Астрономия. Астрономия лекции. ЗемляЛуна. Иоганн Кеплер (15711630)
 Скачать 1.56 Mb.
|
|
экзопланета(так называют планеты, находящиеся вне Солнечной системы). На середину октября 2017 года спектральным методом достоверно подтверждено существование 3672 экзопланет в 2752 планетных системах. Астрометрически - двойные звёзды - очень тесные звёздные пары, в которых одна из звёзд или очень мала по размерам, или имеет низкую светимость (рассмотреть ее не удается. Двойственность такой звезды можно обнаружить лишь по отклонениям яркой компоненты от прямолинейной траектории тов одну, тов другую сторону. Вычисления показали, что такие возмущения пропорциональны массе спутника. Среди близких к Солнцу звёзд обнаружено около 20 астрономически-двойных звёзд. Длительные наблюдения визуально-двойных звезд убедили астрономов, что относительное видимое движение компонентов совершается по эллипсу и удовлетворяет закону площадей. Из этого следует, что в двойных системах обращения звезд происходят в соответствии с законами Кеплера и подчиняются закону всемирного тяготения Ньютона Поданным наблюдений двойных звезд получены оценки масс для звезд различных типов. Анализ этих данных привел к следующим результатам 1. Массы звезд заключены в пределах от 0,03 до 60 масс Солнца Наибольшее количество звезд имеют от 0,4 до 3 масс Солнца. Масса звезды в момент ее формирования является важнейшим параметром, определяющим ее последующую эволюцию. 2. Существующая зависимость между массами звезд и их светимостью дает возможность оценивать массы одиночных звезд по их светимостям. В интервале масс 0,5M ʘ M 10M ʘ светимость звезды пропорциональна четвертой степени ее массы L ≈ М. При M > 10M ʘ то L ≈ М 2 Размеры звёзд. Плотность их вещества. К сожалению, звёзды расположены так далеко от нас, что за редким исключением они даже в самые мощные телескопы видны как точки. Лишь в последние годы для некоторых самых крупных из них удалось получить изображение в виде диска, на котором обнаруживаются пятна (рис. Для близких звёзд определить их линейный радиус можно по известным угловому радиусу и расстоянию доне (или её годичному параллаксу или Нов большинстве случаев линейные радиусы звёзд принято выражать в радиусах Солнца. Если учесть, что 1 а. е в радиусах Солнца равна 149,6 ∙ 10 6 км : 0,696 ∙ 10 6 км = 215, то получим формулу для определения линейных радиусов звёзд в радиусах Солнца В большинстве случаев радиусы далёких звёзд приходится рассчитывать на основе данных об их светимости и температуре. Светимость звезды определяется по той же формуле, по которой можно найти светимость нашего Солнца Разделим первое уравнение на второе И упростим его Теперь примем, что радиус Солнца и его светимость равны единице, и перепишем предыдущее уравнение с учётом этих условий или линейный радиус звезды в линеных радиусах Солнца Звёзды самой большой светимости (сверхгиганты) действительно оказались очень большими. Красные сверхгиганты Антарес и Бетельгейзе в сотни раз больше Солнца по диаметру рис. Зато диаметр красных карликов, относящихся к главной последовательности, в несколько раз меньше солнечного. Самыми маленькими звёздами являются белые карлики диаметр которых составляет несколько тысяч километров (рис. Расчёты средней плотности звёзд различных типов, проведённые на основе имеющихся данных об их массе и размерах, показывают, что она может значительно отличаться от средней плотности Солнца. Так, средняя плотность некоторых сверхгигантов составляет всего 10 –3 кг/м 3 , что враз меньше плотности воздуха при нормальных условиях. Другой крайностью является плотность белых карликов - около 10 9 кг/м 3 . Многие звезды изменяют свои физические характеристики в течение относительно короткого периода времени. Такие звезды называются нестационарными. В отличие от затменно- переменных звезд они меняют свою светимость в результате физических процессов, происходящих в самих звездах. По этой причине их называют физическими переменными звездами. В зависимости от характера протекающих внутри звезды процессов физические переменные звезды бывают пульсирующими и эруптивными Пульсирующие переменные звезды - физические переменные звезды, у которых происходят периодические колебания блеска (например, цефеиды, звезды типа RR Лиры, мириды). Первая пульсирующая звезда была открыта в 1596 г. немецким астрономом Давидом Фабрициусом в созвездии Кита. Ян Гевелий далей имя- Мира, то есть удивительная. Период изменения блеска этой звезды составляет около 332 дней, в течение которых видимая звёздная величина изменяется отв максимуме блеска) до 10,1 m - в минимуме. Долгопериодические звёзды (типа Миры Кита) с периодами от нескольких недель до года и более называют миридами. Практически все они являются красными гигантами огромных размеров и большой светимости, находящимися наконечных этапах своей эволюции. Предполагается, что изменение блеска мирид связано сих периодическим сжатием и расширением, вызванным нарушениями равновесия между силами гравитационного притяжения и лучевого давления. Такие периодические колебания переменных звёзд называются пульсационными. 19 октября 1784 г. английский астроном- любитель Джон Гудрайк, наблюдая за звездой Дельта Цефея обнаружил, что её блеск меняется со строгой периодичностью (период составляет 5 дней и 9 часов, а амплитуда изменения светимости составляет примерно одну звёздную величину. Причём рост блеска происходил гораздо быстрее, чем спад. Так был открыт новый очень обширный класс ярких переменных звёзд-сверхгигантов и гигантов классов F и G — класс цефеид В настоящее время цефеидами называют пульсирующие переменные звёзды, блеск которых плавно и периодически меняется от 0,5 до 2 звёздных величин с периодом изменения блеска от 1,5 до 70 суток Изучение спектров цефеид показало, что изменение их светимости сопровождается изменениями их лучевой скорости и температуры (в среднем на 1500 о С). Причиной этому является пульсация наружных слоёв звёзды - они периодически то расширяются, то сжимаются. Вначале ХХ века было замечено, что период пульсации цефеид зависит от их светимости чем она больше, тем больший период пульсации. То есть цефеиды обладают очень важной зависимостью период — светимость М = - 1,01 – 2,791 lg Р где Р - это период изменения блеска (то есть период пульсации) в сутках, а М- средняя абсолютная звёздная величина. Т.о., по известному из наблюдений периоду можно определить абсолютную звёздную величину или светимость звезды. Сравнивая абсолютную звёздную величину цефеида сего видимой звёздной величиной, можно легко определить расстояние до него M = m + 5 – 5lg D; lg D = 0,2(M – m) + 1. Как мы уже говорили, цефеиды - это звёзды-сверхгиганты, которые обладают очень высокой светимостью. Она, наряду с переменностью блеска, позволяет обнаруживать цефеиды в других звёздных системах, находящихся от нас на расстоянии до 20 Мпк. Их наблюдают в ближайших галактиках, определяя таким образом расстояния до этих звёздных систем. Поэтому не зря цефеиды часто называют маяками Вселенной. Ещё одной разновидностью пульсирующих переменных звёзд являются звёзды типа RR Лиры. Все они являются гигантами спектрального класса Ас периодами от 0,2 до 1,2 дня. Они очень быстро меняют блеск. Амплитуда изменения блеска достигает й звездной величины. Эруптивные звезды - физические переменные звезды, проявляющие свою переменность в виде вспышек, которые объясняются выбросами вещества (например, новые и сверхновые звезды. Иногда в звёздном небе появляются звёзды, видимые невооружённым глазом в тех местах, где их раньше никогда не наблюдали. везды, блеск которых внезапно увеличивается в тысячи и миллионы раз за несколько суток, после чего их блеск ослабевает до первоначального блеска в течение года и более, называются новыми звездами. Термин новая звезда не подразумевает, что звезда родилась. Так называют звезды, которые раньше были тусклыми, а затем внезапно их блеск увеличился. Например, одна из новых звезд, вспыхнувшая в июне 1918 г, увеличила свой блеск за четыре дня с й до й звездной величины (те. в 40 тысяч раза затем приняла прежнее значение блеска за период чуть более 1,5 года. Первые описания новых звёзд были найдены в китайских и японских летописях 532 г. дон. э . Долгое время причины вспышек новых звёзд оставались непонятными. Положение изменилось, когда в 1954 г. было обнаружено, что одна из новых звёзд (DQ Геркулеса) является двойной с периодом обращения всего 4 ч 39 мин. Один из компонентов - белый карлика другой - красная звезда главной последовательности. Из-за их близкого расположения на белый карлик перетекает газ из атмосферы красного карлика. По мере накопления водорода плотность и температура внешних слоёв белого карлика возрастает, создаются условия для начала термоядерных реакций превращения водорода в гелий. Они происходят настолько быстро, что приобретают характер взрыва. При этом внешние слои звезды, составляющие небольшую часть её массы, расширяются и выбрасываются в космическое пространство. Их свечение и наблюдается как вспышка новой звезды. Такое явление может повторяться с тесными двойными звёздами неоднократно у одних через тысячи, у других с изменением светимости на 4-5 звёздных величин через несколько десятков лет. Вскоре после вспышки начинается новый цикл накопления водородного слоя. И через некоторое время вспышка повторяется. Если вспышка повторяется, такую звезду называют повторной новой. Интервал между вспышками составляет от десятков лету повторных новых до тысяч лету классических новых звёзд. Нов некоторых случаях такой процесс может привести к катастрофе Если при перетекании вещества масса белого карлика превысит предельную (примерно 1,4 массы Солнца, то происходит взрыв. Термоядерные реакции превращения углерода и кислорода в железо и никель, которые идут с огромной скоростью, могут полностью разрушить звезду Происходит вспышка сверхновой первого класса. Сверхновые звёзды - это одно из самых грандиозных и захватывающих космических явлений. Вспышка сверхновой звёзды - гигантский по своим масштабам взрыв звезды, при котором её светимость в течение нескольких суток возрастает в сотни миллионов раз. При вспышке выделяется энергия порядка 10 46 Дж, что примерно равно энергии, которую Солнце может излучить за всё время своего существования (миллиарды лет. В китайских летописях упоминается о внезапном появлении в 1054 г. в созвездии Тельца и наблюдавшейся китайскими и японскими астрономами «звезды-гостьи», которая казалась ярче Венеры и была видна даже днем. Спустя два месяца эта звезда начала угасать, а еще через несколько месяцев совершенно исчезла из поля зрения. В наше время с помощью достаточно мощных телескопов в этом созвездии можно видеть туманность причудливой формы, напоминающую плывущего вводе краба. Туманность таки назвали - Крабовидная. Наблюдения показали, что она расширяется. С учетом скорости расширения можно заключить, что Крабовидная туманность - это остаток взрыва сверхновой 1054 г. Ее излучение в оптическом, радио и рентгеновском диапазонах излучения меняется с периодом, равным 0,033 с (рис.). Сверхновые второго класса представляют собой звёзды на заключительном этапе своей эволюции и наблюдается у массивных звёзд, масса которых в десятки раз превосходит массу Солнца. Звезда вспыхивает вследствие коллапса (схлопывания) своего массивного ядра. Объясняется такой феномен следующим образом. На разных этапах жизни массивной звезды в её ядре протекают термоядерные реакции, при которых сначала водород превращается в гелий, затем гелий - в углерод итак далее до образования ядер железа, никеля и кобальта. Последующие реакции с образованием более тяжёлых элементов должны идти уже с поглощением энергии. Поэтому лишённое энергии железное ядро буквально за несколько миллисекунд коллапсирует то есть катастрофически сжимается. Внутренние слои буквально обрушиваются к центру звёзды и происходит термоядерный взрыв огромной мощности. В итоге наружные слои звезды выбрасываются с огромной скоростью и наблюдается вспышка сверхновой. От огромной звезды остаются лишь расширяющаяся с огромной скоростью газовая оболочка и нейтронная звезда или чёрная дыра. 9. Наша Галактика. Строение Галактики. Наша Галактика - спиральная система массой от 2× 10 11 М до 8,5-11,5× 10 11 Мкг, радиусом около 1,5-2× 10 4 пк и светимостью 2-4× 10 10 L¤ . Галактика состоит из 150-200 миллиардов звезд и множества других космических объектов более 6000 галактических молекулярных облаков, содержащих в себе до 50% межзвездного газа, туманностей, планетных тел и их систем, нейтронных звезд, белых и коричневых карликов, черных дыр, космической пыли и газа. Диск Галактики пронизан крупномасштабным магнитным полем, удерживающим частицы космических лучей и заставляющим их двигаться вдоль магнитных линий по винтовым траекториям. 85-95% массы Галактики сосредоточено в звездах, 5-15% - в межзвездном диффузном газе. Массовая доля тяжелых элементов в химическом составе Галактики составляет 2%. Возраст Галактики 14,4 ± 1,3 млрд. лет. Большая часть звезд Галактики образовалась свыше 9 млрд. лет назад. Основная часть образующих Галактику звезд наблюдается с Земли как опоясывающая все небо белесая, слабосветящаяся полоса неправильных очертаний - Млечный путь, в котором сливается сияние миллиардов слабосветящихся звезд. Мы наблюдаем свою Галактику изнутри, что затрудняет определение ее формы, структуры и некоторых физических характеристик. Телескопическим наблюдениям доступно лишь 10 9 звезд - до 1% всех звезд Галактики. Ядро Галактики наблюдается в созвездии Стрельца (a = 17 h 38 m , d = -30њ ), занимая часть созвездий Щита, Скорпиона и Змееносца. Ядро полностью скрыто за мощными темными газопылевыми облаками (ГМО) общей массой 3× 10 8 М в 700 пк от центра Галактики, поглощающими видимое, но пропускающими радио- и инфракрасное излучение. В их отсутствие ядро Галактики было бы самым ярким после Солнца и Луны небесным светилом. В центре ядра наблюдается сгущение - керн Всего в 400 св. годах от центра, в недрах газопылевой туманности Стрелец А массой 10 5 М скрывается черная дыра массой около 4,6× 10 МВ самом центре в области размерами менее 1 пк и массой 5× 10 6 М , вероятно, находится очень плотное скопление голубых сверхгигантов (до 50000 звезд. Рис. 67. Строение нашей Галактики 1 - Керн 2 - Ядро Галактики 3 - Балдж (вздутие сферическое население центра Галактики 4 - Бар – галактическая "перемычка. 5 - Молодая плоская подсистема (звезды классов О, В, ассоциации) 6 - Старая плоская подсистема (звезды класса А) 7 - Диск Галактики (звезды главной последовательности, Новые, красные гиганты, планетарные туманности) 8 - Промежуточная сферическая составляющая (старые звезды, долгопериодические переменные) 9 - Спиральные рукава (диффузные газопылевые туманности, молодые звезды классов О, В, А, F) 10 - Зоны концентрации ГМО вблизи ядра (Аи в "молекулярном кольце" (В) 11 - Древнейшая сферическая подсистема (гало) (шаровые скопления, короткопериодические цефеиды, субкарлики) 12 - Шаровые скопления 13 - Солнечная система 14 - Газовая корона Галактики. Наша Галактика имеет перемычку – бар, из концов которого в 4 тысячах парсек от центра Галактики начинают закручиваться 3 спиральные рукава вблизи одного из них - рукава (ветви) Ориона находится Солнечная система. Вторая - ветвь Персея - наблюдается в направлении от центра Галактики на расстоянии 1,5-2,4 кпк от Солнца. Третья - ветвь Стрельца находится в направлении центра Галактики в 1,2-1,8 кпк от Солнца. Галактика обладает сложным дифференцированным характером вращения вокруг своей оси (рис. 68). Собственные скорости звезд в ядре достигает 1000-1500 км/с. Скорость обращения галактических рукавов ниже скорости движения отдельных звезд на том же расстоянии от центра Галактики. Солнечная система располагается вблизи экваториальной плоскости Галактики в 34000 св. лет от ее центра (на расстоянии совпадения скорости вращения Галактики и движения ее спиральных рукавов. Из анализа собственных движений 300000 звезд по смещению линий в спектрах благодаря эффекту Доплера установлено, что Солнечная система перемещается относительно ближайших звезд со скоростью 20 км/с в направлении созвездия Геркулеса и вместе сними вращается вокруг центра Галактики со скоростью 250 км в направление созвездий Лебедя и Цефея. Точка небесной сферы, в направлении которой движется Солнечная система, называется апексом Рис. 68. Кривая вращения Галактики Период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 195-220 миллионов лет. Средняя продолжительность галактического года (Т G )равна213 млн. лет. Концентрация вещества межзвездной среды весьма неравномерна. Она резко возрастает в плоскости вращения Галактики ив слое толщиной 500 св. лет диаметром 100000 св. лет составляет 10 -21 кг/м 3 . Облака поглощающей звездный свет темной, плотной пылевой материи видны на фоне Млечного пути невооруженным глазом в созвездиях Лебедя, Змееносца, Щита, Стрельца. Наибольшую плотность она приобретает в направлении ядра Галактики. На расстоянии от 4 до 8 тысяч парсек от галактического центра располагается "молекулярное кольцо" Галактики - скопление ГМО массой до 3× 10 9 М . Разреженный нейтральный газ вдали от звезд прозрачен для оптического излучения. Изучению распределения и характеристик газа в межзвездной среде и ГМО способствует радиоизлучение молекулярного водорода (l = 0,21 ми гидроксила ОН (l = 0,18 м) (рис. 69). Турбулентная межзвездная плазма сконцентрирована в облаках, занимающих около 20% межзвездной среды. Вне спиральных рукавов редкие плазменные облака размерами менее 26 пк и плотностью электронов 0,1-0,3 частиц/см 3 обнаруживаются на расстояниях до ± 900 кпк от плоскости Галактики. Облака в спиральных рукавах (± 200 пк от плоскости Галактики) имеют размеры до 50 пк, электронную плотность 0,2-1,0 частиц/см 3 . В зонах звездообразования в плоскости Галактики электронная плотность облаков размерами 10-50 пк достигает 1-10 частиц/см 3 Относительный возрасти порядок образования звезд в Галактике определяются из анализа химического состава звездных областей - подсистем Галактики. Рождение звезд в Галактике на протяжении миллиардов лет уменьшает концентрацию межзвездного газа и замедляет темпов звездообразования до полного его прекращения из-за "нехватки сырья" на формирование звезд последующих поколений. В прошлом темп звездообразования был значительно выше. Сейчас во всей Галактике ежегодно в звезды превращается межзвездный газ массой от 4 М до М . Он должен возобновляться, иначе полностью исчерпался бы впервые миллиарда лет жизни Галактики. Основным "поставщиком" межзвездного газа являются звезды, особенно на последних стадиях своей эволюции голубые и красные гиганты и сверхгиганты, Новые и Сверхновые порождают в год около 1 М межзвездного газа. Вероятно, Галактика притягивает газ из окружающего ее пространства (до 1,2-2 М в год. Поэтому количество межзвездного газа в Галактике уменьшается очень медленно. Заметно изменяется его химический состав. В звездах I поколения возрастом 12-15 миллиардов лет концентрация тяжелых элементов составляет около 0,1%. Звезды II поколения главной последовательности возрастом 5-7 миллиардов лет содержат до 2 % тяжелых элементов. В современных диффузных туманностях довольно много пыли, различных газов, тяжелых химических элементов и сложных молекулярных соединений. Молодые звезды классов О, В, А возрастом 0,1-3 млрд. лет в рассеянных скоплениях относятся к новому III поколению звезд. Они содержат около 3-4% тяжелых элементов. В гало Галактики наблюдаются "высокоскоростные" облака атомарного водорода, перемещающиеся независимо от ее вращения. Одни облака, в составе которых около 0,1 % тяжелых химических элементов, состоят из вещества, притянутого Галактикой из окружающего пространства. Другие облака образованы выбросами вещества из галактического диска при Рис. 69. Распределение плотности нейтрального водорода в плоскости Галактики А – ГМО в ядре Б - ГМО в "молекулярном кольце" Галактики вспышках Сверхновых в звездных скоплениях и других космических явлениях их состав включает до 1% тяжелых химических элементов. Рис. 70. Ежегодный баланс межзвездной среды в Галактике Важной составляющей межзвездной среды Галактики являются космические лучи -потоки заряженных элементарных частиц с энергией до 10 21 эВ протоны (91,7%), релятивистские электроны (0,92%), ядра атомов гелия (6,6%) и более тяжелых химических элементов (0,72%). Несмотря на низкую пространственную плотность космических лучей (у Земли – 1 частица/см 3× с, плотность их энергии сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа и магнитного поля Галактики. Основным источником космических лучей являются вспышки Сверхновых. Общее магнитное поле Галактики обладает индукцией около 10 -10 Тл. Силовые линии в основном параллельны галактической плоскости и изгибаются вдоль ее спиральных рукавов. Взаимодействуя с заряженными частицами космических лучей, магнитное поле Галактики искривляет траектории их движения вдоль силовых линий и тормозит релятивистские электроны, порождая нетепловое (синхротронное) излучение радиоволн с длиной волны болеем. Изучение "вариаций" – пространственно-временных изменений характеристик космических лучей под влиянием различных процессов в межзвездном пространстве и космических объектах позволяет исследовать электромагнитные поля отдельных протяженных космических объектов и всей Галактики в целом. Высокая энергия космических лучей делает их незаменимыми помощниками физиков при изучении строения вещества и взаимодействий элементарных частиц. |