Что такое звезда? Какие звезды бывают? Для чего они нужны

Что такое звезда в космосе

Это космическое тело, в недрах которого идут термоядерные реакции. Не каждый объект может стать звездой. Нужно, чтобы его масса составляла минимально 0,08 от массы нашего Солнца (1,9885⋅1030 кг). Газовый состав – 70% водорода и 28% гелия. В смеси газов достигается критическая температура, достаточная для возникновения водородной реакции. Водород через цепочку реакций превращается в гелий.

Строение звезд

Может показаться, что невозможно узнать что-либо о внутреннем строении звезд. Не только далекие звезды, но и наше Солнце кажется абсолютно недоступным для изучения его недр. Тем не менее о строении звезд мы знаем не меньше, чем о строении Земли. Дело в том, что звезды – это газовые шары, в большинстве своем – стабильные, не испытывающие ни коллапса, ни расширения. Поэтому на любой глубине давление газа равно весу вышележащих слоев, а поток излучения пропорционален перепаду температуры от внутренних горячих к наружным холодным слоям. Этих условий, сформулированных в виде математических уравнений, достаточно, чтобы на основе законов поведения газа рассчитать структуру звезды, т.е. изменение давления, температуры и плотности с глубиной. При этом из наблюдений нужно знать только массу, радиус, светимость и химический состав звезды, чтобы теоретически определить ее структуру. Расчеты показывают, что в центре Солнца температура достигает 16 млн. К, плотность 160 г/см³, а давление 400 млрд. атм.

Звезда является природной саморегулирующейся системой. Если по какой-то причине мощность энерговыделения в ядре звезды не сможет компенсировать излучение энергии с поверхности, то звезда не сможет противостоять гравитации: она начнет сжиматься, от этого повысится температура в ее ядре и возрастет интенсивность ядерных реакций – таким образом баланс энергии будет восстановлен.

Видео

Самая большая звезда во Вселенной

Самая большая звезда во Вселенной была открыта в 1860 году учеными Боннской обсерватории. Однако полный обзор на нее смогли провести совсем недавно. Это звезда UY в созвездии Щита.

Ее радиус в 1700 раз превышает Солнце. Она расположена от Земли на расстоянии 9500 световых лет. Если бы UY Щита находилась на месте Солнца, она бы захватила в свой состав первые пять планет и вышла бы на орбиту Юпитера.

С каждым годом совершенствуются возможности техники. Возможно, через несколько лет люди найдут новую, более крупную звезду.

Интересный факт: Самая тяжелая и яркая звезда – это голубой сверхгигант R136а1, расположенный в Большом Магеллановым Облаке. Его яркость превышает солнечную в 10 млн. раз.

Как образуются звезды

75% вещества во Вселенной — это водород, а 23% — гелий. Эти элементы существуют в гигантских космических пылевых облаках холодного молекулярного газа.

Согласно нынешней теории образования звезд, звезды рождаются как скопления в гигантских газовых облаках.

Газ крутится в пространстве в космических пылевых облаках, называемых туманностями. Со временем гравитация заставляет эти облака конденсироваться. По мере того как они становятся меньше, облака вращаются быстрее из-за сохранения углового момента — того же самого принципа, который заставляет вращающегося фигуриста ускоряться, когда она тянет руки.

Большая часть массы собирается в центре. Быстрое вращение облака заставляет его сглаживаться в протопланетный диск. Газ облака нагревается, когда он попадает внутрь под действием собственной силы тяжести.

Когда газ достигает температуры около 15 миллионов градусов по Цельсию, ядра водорода начинают сливаться в ядра гелия, зарождается новая звезда.

Молодые звезды на этом этапе называются протозвездами. Протозвезда в центре облака нагревается от гравитационного коллапса водорода и гелия и становится все более горячей. По мере своего развития они накапливают массу из облаков вокруг них и превращаются в так называемые звезды главной последовательности.

Звездные населения

В 1944 американский астроном немецкого происхождения В.Бааде предложил разделить звезды на два типа, которые он назвал Населением I и Населением II. К Населению I он отнес молодые звезды и связанные с ними межзвездные газ и пыль, которые наблюдаются в спиральных рукавах галактик и рассеянных скоплениях. Население II состоит из старых звезд, встречающихся в шаровых скоплениях, эллиптических галактиках и центральных областях спиральных галактик. Ярчайшие звезды Населения I – это голубые сверхгиганты, которые раз в 100 ярче, чем ярчайшие звезды Населения II, красные гиганты. У звезд Населения I значительно выше содержание тяжелых элементов. Концепция звездных населений имела большое значение для развития теории эволюции звезд.

Почему звезды светятся

Все дело в разнице температур ядра и поверхности. Внутри звезды она может достигать 10 млн градусов и больше. Благодаря этому, в космическом объекте постоянно происходят термоядерные реакции, что превращает одни химические элементы в другие. К примеру, водород, из которого состоит большая часть звезд, становится в их недрах гелием. Благодаря этому возникает свечение, которое и видят земляне.

Интересный факт: человек видит на небе звезды из трех ближайших галактик: Андромеда, Треугольник и Млечный путь. Для того, чтобы посмотреть на более далекие космические объекты, нужны мощные телескопы.

Состав

Звезды на небе — это огромные и в то же время простые системы элементарных частиц.

Состав звезд:   73% — состоят из водорода, 25% — из гелия, 2% — другие элементарные частицы.

Космический газовый шар средней величины построен из невероятно большого количества нуклонов (протоны и нейтроны), которое можно выразить цифрой с пятьюдесятью семью нулями.

Количество нуклонов нашего Солнца в триста тысяч раз превышает количество нуклонов, из которого состоит Земля. Количество вещества в этом теле и массу выражает количество нуклонов из которых оно складывается.

Несмотря на то, что Солнце как система по размерам во много раз превышает Землю, все же оно намного проще нашей планеты по составу. Именно такой химический состав Солнца обеспечивает эволюцию человечества.

Земля, как и остальные планетные тела, состоит из пород, порода — из кристаллов, кристаллы — из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из ядра и электронов.

Звезды  на небе построены лишь из ядер и электронов. Именно из-за простого состава  простым является  определение температуры, массы, давления и химических элементов в любой точке внутри. Но рассчитать те же самые характеристики Земли мы пока не умеем.

Стоит отметить тот факт, что астрономы знакомы с недрами далеких звезд лучше, чем с недрами планеты, на которой мы живем.

Свойства и поведение плазмы в настоящее время достаточно хорошо изучены: известно, например, что давление в плазме тем выше, чем она горячее и плотнее. В то же время давление в определенной точке внутри  равно весу всех слоев, находящихся над этой точкой.

Если давление плазмы повышается, то звезда расширяется, в противном случае она сжимается. Даже самые маленькие  обладают массой, примерно в десять тысяч раз превышающей массу Земли.

Самые крупные звезды на небе обладают массой в миллионы раз большей, чем масса Земли.

Что такое звезда?

Говоря о звезде как о небесном теле, наука подразумевает под этим словом светящийся раскаленный сгусток материи огромной массы, в котором протекают активные термоядерные процессы. Кстати, за счет этих процессов поддерживается тепловое и световое излучение звезд, благодаря чему мы можем видеть их в ночное время.

Звезды находятся от нас на очень больших расстояниях, поэтому кажутся нам такими маленькими. Но в реальности большинство видимых на небе звезд по массе и объему намного больше, чем наше Солнце (которое тоже является звездой класса «желтый карлик»).

Между прочим, человек с хорошим зрением может рассмотреть на небе около 3 000 звезд, общее же их количество во Вселенной, скорее всего, бесконечно. Звезды в космосе сгруппированы в огромные скопления – галактики, имеющие форму спирали с двумя или несколькими рукавами.

Характеристика звезд

Яркость

Для описания яркости звездных небесных тел используют величину и светимость. Понятие величины основывается еще на работах Гиппарха в 125 году до н.э. Он пронумеровал звездные группы, полагаясь на видимую яркость. Самые яркие – первая величина, и так до шестой. Однако расстояние между Землей и звездой способно влиять на видимый свет, поэтому сейчас добавляют описание фактической яркости – абсолютная величина. Ее вычисляют при помощи видимой величины, как если бы она составляла 32.6 световых лет от Земли. Современная шкала величин поднимается выше шести и опускается ниже единицы (видимая величина Сириуса достигает -1.46). Ниже можете изучить список самых ярких звезд на небе с позиции наблюдателя Земли.

Виды звезд

Классифицируют звезды в зависимости от температуры их поверхности. Они бывают:

1. Красными. Температура поверхности у таких звезд находится в пределах 5-7 тысяч кельвинов.
2. Желтыми. Их поверхность нагрета в пределах 5 000-7 500 К.
3. Белыми. Температура поверхности — 7 500-30 000 К.
4. Голубыми. Поверхность таких звезд раскалена до температуры 80 000 Кельвинов.

Такая классификация достаточно примитивна, ведь ученые астрономы говорят еще и о бело-голубых и оранжевых звездах.

Любопытно, что цвет звезды определяется температурой ее поверхности. Однако температура внутри звезды гораздо выше.

Масса звезд бывает разной — от 0,07 массы Солнца (красные), до 50 масс Солнца (голубые гиганты).

Звездная величина

Звездная величина или блеск определяют яркость объекта, его светимость, с точки зрения земного наблюдателя. Это понятие характеризует поток энергии на единицу площади.

Чем меньше значение звездной величины — тем большая яркость у светила. У самых ярких звезд — первая звездная величина.

Ранее считалось, что самые «тусклые» звезды имеют 6-ую звездную величину. Однако это лишь предел зрения невооруженного глаза. С помощью телескопов видны звезды 19-ой величины.

Звездные величины могут иметь также и отрицательные значения. Например, у Солнца — -26,7, Луны в полнолуние — -12,74. Звезды Большой медведицы имеют 2-ую звездную величину.

Цвет звезд

Звезды бывают разных размеров и цветов. Цвет звезд зависит от их температуры и размера.

Более горячие звезды излучают белый или синий свет, тогда как более холодные испускают оранжевый или красный свет.

Из чего состоят звёзды?

Любая звезда, которую мы видим на ночном небе, представляет собой раскаленный газовый шар. Невероятно большая масса приводит к тому, что на газ действуют чудовищной силы гравитационные поля. Под их действием он сжимается.

В центре звезды, который называется ядром, сила сжатия запускает термоядерный процесс. В результате выделеляется огромное количество энергии. Но при этом на поверхности температура составляет несколько тысяч или десятков тысяч градусов Кельвина. А внутри она исчисляется миллионами градусов.

Кстати, газ, из которого состоят звезды – это водород. В ходе термоядерной реакции он преобразуется в гелий и другие химические элементы. Молодые звезды, жизненный цикл которых начался относительно недавно, содержат совсем немного гелия.

Кроме того, в составе газа и плазмы может присутствовать небольшое количество металлов. В результате они оказывают существенное влияние на скорость протекающих в ядре процессов синтеза. Чем старше звезда, тем больше в ее составе химических элементов.

Звездная эволюция

Основываясь на массе звезды, можно определить весь ее эволюционный путь, так как он проходит по определенным шаблонным этапам. Есть звезды промежуточной массы (как Солнце) в 1.5-8 раз больше солнечной массы, более 8, а также до половины солнечной массы. Интересно, что чем больше масса звезды, тем короче ее жизненный срок. Если она достигает меньше десятой части солнечной, то такие объекты попадают в категорию коричневых карликов (не могут зажечь ядерный синтез).

Объект с промежуточной массой начинает существование с облака, размером в 100000 световых лет. Для сворачивания в протозвезду температура должна быть 3725°C. С момента начала водородного слияния может образоваться Т Тельца – переменная с колебаниями в яркости. Последующий процесс разрушения займет 10 миллионов лет. Дальше ее расширение уравновесится сжатием силы тяжести, и она предстанет в виде звезды главной последовательности, получающей энергию от водородного синтеза в ядре. Нижний рисунок демонстрирует все этапы и трансформации в процессе эволюции звезд.

Этапы эволюции звезды

Когда весь водород переплавится в гелий, гравитация сокрушит материю в ядро, из-за чего запустится стремительный процесс нагрева. Внешние слои расширяются и охлаждаются, а звезда становится красным гигантом. Далее начинает сплавляться гелий. Когда и он иссякает, ядро сокращается и становится горячее, расширяя оболочку. При максимальной температуре внешние слои сдуваются, оставляя белый карлик (углерод и кислород), температура которого достигает 100000 °C. Топлива больше нет, поэтому происходит постепенно охлаждение. Через миллиарды лет они завершают жизнь в виде черных карликов.

Процессы формирования и смерти у звезды с высокой массой происходят невероятно быстро. Нужно всего 10000-100000 лет, чтобы она перешла от протозвезды. В период главной последовательности это горячие и голубые объекты (от 1000 до миллиона раз ярче Солнца и в 10 раз шире). Далее мы видим красного сверхгиганта, начинающего сплавлять углерод в более тяжелые элементы (10000 лет). В итоге формируется железное ядро с шириною в 6000 км, чье ядерное излучение больше не может противостоять силе притяжения.

Когда масса звезды приближается к отметке в 1.4 солнечных, электронное давление больше не может удерживать ядро от крушения. Из-за этого формируется сверхновая. При разрушении температура поднимается до 10 миллиардов °C, разбивая железо на нейтроны и нейтрино.  Всего за секунду ядро сжимается до ширины в 10 км, а затем взрывается в сверхновой типа II.

Туманность Эскимоса — один из последних этапов эволюции небольшой звезды

Если оставшееся ядро достигало меньше 3-х солнечных масс, то превращается в нейтронную звезду (практически из одних нейтронов). Если она вращается и излучает радиоимпульсы, то это пульсар. Если ядро больше 3-х солнечных масс, то ничто не удержит ее от разрушения и трансформации в черную дыру.

Звезда с малой массой тратит топливные запасы так медленно, то станет звездой главной последовательности только через 100 миллиардов – 1 триллион лет. Но возраст Вселенной достигает 13.7 миллиардов лет, а значит такие звезды еще не умирали. Ученые выяснили, что этим красным карликам не суждено слиться ни с чем, кроме водорода, а значит, они никогда не перерастут в красных гигантов. В итоге, их судьба – охлаждение и трансформация в черные карлики.

Ближайшая к Солнцу звезда

Самая близкая к Солнцу звезда находится в созвездии Центавр. Это созвездие южного полушария. Самая яркая звезда созвездия обозначается как α — «альфа».

Альфа созвездия Центавр — и есть ближайшая к нам звезда. Ее называют Проксима Центавра или Альфа Центавра. Она расположена на расстоянии 4,22 световых года.

Звезды и галактики

Во Вселенной насчитывается больше миллиарда миллиардов звезд. В соответствии с законами природы они собрались в огромные звездные острова, которые астрономы назвали галактиками. Мы живем в одной из таких галактик, имя которой — Млечный Путь.

Млечный Путь — галактика, частью которой являются Солнце и все видимые на небе звезды. Фото: Juan Carlos Casado (TWAN, Earth and Stars)

Все звезды, видимые на небе невооруженным глазом или в небольшой телескоп, принадлежат Млечному Пути. Другие галактики тоже можно наблюдать на небе с помощью телескопа, но все они выглядят как тусклые туманные пятнышки света.

Солнце — самая близкая к нам звезда. Она ничем не выделяется на фоне миллионов других звезд, которые можно увидеть в телескоп. Солнце — не самая яркая, но и не самая тусклая звезда, не самая горячая, но и не самая холодная, не самая массивная, но и не самая легкая. Можно сказать, что Солнце — звезда-середняк. И только нам роль Солнца кажется исключительно важной, потому что эта звезда дарит нам тепло и свет. Только благодаря Солнцу на Земле возможна жизнь.

Звезды и скрытая масса Вселенной

Еще относительно недавно астрономы полагали, что в звездах содержится почти все вещество во Вселенной. Но в последние десятилетия выяснилось, что львиную долю массы Вселенной составляют таинственная темная материя и еще более таинственная темная энергия. На звезды, таким образом, приходится всего около 2% всей материи (а на планеты, кометы и астероиды и того меньше!). Но именно эти 2% мы и способны наблюдать, так как именно они излучают свет! Трудно представить, насколько унылым местом была бы Вселенная, если бы в ней не было звезд!

Теги