Зависимость радиус — светимость — масса

Формула связывает между собой три важные характеристики звезды — радиус, светимость и эффективную температуру. Также имеется важная эмпирическая зависимость между спектром. Это значит, что все три величины, не являются независимыми и для каждой последовательности звезд на диаграмме спектр — светимость можно установить определенное соотношение между спектральным классом и радиусом

Радиусы различных звезд меняются в очень больших пределах: от сотен и даже тысяч R¤ у гигантов и сверхгигантов до (10-2 ¸ 10-3)R¤ у белых карликов. Таким образом, если температуры звездных атмосфер различаются всего лишь раз в 10, то по диаметрам это различие достигает почти миллиона раз!

Наиболее важная характеристика — масса, к сожалению, не может быть определена для одиночных звезд. В некоторых случаях удается определить с помощью закона Кеплера массы компонентов двойных систем. По этому сравнительно небольшому числу звезд обнаружена важная эмпирическая зависимость между массой и болометрической светимостью.

в верхней части главной последовательности находятся самые массивные звезды с массами в десятки раз большими, чем у Солнца (звезда Пласкетта имеет M > 60 M¤). По мере продвижения вниз вдоль главной последовательности массы звезд убывают. У карликов поздних спектральных классов массы меньше солнечной. При M < 0,02 M¤ вещество, по-видимому, не способно образовать звезду, а может сжаться только в планету. Массу, близкую к этому пределу, имеют вспыхивающие, звезды типа UV Кита.

Таким образом, диаграмму спектр — светимость можно рассматривать как диаграмму состояния звезд и решать с ее помощью важные задачи. Например, очевидно, что густо «населенные» области диаграммы соответствуют наиболее длительным этапам эволюции звезд, скажем, стадии главной последовательности. Далее, предположим, что, эволюционируя, звезды изменяют свои характеристики и, в частности, светимость. Тогда они должны изменять с течением времени свое положение на диаграмме Герцшпрунга — Рессела. Если при этом они все время или хотя бы в течение некоторого периода сохраняют постоянной свою массу, то их эволюция на определенном этапе должна изображаться отрезками линий постоянных масс. Отсюда видно, насколько глубокий эволюционный смысл имеет расположение звезд на диаграмме Герцшпрунга — Рессела.

 

 

60. Модели строения звёзд. Строение вырожден звёзд (бел карлики и нейтрон звёзды). Чёрн.дыры.

Если для звезды известны масса и радиус, то можно получить представление о физических условиях в ее недрах точно таким же путем, как это было сделано для Солнца. температура Т в недрах звезды прямо пропорциональна ее массе M и обратно пропорциональна ее радиусу R; в частности, для температуры Т0 в центре звезды можно записать

(11.20) T₀=K*(M/R)

где К — некоторый коэффициент пропорциональности. Примерное его значение, справедливое, только для звезд, сходных с Солнцем, можно оценить из условия, что при R = R¤ и M = M¤ температура T0 близка к 15 000 000°. Отсюда получаем, что температура в центре похожих на Солнце звезд главной последовательности

T₀=1.5*10⁷*M/R

температуры в недрах звезд главной последовательности постепенно возрастают с увеличением светимости.

От значения температуры сильно зависит характер ядерных реакций в недрах звезды. В Солнце, выделение ядерной энергии в основном происходит в результате протон-протонной реакции. В горячих звездах ранних спектральных классов, в недрах которых температура выше и составляет десятки миллионов градусов, главную роль играет превращение водорода в гелий за счет углеродного цикла. В результате этой реакции выделяется значительно большая энергия, чем при протон-протонной реакции, что и объясняет большую светимость звезд ранних спектральных классов.

звезды, располагающиеся в разпичных участках диаграммы спектр — светимость отличаются своим строением. Это подтверждается теоретическими расчетами равновесных газовых конфигураций, выполненными для определенных значений химического состава, массы, радиуса и светимости звезды (так называемых моделей звезд).

Звезды верхней части главной последовательности. Это горячие звезды с массой больше солнечной, из-за чего температура и давление в их недрах выше, чем у звезд более поздних спектральных классов, и выделение термоядерной энергии происходит ускоренным темпом через углеродный цикл. В результате светимость у них также больше, а потому эволюционировать они должны быстрее. Отсюда звезды, находящиеся на главной последовательности - молодые.

Поскольку выделение энергии при углеродном цикле пропорционально очень высокой степени температуры (~ T20). Поэтому переносить энергию должно само вещество, которое начинает перемешиваться, и в недрах массивных звезд главной последовательности возникают центральные конвективные зоны

Звезды нижней части главной последовательности по своему строению подобны Солнцу. При протон-протонной реакции мощность энерговыделения зависит от температуры почти так же, как и поток излучения, в центре звезды конвекция не возникает и ядро оказывается лучистым.

Субкарлики, — хороший пример существенной зависимости строения звезды от химического состава. Непрозрачность звездного вещества оказывается пропорциональной содержанию тяжелых элементов, поскольку все легкие элементы полностью лишены своих электронов и атомы не могут поглощать кванты. Поглощение производят ионизованные атомы тяжелых элементов.

