Реферат по астрономии. реферат. Реферат По дисциплине Астрономия

• Название: Реферат По дисциплине Астрономия
• Анкор: Реферат по астрономии
• Дата: 31.03.2023
• Размер: 35.21 Kb.
• Имя файла: реферат.docx
• Тип: Реферат; #1028243

Колледж Читинского института (филиала) ФГБОУ ВО Байкальского государственного университета

Реферат

По дисциплине «Астрономия»

Тема: Цефеиды. Новые и сверхновые звёзды.

Выполнил

Студент группы ЗКД-21-9

Тимофеев Глеб Михайлович

Цефеиды

Астрономы называют цефеиды маяками Вселенной, так как при помощи этих звезд можно точно рассчитать расстояние до отдаленных космических объектов.

• 
  Переменные звёзды:
  

Цефеиды — это особый класс регулярных переменных звезд. Наиболее известной их представительницей является Полярная звезда, которая по сегодняшний день служит заблудившимся путникам ориентиром, показывая в северном полушарии точное направление на север. Переменные звезды получили свое название благодаря тому, что их излучение субъективно воспринимается, как переменное – эти звезды, словно лампочки новогодней гирлянды, мигают нам из далеких глубин галактик. Их мигание вызвано рядом физических процессов, которые происходят внутри этих небесных тел. В астрономическом сообществе они широко известны, как природа переменности цефеид. Суть этих процессов сводится к тому, что в верхних слоях звезд нарушены процессы газового давления и тяготения, из-за чего радиус звезды периодически сжимается, что наблюдателем воспринимается не иначе, как пульсация. Сжатие радиуса звезды прямым образом влияет на температуру ее поверхности. Так, уменьшение радиуса цефеиды на 15% способно вызвать увеличение температуры звезды более чем на 1000 градусов по Кельвину. Вместе с изменением длины радиуса звезды, изменяется и ее звездная величина – блеск. При минимальном радиусе звезда излучает максимальное количество света, а с увеличением радиуса количество излучаемого света становится меньше.

• Происхождение названия

Название «Цефеиды» происходит от наименования одноименной звезды Дельта Цефея. Звездная величина этого небесного светила меняется каждые пять дней в диапазоне от 3,6 до 4,3 единиц.

• 
  Физические характеристики:
  

Цефеиды – это обычно гиганты и сверхгиганты, относящиеся к спектральным классам F и G. Эти звезды в несколько тысяч раз ярче нашего Солнца, что не всегда пропорционально их массе. Например, встречаются цефеиды масса которых составляет всего четверть солнечной. Однако есть среди них гиганты, вес которых превосходит массу нашей звезды в сорок раз. Часто среди цефеид встречаются двойные звезды, однако существуют и цефеиды-одиночки, которые также отличаются высокой степенью свечения.

• 
  Значимость в астрономии
  

Астрономы называют цефеиды маяками Вселенной. Причина этого в том, что эти небесные тела позволяют вычислить расстояние к удаленным космическим объектам, в частности галактикам. Происходит это следующим образом. Допустим, вы обнаружили цефеиду в другой галактике. Первое, что вам нужно сделать – это вычислить период ее пульсации, благодаря которому вы сможете измерить светимость звезды. Сравнив последнюю величину с ее видимым блеском, можно узнать расстояние до звезды, а также до галактики, в которой вы ее обнаружили.

• 
  Интересные факты
  

• 
  Светимость цефеид напрямую зависит от периода их пульсации: чем больше период, тем интенсивнее светимость звезды;
  
• 
  Большинство цефеид можно увидеть невооруженным глазом. Многие из них удалены от Земли на расстоянии свыше 60 млн. световых лет;
  
• 
  Первая открытая астрономами звезда переменного типа – Дельта Цефея. В честь нее описанный выше класс звезд и получил свое название.
  

Новые и сверхновые звёзды

Величественное спокойствие звездного ночного неба всегда произвело на человека глубокое впечатление. Такая "мирная" картина Вселенной, которая возникает в человеческом воображении, объясняется не только относительной краткостью человеческой жизни и всей истории человечества, но и тем, что информация о самых быстрых, самых взрывоопасных процессах, буквально мгновенно, даже в человеческом плане, приносит нам в основном электромагнитные излучения тех типов, которые не могут быть замечены глазом и обычными наземными телескопами. Теория эволюции звезд, гигантских газовых облаков и других небесных тел показала неизбежность катастрофически быстрых изменений на определенных этапах их жизни. В результате сложилась сложная, порой противоречивая, и во многом до сих пор неясная картина турбулентных, сильно переходных явлений во Вселенной.

Не все звезды проходят "тихий" путь своей эволюции (эволюции "нормальной" звезды), т.е. от момента своего рождения в виде сгустка сокращающейся туманности газовых пылей до глубокой "старости" - сверхплотного холодного "черного" карлика. Некоторые взрываются на последней стадии своей эволюции и разряжаются в огромный космический фейерверк. В таких случаях извержение называют "сверхновой" звездой. Сверхновая может иметь светимость около 500 миллионов солнц.

От "сверхновых" звезд следует отличать "нормальные" новые звезды. Взрывная сила этих звезд в тысячи раз меньше, чем у сверхновых. Новые звезды извергаются относительно часто (в нашей галактике происходит около 100 извержений в год). Новые звезды характеризуются неоднократными всплесками, которые не приводят к существенному изменению структуры звезд. Напротив, извержение сверхновой - это радикальное изменение и даже частичное разрушение структуры звезды.

Пока мы не знаем ни о каких катастрофах, масштаб которых был бы больше, чем у сверхновых. (Хотя удивительные объекты, взрывающиеся галактические ядра, несравнимо более зрелищные, чем сверхновые, кажется, были обнаружены совсем недавно).

Всего за несколько дней взрывающаяся звезда увеличивает свою яркость в сотни миллионов раз. Бывает, что одна звезда за короткое время излучает больше света, чем миллиарды звезд в галактике, где произошел взрыв.

Конечно, мощный космический взрыв приводит к гибели самой звезды и катастрофическим последствиям в непосредственной близости от нее. Однако факт космического взрыва в контексте сохранения и перераспределения энергетического баланса галактик, скорее всего, не случаен, а естественен.

• Взрывы сверхновой в нашей Галактике

В отличие от вспышек "обычных" новых звезд, этот феномен является одним из очень редких. В нашей галактике около 100 миллиардов звезд. Подсчитано, что ежегодно рождается около 1-10 новых звезд. Напротив, сверхновые извергаются в среднем раз или два в столетие. Поэтому такие вспышки редко наблюдаются в других галактиках. Если несколько сотен галактик систематически "под наблюдением", то весьма вероятно, что хотя бы в одной из этих галактик в течение года произойдет вспышка сверхновой. В настоящее время ежегодно обнаруживается около 20-30 внегалактических сверхновых. Их общее количество достигает почти 600.

Тем не менее, история сохранила значительное количество хроник и даже научных работ, содержащих описания взрывов сверхновой в нашей галактике. Например, сохранились некоторые китайские хроники, описывающие появление "гостевой звезды" на небе в июле 1054 года в созвездии Тельца. Эта звезда была настолько яркой, что ее можно было видеть даже днем, ее яркость превосходила яркость Венеры, самой яркой звезды на небе после Солнца и Луны. В течение нескольких месяцев звезда была видна невооруженным глазом, затем она постепенно потускнела.

С 1054 года в нашей галактике были открыты еще две сверхновые: одна в 1572 году датским астрономом Тихо Браге и другая в 1604 году Иоганном Кеплером. Потом был перерыв в три века. Тем не менее, сверхновые все еще могут быть обнаружены после их гибели, благодаря их воздействию на окружающую межзвездную среду и через остатки, оставшиеся после взрыва.

• Туманность

• Крабовидная туманность.

Через семь с половиной веков после взрыва сверхновой в 1054 году французский астроном Шарль Мессье, составляя свой знаменитый каталог туманностей, поместил под номером 1 предмет необычной формы, который впоследствии получил название "Крабовидная туманность". Этот объект не виден невооруженным глазом. Его изображение было получено путем длительного экспонирования фотопластинки в одной из самых современных астрономических обсерваторий. Волокнистая структура яркого предмета немного похожа на крабовую туманность, поэтому его и назвали Крабовидной туманностью. Для астрономов эта структура является признаком турбулентной активности в центре объекта. Признаки активности становятся еще более очевидными после детального изучения туманности. Например, измерения скорости светящегося вещества туманности показали, что оно удаляется от центра объекта со скоростью около 1000 км/с и более. Более поздние исследования в радио- и рентгеновском диапазонах показали, что Крабовидная туманность также излучает радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-излучение. Считается, что этот замечательный объект является остатком звездного взрыва, произошедшего много веков назад, в июле 1054 года. Дальнейшие наблюдения показали, что Крабовидная туманность медленно расширяется, как будто "рассеивается" по небу. Поскольку расстояние до этой туманности равно 2000 шт, значительное увеличение ее размеров в небе означает, что скорость образующихся в ней газов достигает 1500 км/с, то есть более чем в 100 раз быстрее, чем у искусственных спутников. Между тем, скорость обычных газовых туманностей в Галактике редко превышает 20-30 км/сек. Только взрыв гигантского масштаба мог дать такую большую массу газа с такой высокой скоростью. Из наблюдаемой скорости распространения Крабовидной туманности следует, что около 900 лет назад вся туманность была сконцентрирована в очень маленьком объеме, и что эта туманность является не более чем остатком большой космической катастрофы - взрыва сверхновой.

• 
  Как отличить туманности - остатки взрывов сверхновой - от туманностей?
  

• Из обычных туманностей

В 1949 году было обнаружено, что Крабовидная туманность является мощным источником радиоактивности. Природа этого явления вскоре была объяснена: сверхэнергетические электроны, движущиеся в магнитных полях, обнаруженных в этой туманности, испускают излучение. Эта же причина объясняет общее радиоизлучение галактики. Поэтому вспышка сверхновой как-то производит огромное количество сверхвысокоэнергетических частиц - космических лучей. По мере того, как туманность расширяется и рассеивается, содержащиеся в ней космические лучи уходят в межзвездное пространство. Учитывая, как часто в галактике извергаются сверхновые, космических лучей, образующихся в результате этих извержений, достаточно, чтобы заполнить ими всю галактику при наблюдаемой плотности. Это первое наглядное свидетельство того, что сверхновые являются одним из основных источников пополнения космических лучей в Галактике; они также обогащают межзвездную среду тяжелыми элементами. Это имеет большое значение для эволюции звезд и галактики в целом. У Крабовидной туманности есть еще одна удивительная особенность. Его оптическое излучение составляет, по крайней мере, 95% "синхротрона" (также вызванного сверхэнергетическими электронами). На основе новой теории оптического излучения Крабовидной туманности было предсказано, что это излучение должно быть поляризовано. Наблюдения ученых полностью подтвердили этот вывод теории. С тех пор оптическое синхротронное излучение было обнаружено в ряде других объектов, в основном в радиогалактиках. В 1963 году ракета с установленными на ней приборами смогла обнаружить достаточно сильное рентгеновское излучение из Крабьей туманности. В 1964 году, когда эта туманность была оккультирована Луной, было показано, что этот источник рентгеновских лучей был расширен. Поэтому рентгеновские лучи излучала не звезда, которая когда-то извергалась как сверхновая, а сама туманность. Было показано, что рентгеновские снимки Крабовидной туманности также имеют синхротронный «характер». Рентгеновские лучи полностью поглощаются атмосферой Земли и могут наблюдаться только приборами, установленными на ракетах и спутниках. Особенно ценные результаты были получены с помощью спутника "Эйнштейн", запущенного в столетнюю годовщину со дня рождения великого ученого. Дальнейшие наблюдения показали, что все туманности - остатки извержений сверхновых - являются более или менее сильными источниками радиоизлучения, имеющими ту же природу, что и Крабовидная туманность.

Туманность в созвездии Кассиопея

Туманность Кассиопея является особенно сильным источником радиоактивности. На метровых длинах волн радиопоток от него в 10 раз превышает радиопоток от Крабовидной туманности, даже если он находится далеко от нее. При оптическом излучении эта быстрорастущая туманность очень слабая. В настоящее время туманность Cassiopeia является остатком взрыва сверхновой около 300 лет назад. Не совсем понятно, почему в то время не была открыта вспыхнувшая звезда. В конце концов, астрономия в Европе в то время была достаточно развита. Туманность IC 443 и Туманность Филаментов в созвездии Лебедь являются источниками радиоизлучения, но они в 10 раз слабее Крабовидной туманности.

Великая туманность в созвездии Ориона

Это один из многих регионов во Вселенной, которые, как считалось, переживают активное формирование звезд в наше время. Туманность расположена на расстоянии около 1500 центавров от нас. Он содержит большое количество протозвезд. В протозвездах внутренняя температура еще не достаточно высока, чтобы вызвать термоядерные реакции. Однако температура там вполне достаточна, чтобы протозвезды излучали энергию достаточно интенсивно, в основном в инфракрасной области электромагнитного спектра. В туманности Орион обнаружено много источников инфракрасного излучения; это подтверждает, что звезды все еще рождаются там.

Два вида сверхновых

До сих пор нас больше всего волновали туманности, производимые сверхновыми. Так что можно сказать о самих звездах? Как упоминалось ранее, данные наблюдений относятся к сверхновым, которые извергаются в других звездных системах. В нашей галактике последний такой всплеск наблюдался в 1604 году. Звезду наблюдал Кеплер. Телескоп еще не был изобретен, а спектральный анализ, мощный инструмент для астрономических исследований, использовался лишь примерно два с половиной столетия спустя. Из наблюдений всплесков в других галактиках было установлено, что существует два типа сверхновых. Сверхновые I типа - довольно старые звезды с массой, лишь немного превышающей массу Солнца. Такие сверхновые извергаются в эллиптических галактиках, а также в спиральных звездных системах. Радиационная мощность таких сверхновых особенно велика, хотя массы выбрасываемых газовых оболочек не превышают нескольких десятых масс Солнца. Так называемые сверхновые типа II извергаются в спиральных галактиках. Они никогда не моргают в эллиптических звездных системах. Сверхновые такого типа принято считать массивными молодыми звездами. По этой причине они обычно наблюдаются в спиральных ветвях, где звездообразование еще продолжается. Не исключено, что если не большая доля, то хотя бы значительная часть горячих массивных звезд спектрального класса О заканчивает свое существование взрывом сверхновой этого типа.

Эволюция звезд

Почему звезды взрываются? Каждая звезда взрывается? Каковы фрагменты взрывающейся звезды? Что осталось после взрыва? На все эти вопросы невозможно ответить, не зная строения и эволюции звезд. Взрыв свидетельствует о нарушении внутреннего равновесия звезды. Чтобы понять, почему и когда происходит это нарушение, мы должны прежде всего знать, как поддерживается равновесие в звездах. Поле самогравитации массивных объектов заставляет их уменьшаться. А когда врожденное давление недостаточно для предотвращения сжатия, массивные объекты разрушаются. Тот факт, что Солнце сохраняет свой размер без изменений, свидетельствует о сильном давлении внутри него. Согласно современным представлениям, звезды образуются в результате сжатия межзвездного облака газовой пыли. По мере того, как облако сжимается, оно постепенно разбивается на множество мелких кусочков. Каждый фрагмент продолжает сжиматься, становясь все горячее и горячее, особенно в центре. Эту раннюю стадию звездной жизни изучал японский астроном К. Хаяси. Когда температура в центре звезды достаточно высока, начинаются реакции синтеза - звезда, как говорится, вступает в зрелую стадию. Однако существует проблема, которая влияет на ранние стадии формирования звезд. Решение этой проблемы связано со сверхновыми. Как только звезда начинает "работать" как ядерный реактор, качественную картину ее развития можно резюмировать следующим образом. Во-первых, в результате реакций ядерного синтеза водород превращается в гелий. Это высвобождает энергию, которая не позволяет звезде сжиматься под действием собственной силы тяжести. Пока продолжаются реакции ядерного синтеза, говорят, что звезда находится в главной последовательности. Основной этап последовательности является самым длительным в жизни звезды, и его продолжительность зависит от массы звезды. Чем больше масса, тем короче время пребывания в основной последовательности, потому что массивные звезды быстрее выгорают из водорода. Когда запасы водорода исчерпываются, особенно в ядре звезды, ядро начинает сжиматься, потому что как только ядерные реакции прекращаются, звезда теряет способность противостоять гравитации. Однако, по мере уменьшения ядра, оно нагревается еще больше, и следующий цикл ядерных реакций начинается с повышением температуры. В этих реакциях гелий превращается в углерод, затем углерод превращается в кислород и неон. С каждым шагом в этой серии реакций создается все больше и больше массивных атомных ядер. Каждое атомное ядро поглощает дополнительное ядро атома гелия, увеличивая его заряд на 2 и массовое число на 4. Как только следующий тип ядра превращается в более массивные ядра следующего типа, слияние прекращается. Это приводит к ослаблению сопротивления гравитационным силам, которые в свою очередь начинают сжимать ядро звезды, еще больше повышая ее температуру. Когда температура достаточно повысится, начнется следующий цикл ядерных реакций. И пока они продолжаются, дальнейшее сжатие звезды приостанавливается. Эти реакции перемещают атомные ядра вверх по другой ступени, добавляя по одному атому гелия за раз. При достаточно высоких температурах еще более массивные ядра могут плавиться. И поэтому этот многоступенчатый процесс включения и выключения ядерных реакций продолжается.

Что происходит со звездой во время ядерных реакций?

Это зависит от массы звезды. В целом, ядро звезды все больше сжимается и нагревается, в то время как внешняя оболочка расширяется и охлаждается. Таким образом, внешний наблюдатель видит, что звезда увеличивается в размерах и становится краснее по цвету (за счет охлаждения оболочки). Такие звезды называют красными гигантами. (В то время как температура поверхности Солнца составляет около 5500 `С, температура поверхности гигантской звезды может упасть примерно до 3500 `С. По этой причине наше Солнце имеет желтоватый цвет, в то время как цвет гигантских звезд более красный)). Это как раз тот момент в жизни звезды, когда она готова выйти на сверхновую, при условии, что ее масса достаточно велика.

Предельный размер. Катастрофа

Однако существует предел размеров ядра, выше которого ядерные реакции синтеза становятся энергетически нежизнеспособными. Этот предел находится в диапазоне ядер вблизи ядра железа (массовое число 56), в так называемой группе железа, в которую входят железо, кобальт и никель. Дальнейшее прикрепление частиц к железному сердечнику уже не может привести к высвобождению энергии. В этот момент температура ядра достигает около 10 миллиардов градусов Цельсия, и звезда находится в катастрофической ситуации. Гравитация, которая ранее определяла равновесие горячей звезды, больше не может этого делать. Нестабильности развиваются в звезде, вызывая разрушение ее внешней оболочки. Эта катастрофа наблюдается как взрыв сверхновой. Звездный взрыв
Ударная волна ускоряет вещество огибающей до скоростей, превышающих параболическую скорость (скорость выхода), в результате чего огибающая отрывается от звезды и уходит в межзвездное пространство. Вот как звезда в конце концов взорвется. Для внешнего наблюдателя взрыв проявляется, как и при взрыве сверхновой 1054 года, резким увеличением яркости звезды, за которым следует постепенный, продолжительный распад. На пике своей яркости сверхновая может быть сравнима по мощности с целой галактикой до 100 миллиардов обычных звезд!

Продукты взрыва и их последствия

Продуктами такого взрыва являются атомные ядра (синтезированные в звезде), электроны, нейтрины и излучение. Атомные ядра образуют потоки космических лучей, которые распространяются на большие расстояния в нашей галактике.

Для нас, жителей Земли, было бы настоящей катастрофой, если бы взрыв сверхновой произошел на расстоянии, скажем, 100 световых лет. Высокоэнергетические космические лучи, вызванные этим взрывом, сделают ужасные вещи в земной атмосфере. Например, они могли уничтожить весь защитный озоновый слой, подвергнув всю жизнь на Земле ультрафиолетовому излучению Солнца. К счастью, взрыв сверхновой - довольно редкое событие. Шансы на взрыв сверхновой вблизи нас не более 100 световых лет в течение 1000 лет - всего один на миллион.

Взрывается ли целая звезда при взрыве сверхновой? Пульсары

Есть основания полагать, что центральное ядро звезды может выжить при взрыве. Но если да, то в какой форме? Неожиданное экспериментальное открытие в 1968 году дало очень убедительный ответ на этот вопрос. Дж. Белл, аспирант Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, использовал большой радиотелескоп для проведения измерений мерцающих радиоисточников, вызванных рассеянием радиоволн неоднородностями межпланетной среды. Помимо излучения ожидаемого типа, в нем было зарегистрировано еще одно довольно необычное импульсное излучение. Это было удивительно по двум причинам. Радиация была строго периодической, и ее период был очень коротким. Тот факт, что период импульсов может быть отдан до седьмого знака после запятой, свидетельствует о поразительной регулярности обнаруженного излучения. Удивительно также, что значение этого периода было столь малым, поскольку в то время были неизвестны астрономические объекты, способные излучать с такой быстрой изменчивостью. Это необычное импульсное излучение было изучено. Анализ показал, что импульсы не могли прийти с планеты, вращающейся вокруг звезды. Так что захватывающая гипотеза о том, что какая-то развитая цивилизация посылала нам сигналы, была похоронена. Вместо этого радиоастрономы пришли к выводу, что импульсы рождаются в компактном астрономическом источнике пап под названием

Пульсар

Хотя первый пульсар, теперь известный как объект SR-1919 (SR означает Кембриджский каталог пульсаров), был обнаружен случайно, его эмиссионные свойства были настолько необычны, что побудили радио-астрономов всего мира к поиску новых пульсаров. Поиск оказался успешным. Большое волнение вызвала находка пульсара в Крабовидной туманности, так как эта находка, по-видимому, должна была дать ответ на старый вопрос об остатках взрыва сверхновой. К настоящему времени открыто более 300 пульсаров, и астрономы успешно разгадали загадку строго регулярных, короткопериодических эмиссионных импульсов этих странных объектов. Пульсар - нейтронная звезда, образованная взрывом сверхновой. Данные об общем количестве пульсаров и продолжительности их жизни говорят о том, что в среднем за столетие рождается 2-3 пульсара - это примерно совпадает с частотой взрывов сверхновой в Галактике. Все эти данные согласуются с идеей о том, что пульсар - это нейтронная звезда, возникшая в результате взрыва сверхновой. То же самое доказывается присутствием пульсара в Крабовидной туманности; еще один пульсар был обнаружен возле остатка взрыва сверхновой в созвездии Сегел. Тем не менее, не стоит думать, что связь между пульсарами и сверхновыми была доказана с абсолютной уверенностью. Для астронома, который доверяет только установленным фактам наблюдений, такой результат кажется неубедительным.

Сверхновые и процесс образования звезд

Установлено, что все звезды живут своей долгой и своеобразной жизнью. По крайней мере, каждый из них родился один раз и в конце концов умрет. Хотя вспышка сверхновой в некотором смысле знаменует собой смерть звезды, она впоследствии оказывает большое влияние на формирование следующего поколения звезд и может стимулировать формирование звезды из близлежащего газового облака. Химический состав Солнечной системы позволяет предположить, что ее образование может быть обусловлено взрывом сверхновой. Столкнувшись с межзвездным газовым облаком, ударные волны от таких взрывов могут помочь вызвать сжатие.

Заключение

На этом мы завершаем обсуждение звездных взрывов и сопутствующих им явлений. Как огибающая, выброшенная в окружающее пространство, так и ядро звезды, сохраненное во время взрыва сверхновой, связаны с рядом интересных явлений. К ним относятся: стимуляция звездообразования; выброс вещества в межзвездную среду, прошедшую цепь превращений при термоядерных реакциях в звездах; образование нейтронных звезд и, возможно, черных дыр; образование пульсаров, космических лучей и т. д. Остается еще много вопросов о взаимодействии сверхновых с окружающей средой, и нет сомнений в том, что как теоретические, так и экспериментальные исследования в этой области дадут богатые результаты. Вселенная - вечная тайна существования. Дразнящая загадка навсегда. Ибо нет конца знаниям. Есть только постоянное преодоление пределов неизвестного. Но как только этот шаг сделан, открываются новые горизонты. А за ними - новые тайны. Так и было, так и будет. Особенно в познании космоса - бесконечного, вечного, неисчерпаемого.

Список литературы

1. 
   В.Н.Демин “Тайны Вселенной”. Изд-во “Вече”, М.1999
   
2. 
   Дж.Нарликар “Неистовая Вселенная”. Изд-во “Мир”. М.1986
   
3. 
   И.С.Шкловский “Вселенная. Жизнь. Разум”. Изд-во “Наука”. М.1988