Общие черты астрономии. ЛЕКЦИИ ПО АСТРОНОМИИ. Астрономию, с древнегреческого наука о законах, которым подчиняются звезды ( звезда закон). Если расширить понятие и не ограничиваться звездами, это наука о движении и взаимодействии внеземных объектов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Солнце – ближайшая к нам звезда. Внутреннее строение Что мы увидим на небе, в большей степени зависит от Солнца – для Земли это основной источник освещения. Ночью, когда Солнца не видно, становятся видны другие источники света – звезды. Речь идет именно об источниках в том смысле, что они излучают, а не отражают свет, поэтому Луна и планеты не в счет. Среди видимых звезд Солнце не обладает уникальными характеристиками. По размеру, расстоянию от центра галактики, по массе, составу, возрасту и т. п. это скорее средняя звезда.  Каково внутреннее строение Солнца? Есть слой толщиной 200–300 км, который мы можем видеть. Видимую поверхность Солнца назвали фотосферой. Ниже плотность газа настолько велика, что он непрозрачен. Свойства солнечной атмосферы выше фотосферы можно изучать различными методами, но о том, что происходит ниже, ученые узнают только по результатам математического моделирования.  В фотосфере Солнца плотность приблизительна такая, как в атмосфере Земли Глубже давление, плотность и температура вещества возрастают, и в центре Солнца плотность в 160 раз больше плотности воды (а ведь там в основном водород и гелий!). В отличие от газовых гигантов Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, которые внутри жидкие, Солнце всюду можно описать моделью газа, т. к. при температурах в миллионы кельвинов разрушаются любые молекулярные связи и все атомы свободно движутся. Газ на Солнце ионизирован, т. е. является плазмой. Солнце является стабильной звездой, оно не сжимается и не расширяется. Это означает, что гравитационные силы, стремящиеся сжать эту звезду, уравновешиваются давлением внутри нее. Если бы температура внутри Солнца была меньше 15 миллионов К , давление внутри него не смогло бы предотвратить гравитационный коллапс. Кроме того, изучая физическую историю Земли, ученые видят, что мощность излучения Солнца практически не менялась в течение миллиардов лет. Из этого следует, что внутри Солнца имеется источник энергии. Обеспечить мощность солнечного излучения (  ) в течение миллиардов лет может только термоядерный синтез, который, как и у других звезд, происходит в ядре (центральной области) светила тепло (то есть энергия), как мы знаем из термодинамики, передается от горячего центра к менее нагретой поверхности (фотосфере).Вблизи ядра передача энергии происходит фотонами через зону лучистого переноса далее к поверхности энергия передается конвекцией, огромные (в сотни километров) «пузыри» горячего газа поднимаются к поверхности, где охлаждаются и вновь погружаются вниз. Перенос энергии к поверхности Солнца Зону, где происходят ядерные реакции, выделили как ядро, и выше его границы начинается зона лучистого переноса. Почему здесь преобладает этот механизм передачи энергии? Распространение излучения, которое происходит в прозрачных средах, здесь невозможно, потому что при такой плотности и при таком сжатии газа он не пропускает свет. Конвекция в этой зоне тоже невозможна, так как водород здесь сжат настолько плотно, что атомы не могут меняться местами, вещество не может перемешиваться (а это необходимое условие для конвекции). К тому же для конвекции нужна разность температур, которая в зоне лучистого переноса недостаточна: сжатый ионизированный водород обладает высокой теплопроводностью. Поэтому испускаемым квантам энергии некуда больше деться, кроме как поглотиться соседними атомами. Возбужденное состояние атома нестабильно, поэтому он переизлучает энергию – так она распространяется. Медленно, но более быстрые механизмы здесь невозможны. Что же меняется ближе к поверхности Солнца? На некоторой глубине давление и плотность вещества становятся достаточными, чтобы вещество могло смешиваться, атомы уже не так сильно прижаты друг к другу. Это и считается границей зоны лучистого переноса. Хотя переизлучение энергии от атома к атому никуда не исчезает, энергия намного быстрее передается посредством конвекции, здесь она становится основным механизмом, поэтому эту зону и назвали зоной конвекции. Для прямого излучения вещество по-прежнему непрозрачно. Ту область, еще ближе к поверхности, где становится возможно распространение излучения, где фотоны как бы «вырываются на свободу» из непрозрачного вещества, назвали фотосферой. Казалось бы, в зоне лучистого переноса энергия движется быстрее (со скоростью света), чем в конвективной зоне. Но это не так, в зоне лучистого переноса, где очень велика плотность, в частности оптическая, фотон может пройти лишь расстояние порядка сантиметра, он затем поглощается атомом и излучается, возможно, в другом направлении и с другой частотой. И опять, пройдя сантиметр, поглощается и излучается и так далее, т. е. фотон движется как человек в толпе. Фотоны мы привыкли ассоциировать с видимым излучением, поэтому правильнее говорить, что движется квант энергии: в ядре образуются высокоэнергичные γ-кванты, а фотосферы достигают фотоны, с меньшей энергией. Путь от ядра до фотосферы энергия проходит, по разным оценкам, от сотен тысяч до десятков миллионов лет! Свет, который поступает к нам сейчас, мог зародиться в центре Солнца до возникновения человека как вида. Конвективная зона толщиной около 200 000 км доступна для наблюдения со стороны фотосферы, мы видим поверхность непрозрачного вещества, вот как она выглядит в телескопе (рис. 5). Фотосфера при большом увеличении выглядит гранулированной. Светлые гранулы – это и есть верхушки восходящих потоков, горячие газовые «пузыри», поднимающиеся из глубины Солнца. Темные участки – это «охладившийся» газ, погружающийся внутрь. Процесс появления и исчезновения гранулы длится 5–10 минут. С тем, как энергия распространяется, разобрались, но откуда она берется? Обсудим источник солнечной энергии. Производство энергии на Солнце происходит за счет превращения водорода в гелий в процессе, который называется ядерным синтезом – слиянием двух или более ядер в одно более тяжелое ядро. Чтобы два ядра водорода (два протона) могли слиться, они должны сблизиться на расстояния порядка их размера (10-15 м), но уже на расстоянии, в 10 раз большем (10-14 м), сила электростатического отталкивания протонов равна 2 Н – для протонов с их мизерной массой это огромная сила. Поэтому сблизиться настолько, чтобы попасть в область действия сильного взаимодействия (это оно удерживает протоны и нейтроны в ядрах), могут только протоны, имеющие огромную скорость. Это то условие, которое трудно обеспечить в промышленных масштабах, чтобы осуществить контролируемую реакцию. В центре же большинства звезд температура 10–20 млн K, при такой температуре средняя скорость частиц составляет сотни километров в секунду и самые энергичные из них могут преодолеть электростатическое отталкивание. Внешние слои Солнца Естественно, у газового шара не может быть строгой границы и четкой поверхности. Над фотосферой, которую мы уже обсудили, располагается область, которую назвали внешней атмосферой аналогии с газовой оболочкой планет. Газ над фотосферой прозрачен для света. В солнечной атмосфере выделяют два слоя: нижний, толщиной в несколько тысяч км, – хромосфера; верхний, простирающийся на десятки радиусов Солнца, – корона. Эти слои видны при полном солнечном затмении. Хромосфера (chromo – греч. «цвет») видна как кольцо красного цвета вокруг Солнца. Цвет в основном определяется яркой красной линией водорода (656 нм) в спектре излучения. По этому спектру было определено, что температура хромосферы меняется от 2500 K на уровне фотосферы до 50 000 K на высоте 2000 км. Выше 2000 км начинается корона. Спектр излучения короны отличается, в нем нет спектральных линий водорода и других элементов, встречающихся в спектрах фотосферы и хромосферы. Зато в спектре короны обнаружены линии, лишенных многих электронов атомов железа, никеля и др. Чтобы так «раздеть» атомы от электронов, температура короны должна достигать 1–2 млн K. Именно такая температура в солнечной короне. Причина резкого повышения температуры атмосферы, начиная с высоты 2000 км, точно не известна, но все предлагаемые гипотезы считают, что это определяется действием магнитного поля Солнца на ионизированный газ (плазму). Плотность газа в короне очень низка, и поэтому суммарная энергия содержащихся там атомов сравнительно невелика. В основании короны  содержит всего  атомов, сравните с  в фотосфере Солнца и с  в атмосфере Земли на уровне моря.Как и на Земле, магнитное поле Солнца возникает за счет вращения электропроводящего материала во внутренней его части. С тем отличием, что в Земле это расплавленное железо, а в Солнце – ионизированный газ. В магнитном поле заряженные частицы движутся по спирали вокруг силовых линий магнитной индукции. Почему заряженные частицы именно так движутся в магнитном поле? Ответить на этот вопрос вы сможете, вспомнив уроки физики, на которых мы изучали действие магнитного поля на движущиеся частицы с силой Лоренца. Солнечная атмосфера производит поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер водорода) и электронов, который называют солнечным ветром. Частицы движутся со скоростью порядка 400 км/с. Солнечный ветер возникает потому, что при высокой температуре в короне атомы газов движутся со скоростями, большими первой космической скорости для Солнца, т. е. гравитация не может их удержать. Солнечный ветер был открыт по его действию на хвосты комет. На предыдущих уроках мы рассматривали, что он отклоняет газовые кометные хвосты в направлении от Солнца. Газ солнечного ветра очень разрежен, но, поскольку поверхность Солнца огромна, солнечный ветер уносит 10 миллионов тонн вещества в год. Хотя, конечно, по сравнению с массой Солнца — это совсем немного. На Земле солнечный ветер вызывает полярные сияния , заряженные частицы космического излучения направляются магнитным полем в области магнитных полюсов.  Рис. Образование полярных сияний Разные слои Солнца, в частности внешние, постоянно пребывают в динамике: там распространяется энергия, происходит смешивание вещества, протекают потоки. Естественно, могут возникать неоднородности и нарушения динамического равновесия. Мы их видим, как солнечные пятна, протуберанцы и вспышки. Солнечное пятно – это большая темная область фотосферы, которая сохраняется в течение нескольких дней. Наблюдения движения темных пятен доказали вращение Солнца вокруг собственной оси и различие периодов вращения на экваторе и вблизи полюсов Солнца. Температура солнечного пятна порядка 4500 K, и оно кажется темным только в сравнении с обычными участками фотосферы, где температура 6000 K. Считается, что снижение температуры в темном пятне вызывается резкой флуктуацией магнитного поля (оно становится в тысячи раз мощнее), которая локально препятствует нормальной конвекции – поднятию раскаленного газа к поверхности. Резкое повышение напряженности магнитного поля (как в области солнечного пятна) может объясняться циклонами на Солнце, подобными циклонам в земной атмосфере. Солнечный циклон затягивает газ, а в него вморожено магнитное поле (что значит этот термин – подробнее в ответвлении). Таким образом, при затягивании газа в циклон в центре циклона магнитное поле увеличивается, что охлаждает газ и увеличивает силу циклона и т. д. по нарастающей. Солнечные пятна часто возникают парами. В этом случае магнитные поля в них имеют разную полярность и магнитные силовые линии образуют арку: выходя из одного пятна, уходят вглубь Солнца в другом пятне. Протуберанцами назвали мощные факелы светящегося газа, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы в корону. Они вызываются флуктуациями магнитного поля в прозрачном и менее плотном горячем газе над видимой поверхностью Солнца. Протуберанцы возникают в тех областях атмосферы, куда магнитное поле уменьшает приток тепла. Эти области становятся холоднее, и, следовательно, давление газа в них становится меньше, чем в окружении. Горячий газ как бы запечатывает в протуберанце более холодный газ. Протуберанец, захваченный в такую магнитную ловушку, может сохраняться несколько недель. Если протуберанец вызван магнитным полем пары связанных солнечных пятен, то поток газа в протуберанце направлен по магнитной арке от одного пятна к другому. Вспышки на Солнце – это краткие (в минуты или часы) очень яркие выбросы горячего газа в хромосферу. Спектр излучения вспышки от радиоволн до ультрафиолета, а яркость в тысячу раз больше обычной. Процесс возникновения вспышек на Солнце пока понятен не полностью, но считается, что и он зависит от флуктуаций магнитного поля. Иногда вспышки бывают настолько интенсивными, что раскаленные газы выбрасываются в корону и далее. Если поток газов направлен в сторону Земли, то через несколько дней он достигает ее и вызывает особенно яркие полярные сияния. Такие солнечные вспышки вызывают магнитные бури на Земле, деформируя ее магнитное поле (снова эффект вмороженности), создают радиопомехи, могут испортить электронные приборы. Эти явления наблюдаются то чаще, то реже – в этом попытались уловить закономерность. Наблюдения показали, что среднее количество солнечных пятен меняется год от года с периодом приблизительно 11 лет, этот процесс называется солнечным циклом. С тем же периодом меняется количество вспышек, протуберанцев на Солнце, интенсивность полярных сияний на Земле. Поэтому солнечный цикл логично называть также циклом солнечной активности. Сложно сказать, почему период именно такой, но повлиять мы на это не можем. А вот солнечная активность оказывает влияние на климат и погоду на Земле. Это влияние не является определяющим, так как другие факторы (парниковый эффект, извержения вулканов, разрушение озонового слоя и т. п.) оказывают больший эффект на климат. Тем не менее солнечный ветер, интенсивность которого напрямую связана с солнечной активностью, меняет распределение температуры в верхних слоях атмосферы Земли. Это, в свою очередь, меняет атмосферную циркуляцию и, следовательно, время и место возникновения циклонов, выпадения осадков. Физическая природа звезд Большинство звезд очень похожи на Солнце, поэтому для них характерно многое из того, что мы говорили о нашем светиле. Например, они состоят в основном из водорода и гелия, имеют сравнимые массы. Но есть и сильно отличающиеся от Солнца звезды. Так, небольшая доля звезд имеет массы, в 30 и более раз превышающие массу Солнца, или, наоборот, массы менее 10 % солнечной. Более того, и при сравнимых с Солнцем массах некоторые звезды отличаются от него размерами и, следовательно, плотностью. Среди них есть гиганты, радиус которых больше радиуса орбиты Земли, и карлики размером с Землю при массе, близкой к солнечной. Рассмотрим, чем они похожи и чем друг от друга отличаются. Чтобы сравнивать звезды, нам нужно их описывать с помощью физических величин. Некоторые мы перечислили: это массы, размеры, еще важны характеристики излучения. Важно также, на каком расстоянии от нас находится звезда. К настоящему времени с достаточной точностью могут быть определены расстояния до миллиарда звезд. Это делается специальными спутниками, измеряющими параллаксы звезд. Параллакс звезды – это половина углового смещения звезды за полгода или угол, под которым со звезды можно было бы увидеть радиус орбиты Земли. В астрономии есть единица длины парсек – это расстояние, с которого радиус орбиты Земли виден под углом 1 угловая секунда, т. е. равен  .  . Ближайшая к Земле после Солнца звезда (Проксима Центавра) находится на расстоянии 1,3 парсека. Связь между светимостью и спектральном классом звезды отмечают на диаграмме Герцшпрунга – Рассела (или H-R), названной по именам астрономов, которые первые построили такие диаграммы Рассмотрим, чем отличается внутреннее строение звезд разных групп в классификации. Звезды главной последовательности У всех звезд главной последовательности источником энергии являются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Эффективность этих реакций зависит от температуры. При этом чем больше масса звезды, тем выше температура в ее ядре и тем выше темп выделения энергии. Поэтому главная последовательность является и последовательностью масс звезд, т. е. звезды с массой, большей массы Солнца, расположены в главной последовательности выше, а менее массивные звезды – ниже. Строение звезд с массами, сравнимыми с массой Солнца, такое же, как у Солнца. У более массивных звезд скорость выделения энергии в термоядерных реакциях так велика, что лучистый перенос не успевает уносить энергию к поверхности и происходит конвективный перенос. У значительно меньших по массе звезд главной последовательности зоны конвективного переноса нет, а у гигантов, напротив, отсутствует зона лучистого переноса и конвективная зона начинается практически в центре звезды. |