. Излучение и увеличивающаяся кинетическая энергия атомов и молекул газа и пыли создает давление, препятствующее сжатию газопылевого облака. Температура и давление максимальны в центре облака и минимальны на периферии. Средняя температура звезды возрастает тем быстрее, чем быстрее она излучает энергию и сжимается. Гравитационная энергия высвобождается со скоростью, которая не только восполняет потерю энергии с поверхности звезды, но и нагревает звезду. Поясним это на основе теоремы о вириале.    

 Теорема о вириале. Средняя кинетическая энергия материальной точки, совершающей пространственно ограниченное движение под действием сил притяжения, подчиняющихся закону обратных квадратов, равна половине её средней потенциальной энергии с обратным знаком.

   

 Рассмотрим  движение одной материальной  точки в поле центральных сил,  описываемых потенциалом:

U(r) = C/r,

где C - константа. В нерелятивистском случае уравнение  движения имеет вид:

Умножая обе  части уравнения (1) скалярно на  , получаем: