Диаграмма Герцшпрунга-Рассела: главная последовательность звёзд, исключения из неё, теория скользящей эволюции звёзд

Связь между спектральными классами звезд и их абсолютными размерами была систематизирована независимо двумя исследователями: Эйнаром Герцшпрунгом (Дания) и Генрихом Нортоном Расселом (США). Датчанин первым опубликовал свою научную работу в 1905 году. Он построил диаграмму цвет-светимость и разместил на полученном графике все известные науке звезды. Диаграмма Герцшпрунга, представленная в немецком журнале, осталась незамеченной научным сообществом. Рассел сформулировал свою концепцию позже, в 1909 г. Долгое время диаграмма спектр-светимость носила его имя. И только в 1930-е годы вклад датского ученого был раскрыт, и справедливость была восстановлена.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела: главная последовательность звезд, исключения из нее, теория скользящей эволюции звезд

 Что такое главная последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рассела

Диаграмма Герцшпрунга на вертикальной оси показывает абсолютные величины в порядке возрастания. На горизонтальной оси слева направо отложены спектральные классы в порядке убывания температуры. Звезды с более высокими температурами также имеют более высокую светимость. Такие объекты расположены на схеме вверху слева. Холодные звезды обычно менее ярки и появляются в правом нижнем углу диаграммы. Почти 90% известных звезд расположены по диагонали между левым верхним углом и правым нижним. Совокупность этих объектов называется «главной последовательностью диаграммы Гетцшпрунга-Рассела».

Звезды, оставшиеся в небольшом количестве, образовали на графике отдельные наборы. Выше главной последовательности находились короткоживущие гиганты и сверхгиганты, ниже — долгоживущие карликовые звезды. Главная последовательность содержит звезды, находящиеся на основной стадии эволюции. Основные характеристики звездных последовательностей представлены в таблице.

Альтернативы Звезды главной последовательности Белые карлики Гиганты и супергиганты
Размер, R☉ (в солнечных радиусах) 0,12-16 0,01-0,001 10-1000
Спектральный класс О БК FM
Яркость, л 10−4-106 0,01-0,1 105-106
Срок службы, лет ~ 10 миллиардов ~1015 ~ 100 миллионов
Температура, °К 3000-50000 3500-30000 3000-20000

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела: главная последовательность звезд, исключения из нее, теория скользящей эволюции звезд

Спектральные классы звезд

Теория скользящей эволюции звезд

В начале прошлого века ученые считали, что все звезды в процессе своей эволюции сжимаются. Рассел на основе своей схемы предложил следующие этапы звездной эволюции:

  1. Первое газопылевое облако при вращении сжимается, что приводит к нагреву.
  2. Образовавшийся центр туманности представляет собой огромный объект, излучающий в инфракрасном диапазоне.
  3. По мере дальнейшего увеличения давления звезда нагревается до видимого красного спектра, становясь красным гигантом.
  4. Дальнейшее сжатие увеличивает температуру объекта до желтого, белого и синего спектра. На диаграмме Герцшпрунга-Рессела эволюционирующая звезда движется влево и вверх.
  5. На стадии голубой звезды по неизвестным причинам прекращается нагрев (это слабое место теории, удовлетворительных объяснений этому явлению не найдено), но процесс сжатия продолжается.
  6. На следующих этапах звезда уменьшается в размерах и остывает из синего спектра в красный, становясь красным карликом. На схеме положение такого объекта будет двигаться из левого верхнего угла вниз и вправо.
  7. Звезда, израсходовавшая свою энергию, гаснет. На его месте черный карлик.

Приведенное выше объяснение получило название «Теория скользящей эволюции звезд». Такая гипотеза казалась правдоподобной, часть постулатов подтверждалась экспериментально, но не давала ответов на все вопросы. По мере развития науки диаграмма Герцшпрунга пополнялась новыми звездами и их новыми последовательностями, что позволяло усовершенствовать теорию Рассела.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела: главная последовательность звезд, исключения из нее, теория скользящей эволюции звезд

Звездное развитие

Современная наука считает, что звезды образуются из холодного газового облака, которое схлопывается под действием собственной гравитации. При этом выделяется тепло, которое нагревает газовое облако. Когда температура достигает нескольких миллионов К, начинается термоядерная реакция. Этот этап считается рождением звезды. Основной класс звезд, в которых происходит превращение водорода в гелий, — главная последовательность. Перспективы развития нового космического объекта оцениваются исходя из его начальной массы:

  1. Протозвезды с массой в несколько раз больше солнечной сжимаются в горячие звезды O и B. Эти объекты яркие, горячие и имеют большой радиус. Чем больше звезда, тем быстрее выгорает водород, и тем быстрее начинается следующая стадия эволюции — гигант (сверхгигант). В этой фазе продолжаются термоядерные реакции с участием гелия. Поскольку весь гелий превращается в углерод, звезда раздувается и выбрасывает свою оболочку. Остается ядро, которое превращается в звезду, состоящую из нейтронов, или в черную дыру.
  2. Протозвезды с массой, близкой к массе Солнца, сжимаются до звезд класса Время жизни таких объектов составляет около 10 миллиардов лет на главной последовательности. Затем звезда поднимается выше на диаграмме Герцшпрунга-Рассела до фазы красного гиганта. Эта стадия занимает около 10% времени жизни объекта, завершаясь выбросом внешнего слоя и образованием белого карлика.
  3. Протозвезды, масса которых в несколько раз меньше массы Солнца, образуют красный карлик. Низкая температура способствует умеренному протеканию термоядерных реакций, поэтому такие звезды существуют очень долго — от десятков миллиардов до десятков триллионов лет. Отсутствие гелия делает невозможным превращение в красного гиганта. Со временем красный карлик выгорает, постепенно сжимается, что приводит к нагреву, и превращается сначала в голубого, а затем в белого карлика.
  4. Протозвезда с массой менее 0,08 массы Солнца не может стать звездой. Масса и давление такого объекта недостаточны для запуска термоядерных реакций; он излучает только в инфракрасном диапазоне. К таким «неудавшимся» звездам относятся планеты-гиганты Солнечной системы.

По мере старения нашей галактики главная последовательность будет ухудшаться, но количество карликов будет увеличиваться.

Исключения из главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела: красные гиганты и красные карлики

Красный эмиссионный спектр звезды, согласно диаграмме Герцшпрунга-Рассела, свидетельствует о ее низкой температуре и, как следствие, низкой светимости. Спектральные эмиссионные линии красных звезд показывают температуру поверхности около 36 000 К, что в 400 раз меньше температуры поверхности Солнца. Одним из таких слабых объектов является звезда Барнарда. Однако некоторые красные звезды (например, Бетельгейзе) имеют светимость и светимость в тысячи раз больше, чем Солнце. Герцшпрунг предположил, что эти исключения из основной последовательности диаграммы можно объяснить разными размерами звезд красного спектра.

Эта гипотеза была проверена с помощью интерферометра Майкельсона. С помощью этого прибора можно измерить угол между лучами из разных точек на поверхности космического объекта. По специальной формуле, учитывающей угол и расстояние до звезды, рассчитывается размер. Расчеты показали, что диаметр Бетельгейзе в 350 раз больше Солнца, а объем в 40 000 000 раз. Находясь на месте Солнца, такая звезда поглотила бы все планеты земной группы. Эти объекты называются красными гигантами.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела: главная последовательность звезд, исключения из нее, теория скользящей эволюции звезд

Сравнительные размеры Солнца и Бетельгейзе

Маленькие звезды в красном спектре называются красными карликами. Эти объекты широко разбросаны по Вселенной, особенно в старых скоплениях и в невидимой части Вселенной. Их низкая светимость затрудняет их обнаружение и изучение. Красные карлики замыкают главную последовательность. Продолжительность жизни красных карликов очень велика, условия на близлежащих планетах стабильны, что говорит о возможном развитии жизни.

Интересно, что нет объектов красного спектра промежуточной величины. Диаграмма Герцшпрунга содержит только красные карлики и красные гиганты.

 Красные гиганты и инфракрасные гиганты

При вырождении красных гигантов спектр их излучения может сдвигаться в невидимую для человека инфракрасную зону. Красные гиганты и инфракрасные гиганты расположены над главной последовательностью справа на диаграмме. Во Вселенной есть гигантские объекты, настолько холодные, что даже их огромные размеры не позволяют их обнаружить.

Примером может служить двойная звезда Эпсилон Возничего. В 19 веке астрономы обнаружили, что этот объект периодически тускнеет, затем вновь обретает яркость. Современные исследования показали, что Эпсилон Возничего представляет собой двойную звездную систему, одна из которых периодически затмевает другую. Один из компонентов — яркая звезда F-класса, белый сверхгигант диаметром в 190 раз больше диаметра Солнца. Второй компонент относится к спектральному классу В, имеет радиус в 2700 раз больше, чем у Солнца. Несмотря на его огромные размеры, его невозможно увидеть невооруженным глазом. Это связано с низкой температурой поверхности (16 000 К), которая вызывает эмиссию излучения в инфракрасном диапазоне.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела: главная последовательность звезд, исключения из нее, теория скользящей эволюции звезд

Сравнительные размеры Солнца и одного из красных гигантов

Исследование Вселенной показало, что инфракрасные объекты не редкость в космосе. Современное оборудование позволяет изучать объекты, излучающие в холодном спектре: коричневые карлики, молодые горячие звезды, межгалактическую пыль, трассерное излучение объектов мертвого космоса, а также пополнять список известных человеку галактик. Так, с помощью специального телескопа Spitzer была обнаружена уникальная система, состоящая из четырех инфракрасных галактик.

Думаете, современная наука знает все об эволюции звезд? Или мы все еще ждем новых открытий?

Оцените статью
kuzyeti.ru
Добавить комментарий

Adblock
detector