Температура белых звезд

Температура и размеры звезд

Легко заметить, что звезды имеют различные цвета — одни белые, другие желтые, третьи красные и т. п. Белый цвет имеют, например, Сириус и Вега, желтый — Капелла, красный — Бетельгейзе и Антарес. Звезды различных цветов имеют различные спектры и различные температуры. Подобно накаливаемому куску железа, белые звезды более горячие, а красные — менее.

Различия в спектрах звезд заключаются в разном распределении яркости вдоль непрерывного спектра и в том, что положение и интенсивность темных линий на фоне этого непрерывного спектра различны.

Характер спектров звезд определяется главным образом температурами их атмосфер, потому что спектры атомов всякого химического элемента меняются при сильном изменении температуры.

Температуры звезд измеряются способами, описанными на странице: «Определение химического состава, скоростей и температуры небесных тел»

Установлено, что наиболее горячими являются голубые, затем белые звезды. Температура их поверхностей составляет от 10 000 до 30 000° С, но иногда встречаются и более горячие звезды с температурой до — 100 000° С. Желтые звезды холоднее: температура их поверхностей около 6000° С. Наименее раскалены красные звезды: температура их поверхностей всего 3000° С, а иногда даже 2000° С и менее. В недрах звезд, как и в недрах Солнца, температура доходит до многих миллионов градусов.

Сравнивая Солнце по спектру и по температуре со звездами, мы приходим к заключению, что Солнце является желтой звездой средней температуры (6000° С).

Кроме различия в температурах по спектрам звезд, обнаруживают и некоторые различия в их химическом составе, который у всех звезд в общем сходен и близок к химическому составу Солнца и Земли. Изучая звездные спектры, мы обнаруживаем на звездах те же химические элементы, которые нам известны на Земле и на Солнце. Это подтверждает материальное единство вещества, из которого состоят Земля и другие небесные тела, и опровергает религиозные утверждения о различии между земным и небесным.

Наука располагает сейчас несколькими способами определения размеров звезд. Одни из них мы поясним на таком примере.
Известно, что количество энергии, испускаемое квадратным сантиметром поверхности, растет с ее температурой. Полное излучение звезды разно количеству энергии, излучаемой одним квадратным сантиметром поверхности, умноженному на величину ее поверхности. Поэтому если какая-нибудь звезда имеет ту же температуру и светимость, как наше Солнце, то мы можем утверждать, что и размер поверхности (а следовательно, и диаметр) у звезды тот же, что и у Солнца.

Если при той же температуре, что у Солнца, светимость звезды в 16 раз больше, значит, ее поверхность в 16 раз, а диаметр в 4 раза больше, чем у Солнца. Подобным же образом можно определить диаметры других звезд, вводя поправку на отличие их температуры от температуры Солнца. Полученные результаты проверяются другими способами и согласуются друг с другом.
Звездами-гигантами называются звезды большой светимости, а звездами-карликами — звезды малой светимости. Однако и по размерам мы встречаем среди звезд и гигантов, и карликов (Рисунок 94).


Рисунок 94 — Сравнительные размеры Солнца, звезд-гигантов и звезд-карликов.

К красным звездам-гигантам принадлежат Бетельгейзе и Антарес. Диаметр первой из них примерно в 400, а второй в 300 раз больше диаметра Солнца. Внутри звезды Бетельгейзе могли бы уместиться орбиты всех планет солнечной системы до Марса включительно. Газ, из которого состоят красные звезды-гиганты, очень разрежен; его плотность в тысячи раз меньше плотности комнатного воздуха.
Красные звезды-карлики глазом не видны. Одна из них, очень близкая к нам звезда (№ 60 по каталогу Крюгера), в 2,5 раза меньше Солнца по диаметру. Газы, из которых она состоит, сжаты так сильно, что их средняя плотность в 4,5 раза больше плотности воды и втрое больше плотности Солнца.

Чем меньше размеры звезд, тем в большем числе они встречаются в мировом пространстве; огромные же красные звезды-гиганты попадаются очень редко. По своим размерам Солнце является рядовой звездой, не особенно большой, но и не очень маленькой.
Существуют звезды, которые по светимости принадлежат к звездам-карликам, имеют белый цвет и высокую температуру. По размерам белые звезды-карлики являются наименьшими из звезд (иногда даже меньше Земли). Примером белого карлика является спутник Сириуса. Эта слабая звезда обращается около Сириуса подобно планете, однако ее масса почти равна массе Солнца, и она (звезда) излучает собственный свет.

Средняя плотность белых звезд-карликов необычно высока: она в тысячи раз превосходит плотность воды. Плотность одной белой звезды-карлика так велика, что, если бы ее веществом наполнить наперсток, он смог бы уравновесить паровоз (плотность 5*10^7 г/см^3).

На Земле мы не знаем веществ, которые имели бы такую чудовищную плотность. Между тем белые карлики состоят из атомов тех же самых химических элементов, что и Земля. Решить эту загадку можно, исходя из строения атомов вещества и физических условий внутри звезд.

Атомы химических элементов — сложные системы, состоящие из ядер с обращающимися вокруг них электронами. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а размер атома определяется размерами орбиты электрона, наиболее далекого от ядра. Эти размеры атомов определяют предел, до которого могут быть сближены атомы действием давления. В недрах белых звезд-карликов господствуют чудовищно высокие температуры и давления. Под действием высокой температуры быстро носящиеся атомы сталкиваются, электроны отрываются от своих атомов, и от последних остаются только их ядра, размеры которых очень малы по сравнению с размерами орбит электронов. Поэтому под действием огромных давлений уменьшенные в размерах атомы могут быть сближены гораздо сильнее, в результате чего получается чрезвычайно плотное вещество. На Земле нет ни столь высоких температур, — ни столь высоких давлений, которые могли бы привести вещество в такое состояние.

На примере изучения белых звезд-карликов мы видим, как обогащает астрономия наши знания о строении вещества.
Большинство звезд подчиняется важной закономерности — чем больше их масса, тем больше и их светимость. Эта связь отражает физические условия, при которых могут устойчиво существовать звезды.

Массы звезд-гигантов больше, чем массы звезд-карликов, но различия эти не так велики, как различия в светимости. Массы тяжелых звезд раз в 10 больше массы Солнца. Крайне редки звезды с массами в несколько десятков масс Солнца. Следовательно, по своей массе Солнце тоже является средней звездой.

Мы видим, что с точки зрения всех физических признаков — цвета, спектра, размеров, температуры и массы — Солнце, является рядовой звездой, ничем особым не выдающейся.

Цвет и температура звезд

Во время наблюдений звездного неба вы могли заметить, что цвет звезд различен. Подобно тому как по цвету раскаленного металла можно судить о его температуре, так цвет звезды свидетельствует о температуре ее фотосферы. Вы знаете, что между максимальной длиной волны излучения и температурой существует определенная зависимость у различных звезд максимум излучения приходится на разные длины волн. Например, наше Солнце — желтая звезда. Такого же цвета Капелла, температура которой около 6000о К. Звезды, имеющие температуру 3500-4000o К, красноватого цвета (Альдебаран). Температура красных звезд (Бетельгейзе) примерно 3000о К. Самые холодные из известных в настоящее время звезд имеют температуру менее 2000о К. Такие звезды доступны наблюдениям в инфракрасной части спектра.

Известно много звезд более горячих, чем Солнце. К ним относятся, например, белые звезды (Спика, Сириус, Вега). Их температура порядка 104 — 2х104 К. Реже встречаются голубовато-белые, температура фотосферы которых 3х104 -5х104 К. В недрах звезд температура не менее 107 К.

Температура видимой поверхности звезд составляет от 3000 К до 100000 К. Недавно открытая звезда HD 93129A в созвездии Кормы имеет температуру поверхности 220000 К! Самые холодные — Гранатовая звезда (m Цефея) и Мира (o Кита) имеют температуру 2300К, e Возничего А — 1600 К.

Спектральные классы звёзд

Спектральная классификация Моргана-Кинана

Спектра́льные кла́ссы — классификация звёзд по спектру излучения, в первую очередь, по температуре фотосферы. Различия в спектрах звёзд обусловливаются различием физических свойств их атмосфер, в основном, температуры и давления (определяющих степень ионизации атомов). Вид спектра зависит также от наличия магнитных и межатомных электрических полей, различий в химическом составе, вращения звёзд и от других факторов.

Сплошной спектр излучения звезды близок к излучению абсолютно чёрного тела с температурой, равной температуре её фотосферы, которую можно оценить по закону смещения Вина, но для удалённых звёзд этот метод неприменим из-за неравномерного поглощения света различных участков спектра межзвёздной средой. Более точным методом является оптическая спектроскопия, позволяющая наблюдать в спектрах звёзд линии поглощения, имеющие различную интенсивность в зависимости от температуры и типа звезды. Для некоторых типов звёзд в спектрах наблюдаются и линии испускания.

Классы Анджело Секки

В 1860—1870-х годах пионер звёздной спектроскопии Анджело Секки создал первую классификацию звёздных спектров. В 1866 году он разбил наблюдаемые спектры звёзд на три класса в порядке убывания температуры поверхности звезды и соответствующего изменения цвета. В 1868 году Секки открыл углеродные звёзды, которые выделил в отдельную четвёртую группу. А в 1877 году он добавил пятый класс.

  • Класс I — белые и голубые звёзды с широкими линиями поглощения водорода в спектре, такие, как Вега и Альтаир; включает в себя современные класс A и начало класса F.
    • Класс I, подтип Ориона — звёзды класса I с узкими линиями в спектре вместо широких полос, такие, как Ригель и γ Ориона; соответствует началу современного класса B.
  • Класс II — жёлтые и оранжевые звёзды со слабыми линиями водорода, но с отчётливыми линиями металлов, такие, как Солнце, Арктур и Капелла; включает в себя современные классы G и К, а также конец класса F.
  • Класс III — оранжевые и красные звёзды, в спектре которых линии образуют полосы, темнеющие в сторону синего, такие, как Бетельгейзе и Антарес; соответствует современному классу М.
  • Класс IV — красные звёзды с сильными полосами и линиями углерода, углеродные звёзды.
  • Класс V — звёзды с эмиссионными линиями, такие, как γ Кассиопеи и β Лиры.

Позднее Эдуард Пикеринг изменил определение класса V, разделив его на горячие звёзды с эмиссионными линиями гелия, углерода и азота (звёзды Вольфа — Райе) и планетарные туманности.

Предложенное Секки деление спектров было общепринятым вплоть до конца 1890-х годов, когда постепенно к середине XX века было заменено Гарвардской классификацией, которая описывается ниже.

Основная (гарвардская) спектральная классификация

Современная (гарвардская) спектральная классификация звёзд, разработанная в Гарвардской обсерватории в 1890—1924 годах, является температурной классификацией, основанной на виде и относительной интенсивности линий поглощения и испускания спектров звёзд.

Основная (гарвардская) спектральная классификация звёзд

Класс Температура,
K
Истинный цвет Видимый цвет Масса,
M☉
Радиус,
R☉
Светимость,
L☉
Линии водорода Доля* в глав. послед.,
%
Доля* нa ветв. бел.к.,
%
Доля* гигантских,
%
O 30 000—60 000 голубой голубой 60 15 1 400 000 слабые ~0,00003034
B 10 000—30 000 бело-голубой бело-голубой и белый 18 7 20 000 средние 0,1214 21,8750
A 7500—10 000 белый белый 3,1 2,1 80 сильные 0,6068 34,7222
F 6000—7500 жёлто-белый белый 1,7 1,3 6 средние 3,03398 17,3611 7,8740
G 5000—6000 жёлтый жёлтый 1,1 1,1 1,2 слабые 7,6456 17,3611 25,1969
K 3500—5000 оранжевый желтовато-оранжевый 0,8 0,9 0,4 очень слабые 12,1359 8,6806 62,9921
M 2000—3500 красный оранжево-красный 0,3 0,4 0,04 очень слабые 76,4563 3,9370

* Примечание к таблице: Данные вычислены по количеству звёзд с абсолютной звёздной величиной более +16 в окрестностях Солнца в 10000 пк3 (радиус 10,77 пк = 35,13 св. л.). Это позволяет воспроизвести приблизительную картину распределения звёзд по спектральным классам, хотя бы для звёзд на расстоянии от Галактического центра до Солнца. (Колонка Доля гигантских содержит Гигантов, Ярких гигантов и Сверхгигантов)

Диаграмма спектральный класс—светимость (диаграмма Герцшпрунга — Рассела)

Внутри класса звёзды делятся на подклассы от 0 (самые горячие) до 9 (самые холодные). Солнце имеет спектральный класс G2 и эквивалентную температуру фотосферы 5780 K.

