Солнце и звезды главной последовательности. Звезды. Время жизни на главной последовательности

Главная последовательность (ГП) - наиболее населенная область на диаграмме Гецшпрунга - Рессела (ГР). Основная масса звезд на диаграмме ГР расположена вдоль диагонали на полосе, идущей от правого нижнего угла диаграммы в левый верхний угол. Эта полоса и называется главной последовательностью.

Нижний правый угол занят холодными звездами с малой светимостью и малой массой, начиная со звезд порядка 0.08 солнечной массы, а верхний левый угол занимают горячие звезды, имеющие массу порядка 60-100 солнечных масс и большую светимость (вопрос об устойчивости звезд с массами больше 60-120М sun остается открытым, хотя, по-видимому, в последнее время имеются наблюдения таких звезд).

Фаза эволюции, соответствующая главной последовательности, связана с выделением энергии в процессе превращения водорода в гелий , и так как все звезды ГП имеют один источник энергии, то положение звезды на диаграмме ГР определяется ее массой и в малой степени химическим составом.

Основное время жизни звезда проводит на главной последовательности и поэтому главная последовательность - наиболее населенная группа на диаграмме ГР (до 90% всех звезд лежат на ней).

Главная последовательность

Зависимость масса-светимость для главной последовательности

Для звезд главной последовательности существует апроксимационное соотношение, известное как зависимость масса-светимость. Это соотношение было выведено из наблюдательного определения масс и светимостей звезд главной последовательности, но оно также подтверждается расчетами звездных моделей для звезд ГП. Светимость звезды грубо пропорциональна ее массе в степени 3.5 или 4:

L~ M 3.5-4

Таким образом, звезда в два раза массивней Солнца имеет светимость в 11 раз большую, чем Солнце. Наиболее массивные звезды главной последовательности примерно в 60 раз массивней Солнца. Это соответствует светимости почти в миллион раз больше солнечной.

Для наиболее массивных звезд L~M .

Время жизни на главной последовательности

Звезды проводят большую часть своей жизни на главной последовательности. В общем, более массивные звезды живут более быстрой жизнью, чем менее массивные. Казалось бы, что звезды, имеющие большее количество водорода для горения должны были бы расходовать его дольше, но это не так, потому что они используют свои ресурсы быстрее.

Оценим время жизни звезды на ГП. Упрощенно, оно равно отношению энергии, которая может быть излучена к выделению звездой энергии в единицу времени (это светимость L).

Энергия, излучаемая звездой за время t, равна произведению светимости на это время:

E=Lt.

Согласно уравнению Эйнштейна:

E=Mc 2 .

Комбинируя эти два выражения, получаем:

t=Mc 2 /L,

учитывая закон масса-светимость, получаем:

t=c 2 /M 2.5-3 ,

или в солнечных единицах:

t/t sun =1/(M/M sun) 2/5-3 .

Таким образом, если расчетное время жизни Солнца на главной последовательности составляет 10 10 лет, то звезда в 10 раз массивней Солнца будет жить в 1000 раз меньше т.е. 10 7 лет. Так как для наиболее массивных звезд L~M, то по мере увеличения их массы время жизни перестает увеличиваться и стремится к величине ~3.5 млн. лет, что очень мало по космическим масштабам.

Поверхностная температура, светимость и время жизни для звезд главной последовательности

Таблица звезд главной последовательности

спектральный класс		температура (К)	светимость (L/L sun)	масса (M/M sun)	радиус (R/R sun)
O9.5	Ориона С	33,000	30,000	18.0	5.90
B0	Южного Креста	30,000	16,000	16.0	5.70
B2	Спика	22,000	8,300	10.5	5.10
B5	Ахернар	15,000	750	5.40	3.70
B8	Регул	12,500	130	3.50	2.70
A0	Сириус А	9,500	63	2.60	2.30
A2	Фомальгаут	9,000	40	2.20	2.00
A5	Альтаир	8,700	24	1.90	1.80
F5	Процион	6,400	4,0	1.35	1.20
G0	Центавра A	5,900	1.45	1.08	1.05
G2	Солнце	5800	1.000	1.00	1.00
G5	Кассиопеи	5,600	0.70	0.95	0.91
G8	Кита	5,300	0.44	0.85	0.87
K0	Поллукс	5,100	0.36	0.83	0.83
K2	Эридана	4,830	0.28	0.78	0.79
K5	Центавра B	4,370	0.18	0.68	0.74
M2	Лаланд 21185	3,400	0.03	0.33	0.36
M4	Росс 128	3,200	0.0005	0.20	0.21
M6	Вольф 359	3,000	0.0002	0.10	0.12

И.Миронова

предыдущая

Звезды - это огромные шары, состоящие из светящейся плазмы. В пределах нашей галактики насчитывается огромное их количество. Звезды играли важную роль в развитии науки. Также они отмечались в мифах многих народов, служили в качестве инструментов навигации. Когда были изобретены телескопы, а также открыты законы движения небесных тел и гравитация, ученые поняли: все звезды похожи на Солнце.

Определение

К звездам главной последовательности относят все те, внутри которых водород превращается в гелий. Так как этот процесс свойственен большей части звезд, к этой категории относится большинство наблюдаемых человеком светил. К примеру, Солнце также относится к данной группе. Альфа Ориона, или, к примеру, спутник Сириуса не принадлежат к звездам главной последовательности.

Группы звезд

Впервые вопросом сопоставления звезд с их спектральными классами занялись ученые Э. Герцшпрунг и Г. Рассел. Они создали диаграмму, на которой отображался спектр и светимость звезд. Впоследствии данная диаграмма была названа в их честь. Большая часть светил, расположенных на ней, называется небесными телами главной последовательности. В эту категорию входят звезды, начиная от голубых сверхгигантов, и заканчивая белыми карликами. Светимость Солнца на данной диаграмме принимается за единицу. В последовательность входят звезды различной массы. Ученые выделили следующие категории светил:

• Сверхгиганты - I класс светимости.
• Гиганты - II класс.
• Звезды главной последовательности - V класс.
• Субкарлики - VI класс.
• Белые карлики - VII класс.

Процессы внутри светил

С точки зрения структуры Солнце может быть разделено на четыре условные зоны, в пределах которых происходят различные физические процессы. Энергия излучения звезды, а также внутренняя тепловая возникают глубоко внутри светила, передаваясь на внешние слои. Строение звезд главной последовательности схоже со структурой светила Солнечной системы. Центральной частью любого светила, относящейся на диаграмме Герцшпрунга-Рассела к данной категории, является ядро. Там постоянно происходят ядерные реакции, в процессе которых гелий превращается в водород. Для того чтобы ядра водорода смогли столкнуться друг с другом, их энергия должна быть выше энергии отталкивания. Поэтому такие реакции протекают только при очень высоких температурах. Внутри Солнца температура достигает 15 миллионов градусов по Цельсию. По мере удаления от ядра звезды она снижается. На внешней границе ядра температура составляет уже половину от значения в центральной части. Также снижается и плотность плазмы.

Ядерные реакции

Но не только по внутреннему строению звезды главной последовательности похожи на Солнце. Светила данной категории отличаются также и тем, что ядерные реакции внутри них происходят путем трехступенчатого процесса. Иначе он называется протон-протонным циклом. На первой фазе два протона сталкиваются между собой. В результате этого столкновения появляются новые частицы: дейтерий, позитрон и нейтрино. Далее протон сталкивается с частицей нейтрино, и возникает ядро изотопа гелия-3, а также квант гамма-излучения. На третьей ступени процесса два ядра гелия-3 сливаются между собой, и происходит образование обычного водорода.

В процессе этих столкновений во время ядерных реакций постоянно производятся элементарные частицы нейтрино. Они преодолевают нижние слои светила, и летят в межпланетное пространство. Нейтрино также регистрируются и на земле. Количество, которое регистрируется учеными при помощи приборов, несоизмеримо меньше, чем их должно быть по предположению ученых. Эта проблема является одной из крупнейших загадок в физике Солнца.

Лучистая зона

Следующим слоем в строении Солнца и звезд главной последовательности является лучистая зона. Ее границы простираются от ядра и до тонкого слоя, находящегося на границе конвективной зоны - тахоклина. Свое название лучистая зона получила от способа, при помощи которого энергия переносится от ядра к внешним слоям звезды - излучения. Фотоны, которые постоянно производятся в ядре, двигаются в этой зоне, сталкиваясь с ядрами плазмы. Известно, что скорость этих частиц равна скорости света. Но несмотря на это, фотонам требуется порядка миллиона лет, чтобы достичь границы конвективной и лучистой зон. Такая задержка происходит из-за постоянного столкновения фотонов с ядрами плазмы и их переизлучения.

Тахоклин

Солнце и звезды главной последовательности также имеют тонкую зону, по-видимому, играющую важную роль в формировании магнитного поля светил. Она называется тахоклин. Ученые предполагают, что именно здесь происходят процессы магнитного динамо. Он заключается в том, что потоки плазмы вытягивают магнитные силовые линии и увеличивают общую напряженность поля. Также есть предположения, что в зоне тахоклина происходит резкая смена химического состава плазмы.

Конвективная зона

Эта область представляет собой самый внешний слой. Его нижняя граница располагается на глубине 200 тыс. км., а верхняя достигает поверхности светила. В начале конвективной зоны температура еще достаточно высока, она достигает порядка 2 млн градусов. Однако этот показатель уже недостаточен для того, чтобы происходил процесс ионизации атомов углерода, азота, кислорода. Эта зона получила свое название из-за способа, с помощью которого происходит постоянный перенос вещества из глубоких слоев во внешние - конвекции, или перемешивания.

В презентации о звездах главной последовательности можно указать тот факт, что Солнце является рядовой звездой в нашей галактике. Поэтому ряд вопросов - например, об источниках его энергии, строении, а также образовании спектра - является общим как для Солнца, так и для других звезд. Наше светило является уникальным в отношении своего расположения - это самая близкая к нашей планете звезда. Поэтому ее поверхность и подвергается детальному изучению.

Фотосфера

Видимая оболочка Солнца называется фотосферой. Именно она излучает практически всю энергию, которая приходит на Землю. Состоит фотосфера из гранул, представляющих собой продолговатые облака из горячего газа. Здесь можно также наблюдать и небольшие пятнышки, которые называются факелами. Их температура приблизительно на 200 о С выше, чем окружающая масса, поэтому они отличаются по яркости. Факелы могут существовать до нескольких недель. Эта устойчивость возникает вследствие того, что магнитное поле звезды не дает вертикальным потокам ионизированных газов отклоняться в горизонтальном направлении.

Пятна

Также на поверхности фотосферы иногда появляются темные области - зародыши пятен. Нередко пятна могут разрастаться до диаметра, который превышает диаметр Земли. как правило, появляются группами, затем разрастаются. Постепенно они дробятся на более мелкие участки, пока не исчезают вовсе. Пятна появляются по обе стороны солнечного экватора. Каждые 11 лет их количество, а также занимаемая пятнами площадь, достигают максимума. По наблюдаемому перемещению пятен Галилей смог обнаружить вращение Солнца. В дальнейшем это вращение было уточнено при помощи спектрального анализа.

До сих пор ученые ломают голову над тем, почему период увеличения солнечных пятен составляет именно 11 лет. Несмотря на пробелы в знаниях, информация о солнечных пятнах и периодичности других аспектов деятельности звезды дают ученым возможность делать важные прогнозы. С помощью изучения этих данных можно делать предсказания о наступлении магнитных бурь, нарушений в сфере радиосвязи.

Отличия от других категорий

Называется количество энергии, которое испускается светилом в одну единицу времени. Эта величина может быть вычислена по количеству энергии, которая достигает поверхности нашей планеты, при условии, если известно расстояние звезды до Земли. Светимость звезд главной последовательности больше, чем у холодных звезд с малой массой, и меньше горячих звезд, масса которых составляет от 60 до 100 солнечных.

Холодные звезды находятся в нижнем правом углу относительно большинства светил, а горячие - в левом верхнем углу. При этом у большинства звезд, в отличие от красных гигантов и белых карликов, масса зависит от показателя светимости. Большую часть своей жизни каждая звезда проводит именно на главной последовательности. Ученые считают, что более массивные звезды живут гораздо меньше, чем те, что обладают малой массой. На первый взгляд, должно быть наоборот, ведь у них больше водорода для горения, и они должны его расходовать дольше. Однако звезды, относящиеся к массивным, расходуют свое топливо гораздо быстрее.

В 1910 г. двое астрономов — датчанин Эйнар Герцшпрунг и американец Генри Ресселл — независимо друг от друга решили выяснить, как зависит светимость звезды от ее спектрального класса или цвета. Для этого они нанесли на график данные обо всех известных в то время спектральных классах и светимостях звезд. В левой части диаграммы расположились горячие белые и голубые звезды, в правой — «холодные» красные, вверху — те, что излучают много энергии, внизу — те, которые «скупятся» на излучение. Если бы зависимость спектр- светимость была однозначной, на диаграмме образовалась бы прямая линия, если бы никакой зависимости вообще не существовало, точки расположились бы по всему полю диаграммы.

Получилось нечто совсем иное: точки, соответствующие тем или иным звездам, сгруппировались в различных областях. Больше всего их (около 90 %) разместилось на диагонали, проведенной из левого верхнего угла (звезды классов О и В, излучающие много энергии) к правому нижнему углу (слабые красные звезды). Эту диагональ астрономы назвали «главной последовательностью». Выше горизонтально протянулась последовательность звезд с наибольшей светимостью, которые назвали гигантами, так как для того, чтобы излучать столько энергии, звезда должна иметь очень большую поверхность. Еще выше, над последовательностью гигантов, расположились гипергиганты и сверхгиганты, а между гигантами и главной последовательностью — субгиганты.

Заполненной оказалась еще одна область — в левом нижнем углу разместились горячие звезды малой светимости, которые называют белыми карликами — ведь для того, чтобы излучать мало энергии, горячая звезда должна быть очень маленькой.

Ученым поначалу казалось, что на протяжении своей жизни звезды проходят путь вдоль главной последовательности — постепенно теряя энергию и остывая. Однако в действительности все выглядит сложнее. «Новорожденная» звезда почти сразу «садится» на главную последовательность, а ее место в ней зависит прежде всего от массы — чем больше масса, тем более высокое место она занимает. Там звезда и проводит большую часть своей жизни. Потому-то на главной последовательности и «собралось» наибольшее количество звезд.

Но когда водородное «горючее» подходит к концу, звезда начинает менять свой облик. Ее оболочка начинает разбухать, звезда стремительно увеличивается и переходит в класс красных гигантов, меняя место на диаграмме. Затем остывающая оболочка сбрасывается — и остается только раскаленное ядро звезды. На свет появляется новый белый карлик.

Так живут звезды главной последовательности, в том числе и наше Солнце. У других типов звезд «биография» и сложнее, и богаче событиями.

С помощью диаграммы Герцшпрунга-Ресселла нередко удается определять и возраст удаленных звездных скоплений. Если все звезды скопления лежат на главной последовательности — скопление молодое, если часть звезд уже покинула главную последовательность — его возраст на порядок больше.

Ранние спектральные классы) в правый нижний угол (низкие светимости, поздние спектральные классы) диаграммы. Звёзды главной последовательности имеют одинаковый источник энергии («горение» водорода, в первую очередь, CNO-цикл), в связи с чем их светимость и температура (спектральный класс) определяются их массой :

L = M 3,9 ,

где светимость L и масса M измеряются в единицах солнечной светимости и массы, соответственно. Поэтому начало левой части главной последовательности представлено голубыми звёздами с массами ~50 солнечных , а конец правой - красными карликами с массами ~0,0767 солнечных.

Существование главной последовательности связано с тем, что стадия горения водорода составляет ~90 % времени эволюции большинства звёзд: выгорание водорода в центральных областях звезды приводит к образованию изотермического гелиевого ядра, переходу к стадии красного гиганта и уходу звезды с главной последовательности. Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию белых карликов , нейтронных звёзд или чёрных дыр .

Участок главной последовательности звёздных скоплений является индикатором их возраста: так как темпы эволюции звёзд пропорциональны их массе, то для скоплений существует «левая» точка обрыва главной последовательности в области высоких светимостей и ранних спектральных классов, зависящая от возраста скопления, поскольку звёзды с массой, превышающий некий предел, заданный возрастом скопления, ушли с главной последовательности (см. рис., чётко видна точка ухода с главной последовательности на ветвь красных гигантов). Время жизни звезды на главной последовательности $\backslash tau\_\{\backslash rm\; MS\}$ в зависимости от начальной массы звезды M по отношению к современной массе Солнца $\backslash begin\{smallmatrix\}M\_\{\backslash bigodot\}\backslash end\{smallmatrix\}$ можно оценить по эмпирической формуле:

$\backslash begin\{smallmatrix\}\; \backslash tau\_\{\backslash rm\; MS\}\backslash \; \backslash approx\; \backslash \; 6\backslash cdot\backslash \; 10^\{9\}\; \backslash text\{лет\}\; \backslash cdot\; \backslash left[\; \backslash frac\{M\_\{\backslash bigodot\}\}\{M\}\; +\; \backslash \; 0.14\; \backslash right]^\{4\}\; \backslash end\{smallmatrix\}$

Напишите отзыв о статье "Главная последовательность"

Примечания

См. также

Литература

Эволюция Протозвёзды Типы Останки Обычное вещество Сверхплотные Гипотетические «Недозвёзды» Строение Нуклеосинтез Свойства Списки

Отрывок, характеризующий Главная последовательность

«Однако, кажется, никто не заметил», думал про себя Ростов. И действительно, никто ничего не заметил, потому что каждому было знакомо то чувство, которое испытал в первый раз необстреленный юнкер.
– Вот вам реляция и будет, – сказал Жерков, – глядишь, и меня в подпоручики произведут.
– Доложите князу, что я мост зажигал, – сказал полковник торжественно и весело.
– А коли про потерю спросят?
– Пустячок! – пробасил полковник, – два гусара ранено, и один наповал, – сказал он с видимою радостью, не в силах удержаться от счастливой улыбки, звучно отрубая красивое слово наповал.

Преследуемая стотысячною французскою армией под начальством Бонапарта, встречаемая враждебно расположенными жителями, не доверяя более своим союзникам, испытывая недостаток продовольствия и принужденная действовать вне всех предвидимых условий войны, русская тридцатипятитысячная армия, под начальством Кутузова, поспешно отступала вниз по Дунаю, останавливаясь там, где она бывала настигнута неприятелем, и отбиваясь ариергардными делами, лишь насколько это было нужно для того, чтоб отступать, не теряя тяжестей. Были дела при Ламбахе, Амштетене и Мельке; но, несмотря на храбрость и стойкость, признаваемую самим неприятелем, с которою дрались русские, последствием этих дел было только еще быстрейшее отступление. Австрийские войска, избежавшие плена под Ульмом и присоединившиеся к Кутузову у Браунау, отделились теперь от русской армии, и Кутузов был предоставлен только своим слабым, истощенным силам. Защищать более Вену нельзя было и думать. Вместо наступательной, глубоко обдуманной, по законам новой науки – стратегии, войны, план которой был передан Кутузову в его бытность в Вене австрийским гофкригсратом, единственная, почти недостижимая цель, представлявшаяся теперь Кутузову, состояла в том, чтобы, не погубив армии подобно Маку под Ульмом, соединиться с войсками, шедшими из России.
28 го октября Кутузов с армией перешел на левый берег Дуная и в первый раз остановился, положив Дунай между собой и главными силами французов. 30 го он атаковал находившуюся на левом берегу Дуная дивизию Мортье и разбил ее. В этом деле в первый раз взяты трофеи: знамя, орудия и два неприятельские генерала. В первый раз после двухнедельного отступления русские войска остановились и после борьбы не только удержали поле сражения, но прогнали французов. Несмотря на то, что войска были раздеты, изнурены, на одну треть ослаблены отсталыми, ранеными, убитыми и больными; несмотря на то, что на той стороне Дуная были оставлены больные и раненые с письмом Кутузова, поручавшим их человеколюбию неприятеля; несмотря на то, что большие госпитали и дома в Кремсе, обращенные в лазареты, не могли уже вмещать в себе всех больных и раненых, – несмотря на всё это, остановка при Кремсе и победа над Мортье значительно подняли дух войска. Во всей армии и в главной квартире ходили самые радостные, хотя и несправедливые слухи о мнимом приближении колонн из России, о какой то победе, одержанной австрийцами, и об отступлении испуганного Бонапарта.
Князь Андрей находился во время сражения при убитом в этом деле австрийском генерале Шмите. Под ним была ранена лошадь, и сам он был слегка оцарапан в руку пулей. В знак особой милости главнокомандующего он был послан с известием об этой победе к австрийскому двору, находившемуся уже не в Вене, которой угрожали французские войска, а в Брюнне. В ночь сражения, взволнованный, но не усталый(несмотря на свое несильное на вид сложение, князь Андрей мог переносить физическую усталость гораздо лучше самых сильных людей), верхом приехав с донесением от Дохтурова в Кремс к Кутузову, князь Андрей был в ту же ночь отправлен курьером в Брюнн. Отправление курьером, кроме наград, означало важный шаг к повышению.