Вселенная, наполненная множеством звезд, представляет собой фантастическую симфонию света и энергии. Светимость звезд – ключевой параметр, который помогает астрономам разгадывать тайны их природы и эволюции. В данной статье мы углубимся в изучение светимости звезд, расширим наши знания об этом понятии, исследуя примеры известных астрономических объектов. Узнаем, от каких факторов зависит яркость звезд, и какие физические процессы определяют их светимость. Давайте раскроем тайны небесных огней и поймем их место в грандиозной картине Вселенной.
Светимость небесного тела
Светимость в астрономии относится к полной энергии, излучаемой астрономическим объектом, таким как планета, звезда, галактика и т. д., за единицу времени. Ее измеряют в абсолютных единицах, таких как ватты (СИ) или эрги в секунду (СГС), или же в относительных единицах, используя светимость Солнца (L⊙ = 3.86 × 10^33 эрг/с = 3.86 × 10^26 Вт).
Важно отметить, что светимость астрономического объекта не зависит от расстояния до него. Оно лишь влияет на видимую звездную величину. Светимость является одной из ключевых характеристик звезд и позволяет сравнивать различные типы звезд между собой.
Видимая звездная величина
Видимая звездная величина или блеск (m) является безразмерной числовой характеристикой яркости небесного объекта и измеряется в условных единицах. Чем ярче объект виден наблюдателю, тем меньше значение звездной величины. Для примера можно сравнить звездную величину Солнца (-26.7), звезды Арктур (-0.05) и звезды Спика (+1.04) при наблюдении с Земли. На самом деле Арктур является 210 раз ярче Солнца и в 25 раз крупнее по размеру, а Спика является 8300 раз ярче и в 5 раз крупнее. Однако Арктур и Спика находятся на значительном удалении от Земли, поэтому они кажутся менее яркими. Видимая звездная величина используется при наблюдениях с Земли и упрощает классификацию и поиск звезд на ночном небосводе.
Витольд Карлович Цераский был первым, кто определил видимую звездную величину Солнца. Шкала звездных величин позволяет выразить блеск слабых светил, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Современные крупнейшие телескопы с диаметром зеркал от 8 до 10 метров и современной приемной аппаратурой могут регистрировать объекты с звездной величиной до 28.
Абсолютная звёздная величина
Видимый блеск звезд не является исчерпывающей характеристикой их реального излучения. Он зависит от двух факторов: фактического излучения звезды и расстояния до нее. Например, Солнце, находящееся гораздо ближе к Земле, чем любая другая звезда, кажется самым ярким светилом на небе. Однако для сравнения истинного блеска звезд необходимо вычислять их звездную величину на одинаковом расстоянии. Обычно для этой цели принимается стандартное расстояние – 10 парсеков (пк). Видимая звездная величина, которую бы звезда имела, находясь на расстоянии 10 пк от нас, называется абсолютной звездной величиной. Это позволяет сравнивать звезды с учетом их истинного блеска, независимо от расстояния до них.
Почему звезды светятся?
Светимость звезд связана с внутренними термоядерными реакциями и высокой температурой, которые генерируют энергию и излучают свет. В процессе синтеза гелия из водорода высвобождается огромное количество энергии, что приводит к горению водорода. У массивных звезд горит не только водород, но и гелий, а иногда даже более тяжелые элементы, что приводит к еще большей энергетической выработке.
Большая часть энергии, которая выделяется, проявляется в виде различных форм излучений, и вместе они придают светилам способность светиться. Светимость звезды представляет собой суммарную энергию излучения за определенный промежуток времени. Следовательно, чем больше энергии генерирует звездное тело, тем выше его светимость. Масса объекта играет важную роль в этом контексте.
Однако светимость не зависит только от массы. Чтобы энергия, сгенерированная внутри звезды, вышла наружу, необходимо ее вывести на поверхность. Площадь излучающей поверхности также влияет на то, как ярко светит звезда. Чем больше площадь поверхности, тем интенсивнее излучение. Таким образом, светимость звезд отражает не только количество излучаемой энергии, но и размер их поверхности. Кроме того, температура как внутри, так и на поверхности космического объекта оказывает практическое влияние на все его характеристики и свойства.
Ярким примером является звезда Альдебаран. Фотосфера Солнца имеет на 40 процентов более низкую температуру и на 40 процентов меньший размер, чем фотосфера Альдебарана. В результате, благодаря своим размерам, светимость Альдебарана в 150 раз превышает светимость нашего Солнца.
Как определить?
Светимость звезд играет ключевую роль в сравнении различных типов звезд, поскольку почти все звездные параметры оказывают на нее влияние.
Расчет светимости звезд может быть выполнен с использованием формулы:L = 4πR²σT⁴
где R – радиус звезды,
T – температура поверхности,
σ – постоянная Стефана-Больцмана.
Как видно из этой формулы, масса, размер и температура являются важными факторами. Зная общую энергию излучения светила, можно определить другие характеристики звезды. Таким образом, светимость является важным инструментом для изучения и понимания различных аспектов звездной физики и эволюции.
Классификация
Для классификации светил, основанной на спектральных характеристиках их излучения, существует Гарвардская классификация. В этой системе цвета излучения обозначаются латинскими буквами. Например, белый цвет обозначается буквой A, голубой – O и так далее. Интересно, что светила одного спектра могут иметь различную светимость.
Чтобы учитывать этот параметр, была разработана Йеркская классификация, которая основана на абсолютной звездной величине и делит звезды на разные классы светимости. Каждому классу светимости приписываются не только латинские буквы, но и цифры, обозначающие уровень светимости. Например, нормальные сверхгиганты относятся к классу светимости Ib, гипергиганты обозначаются латинской буквой O, белые карлики имеют класс светимости VII и так далее. Эта система классификации помогает описывать различные типы небесных тел и их светимость с учетом важных параметров.
Таблица звезд главной последовательности и их светимости
| Звезда | Светимость (L/Lsun) |
|---|---|
| β Ориона С | 30000 |
| β Южного Креста | 16000 |
| Спика | 8300 |
| Ахернар | 750 |
| Регул | 130 |
| Сириус А | 63 |
| Фомальгаут | 40 |
| Альтаир | 24 |
| Процион | 4.0 |
| α Центавра A | 1.45 |
| Солнце | 1.000 |
| μ Кассиопеи | 0.70 |
| τ Кита | 0.44 |
| Поллукс | 0.36 |
| ε Эридана | 0.28 |
| α Центавра B | 0.18 |
| Лаланд 21185 | 0.03 |
| Росс 128 | 0.0005 |
| Вольф 359 | 0.0002 |
Значение в астрономии
Светимость звезды является важным показателем, который отражает как ее энергию, так и площадь поверхности. Именно поэтому светимость широко используется в астрономических классификационных диаграммах для сравнения звезд. Одной из таких диаграмм является диаграмма Герцшпрунга-Рассела, которая позволяет обнаружить интересные закономерности в распределении звезд во Вселенной и, например, определить возраст звезды. Кроме того, йеркская спектральная классификация звезд основана на светимости и использует такие термины, как “белые карлики” и “сверхгиганты”.
Температура звезды также оказывает влияние на ее светимость. Астрономы используют эту зависимость для определения параметров звезды, особенно когда цвет, являющийся точным показателем нагрева объекта, искажается гравитацией.
Яркость звезды косвенно связана с ее составом. Чем меньше вещества светила содержит элементов, тяжелее гелия и водорода, тем больше массы она может иметь, что является критическим фактором в определении светимости звезды.
Как найти звезды первой величины?
Некоторые из звезд первой величины увидеть весьма просто.
На южном небосклоне найдите созвездие Ориона. Это знаменитый космический пейзаж в форме длинного и прямого креста. На его верхнем конце находится звезда первой величины, Бетельгейзе, а на нижнем — Ригель.
Между этими двумя звездами расположена короткая перекладина креста, состоящая из трех звезд второй величины, которые равномерно расположены друг относительно друга. Это называется Поясом Ориона, или Тремя Волхвами. Направо от верхней звезды Ориона, Бетельгейзе, находится еще одна звезда ярче второй величины — Беллатрикс.
Если вы обратите внимание на созвездие Орион, то не пропустите яркую звезду слева от него, ниже на небе. Это Сириус, самая блестящая звезда на небосводе, ее свет почти сравним с планетой. Сириус принадлежит к созвездию Большого Пса. Остальные звезды этого созвездия едва видны у горизонта неба.
Выше и правее Ориона, то обратите внимание на другую яркую звезду первой величины — Альдебаран. Ее легко узнать по своему красноватому оттенку и по тому, что рядом с ней, справа, находится группа мелких звездочек, известных как Гиады.
Интересные факты
Вселенная полна загадок и феноменов, и светимость звезд является одним из самых захватывающих и важных аспектов астрономии.
Самая яркая звезда
Годзилла, название данное переменной звезде в галактике Sunburst Arc (Солнечная Дуга), является одним из феноменов астрономии. С ее красным смещением, равным 2,38, она находится на огромном расстоянии в 10,9 миллиарда световых лет от Земли. Удивительно, что эта звезда излучает свет, превышающий яркость Солнца как минимум в 134 миллиона раз.
К настоящему времени, в 2023 году, Годзилла является самой яркой известной звездой во Вселенной. Интересно отметить, что ее яркость увеличивается семь лет, делая ее еще более впечатляющей. Спектральные особенности Годзиллы схожи с другими переменными звездами в нашей галактике, Млечном Пути, и указывают на то, что эта звезда приближается к концу своей жизни. Эти уникальные свойства делают Годзиллу увлекательным объектом исследования в астрономии, открывая нам новые познания о процессах эволюции звезд и жизни во Вселенной.
Гиперновая
Гиперновые представляют собой яркие и мощные взрывы, которые превосходят светимость Солнца на несколько порядков, достигая миллиардной разницы. Они возникают в результате коллапса ядра сверхмассивных звезд, масса которых превышает 20 солнечных масс, когда в ядре исчерпывается топливо для термоядерных реакций. Гиперновые можно рассматривать как очень мощные и сверхмощные сверхновые взрывы.
С начала 1990-х годов наблюдались взрывы звезд такой мощности, что превосходили обычные сверхновые взрывы в десятки раз по энергии, достигая значения свыше 10^45 джоулей. Кроме того, многие из этих взрывов сопровождались длинными гамма-всплесками. В настоящее время термин “гиперновая” также используется для описания взрывов звезд с массой от 100 до 150 солнечных масс и даже больше. Такие гиперновые представляют собой еще более мощные и потрясающие явления во Вселенной.
Квазар
Квазары представляют собой класс астрономических объектов, которые являются одними из самых ярких в видимой Вселенной. Их светимость может превышать солнечную в сотни триллионов раз. Термин “квазар” происходит от сочетания английских слов “quasi-stellar” (похожий на звезду) и “radiosource” (радиоисточник), и описывает их характеристики.
Современные представления о квазарах связывают их с активными ядрами галактик в начальной стадии развития. В центре таких галактик находятся сверхмассивные черные дыры, которые поглощают окружающее вещество, образуя аккреционные диски. Именно эти диски являются источником излучения, которое имеет чрезвычайно высокую мощность, иногда превышающую суммарную мощность всех звезд в таких галактиках, включая нашу Млечный Путь. Квазары также проявляют космологическое гравитационное красное смещение, предсказанное в общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Вывод
Светимость звезд является важным параметром, который отражает их энергию и позволяет сравнивать разные виды звезд. Она зависит от массы объекта, его размера, температуры и состава. Изучение светимости звезд помогает астрономам понять их физические характеристики, эволюцию и место в галактике. Классификационные диаграммы, такие как диаграмма Герцшпрунга-Рассела, основаны на светимости и помогают раскрыть закономерности в распределении звезд во Вселенной.
