Есть голубые, жёлтые, оранжевые, красные звёзды, а не только белые. Цвет звёзд многое говорит астрономам, прежде всего он зависит от температуры поверхности звезды. Красные звёзды – самые холодные, их температура составляет примерно 2000-3000 оС. Жёлтые звёзды, как наше Солнце, имеют среднюю температуру 5000-6000 оС. Самые горячие – белые и голубые звёзды, их температура составляет 50000-60000 оС и выше.
Загадочные линии.
Если пропустить свет звезды через призму, мы получим так называемый спектр, он будет пересекаться линиями. Эти линии являются своего рода «идентификационной картой» звезды, так как по ним астрономы могут определить химический состав поверхностных слоёв звёзд. Линии принадлежат различным химическим элементам.
Сравнивая линии в звёздном спектре с линиями, выполненными в лабораторных условиях, можно определить, какие химические элементы входят в состав звёзд. В спектрах основными являются линии водорода и гелия, именно эти элементы составляют основную часть звезды. Но встречаются и элементы группы металлов – железо, кальций, натрий и др. В солнечном ярком спектре видны линии почти всех химических элементов.
ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА-РЕССЕЛЛА.
Среди параметров, характеризующих звезду, существуют два самых главных – это температуры и абсолютная звёздная величина. Температурные показатели тесно связаны с цветом звезды, а абсолютная звёздная величина – со спектральным классом. Имеется в виду классификация звёзд по интенсивности линий в их спектрах. Согласно используемой в настоящее время классификации, звёзды в соответствии с их спектрами делятся на семь основных спектральных классов. Они обозначены латинскими буквами O, B, A, F, G, K, M. Именно в этой последовательности температура звёзд понижается от нескольких десятков тысяч градусов класса O до 2000-3000 градусов звёзд типа M.
Абсолютная звёздная величина, т.е. мера блеска, указывает количество энергии, излучаемой звездой. Её можно вычислить теоретически, зная расстояние звезды.
Выдающаяся идея.
Идея связать между собой два основных параметра звезды пришла в голову двум учёным в 1913 году, причём они вели работы независимо друг от друга.
Речь идёт о голландском астрономе Эйнаре Герцшпрунге и американском астрофизике Генри Норрисе Ресселле. Учёные творили на расстоянии тысяч километров друг от друга. Они составили график, связавший воедино два основных параметра. Горизонтальная ось отражает температуру, вертикальная – абсолютную звёздную величину. В результате получилась диаграмма, которой были присвоены имена двух астрономов – диаграмма Герцшпрунга-Ресселла, или, проще, диаграмма Г-Р.
Звезда – критерий.
Посмотрим, как составляется диаграмма Г-Р. Прежде всего, необходимо выбрать звезду-критерий. Для этого подходит звезда, расстояние до которой известно, или другая – с уже вычисленной абсолютной звёздной величиной.
Следует иметь в виду, что интенсивность светимости любого источника, будь то свеча, лампочка или звезда, изменяется в зависимости от расстояния. Математически это выражается так: интенсивность светимости «I» на определённом расстоянии «d» от источника обратно пропорциональна «d2». Практически это означает, что если расстояние увеличивается вдвое, то интенсивность светимости уменьшается в четыре раза.
Затем следует определить температуру выбранных звёзд. Для этого надо идентифицировать их спектральный класс, цвет и после этого определить температуру. В настоящее время вместо спектрального типа используется другой эквивалентный ему показатель – «индекс цвета».
Далее надо измерить звёздную величину звезды с двумя разными по длине волнами (например, использовать два фильтра, пропускающих только синий и жёлтый цвета). Подсчитать разницу.
Эти два параметра наносятся на одну плоскость с температурой, понижающейся слева направо, на абсциссе. Абсолютная светимость фиксируется на ординате, повышение отмечается снизу вверх.
Главная последовательность.
На диаграмме Г-Р звёзды располагаются вдоль диагональной линии, идущей снизу вверх и слева направо. Эта полоса называется Главная последовательность. Звёзды, входящие в её состав, называются звёздами Главной последовательности. Солнце относится именно к этой группе. Это группа жёлтых звёзд с поверхностной температурой примерно 5600 градусов. Звёзды Главной последовательности находятся в наиболее «спокойной фазе» своего существования. В недрах их ядер атомы водорода перемешиваются, образуется гелий. Фаза Главной последовательности составляет 90% времени существования звезды. Из 100 звёзд 90 находятся именно в этой фазе, хотя распределяются по разным позициям в зависимости от температуры и светимости.
Главная последовательность представляет собой «узкую область», это свидетельствует о том, что звёзды с трудом сохраняют баланс между силой притяжения, которая тянет внутрь, и силой, образующейся в результате ядерных реакций, она тянет к внешней стороне зоны. Звезда, подобная Солнцу, равная 5600 градусов, для поддержания баланса должна иметь абсолютную звёздную величину порядка +4,7. Это следует из диаграммы Г-Р.
Красные гиганты и белые карлики.
Красные гиганты находятся в верхней зоне справа, расположенной с внешней стороны Главной последовательности. Характерной чертой этих звёзд является очень низкая температура (примерно 3000 градусов), но при этом они ярче звёзд, имеющих идентичную температуру и расположенных в Главной последовательности.
Естественно, возникает вопрос: если энергия, излучаемая звездой, зависит от температуры, то почему же звёзды с одинаковой температурой имеют разную степень светимости. Объяснение следует искать в размере звёзд. Красные гиганты более яркие потому, что их излучающая поверхность намного больше, чем у звёзд из Главной последовательности.
Неслучайно этот тип звёзд получил название «гиганты». Действительно, их диаметр может превышать диаметр Солнца в 200 раз, эти звёзды могут занимать пространство в 300 миллионов км, что вдвое больше расстояния от Земли до Солнца! С помощью положения о влиянии размера звезды попробуем объяснить некоторые моменты в существовании других звёзд – белых карликов. Они расположены внизу слева в диаграмме Г-Р.
Белые карлики – очень горячие, но совсем неяркие звёзды. При одинаковой температуре с крупными и горячими бело-голубыми звёздами Главной последовательности белые карлики намного меньше по размерам. Это очень плотные и компактные звёзды, они в 100 раз меньше Солнца, их диаметр примерно такой же, как земной. Можно привести яркий пример высокой плотности белых карликов – один кубический сантиметр материи, из которой они состоят, должен весить около одной тонны!
Шаровые звёздные скопления.
При составлении диаграмм Г-Р шаровых звёздных скоплений, а в них находятся в основном старые звёзды, очень сложно определить Главную последовательность. Её следы фиксируются в основном в нижней зоне, где концентрируются более холодные звёзды. Это связано с тем, что горячие и яркие звёзды уже прошли стабильную фазу своего существования и перемещаются вправо, в зону красных гигантов, а если миновали её, то в зону белых карликов. Если бы люди были в состоянии проследить за свою жизнь все эволюционные стадии звезды, они смогли бы увидеть, как она изменяет свои характеристики.
Например, когда водород в ядре звезды прекращает гореть, температура во внешнем слое звезды понижается, сам слой расширяется. Звезда выходит из фазы Главной последовательности и направляется в правую часть диаграммы. Это касается в первую очередь крупных по массе звёзд, наиболее ярких, - именно этот тип эволюционирует быстрее.
С течением времени звёзды выходят из Главной последовательности. На диаграмме фиксируется «turning point» - «поворотная точка», благодаря ней, возможно, довольно точно вычислить возраст звёзд скоплений. Чем выше на диаграмме находится «поворотная точка», тем моложе скопление, и, соответственно, чем ниже на диаграмме она находится, тем старше по возрасту звёздное скопление.
Значение диаграммы.
Диаграмма Герцшпрунга-Ресселла оказывает огромную помощь в изучении эволюции звёзд на протяжении их существования. За это время звёзды претерпевают изменения, трансформации, в какие-то периоды они очень глубокие. Нам уже известно, что звёзды отличаются не по собственным характеристикам, а по типам фаз, в которых они пребывают в то или иное время.
С помощью этой диаграммы можно вычислить расстояние до звёзд. Можно выбрать любую звезду, находящуюся в Главной последовательности, с уже определённой температурой и посмотреть её продвижения на диаграмме.
РАССОЯНИЕ ДО ЗВЁЗД.
Когда мы смотрим на небо невооружённым глазом, звёзды, даже самые яркие, кажутся нам блестящими точками, расположенными на одинаковом от нас расстоянии. Небесный свод раскинулся над нами как ковёр. Неслучайно позиции звёзд выражены только в двух координатах (прямое восхождение и склонение), а не в трёх, словно они расположены на поверхности, а не трёхмерном пространстве. С помощью телескопов мы не можем получить всю информацию о звёздах, например по фотографиям космического телескопа «Хаббл» мы не можем точно определить, на каком расстоянии находятся звёзды.
Глубина пространства.
О том, что Вселенная имеет и третье измерение – глубину, - люди узнали относительно недавно. Только в начале XIX века благодаря совершенствованию астрономического оборудования и инструментов учёные смогли измерить расстояние до некоторых звёзд. Первой была звезда 61 Лебедя. Астрономом Ф.В. Бессель установил, что она находится на расстоянии 10 световых лет. Бессель был одним из первых астрономов, измеривших «годичный параллакс». До настоящего времени метод «годичного параллакса» лежит в основе измерения расстояния до звёзд. Это чисто геометрический метод – достаточно измерить угол и вычислить результат.