Система зоряних величин

Повна класифікація зір залежить від двох параметрів: перший характеризує спектр (температуру), другий – світимість.

Приналежність зір до класів:

Клас світимості І – надгіганти, ці зорі займають на діаграмі спектр-світимість верхню частину і діляться на декілька послідовностей.

ІІ – яскраві гіганти

ІІІ – гіганти

ІV - субгіганти

Зорі класу ІІ, ІІІ та ІV розташовані на діаграмі між областю надгігантів та головною послідовністю.

V – зорі головної послідовності.

VІ – яскраві субкарлики. Вони утворюють послідовність, яка проходить нижче головної приблизно на одну зоряну величину починаючи з класу АО.

VІІ – білі карлики.

Належність зір до даного класу світимості на основі спеціальних додаткових ознак спектральної класифікації

Методи визначення розмірів зір

Безпосереднє вимірювання радіуса зір практично не можливе. Кутові розміри двох-трьох десятків зір визначено за допомогою кутових інтерферометрів. В окремих випадках для визначення кутових розмірів зір вдається використати інтерференційну картину, яка виникає при покритті зір Місяцем. Лінійні розміри можна визначити у затемнювано-подвійних зір по тривалості затемнення.

Якщо для зорі відомою віддаллю r знайдено кутовий діаметр d‘‘ виражений в секундах, то її лінійний поперечник обчислюють за формулою

Опосередкованим шляхом розміри зорі можна знайти, якщо відома її болометрична світимість і ефективна температура

Повний потік, який випромінює зоря

Для Сонця

Поділивши почленно одержимо

Можна радіус зорі і її світимість виразити в сонячних одиницях

= 1, = 1

поперечники найбільших зір в 1000 і більше раз більші за діаметр Сонця. Розміри нейтронних зір приблизно десятки кілометрів.

Залежність радіус-світимість-маса

Остання формула пов’язує між собою характеристики зорі-радіус, світимість і абсолютну температуру. Разом з тим існує емпірична залежність між спектром (температурою) і світимістю (діаграма Герцшпрунга-Рассела). Це означає, що всі три величини, які входять у цю формулу не є незалежними і для кожної послідовності на діаграмі спектр-світимість можна встановити певне співвідношення між спектральним класом і температурою. Якщо замість візуальної абсолютної величини відкладати болометричну абсолютну зоряну величину, а замість спектрального класу – логарифм відповідної абсолютної температури, то характер діаграми не зміниться, але на такій діаграмі положення всіх зірок, які мають однакові радіуси зобразиться прямими лініями оскільки залежність між lgL та lgТ_еф має лінійний характер. За такою діаграмою легко знаходити розміри зір за їх світимостями (абсолютною зоряною величиною) і спектром (ефективною температурою).

За діаграмою встановлено, що радіуси різних зірок лежать в досить великому інтервалі: від сотень і навіть тисяч у гігантів і надгігантів до (10^-2 – 10^-3) у білих карликів. Якщо температура зоряних атмосфер відрізняється всього лише в 10 разів, то діаграми відрізняються в мільйони разів.

Внаслідок того, що головна послідовність і в меншій степені послідовність надгігантів зображуються на діаграмі М_воl = f (Т_еff) майже прямими лініями можна встановити для даних зір емпіричну залежність між болометричною світимістю і радіусом. Наприклад, для більшості зірок головної послідовності використовується співвідношення

L_воl = R ^5,2

Для окремої зорі масу визначити неможливо. Якщо система кратна, то в окремих випадках можна визначити масу (за уточненим законом Кеплера) компонентів. За цією невеликою кількістю зірок виявлена емпірична залежність між масою та болометричною світимістю.

L_вос = m ^3,9

Із цієї формули випливає, що в верхній частині головної послідовності знаходяться найбільш масивні зорі із масою у десятки разів більшою за масу Сонця (зоря Пласкетта має m > 60 ).

При просуванні вниз вздовж головної послідовності маса зірок зменшується. У карликів різних класів маси менші за масу Сонця. При

m < 0,02 речовина не здатна утворити зорю, а речовина може стискуватись у планету.

Якщо вважати, що остання формула разом з аналогічними залежностями виконується для всіх нормальних зірок, то можна, нанісши всі зорі з відомими масами на діаграму Герцшпрунга-Рассела, провести на ній лінії однакових мас, подібно до того як отримано лінії однакових радіусів.

Висновок: діаграму спектр-світимість можна розглядати як діаграму стану зірок і розв’язувати з її допомогою важливі задачі.

Планетні системи інших зір

«Зоряний попіл для нас» (Утворення хімічних елементів). Уважно вивчивши хімічний склад живої речовини, звернімо увагу на те, що, окрім чотирьох основних хімічних елементів - водню, вуглецю, кисню та азоту, що становлять 95% складу живої речовини і споріднюють її з зоряними світами, є ще кальцій, фосфор, хлор, сірка, натрій, йод, залізо, а також мікроелементи: марганець, молібден, кремній, фтор, цинк та мідь, тобто елементи, значно менш поширені у Всесвіті, ніж перші чотири. Але без них було б неможливим існування тих форм життя, які ми бачимо на Землі, як і самої планети Земля. Як утворилися ці та важчі хімічні елементи?

Слід зазначити, що синтез кожного наступного важчого ядра за участю гелію вимагає дедалі більших енергій, тобто щораз вищих температур, оскільки зі збільшенням порядкового номера елемента зростають сили електричного відштовхування та енергетичний бар'єр, що його мусить подолати позитивно заряджена частинка, наближаючись до позитивно зарядженого ядра. А тому такі реакції можливі тільки у ядрах масивних зір, де виникають умови для створення потрібних тисків і температур. Усі ці реакції супроводжуються подальшим і остаточним вичерпанням гелію.

Зауважмо, що такі реакції відбуваються з виділенням тепла, але вони закінчуються на утворенні ядер заліза 56Fe. Адже для того, щоб із цього ядра утворилося ще важче ядро, треба затратити більше енергії, ніж її виділиться в процесі реакції. Щоб процес утворення елементів тривав і далі, до ядра зорі треба підводити тепло, а не відводити його.

Тому у всіх зорях як завгодно великої маси, доки вони перебувають на головній послідовності, утворення важчих хімічних елементів, ніж залізо, неможливе.

Для синтезу всіх інших елементів таблиці Менделєєва необхідні нейтрони і протони. Теоретичний розгляд таких реакцій виходить далеко за межі нашого підручника. А тому спробуймо зрозуміти хід подій, уявивши собі таку картину.

Нехай ми маємо зорю з масою більше 8М0, у ядрі якої вигоріло все термоядерне паливо і утворилися всі можливі елементи аж до заліза. Температура і тиск усередині падають, починається гравітаційний колапс, який ущільнює речовину, і температура починає зростати. За досягнення нею значень 7-8 млрд К ядра заліза починають розпадатись, і з кожного ядра заліза утворюється 13 ядер 4Не і 4 нейтрони. Ця реакція забирає значну кількість енергії гравітаційного стиснення, і за умов, коли стиснення триває далі, різко збільшуючи густину, температура все ж зростає набагато повільніше.

У той же час в ядрі йде утворення нейтрино і антинейтрино, які, маючи величезну проникну здатність, також інтенсивно відводять тепло. Коли температура ядра все ж досягає 40 млрд К, а густина 100 000 т/см³, виникає нова ситуація: ядро зорі перестає бути прозорим для нейтрино, і вони починають поглинатись нейтронами і протонами, тим самим різко підвищуючи температуру ядра. Стиснення сповільнюється, і за густини 10 млн т/см* припиняється зовсім, а температура вже перевищує 100 млрд К. Важливу роль у припиненні стиснення відіграє і відцентрова сила, яка стрімко збільшується зі зменшенням розмірів ядра. У той же час оболонка, яка падає зверху, різко гальмується, розігрівається, і хімічні елементи миттєво вступають в реакції з утворенням усього спектра елементів таблиці Менделєєва. Величезна енергія, що при цьому виділяється, спостерігається як спалах наднової. А утворені важкі елементи разом зі скинутою речовиною зорі потрапляють у міжзоряний простір.

Таким чином, тільки через вибухи наднових міжзоряне середовище збагачується прихованими раніше у надрах зір важкими елементами. Проникаючи у хмари газу та пилу, вони входять потім до складу зір другого покоління, які утворюються із вторинної речовини Всесвіту, а разом з тим ідо складу планет. Мабуть, саме такий спалах наднової відбувся колись в околицях того газово-пилового комплексу, із якого згодом утворилися Сонце - зоря другого покоління - і Сонячна система. Значення вибухів наднових для розвитку життя важко переоцінити. Отже, те, що ми створені з попелу давно згаслих зір - не просто красива фраза. Вона дуже точно відображає події, що відбуваються у Всесвіті.

Світ зір дуже різноманітний, їх розрізняють за масою, температурою, хімічним складом тощо.

Діаграма спектр-світність - це наочне відображення залежності зоряних характеристик і еволюційного шляху зорі від її маси. Зорі часто утворюють подвійні та кратні системи. У Всесвіті існують зорі, які періодично змінюють свої фізичні параметри.

За сучасними уявленнями зорі утворюються із газово-пилових хмар. Білі карлики, нейтронні зорі, чорні діри - це заключні стадії еволюції зір різної маси.

Існування чорних дір передбачається теорією і підтверджується непрямими методами спостережень.

Внаслідок спалахів наднових зір утворюються важливі для розвитку життя на Землі хімічні елементи.

Запитання для самоперевірки

1. Що є критерієм для поділу зір на кратні системи і зоряні скупчення?

2. За якої умови подвійна зоря стає затемнювано-подвійною?

3. Яка природа спектрально-подвійних зір?

4. Яким методом користуються для пошуків планет біля інших зір?

5. Про які особливості тісних подвійних систем Ви знаєте?

6. Чому пульсуючі змінні цефеїди отримали назву "маяків Всесвіту"?

7. Завдяки яким процесам підтримуються пульсації цефеїди і споріднених з нею змінних зір?

8. Поясніть механізм спалахів нових зір.

9. У чому полягає явище наднової?

10. Що таке пульсар?