Субкарлики — старые звезды, возникшие на ранних стадиях эволюции Галактики из вещества, не побывавшего еще в недрах звезд, а потому бедного тяжелыми элементами. Вещество субкарликов отличается большей прозрачностью по сравнению с звездами главной последовательности.

Красные гиганты имеют крайне неоднородную структуру. По мере выгорания водорода в центральных слоях звезды область энерговыделения смещается в периферические слои. В результате образуется тонкий слой энерговыделения, где только и происходит водородная реакция. Он разделяет звезду на две части: внутреннюю — почти лишенное водорода «гелиевое» ядро, в котором реакций нет, и внешнюю, в которой есть водород, но температура и давление недостаточны для протекания реакции. Температура гелиевого ядра недостаточно велика для начала возможной реакции превращения гелия в углерод. Поэтому ядро оказывается лишенным ядерных источников энергии и изотермичным. Оно содержит около четверти массы всей звезды, но при этом обладает размерами только в 1/1000 ее радиуса. Плотность в центре такого ядра достигает 350 кг/см3!

Белые карлики. Важной особенностью структуры красного гиганта является образование в его недрах изотермичного объекта с массой Солнца состоящего из вырожденного газа, в основном гелия. На диаграмме Герцшпрунга — Рессела этот объект должен располагаться в нижнем левом углу, так как при значительной температуре он в силу малых своих размеров (10–2-10-3R¤) должен обладать малой светимостью.

Таким образом, белые карлики оказываются сверхплотными звездами. Плотность в центре белых карликов может достигать сотен тонн в кубическом сантиметре! Они постепенно излучают огромный запас тепловой энергии вырожденного газа. Более массивные белые карлики сильнее сжаты и для них имеет место четкая зависимость радиуса звезды от ее массы. Однако начиная с некоторого значения массы, давление вырожденного газа неможет уравновесить силу гравитации. Такая звезда может неограниченно сжиматься (коллапсировать). Прежде чем это произойдет, звезда должна испытать ядерный взрыв, наблюдаемый как вспышка сверхновой звезды, в результате которого выделится вся возможная ядерная энергия и вещество, перейдет в форму нейтронов. Однако при массах больше 2-3 солнечных даже давление вырожденных нейтронов не в состоянии противостоять гравитации. Теперь уже ничто не может предотвратить сжатие звезды. Особая ситуация должна возникнуть, когда радиус коллапсирующей звезды станет меньше (2fM)/c² где с — скорость света. в этом случае параболическая скорость оказывается больше скорости света. Ничто, даже световой квант из звезды, не может уйти. такой объект станет невидим. В некоторых случаях можно наблюдать вещество вблизи него. Такое, теоретически возможное, гипотетическое состояние звезды называют черной дырой.

 

Основные этапы эволюции звезд. Планетарные туманности.

Схема эволюции звезд умеренной массы (солнечного типа). Звезда зарождается и выходит на ветвь Главной последовательности, занимая на ней строго отведенное место, согласно своим начальным параметрам. На Главной последовательности звезда проводит большую часть своей жизни, расходуя постепенно ядерное горючее. Затем на стадии расширения она уходит в область красных гигантов, по окончании которой выходит в полосу нестабильности и, сбросив конвективную оболочку, превращается в планетарную туманность. Оставшееся ядро, сжимаясь, эволюционирует в белый карлик. А планетарная туманность постепенно рассеивается в космосе, отдавая межзвездной среде составлявшие ее химические элементы.

Планетарная туманность

Известно что красные гиганты могут превращаться в белые карлики. Нас они интересуют еще и потому, что окружены горячей газовой оболочкой, свойства которой напоминают газовые туманности. Но внешнему сходству с дисками планет они называются планетарными туманностями. В центре их всегда можно заметить ядро — горячую звезду класса О.

Самым близким и крупным из подобных объектов является планетарная туманность Хеликс в созвездии Водолея, видимый размер которой вдвое меньше Луны. При расстоянии в 700 пс это соответствует истинным размерам туманности почти в 3 пс. Очень известной также является кольцевая туманность в созвездии Лиры. Большинство планетарных туманностей, которых в настоящее время найдено около 1000, имеют значительно меньшие размеры, в среднем 0,05 пс, и концентрируются преимущественно к центру Галактики, а не к ее плоскости.

Спектры самих планетарных туманностей представляют собой слабый континуум. По внешнему виду планетарных туманностей, можно заключить, что они представляют собой оболочку из сильно разреженного ионизованного газа. По смещениям линий в спектре этих оболочек обнаружено, что они расширяются в среднем со скоростью в несколько десятков километров в секунду.

Полное количество энергии, излучаемой планетарной туманностью, в десятки раз больше, чем излучение ядра в видимой области спектра. Поскольку центральная звезда очень горячая и максимум излучения лежит в ультрафиолетовой области спектра. Жесткое излучение ядра ионизует разреженный газ туманности и нагревает его до температуры одного-двух десятков тысяч градусов. Вместо него атомы туманности испускают видимое излучение, спектр которого содержит наблюдаемые эмиссионные линии и слабое непрерывное свечение.

планетарные туманности — определенная стадия эволюции некоторых звезд, похожих на неправильные переменные типа RV Тельца. В стадии планетарной туманности звезда сбрасывает с себя оболочку и обнажает свои горячие внутренние слои. Судя по скорости расширения оболочки, этот процесс должен происходить очень быстро. изменения могут иметь место и внутри звезды. Есть основания что, некоторые звезды превращаются в белые карлики.

 

 

62. Кратные и переменные звёзды (кратные, визуально-двойные, спектрально-двойные звёзды, невидимые спутники звёзд, затменно-двойные звёзды). Особенности строения тесных двойных систем.

Часто на небе встречаются две или несколько близко расположенных звезд. Некоторые из них на самом деле далеки друг от друга и физически не связаны между собой. Они только проектируются в очень близкие точки на небесной сфере и потому называются оптическими двойными звездами. В отличие от них, физическими двойными называются звезды, образующие единую динамическую систему и обращающиеся под действием сил взаимного притяжения вокруг общего центра масс. Иногда наблюдаются объединения трех и более звезд (тройные и кратные системы). Если компоненты двойной звезды достаточно удалены друг от друга, так что видны раздельно, то такие двойные называются визуально двойными. Двойственность некоторых тесных пар, компоненты которых не видны в отдельности, может быть обнаружена либо фотометрически (затменные переменные звезды), либо спектроскопически (спектрально-двойные).

Визуально-двойные звезды

Двойные звезды, двойственность которых обнаруживается при непосредственных наблюдениях в телескоп, называются визуально-двойными. Видимую орбиту звезды-спутника относительно главной звезды находят по длительным рядам наблюдений, выполненным в различные эпохи. С точностью до ошибок наблюдений эти орбиты всегда оказываются эллипсами. В некоторых случаях на основании сложного собственного движения одиночной звезды относительно звезд фона можно судить о наличии у нее спутника, который невидим либо из-за близости к главной звезде, либо из-за своей значительно меньшей светимости. Именно таким путем были открыты первые белые карлики — спутники Сириуса и Проциона, впоследствии обнаруженные визуально.

В настоящее время зарегистрировано свыше 60 000 визуально-двойных систем. Примерно у 2000 из них удалось обнаружить орбитальные движения с периодами от наименьшего 2,62 года у e Ceti до многих десятков тысяч лет. Однако надежные орбиты вычислены примерно для 500 объектов с периодами, но превышающими 500 лет.

Спектрально-двойные звёзды

Спектрально-двойные звёзды теже двойные звёзды, компоненты которых столь близки между собой, что не видны порознь даже в самые сильные телескопы. Двойственность таких звёзд обнаруживается только по периодическим смещениям либо раздвоениям линий в их спектрах вследствие Доплера эффекта, происходящего вследствие орбитального движения компонентов.

Невидимые спутники

- тела планетарных размеров и масс, обращающиеся вокруг нек-рых звёзд подобно планетам в Солнечной системе. Полагают, что массы крупнейших невидимых спутников меньше необходимой для ядерного самовозгорания водород-дейтериевой смеси и составляют 0,01-0,05. Образоваться такие тела могли из части вещества, не вошедшего в центральную звезду. Больше половины звёзд в Галактике образуют кратные системы (двойные, тройные и т. д.) и, по оптимистич. оценкам, до 10% звёзд могут иметь невидимые спутники. На их присутствие могут указывать вариации спектра и периодич. смещения звезды, вызванные её обращением вокруг общего центра масс.

Затменно-двойные звёзды

Бывает, что плоскость обращения звезд вокруг их общего центра масс проходит или почти проходит через глаз наблюдателя. Орбиты звезд такой системы расположены, как бы, ребром к нам. Здесь звезды будут периодически затмевать друг друга, блеск всей пары будет с тем же периодом меняться. Этот тип двойных называется затменно-двойными. Если же говорить о переменности звезды, то такую звезду называют затменно-переменной, что также указывает на ее двойственность. Самой первой открытой и самой известной двойной такого типа является звезда Алголь (Глаз Дьявола) в созвездии Персея.

Тесные двойные системы. Тесные двойные системы предст собою такие пары звезд, расст между кот сопоставимо с их размерами, При этом существенную роль начинают играть приливные взаимодействия между компонентами. Под действием приливных сил поверхности обеих звезд перестают быть сферическими, звезды приобретают эллипсоидальную форму и у них возникают направленные друг к другу приливные горбы, подобно лунным приливам в океане Земли.