Йеркская классификация с учётом светимости (МКК)

Дополнительным фактором, влияющим на вид спектра, является плотность внешних слоёв звезды, зависящая, в свою очередь от её массы и плотности, то есть, в конечном итоге, от светимости. Особенно сильно зависят от светимости SrII, BaII, FeII, TiII, что приводит к различию в спектрах звёзд-гигантов и карликов одинаковых гарвардских спектральных классов.

Зависимость вида спектра от светимости отражена в более новой йеркской классификации, разработанной в Йеркской обсерватории (Yerkes Observatory) У. Морганом, Ф. Кинаном и Э. Келман, называемой также МКК по инициалам её авторов.

В соответствии с этой классификацией звезде приписывают гарвардский спектральный класс и класс светимости:

  • Ia+ или 0 — гипергиганты
  • I, Ia, Iab, Ib — сверхгиганты
  • II, IIa, IIb — яркие гиганты
  • III, IIIa, IIIab, IIIb — гиганты
  • IV — субгиганты
  • V, Va, Vb — карлики (звёзды главной последовательности)
  • VI — субкарлики
  • VII — белые карлики

Таким образом, если гарвардская классификация определяет абсциссу диаграммы Герцшпрунга — Рассела, то йеркская — положение звезды на этой диаграмме. Дополнительным преимуществом йеркской классификации является возможность по виду спектра звезды оценить её светимость и, соответственно, по видимой величине — расстояние (метод спектрального параллакса).

Солнце, будучи жёлтым карликом, имеет йеркский спектральный класс G2V.

Дополнительные спектральные классы

Выделяют также дополнительные спектральные классы для некоторых классов небесных тел:

  • W — звёзды Вольфа — Райе, очень тяжёлые яркие звёзды с температурой порядка 70000 K и интенсивными эмиссионными линиями в спектрах.
  • L — звёзды или коричневые карлики с температурой 1500—2000 K и соединениями металлов в атмосфере.
  • T — метановые коричневые карлики с температурой 700—1500 K.
  • Y — очень холодные (метано-аммиачные) коричневые карлики с температурой ниже 700 K.
  • C — углеродные звёзды, гиганты с повышенным содержанием углерода. Ранее относились к классам R и N.
  • S — циркониевые звёзды
  • D — белые карлики
  • Q — новые звёзды
  • P — планетарные туманности

Характеристические особенности в классе

У некоторых объектов могут наблюдаться дополнительные особенности в спектре. Чтобы указать на эти особенности к обозначению добавляют дополнительные префиксы и постфиксы.

Добавочные индексы, стоящие перед обозначением спектра

  • d — карлик (звезда главной последовательности)
  • esd — экстремальный субкарлик
  • c — сверхгигант
  • g — гигант
  • sg — субгигант
  • sd — субкарлик
  • w или wd — белый карлик

Добавочные индексы, стоящие после обозначения спектра

  • c — глубокие узкие линии
  • comp — составной спектр
  • con — отсутствуют видимые линии поглощения
  • e — эмиссия (эмиссия водорода в O-звёздах)
  • em — эмиссия в линиях металлов
  • ep — пекулярная эмиссия (линии, по своему характеру отличные от нормально соответствующих классу)
  • er — явственно обращённые эмиссионные линии
  • eq — эмиссия с поглощением на более коротких волнах
  • ev — переменность относится только к эмиссионным линиям
  • ew — эмиссии, типичные для звёзд класса W
  • f, (f), ((f)) — эмиссия гелия и неона в O-звёздах
  • h — звёзды класса WR с эмиссионными линиями водорода
  • ha — звёзды класса WR с эмиссионными линиями водорода как поглощения, так и излучения
  • k — межзвёздные линии
  • m — сильные линии металлов
  • n — диффузные линии (широкие и размытые), обусловленные быстрым вращением
  • neb — добавочный спектр туманности
  • nn — очень размытые диффузные линии
  • p — пекулярный спектр (имеются неправильности)
  • pq — особенности напоминают спектр новой звезды
  • s — резкие и узкие линии
  • sh — наличие оболочки
  • ss — очень узкие линии
  • v или var — изменения в спектре (не обусловленные орбитальным движением и пульсацией)
  • w или wk или wl — слабые линии

Мнемоника

Для запоминания основной последовательности гарвардской классификации существуют мнемонические фразы:

  • на английском языке: Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me Right Now, Sweetheart (перевод: «О, будь хорошей девочкой — поцелуй меня прямо сейчас, сладкое сердце»), а также множество других вариантов.
  • на русском языке: «Один Битый/Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь»;
  • вариант, намекающий на Бориса Александровича Воронцова-Вельяминова: О, Борис Александрович Финики Жевал Как Морковь;
  • модификация, включающая классы W, R, N, S: Вообразите: Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь — Разве Не Смешно?;
  • О, Борис Александрович! Физики Ждут Конца Мучений (имеется в виду также Борис Александрович Воронцов-Вельяминов).
  • Также версия О. Н. Востряковой «ОБА Фраера Гуляют Как Могут.
  • Версия Ш. Т. Хабибуллина: О Боже, АФГанистан. Куда Мы Несемся. Эта мнемоника родилась задолго до войны в Афганистане (1966—1967, а возможно и раньше).

Примечания

  1. Pietro Angelo Secchi. Analyse spectrale de la lumière de quelques étoiles, et nouvelles observations sur les taches solaires (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences. — Juillet—Décembre 1866. — Vol. 63. — P. 364—368. (Проверено 21 октября 2009)
  2. Pietro Angelo Secchi. Nouvelles recherches sur l’analrse spectrale de la lumière des étoiles (фр.) // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences. — Juillet—Décembre 1866. — Vol. 63. — P. 621—628. (Проверено 21 октября 2009)
  3. J. B. Hearnshaw. The analysis of starlight: One hundred and fifty years of astronomical spectroscopy. — Cambridge University Press, 1987. — P. 62—63. — 546 p. — ISBN 0-521-25548-1, ISBN 978-0-521-25548-6..
  4. J. B. Hearnshaw. — 1987. — P. 62—63.
  5. J. B. Hearnshaw. — 1987. — P. 60.
  6. 1 2 James B. Kaler. Stars and their spectra: an introduction to the spectral sequence. — Cambridge University Press, 1997. — P. 62—63. — 300 p. — ISBN 0-521-58570-8, ISBN 978-0-521-58570-5.. (Проверено 21 октября 2009)
  7. Stephen Gottesman. Classification of stellar spectra: Some history (англ.) (4 February 2004). Архивировано 24 августа 2011 года. (Проверено 21 октября 2009)
  8. The Guinness book of astronomy facts & feats, Patrick Moore, 1992, 0-900424-76-1
  9. The Colour of Stars (недоступная ссылка). Australia Telescope Outreach and Education (December 21 2004). Дата обращения 26 сентября 2007. Архивировано 24 августа 2011 года. — Explains the reason for the difference in color perception.
  10. 1 2 3 4 LeDrew, G.; The Real Starry Sky, Journal of the Royal Astronomical Society of Canada, Vol. 95, No. 1 (whole No. 686, February 2001), pp. 32–33. Примечание: Таблица 2 содержит ошибку и для подсчёта звёзд главной последовательности, белых карликов и гигантских использовалось общее количество звёзд 824,00025 и 288 и 6,35 соответственно, а не 800 и 200 и 6,3 соответственно.
  11. Солнце // Физика космоса / под редакцией Р. А. Сюняева. — 2-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 37.
  12. Allen S. J. Mnemonics for the Harvard Spectral Classification Scheme (англ.). UCL Astrophysics Group. Дата обращения 10 октября 2016.
  13. Николай Тимофеевич Петрович, научно-популярная книга «Кто вы?» — об оценке возможности контактов с инопланетными цивилизациями (в основном рассматривается тема радиоконтактов — с помощью радиоволн).
  14. Николай Тимофеевич Петрович, научно-популярная книга «Кто вы?» — об оценке возможности контактов с инопланетными цивилизациями (в основном рассматривается тема радиоконтактов — с помощью радиоволн).

Литература

Температура звезды

Звезды принадлежат к горячейшим объектам Вселенной. Именно высокая температура нашего Солнца сделала возможной жизнь на Земле. Но причина такого сильного нагрева звезд долгое время оставалась неизвестной людям.

Откуда в звезде берется жар?

Разгадка секрета высокой температуры звезды лежит внутри нее. Имеется в виду не только состав светила — в буквальном смысле весь накал звезды исходит изнутри. Ядро — это горячее сердце звезды, в котором происходит термоядерная реакция синтеза, самая мощная из ядерных реакций. Этот процесс является источником энергии для всего светила — тепло из центра поднимается наружу, а затем и в открытый космос.

Поэтому температура звезды сильно различается в зависимости от места измерения. К примеру, температура в центре ядра нашего Солнца достигает 15 миллионов градусов Цельсия — а уже на поверхности, в фотосфере, жар спадает до 5 тысяч градусов.

Но существует еще и звездная корона, самая верхняя часть атмосферы звезды. Ее температура необычайно высока в сравнении с нагревом нижних слоев — у Солнца она доходит до 900 тысяч – 1 миллиона градусов Цельсия. Точной причины такого скачка ученые еще не знают, но в нем явно замешано магнитное поле Солнца. Оно играют немалую роль в формировании итоговой температуры поверхности звезды — но об этом чуть дальше.

Солнце — это самая рядовая звезда во Вселенной, поэтому ее показатели температуры свойственны большинству видимых звезд. Однако, есть звезды погорячее: раскаленная поверхность звезд — голубых сверхгигантов, таких как Джета в созвездии Кормы, достигает 200 000 °C! Страшно представить, насколько высока температура в их ядре — нагрев переваливает за сотню миллионов градусов по Цельсию. Красные гиганты, наоборот, холоднее — их фотосфера разогревается всего до 2,5–3 тысяч градусов по Цельсию.

Дзета Кормы

Как видно, цвет звезды непосредственно определяется ее температурой — чем горячее звезда, тем ближе ее свет к синему цвету. Критерий цвета-температуры является решающим при распределении звезд по спектральным классам. Также это один из главных факторов расположения светила в диаграмме Герцшпрунга-Рассела — по ней можно найти звезды с похожими характеристиками, а также определить возраст звезды.

Почему температура звезды такая разная?

Первичное объединение атомов водорода — первый шаг процесса ядерного синтеза

Действительно, отличия в нагреве ядра звезды и ее поверхности удивляют. Если бы вся энергия ядра Солнца распределится по звезде равномерно, температура поверхности нашего светила составит несколько миллионов градусов по Цельсию! Не менее поразительные отличия в температуре между звездами разных спектральных классов.

Все дело в том, что температуру звезды определяют два главных фактора: уровень излучения энергии ядром и площадь излучающей поверхности. Рассмотрим их подробнее.

Излучение энергии ядром

Хотя ядро накаляется до 15 миллионов градусов, не вся эта энергия передается соседним слоям. Излучается только то тепло, которое было получено от термоядерной реакции. Энергия гравитационного сжатия, несмотря на свою мощь, остается в пределах ядра. Соответственно, температуру верхних слоев звезды определяет только сила термоядерных реакций в ядре.

Различия тут могут быть качественные и количественные. Если ядро достаточно большое, в нем «сгорает» больше водорода. Этим путем энергию получают молодые и зрелые звезды размеров Солнца, а также голубые гиганты и сверхгиганты. Массивные звезды вроде красных гигантов тратят в ядерной «топке» не только водород, но и гелий, или даже углерод и кислород.

Процессы синтеза с ядрами тяжелых элементов дает намного больше энергии. В рамках термоядерной реакции синтеза, энергия получается за счет избыточной массы соединяющихся атомов. Во время протон-протонной реакции, которая происходит внутри Солнца, 6 ядер водорода с атомной массой 1 объединяются в одно ядро гелия с массой 4— грубо говоря, 2 лишних ядра водорода переходят в энергию. А когда «горит» углерод, сталкиваются ядра с массой уже 12 — соответственно, выход энергии куда больше.

Площадь излучающей поверхности

Однако звезды не только генерируют энергию, но и тратят ее. Следовательно, чем больше энергии звезда отдает, тем меньше ее температура. А количество отдаваемой энергии первоочередно определяет площадь излучаемой поверхности.

Истинность этого правила можно проверить даже в быту — белье сохнет быстрее, если его развесить пошире на веревке. А поверхность звезды расширяет ее ядро. Чем оно плотнее, тем выше его температура — и при достижении определенной планке, от накала зажигается водород вне звездного ядра.

Ядра красных гигантов очень плотные, поскольку там очень много гелия. Иногда он уже и сам «зажжен» термоядерной реакцией. Поэтому площадь их поверхности превышает площадь Солнца в десятки тысяч, а то и в миллион раз! Так что фотосфера даже самых больших красных гигантов в два раза холоднее поверхности Солнца.

Восход раскаленного красного гиганта в представлении художника

Различия в температуре на поверхности

Еще один важный пункт — некоторые места на поверхности одной и той же звезды могут иметь разную температуру. Перепады достигают нескольких тысяч градусов Цельсия! Все зависит от способа передачи энергии от ядра звезды. Астрофизики выделяют два основных — лучистый перенос и конвекцию:

  • Во время лучистого переноса энергия ядерного синтеза пробивается из центра звезды прямо сквозь звездное вещество — в виде лучей. Этот путь эффективный с точки зрения сохранения энергии, но очень медленный. Если зона лучистого переноса находится у центра звезды, как у нашего Солнца, путь лучей займет несколько десятков тысяч лет.
  • Конвекция же базируется на всем нам известном законе природы — теплые жидкости и газы поднимаются наверх, а холодные — опускаются вниз. И так как звезды состоят из газа, конвекция наблюдается и у них. Звездное вещество, разогреваясь у более горячих слоев звезды, поднимается к более холодным зонам светила с меньшим давлением газа. Там забранная изнутри энергия отдается в виде излучения.

Схема движения энергии в звезде солнечного типа

Размещение зон лучистого переноса и конвекции зависит от массы звезды. В звездах, масса которых меньше солнечной, преобладает только конвекция. Массивные светила переносят жар от ядра к внешним слоям конвекцией, а до самой поверхности — лучистым переносом.

У Солнца же все наоборот: энергия от ядра уходит в виде лучей, а потом уже выкидывается на поверхность конвективными потоками звездной плазмы. Там, в фотосфере, энергия Солнца снова превращается в свет — в том числе видимый человеческому глазу.

И именно благодаря конвекции на поверхности Солнца случаются перепады температуры. Места, в которых это происходит, выделяются еще и визуально. Три главных типа — это факелы, пятна и протуберанцы.

  • Факелы — это горячие и яркие зоны на Солнце. Их температура выше окружающей поверхности на 1–2 тысячи градусов по Цельсию.
  • Пятна — это более холодные и темные зоны на фотосфере звезды. Нагрев их центра меньше обычной температуры Солнца на 2000 °C. Также вокруг пятен существует «тень», которая уже теплее — они всего на 200–500 градусов холоднее окружающей их фотосферы.
  • Протуберанцы являются извержением звездного вещества из глубины, которые поднимаются выше солнечной атмосферы. Хотя они и холоднее короны Солнца, их температура выше фотосферной — до 15 тысяч градусов Цельсия.

Пятна, факелы и протуберанцы

Как и факелы, так и пятна с протуберанцами на Солнце появляются благодаря магнитным полям звезды, пересекающим фотосферу в периоды повышенной активности. Факелы появляются на тех местах, где магнитные линии ускоряют конвективные потоки газов из глубин Солнца. Похожее происхождения имеют и протуберанцы — но зона выхода магнитного поля у них куда уже, а сила магнитных линий — больше. В пятнах, наоборот, магнитное поле тормозит процесс термопередачи — поэтому они тусклее и прохладнее.

В силу близости Солнца к нам, оно остается единственной звездой, на которой наблюдались такие явления. Но так как природа звезд очень схожа, астрономы предполагают наличие пятен и факелов на других светилах.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *