Тема Спектры, цвет и температура звезд. Диаграмма «спектр — светимость»

Тема 5.4 Спектры, цвет и температура звезд. Диаграмма «спектр — светимость»

1. Спектральная классификация звезд

2. Зависимость цвета звезд от температуры

3. Эффект Доплера и его применение в астрономии

4. Диаграмма «спектр-светимость»

1. Спектральная классификация звезд

Звезды отличаются большим разнообразием, однако среди них можно выделить отдельные группы, обладающие общими свойствами.

При первом знакомстве со звездным небом обращает на себя внимание тот факт, что звезды разнятся по цвету. Гораздо сильнее это заметно при рассмотрении спектров. Важнейшие различия спектров звезд заключаются в количестве и интенсивности наблюдаемых спектральных линий, а также в распределении энергии в непрерывном спектре. С учетом видов спектральных линий и их интенсивности строится спектральная классификация звезд.

В Гарвардской обсерватории (США) в 20-е гг. ХХ в. была разработана классификация спектров звезд, в которой последовательность спектральных классов обозначается заглавными буквами латинского алфавита. Тонкие различия внутри каждого класса дополнительно подразделяют на 10 подклассов — от 0 до 9. Например, Солнце принадлежит к спектральному классу G2.

Данная последовательность спектральных классов отражает уменьшение температуры атмосфер (фотосфер) звезд от класса О к классу L. Спектральная последовательность одновременно является и цветовой: звезды класса О имеют голубоватый цвет, класса В — голубовато-белый, А — белый и т. д. Для запоминания этой последовательности используется следующая фраза (мнемоническое правило): Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь.

Химический состав атмосфер большинства звезд почти одинаков. Наружные слои звезд состоят из водородно-гелиевой смеси с очень малой добавкой более тяжелых элементов. Например, аналогично Солнцу другие звезды содержат в своих атмосферах 73 % водорода, 25 % гелия и 2 % всех остальных элементов.

2. Зависимость цвета звезд от температуры

Различия в спектрах звезд определяются главным образом различиями температуры. В фотосферах холодных звезд могут существовать простейшие молекулы. Поэтому характерными деталями спектров звезд классов М и L являются широкие полосы поглощения молекул. При более высоких температурах молекулярные соединения распадаются. В таких спектрах пропадают спектральные полосы молекулярных соединений, зато появляются линии, соответствующие нейтральным металлам. Таким образом, спектральная классификация звезд — это температурная классификация звездных спектров, основанная на оценках относительной интенсивности и вида спектральных линий. В настоящее время спектральной классификацией охвачено более 500 тыс. звезд.

3. Эффект Доплера и его применение в астрономии

Эффектом Доплера называют изменение частоты и длины волн, вызванное перемещением в пространстве их источника и приемника. При этом, волновая скорость будет зависеть от особенностей среды, в которой происходит движение. Источник, выпустивший волны, уже никак не может повлиять на них.

Волна определяется длиной и частотой.

Первое – это расстояние между самой высокой и самой низкой точкой волны.

Второй – количество самых высоких точек (гребней, пиков – называйте как угодно), достигнутое за секунду. Эти характеристики связаны скоростью распространения волн. В разных средах она тоже будет изменяться.

Все это звучит довольно тяжело и непонятно, но на деле все просто. Если источник волн и приемник начинают двигаться, то частота либо увеличивается, либо уменьшается. Зависит от того, в какую сторону относительно друг друга они двигаются: приближаются или удаляются. И это изменение частоты напрямую зависит от скорости источника, который двигается к приемнику волн либо от него.

Первым данную зависимость обнаружил австрийский физик и математик Кристиан Доплер в 1842 году. На эффекте Доплера основывается множество методов изучения характеристик удаленных комических объектов, например, спектральный анализ.

Применение спектрального анализа позволяет узнать о составе того или иного космического объекта. Это становится возможным благодаря наблюдению через призму спектрометра, в которой можно рассмотреть линии химических элементов. Эффект Доплера позволил Эдвину Хабблу узнать, что галактики отдаляются друг от друга, так как он обнаружил их красное смещение. Это еще раз подтверждает, что Вселенная расширяется.

Сегодня эффект Доплера помогает обнаруживать новые экзопланеты и даже целые планеты-гиганты. Эти громадины, вращаясь вокруг своей звезды, вызывают смещение в ее спектре, благодаря чему их и находят. Таким образом, за первое десятилетие 21 века было обнаружено несколько сотен различных планет.

4. Диаграмма «спектр-светимость»

Открытие двух астрономов известно, как диаграмма Герцшпрунга — Рессела, или диаграмма спектр — светимость.

По горизонтальной оси диаграммы Герцшпрунга — Рессела были отложены спектральные классы в порядке понижения температур звезд, начиная со спектрального класса О (очень горячие звезды) слева и заканчивая спектральным классом М (относительно холодные звезды) справа.

По вертикальной оси были отложены светимости или абсолютные звездные величины. Каждая звезда имеет какую-то определенную абсолютную величину и относится к какому-то определенному спектральному классу, а потому может быть представлена точкой в определенном месте диаграммы.

В среднем чем горячее звезда, тем она ярче. Поэтому чем левее находился на диаграмме спектральный класс исследуемой звезды (и значит, чем больше была ее температура), тем выше оказывалась она по шкале абсолютных величин.

В результате большинство звезд, нанесенных Ресселом на диаграмму, расположилось по диагонали от верхнего левого угла к нижнему правому. Они образуют так называемую главную последовательность.

По современной оценке, более 90% всех доступных нашему наблюдению звезд попадают на главную последовательность.

Диаграмма Герцшпрунга — Рессела дает возможность (хотя порой и достаточно приблизительно) найти абсолютную величину нужной звезды по ее спектральному классу (особенно точно это работает для спектральных классов O—F), оценить ее примерный возраст и представить ближайшее будущее и прошлое наблюдаемого объекта.

С красными звездами ситуация обстоит сложнее – здесь не всегда можно сходу различить гиганта и карлика, однако при наличии опыта, даже здесь не должно возникнуть ошибок.