Форма, которую принимает тело, состоящее из газа, определяется поверхностью, проходящей через точки с одинаковыми значениями гравитационного потенциала. Эти поверхности называются эквипотенциальными. Газ может свободно течь вдоль эквипотенциальной поверхности, что и определяет равновесную форму тела. Для одиночной невращающейся звезды эквипотенциальные поверхности, очевидно, — концентрические сферы с центром, совпадающим с центром масс. Это объясняет сферичность обычных звезд. Для тесной двойной системы эквипотенциальные поверхности имеют сложную форму и образуют несколько семейств кривых. Характер их легко представить, если внимательно посмотреть на сечение критических поверхностей, разделяющих эти семейства. Самая внутренняя из них восьмеркой охватывает обе звезды и проходит через первую (внутреннюю) точку Лагранжа L1. Эта поверхность ограничивает область, называемую внутренней, полостью Роша, состоящую из двух замкнутых объемов, в каждом из которых располагаются эллипсоиды эквипотенциальных поверхностей, определяющих форму деформированных приливным взаимодействием звезд. Две другие критические поверхности проходят соответственно через вторую и третью (внешние) точки Лагранжа, причем последняя поверхность ограничивает еще две полости, содержащие точки Лагранжа L4 и L5. Если внешние слон звезд выходят за пределы внутренней полости Роша, то, растекаясь вдоль эквипотенциальных поверхностей, газ может, во-первых, перетекать от одной звезды к другой, а, во-вторых, образовать оболочку, охватывающую обе звезды. Классическим примером такой системы является звезда b Лиры, спектральные наблюдения которой позволяют обнаружить как общую оболочку тесной двойной, так и газовый поток от спутника к главной звезде. Среди взаимодействующих тесных двойных систем имеется множество замечательных объектов

63.Физические переменные звёзды (пульсирующие переменные; эруптивные переменные: в начале эволюции, новые, сверхновые; пульсары, нейтронные звёзды). Рентгеновские источники излучения.

Физич переменными наз звезды, кот изменяют свою светимость в результате физич процессов, происх в самой звезде. Такие звезды могут и не иметь постоянную кривую блеска. 1ую пульсирующую переменную открыл в 1596 году Фибрициус в созвездии Кита. Он назвал ее Мирой, что означает «чудесная, удивительная». В максимуме Мира хорошо видна невооруженным глазом, ее видимая звездная величина 2^m, в период минимума она уменьшается до 10^m, и видна только в телескоп. Средний период переменности Миры Кита 3 331,6 суток.

конецформыначалоформыВ 1783 году Эдуард Пиготт обнаружил изменения блеска η Орла с периодом 7,17 дней. В 1784 году Джон Гудрайк открыл переменность звезды δ Цефея. Все переменные звезды, в том числе затменно-переменные, имеют специальные обозначения. Впереди названия соотв созвездия ставятся буквы латинского алфавита R, S, T… или просто букву V с цифрами.
Цефеидами называются пульсирующие звезды высокой светимости, названные так по имени одной из первых открытых переменных звезд – δ Цефея. Это желтые сверхгиганты спектральных классов F и G, масса которых превосходит массу Солнца в несколько раз. В ходе эволюции цефеиды приобретают особую структуру. Цефеиды периодически сжимаются, температура цефеид растет, уменьшается радиус. В 60-е годы советский астроном Юрий Ефремов установил, что чем продолжительнее период цефеиды, тем моложе эта звезда.
Особая группа переменных – молодые звезды типа T Тельца, впервые открытые Отто Васильевичем Струве в XIX веке. Они меняют свой блеск беспорядочным образом, но иногда у них прослеживаются и признаки периодичности, связанные с вращением вокруг оси.Среди звезд меньшей светимости также имеются переменные различных типов, общее известное число которых примерно раз в 10 меньше количества

пульсирующих гигантов. Все они проявляют свою переменность в виде повторяющихся вспышек, которые могут быть объяснены различного рода выбросами вещества. Поэтому всю эту группу звезд вместе с новыми звездами называют эруптивными переменными.

Следует иметь в виду, что здесь оказались звезды самой различной природы, как находящиеся на ранних этапах своей эволюции, так и завершающие свой жизненный путь. Звезды в начале эволюции. Наиболее молодыми звездами, по-видимому, еще не завершившими процесса гравитационного сжатия, следует считать переменные типа Т Тельца. Это карлики спектральных классов чаще всего F - G, с

эмиссионными линиями в спектре, напоминающими яркие линии солнечной хромосферы. Они в большом количестве обнаружены, например, в туманности Ориона. Звезды типа Т Тельца чаще всего встречаются группами, особенно в пределах больших газопылевых туманностей. Небольшие яркие туманности наблюдаются и непосредственно вокруг самих этих звезд, что говорит о существовании у них обширных газовых оболочек. Движение вещества в этих оболочках, связанное с процессом гравитационного сжатия звезды, по-видимому, является причиной

хаотической ее переменности. Отсюда следует, что звезды типа Т Тельца - самые молодые образования, которые уже можно считать звездами. Известны еще более молодые объекты - источники инфракрасного излучения. Но это еще не звезды, а сжимающиеся в дозвездные тела газо-пылевые облака. Вспыхивающие звезды типа UV Кита всегда встречаются в тех областях, где имеются переменные типа Т Тельца. Это карлики спектральных классов К и М. У них в спектре также наблюдаются эмиссионные линии кальция и водорода. Отличаются они необычайной быстротой возрастания светимости во время эпизодических вспышек: менее чем за минуту поток излучения может увеличиться в десятки раз. После этого

за полчаса-час он возвращается к исходному уровню. Во время вспышки усиливается также яркость эмиссионных линий. Характер явления сильно напоминает хромосферную вспышку на Солнце, отличающуюся, однако, значительно большими масштабами. Звезды типа UV Кита скорее всего находятся на заключительных стадиях гравитационного сжатия. Звезды типа Be. Массивные, быстро эволюционирующие звезды гораздо труднее застать на ранних стадиях эволюции. Тем не менее, среди горячих звезд класса В, преимущественно обладающих быстрым вращением, часто встречаются звезды с эмиссионными линиями, принадлежащими водороду, иногда гелию и другим элементам.

Новые звезды. Термин "новая" звезда не означ появл вновь возникшей звезды, а отражает опредю стадию переменности некот звезд. Новыми звездами наз эруптивные переменные звезды особого типа, у кот хотя бы однажды наблюда внезапное и резкое увелич светимости не менее чем на 7-8 звездных величин. Всего в наст время известно около 300 новых звезд, из них около 150 вспыхнуло в нашей Галактике и свыше 100 - в туманности Андромеды. У известных семи повторных новых в сумме наблюдалось около 20 вспышек. После вспышки новые звезды часто обнаруж слабую переменность. По характ спектра вблизи эпохи максимума различ 2 типа сверхновых звезд. Сверхновые I типа вблизи максимума отлич непрерывным спектром, в кот не видно никаких линий. Позднее появл очень широкие эмиссионные полосы, положение кот не совпадает ни с какими известными спектральными линиями. У сверхновых II типа светимость в максимуме несколько меньше, чем у сверхновых I типа. Их спектры отлич усилением ультрафиолетового свечения. Как и в спектрах обычных новых, в них наблюд линии поглощ и излучения, отождествляемые с водородом, ионизованным азотом и другими элементами.

Пульсары. В августе 1967 г. в Кембридже было зарегистрировано космич радиоизлучение, исходящее от точечных источников в виде строго следующих друг за другом четких импульсов. Длительность отдельного импульса у таких источников сост от неск миллисекунд до неск десятых долей секунды. Резкость импульсов и необычайная правильность их повторений позволяют с очень большой точностью определить периоды пульсаций этих объектов,названных пульсарами. Период одного из пульсаров составляет 1,337301133 сек, в то время как у других периоды заключены в пределах от 0,03 до 4 сек. В настоящее время известно около 200 пульсаров. Все они дают сильно поляризованное радиоизлучение в широком диапазоне длин волн, интенсивность которого круто возрастает с ростом длины волны.Таким образом, это сравнительно близкие объекты, заведомо принадлежащие нашей Галактике. Для достаточно массивных звезд наиболее устойчивым состоянием оказ слияние протонов и электронов в нейтроны и образ так наз нейтронной звезды. Если вспышки сверхновых звезд действительно заверш образованием таких объектов, то весьма возможно, что пульсары - нейтронные звезды, В этом

случае при массе порядка 2MЅ они должны иметь радиусы около 10 км. При сжатии до таких размеров плотность вещества становится выше ядерной, а вращение звезды в силу закона сохранения момента количества движ ускоряется до неск десятков оборотов в секунду.Нейтронные звезды могут служить источниками энергичных частиц, все время поступающих в связанные с ними туманности, подобные Крабовидной.

 

64. Методы определения расстояний до звёзд. конецформыначалоформы

Метод параллакса. Вследствие годичного движения Земли по орбите близкие звезды немного перемещаются относительно далеких «неподвижных» звезд. За год такая звезда описывает на небесной сфере малый эллипс, размеры которого тем меньше, чем звезда дальше. В угловой мере большая полуось этого эллипса приблизительно равна величине максимального угла, под каким со звезды видна 1 а. е. (большая полуось земной орбиты), перпендикулярная направлению на звезду. Этот угол (), называемый годичным или тригонометрическим параллаксом звезды, равный половине ее видимого смещения за год, служит для измерения расстояния до нее на основе тригонометрических соотношений между сторонами и углами треугольника, в котором известен угол и базис - большая полуось земной орбиты. Расстояние r до звезды, определяемое по величине ее тригонометрического параллакса, равно: r = 206265''/ (а. е.), где параллакс выражен в угловых секундах.конецформыначалоформыДля удобства определения расстояний до звезд с помощью параллаксов в астрономии применяют специальную единицу длины - парсек (пс). Звезда, находящаяся на расстоянии 1 пс, имеет параллакс, равный 1''. Согласно вышеназванной формуле, 1 пс = 206265 а. е. = 3,086·1018 см.

Фотометрический метод определения расстояний. Освещенности, создаваемые одинаковыми по мощности источниками света, обратно пропорциональны квадратам расстояний до них. Следовательно, видимый блеск одинаковых светил (т. е. освещенность, создаваемая у Земли на единичной площадке, перпендикулярной лучам света) может служить мерой расстояния до них. Выражение освещенностей в звездных величинах (m - видимая звездная величина, М - абсолютная звездная величина) приводит к следующей основной формуле фотометрических расстояний rф (пс): lgrф = 0,2 (m - M) + 1. При определении rф по вышеназванной формуле погрешность составляет ~30%. Для светил, у которых известны тригонометрические параллаксы, можно, определив М по этой же формуле, сопоставить физические свойства с абсолютными звездными величинами. Это сопоставление показало, что абсолютные звездные величины многих классов светил (звезд, галактик и др.) можно оценивать по ряду их физических свойств. Зная расстояния до некоторого числа звезд, вычисленные методом параллакса, можно было вычислить светимости и сопоставить их со спектром тех же звезд. Точность определения расстояния таким способом составляет ~20%.

Определение расстояния по относительным скоростям. Косвенным показателем расстояния до звезд являются их относительные скорости: как правило, чем ближе звезда, тем больше смещается она по небесной сфере. Определить таким способом расстояние, конечно нельзя, но этот способ дает возможность “вылавливать” близкие звезды. Также существует другой метод определения расстояний по скоростям, применимый для звездных скоплений. Он основан на том, что все звезды, принадлежащие одному скоплению, движутся в одном и том же направлении по параллельным траекториям. Измерив лучевую скорость звезд с помощью эффекта Доплера, а также скорость, с которой эти звезды смещаются относительно очень удаленных, то есть условно неподвижных звезд, можно определить расстояние до интересующего нас скопления.

Цефеиды. Важный метод определения фотометрических расстояний в Галактике и до соседних звездных систем - галактик - основан на характерном свойстве переменных звезд - цефеид. Цефеиды - это неустойчивые звезды спектральных классов от F6 до G8, которые пульсируют в результате нарушения равновесия между силой тяжести и внутренним давлением, причем кривая изменения их параметров напоминает гармонический закон. С течением времени колебания ослабевают и затухают; Периоды различных цефеид от 1,5 часов до 45 суток. Все цефеиды - гиганты большой светимости, причем светимость строго зависит от периода по формуле: M = - 0,35 - 2,08 lg T.

65.Распределение звёзд в Галактике. Скопления. Общее строение Галактики.

конецформыначалоформыЗнание расстояний до звезд позволяет подойти к изучению их распределения в пространстве, а следовательно, и структуры Галактики. Для того чтобы охарактеризовать количество звезд в различных частях Галактики, вводят понятие звездной плотности, аналогичное понятию концентрации молекул. Звездной плотностью называется количество звезд, находящихся в единице объема пространства. За единицу объема обычно принимают 1 кубический парсек. В окрестностях Солнца звездная плотность составляет около 0,12 звезды на кубический парсек, иными словами, на каждую звезду в среднем приходится объем свыше 8 пс³; среднее же расстояние между звездами — около 2 пс.Чтобы узнать, как меняется звездная плотность в различных направлениях, подсчитывают число звезд на единице площади (например, на 1 квадратном градусе) в различных участках неба.

Первое, что бросается в глаза при таких подсчетах, необычайно сильное увеличение концентрации звезд по мере приближения к полосе Млечного Пути, средняя линия которого образует на небе большой круг. Наоборот, по мере приближения к полюсу этого круга концентрация звезд быстро уменьшается. Этот факт уже в конце XVIII в. позволил В.Гершелю сделать правильный вывод о том, что наша звездная система имеет сплющенную форму, причем Солнце должно находиться недалеко от плоскости симметрии этого образования.конецформыначалоформы Все звезды с видимой звездной величиной, меньшей или равной т, проектирующиеся на некоторую область неба, находятся внутри шарового сектора, радиус которого определяется по формуле

lg r_m =1 + 0,2 (m ѕ M)

конецформыначалоформыЧтобы охарактеризовать, сколько в данной области пространства содержится звезд различных светимостей, вводят функцию светимости j (М), которая показывает, какая доля от общего числа звезд имеет данное значение абсолютной звездной величины, скажем, от M до М + 1.

конецформыначалоформыСкопления галактик — гравитационно-связанные системы галактик, одни из самых больших структур во вселенной. Размеры скоплений галактик могут достигать 10⁸ световых лет.

Скопления условно разделяются на два вида:

регулярные — скопления правильной сферической формы, в которых преобладают эллиптические и линзовидные галактики, с чётко выраженной центральной частью. В центрах таких скоплений расположены гигантские эллиптические галактики. Пример регулярного скопления — скопление Волос Вероники.

иррегулярные — скопления без определённой формы, по количеству галактик уступающие регулярным. В скоплениях этого вида преобладают спиральные галактики. Пример — скопление Девы.

Массы скоплений варьируются от 10¹³ до 10¹⁵ масс Солнца.

Строение галактики

Распределение звезд в Галактике имеет две ярко выраженные особенности: во-первых, очень высокая концентрация звезд в галактической плоскости, и во-вторых, большая концентрация в центре Галактики. Так, если в окрестностях Солнца, в диске, одна звезда приходится на 16 кубических парсеков, то в центре Галактики в одном кубическом парсеке находится 10 000 звезд. В плоскости Галактики помимо повышенной концентрации звезд наблюдается также повышенная концентрация пыли и газа.

Размеры Галактики:
– диаметр диска Галактики около 30 кпк (100 000 световых лет),
– толщина – около 1000 световых лет.

Солнце расположено очень далеко от ядра Галактики – на расстоянии 8 кпк (около 26 000 световых лет).

Центр Галактики находится в созвездии Стрельца в направлении на? = 17h46,1m,? = –28°51′.

Галактика состоит из диска, гало и короны. Центральная, наиболее компактная область Галактики называется ядром. В ядре высокая концентрация звезд: в каждом кубическом парсеке находятся тысячи звезд. Если бы мы жили на планете около звезды, находящейся вблизи ядра Галактики, то на небе были бы видны десятки звезд, по яркости сопоставимых с Луной. В центре Галактики предполагается существование массивной черной дыры. В кольцевой области галактического диска (3–7 кпк) сосредоточено почти все молекулярное вещество межзвездной среды; там находится наибольшее количество пульсаров, остатков сверхновых и источников инфракрасного излучения. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи.

Галактика содержит две основных подсистемы (два компонента), вложенные одна в другую и гравитационно-связанные друг с другом. Первая называется сферической – гало, ее звезды концентрируются к центру галактики, а плотность вещества, высокая в центре галактики, довольно быстро падает с удалением от него. Центральная, наиболее плотная часть гало в пределах нескольких тысяч световых лет от центра Галактики называется балдж. Вторая подсистема – это массивный звездный диск. Он представляет собой как бы две сложенные краями тарелки. В диске концентрация звезд значительно больше, чем в гало. Звезды внутри диска движутся по круговым траекториям вокруг центра Галактики. В звездном диске между спиральными рукавами расположено Солнце.

Звезды галактического диска были названы населением I типа, звезды гало – населением II типа. К диску, плоской составляющей Галактики, относятся звезды ранних спектральных классов О и В, звезды рассеянных скоплений, темные пылевые туманности. Гало, наоборот, составляют объекты, возникшие на ранних стадиях эволюции Галактики: звезды шаровых скоплений, звезды типа RR Лиры. Звезды плоской составляющей по сравнению со звездами сферической составляющей отличаются большим содержанием тяжелых элементов. Возраст населения сферической составляющей превышает 12 миллиардов лет. Его обычно принимают за возраст самой Галактики.

По сравнению с гало диск вращается заметно быстрее. Скорость вращения диска не одинакова на различных расстояниях от центра. Масса диска оценивается в 150 миллиардов М. В диске находятся спиральные ветви (рукава). Молодые звезды и очаги звездообразования расположены, в основном, вдоль рукавов.

Диск и окружающее его гало погружены в корону. В настоящее время считают, что размеры короны Галактики в 10 раз больше, чем размеры диска.

66. Пространственное перемещение звёзд. Вращение Галактики.

конецформыначалоформыВращ Галактики происх по часовой стрелке, если смотреть на Галактику со стороны ее сев полюса, нах в созвездии Волосы Вероники. Угловая скорость вращения зависит от расстояния от центра и убывает по мере удаления от центра.
Солнце движ со скоростью около 220 км/с вокруг центра Галактики и делает полный оборот вокруг центра за 220 миллионов лет. За время своего существования Солнце облетело Галактику примерно 30 раз.
Звезды гало быстро движ по всевозможным направлениям, так что среднее различие между скоростями пространственно близких звезд – дисперсия скоростей – составляет для них сотни км в сек.
Звезды диска – это значительно более «холодная» система, зато с более быстрым вращением. Однако самая низкая динамич температура у совокупности газовых облаков в диске галактики и у молодых звезд, кот из этих облаков образ и поэтому сохр те же особенности движ. Их дисперсия скоростей в большинстве наблюд галактик близка к 10 км/с, что в 15–30 раз меньше, чем скорость вращения вокруг центра. Анализ вращ показал, что Галактике помимо гало, балджа и диска, вместе с нах в них наблюд газом, есть большие массы несветящегося вещества, названного скрытой массой или темным гало. Масса Галактики с учетом скрытой массы оценивается примерно в 10¹² масс Солнца.

 

67.Межзвёздные пыль, газ, молекулярные облака. Космические лучи, галактическая корона и магнитное поле Галактики.Пылевые частицы в нашей Галактике сильно концентрируются к плоскости галактического диска, поэтому Большая часть тёмных пятен сосредоточена именно на фоне Млечного Пути. Межзвёздная пыль полностью закрывает от нас ядро нашей Галактики. Если бы не это обстоятельство, на ночном небе между созвездиями Стрельца и Скорпиона сияло бы огромное размытое пятно, по яркости соперничающее с диском Луны. Межзвёздная пыль предстаёт перед наблюдателями не только в виде тёмных туманностей. Если вблизи пылевого облака находится звезда, которая его освещает, то это облако будет видно уже как светлая туманность. В таком случае её называют отражательной туманностью.

Межзвёздная пыль состоит из двух видов частиц: графитовых и силикатных. Размеры пылинок неодинаковы, причём мелких частиц значительно больше, чем крупных. В целом размер пылинок колеблется от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра. Межзвёздный газ — это разреженная газовая среда, заполняющая всё пространство между звёздами. Межзвёздный газ прозрачен. Полная масса межзвёздного газа в Галактике превышает 10 миллиардов масс Солнца или несколько процентов суммарной массы всех звёзд нашей Галактики. Средняя концентрация атомов межзвёздного газа сост менее 1 атома в смі. Основная его масса заключена вблизи плоскости Галактики в слое толщиной несколько сотен парсек. Плотность газа в среднем составляет около 10⁻²¹ кг/мі. Хим состав примерно такой же, как и у большинства звёзд: он сост из водорода и гелия с небольшой примесью более тяжёлых элементов. В зависимости от температуры и плотности межзвёздный газ пребывает в молекулярном, атомарном или ионизованном состояниях.

конецформыначалоформыГигантские молекулярные облака (ГМО) Обширные области молекулярного газа с массами 10⁴—10⁶ солнечных масс называется гигантскими молекулярными облаками (ГМО). Облака могут достигнуть десятков парсек в диаметре и иметь среднюю плотность 10І—10і частиц в кубическом сантиметре. Подструктура в пределах этих облаков состоит из сложных переплетений нитей, листов, пузырей, и нерегулярных глыб.

Маленькие молекулярные облака Изолированные гравитационно связанные маленькие молекулярные облака с массами меньше чем несколько сотен масс Солнца называют глобулой Бока. Самые плотные части маленьких молекулярных облаков эквивалентны молекулярным ядрам, найденным в гигантских молекулярных облаках и часто включаются в те же самые исследования. Наиболее важные результаты о природе межзвездной среды в этой области Галактики получаются на основании изучения космических лучей, представляющих собой весьма энергичные элементарные частицы и атомные ядра, движущиеся с огромными скоростями, близкими к скорости света. Энергии этих частиц поистине колоссальны. Проходя через земную атмосферу, космические лучи сталкиваются с молекулами воздуха и порождают много новых энергичных частиц.По химическому составу первичные космические лучи отличаются от вещества

большинства звезд относительно большим содержанием некоторых элементов, особенно лития, бериллия и бора, которые практически отсутствуют в космосе, так как легко "выгорают" в звездах из-за ядерных реакций. Содержание в космических лучах наиболее тяжелых элементов, таких как Са, Fe, Ni, превыш среднее содерж их в космосе в неск десятков раз. Аномально высокое содерж лития, бериллия и бора в космич лучах объясняется расщеплением более тяжелых ядер из-за столкновений с ядрами атомов межзвездного газа.конецформыначалоформы Космич лучи проделывают огромный путь внутри нашей Галактики, постоянно меняя свое направление. Причиной, способной изменить направл траектории заряж частицы, движ со скоростью, близкой к скорости света, явл магнитное поле, кот, как нам уже известно, беспрепятственно позвол двиг заряж частицам вдоль силовых линий, не пропуская их в поперечном направлении. Сущ. магнитное поле в Галактике, а именно поляризация света удаленных звезд. Точные измер показали, что излуч многих звезд, наблюд в больших областях на небе, одинаково поляризовано, причем плоскость поляризации плавно изм свое направление в пределах всей области. Характер и величина (~10%) поляризации говорят о том, что межзвездное поглощение, кот испыт свет далеких звезд, вызывается удлиненными частицами, одинаково ориентированными в больших областях Галактики. Естественно предположить, что подобной ориентир силой явл магнитное поле. Галактическая корона, совокупность шаровых скоплений, заним концентрический с ядром Галактики, почти сферич объём, средний диаметр которого превышает поперечник Галактики. К Г. к. относят также большое колич звёзд, сост вместе с шаровыми скоплениями сферическую составляющую нашей Галактики. В частности, к ней относят короткопериодические цефеиды, встреч в самих шаровых скоплениях, для кот они служат индикаторами расстояний. Г. к. наз иногда галактическим гало. В нек случаях в астрономич литературе Г. к. наз крайне разреженную среду, состоящую из газа, быстрых электронов и космических лучей, заполняющую обширный эллипсоидальный объём, окруж Галактику за пределами распростран её звёздной составляющей. Тогда под гало подразумевают только звёздную составляющую Г. к. Источниками образ газовой короны, плотность которой 10^-28 г/см³, счит сверхновые звёзды, взрывы кот дают начало быстрым электронам и космическим лучам, подним над плоскостью Галактики и стремящимся к сферич распростран. Быстрое расшир газа увлекает галактические магнитные поля в Г. к., в кот электроны и частицы космич лучей нах в движ с огромными скоростями. Претерпеваемое торможение в магнитных полях приводит к сильно поляризованному излуч электронов в метровом радиодиапазоне, регистрируемому радиотелескопами. Протяжённая корона обнаружена также вокруг галактики в Андромеде, она присуща и некот др. галактикам.