Звезды сверхгиганты

Содержание заданий о Солнечной системе

Прежде чем приступать к рассмотрению задания по Солнечной системе вспомним некоторые основные сведения. Вот перечень некоторых фактов, которые необходимо знать:

Порядок расположения планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун;
Самая большая планета Солнечной системы – это Юпитер;
Солнечная система содержит 8 планет, которые делятся на две группы. В первую группу входят планеты земной группы – это Меркурий, Венера, Земля, Марс. Во вторую группу входят газовые гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун; Логично, что газовые гиганты имеют меньшую плотность, чем твердые;
Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов;
Практически все планеты обладают спутниками; для Земли – это Луна; не имеют спутников – Венера и Меркурий; Существует множество факторов, влияющих на наличие спутников у планеты, но основным является гравитация, то есть, чем больше масса планеты, тем наиболее вероятно у нее есть спутники. Например, Юпитер самая большая планета Солнечной системы и у него больше всех спутников.
Наличие атмосферы. Все планеты Солнечной системы имеют атмосферу, кроме Меркурия.
Все планеты вращаются по эллиптическим орбитам; плоскость вращения планеты Земля называется эклиптикой;
Один оборот Земля делает за сутки, одно вращение вокруг Солнца – за год;
Наклон оси планет к плоскости вращения определяет смену времен года;
Последние исследования обнаружили еще один пояс астероидов за Нептуном, а ранее считавшийся планетой Плутон оказался по своим параметрам сравним с большими астероидами этого пояса, поэтому его перестали признавать планетой.

Для того чтобы двигаться дальше, необходимо познакомиться с некоторыми формулами важными при решении заданий по тематике планет. Причем практически все эти формулы известны из курса физики. Вот эти формулы:

где \(R\) – радиус планеты.

Масса планеты

где \(\rho\) – плотность планеты.

Ускорение свободного падения для любой планеты, любого тела

где \(M\) – масса планеты,

Первая космическая скорость

Вторая космическая скорость

Используя эти формулы можно легко решать задачи посвященные планетам, спутникам.

Умирают звёзды, значит так нужно

На то, как проживут свою жизнь и как умирают звезды, влияют элементы, входящие в её состав и общая масса тела. Когда ядро сжимается, оно нагревается. А то время, пока происходит синтез водорода в гелий она находится на начальном или основном этапе эволюции. После того, как закончится водород, происходит превращение гелия в углерод. Но и его запас не безграничный. Если у тела достаточная масса, то после гелия начинает гореть углерод, а также более тяжелые элементы.

Очевидно, что умирающая звезда всегда оставляет за собой какой-либо след. А какой именно зависит от её начальных характеристик.

Можно сказать, что ядра все определяют. Так как их состав, процессы происходящие в них, напрямую влияют на другие характеристики светила. Которые в совокупности обуславливают жизнь и гибель звезды на небе.

Как и всё во Вселенной, умирают звезды по-разному. Потому что они все разные и отличаются друг от друга набором параметров.

Иногда умершие звезды дают начало новой жизни или участвуют в формировании других тел.

Звездное небо

Безусловно, смерть и гибель звезды на небе красочное зрелище. Но увидеть такое практически невозможно.

Правда же, небо со своими тайнами бытия загадочное и манящее пространство. И всё вокруг устроено по определённым правилам. Хотя не всегда понятно, как и почему что-то рождается и возникает, а потом наступает смерть. Две противоположности, которые объединяет сама жизнь.

Гиперновые взрывы

Гиперновыми называют вспышки, энергия которых на несколько порядков превышает энергию типичных сверхновых. То есть, по сути они гиперновые являются очень яркими сверхновыми.

Как правило, гиперновым считается взрыв сверхмассивных звезд, также называемых гипергигантами. Масса таких звезд начинается с 80 нередко превышает теоретический предел 150 солнечных масс. Также существуют версии, что гиперновые звезды могут образовываться в ходе аннигиляции антиматерии, образованию кварковой звезды или же столкновением двух массивных звезд.

Сверхновая звезда GRB 080913

Примечательны гиперновые тем, что они являются основной причиной, пожалуй, самых энергоёмких и редчайших событий во Вселенной – гамма-всплесков. Продолжительность гамма всплесков составляет от сотых секунд до нескольких часов. Но чаще всего они длятся 1-2 секунду. За эти секунды они испускают энергию, подобную энергии Солнца за все 10 миллиардов лет её жизни! Природа гамма-всплесков до сих пор по большей части остаётся под вопросом.

Интересные факты о голубых сверхгигантах

Голубые гигантские космические тела отличаются относительно молодым возрастом, а также у них высокая температура поверхности, равная от 20 до 50000 градусов Цельсия. Масса таких объектов космоса больше Солнца в 10 – 15 раз, максимальный радиус в среднем равен 25 Солнцам.

Синий гигант – редчайший объект, таящий в себе много загадок. Это наиболее яркие и горячие космические тела, которые из-за крупной массы живут лишь 10 – 50 миллионов лет. Находятся они только в молодых космических структурах, преимущественно в:

рассеянных скоплениях;
галактических рукавах;
неправильных галактиках.

Если рассматривать физическое появление данного феномена, то можно заметить, что температура поверхности обеспечивается за счёт скорости передвижения молекул, которые относятся к веществу тела. Чем выше данный показатель, тем скорее становится движение. Это существенно влияет на длину волн, которые проходят через вещество. В горячей среде они становятся короткими, а в холодной – более длинными.

В связи с тем, что между цветом и температурой сверхгиганта существует определённая взаимосвязь, то была создана специальная диаграмма Герцшпрунга-Рассела, выявляющая такие ценные параметры:

массу;
уровень свечения;
возрастные особенности.

По мере своего развития светило может менять цвет, становясь желтым или белым, подобно Полярной звезде. Но, традиционно факт существования такого тела завершается взрывом.

Общие характеристики и описание

Красный гигант – светило, которое относится к спектральным классам М и К. В сравнении с другими звёздами, температурные показатели на поверхности таких объектов не очень большие и достигают всего 5000 К. Однако несмотря на это, их всё равно хорошо видно на небосклоне благодаря большим габаритам.

Красный гигант превосходить солнечный радиус в 500-700 раз. Также у них огромная площадь поверхности, которая в 100-120 раз больше Солнца. Именно невысокая температура и огромные размеры являются основными характеристиками красных гигантов.

Температура поверхности у таких светил невысокая и поэтому их красный свет имеет яркий желтоватый оттенок. К характерным особенностям этих звёзд можно отнести наличие металлов в излучаемом спектре. Также в нём присутствуют устойчивые молекулы.

Красный гигант имеет небольшую плотность. Иногда она в миллионы раз меньше, чем у Солнца. Ядро у таких звёзд, наоборот, очень плотное. Оно покрыто обширной горячей оболочкой. В некоторых случаях вес ядра составляет десятую часть от общей массы светила. Это приводит к истечению вещества из звёздного ядра. Этот процесс может начаться и из-за других обстоятельств:

высокая светимость и большая протяжённость ядровых оболочек гигантских звёзд;
слабая прозрачность оболочки, из-за которой начинается процесс энергопереноса;
резкие изменения температуры в результате колебательных процессов.

После истечения вещества у звёзд начинает формироваться гелиевое ядро. Оно не участвует в термоядерных реакциях, что приводит к увеличению температуры до 2*10 8 К. Под воздействием высоких температурных показателей гелий начинает сливаться с углеродом. У звезды образуется новое углеродно-кислородное ядро. В результате описанных изменений температура, размер и масса ядра начинают постепенно увеличиваться. При этом само светило начинает сжиматься и угасать. На финальной стадии эволюции красный гигант становится белым карликом.

Арктур в научной фантастике

Вокруг Арктура не было обнаружено никаких планет. Хотя научная фантастика не раз поднимала этот вопрос. Одним из первых примеров является книга Дэвида Линдсея «Путешествие на Арктур» (Methuen & Co. Ltd., 1920). Главный герой романа отправляется на Торманс, вымышленную планету, вращающуюся вокруг Арктура.

Арктур — то ли звезда, то ли вымышленная планета с таким же названием — также появлялся во многих других научно-фантастических сериалах, включая серию книг Айзека Азимова «Фундация», телесериалы «Доктор Кто» и «Звездный путь», а также фильм «Инопланетяне». В «Автостопом по Галактике» есть известная фраза: «Как бы быстро ни двигалось тело, душа путешествует со скоростью арктуранского мегаверблюда».

Напомним, что ранее мы составляли тест о том, что вы знаете о Солнце.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Протон-протонная цепь

Эта реакция очень часто встречается у звезд, только что присоединившихся к главной последовательности, а также у красных карликов. Начинается это так:

1 ₁H + 1₁H → 2₁H + e+ + ν

Где е+ позитрон, во всем идентичный электрону, за исключением того, что его заряд положительный и ν это нейтрино, легкая и неуловимая частица. Со своей стороны 2₁H — дейтерий или тяжелый водород.

Потом бывает:

1 ₁H + 2₁H → 3₂Он + γ

Во втором случае γ символизирует фотон. Обе реакции происходят дважды, что приводит к:

3₂Он + 3₂У меня есть → 4₂Он + 2 (1 ₁ЧАС)

Как звезда генерирует энергию, делая это? Что ж, есть небольшая разница в массе реакций, небольшая потеря массы, которая преобразуется в энергию согласно знаменитому уравнению Эйнштейна:

E = mc2

Поскольку эта реакция происходит бесчисленное количество раз с участием огромного количества частиц, получаемая энергия огромна. Но это не единственная реакция, которая происходит внутри звезды, хотя она наиболее часта у красных карликов.

Как появляются звезды-гиганты или немного о небесной эволюции

Астрономам известно множество звезд различных типов: горячих и холодных, больших и маленьких. Для классификации этих небесных объектов используются их абсолютные величины и спектральные характеристики. Спектр дает представление не только о температуре, но и о химическом составе небесного объекта.

Предлагаем ознакомиться Температура плавления осмия

В 1910 году ученые Эйнар Герцшпрунг и Генри Рассел, независимо друг от друга разработали диаграмму, значительно упрощающую классификацию звездных объектов и дающую четкое представление об этапах их развития. Кроме того, она наглядно демонстрирует взаимную зависимость спектрального класса, звездной величины и светимости.

Звезды расположены на данной диаграмме не хаотично, а образуют четко выраженные участки. 90% от их общего количества находятся в области, которую называют главной последовательностью. Кроме нее, на диаграмме существует область красных гигантов и сверхгигантов, в которой расположены светила, находящиеся на завершающем этапе своей эволюции.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела. Большинство звезд образуют главную последовательность

Данный феномен очень просто объяснить: большую часть жизни звезда получает энергию от реакций, протекающих в ее центральной области. Это протон-протонный цикл, а для массивных звезд — CNO-цикл. После прекращения термоядерных реакций формируется гелиевое ядро, и звезда становится красным гигантом.

Дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Если она меньше десяти солнечных, то звезда превращается в красного гиганта, а затем в сверхгиганта, но если больше, то сразу в сверхгиганта. Существует и промежуточный этап – стадия субгиганта, во время которой горение гелия еще не началось, а слияние в ядре водорода уже не происходит.

На этом изображении диаграммы указаны области красных гигантов и сверхгигантов

Этапы эволюции звезд

Теория звездной эволюции рассматривает изменения в физических, химических характеристиках звезд, которые связаны с возрастом светила. Ее основными этапами являются:

образование протозвезды из газового облака;
формирование звезды разной массы, которая в ходе термоядерных процессов станет либо гигантом, либо сверхгигантом;
эволюция звезд с низкой массой заканчивается их превращением в белого карлика;

тяжелая звезда в ходе гравитационного коллапса образует нейтронную звезду или черную дыру.

Гравитационным коллапсом называют катастрофически быстрое сжатие космических тел под действием гравитационных сил.

Протозвезда

Жизнь каждой звезды начинается с рождения. На первых этапах формируется большое облако, внутри которого образуются молекулы. В результате гравитационного воздействия облако межзвездного газа начинает сжиматься и постепенно приобретает шарообразную форму. Во время сжатия энергия гравитации переходит в тепло, что приводит к повышению температурных показателей в центральной части звезды. Но при этом температура еще не такая высокая, чтобы запустились термоядерные реакции.

На первой стадии своего эволюционного развития объект принято называть протозвездой. Процесс образования нового тела проходит на протяжении долгого времени и может достигать миллионов лет. Протозвезды со сформированным ядром и оболочкой выделяют в отдельный тип, который называют звезды до главной последовательности. У них низкая температура и высокая светимость. Звезда постепенно начинает двигаться к главной последовательности, а свою энергию она получает благодаря силам гравитации.

Процесс сжатия у протозвезд происходит очень медленно. Например, чтобы Солнце перешло в главную последовательность ему потребовалось 30 млн. лет.

Желтые звезды – звезды желтого цвета

Желтыми карликами принято называть небольшие звезды главной последовательности, масса которых находится в пределах массы Солнца (0,8-1,4). Если судить по названию, то такие звезды имеют свечение желтого цвета, которое выделяется во время осуществления термоядерного процесса синтеза из водорода гелия.

Поверхность таких звезд разогревается до температуры в 5-6 тыс. Кельвинов, а их спектральные классы находятся в пределах между G0V и G9V. Живет желтый карлик примерно 10 млрд. лет. Сгорание водорода в звезде становится причиной ее многократного увеличения в размерах и превращения в красного гиганта. Одним из примеров красного гиганта является Альдебаран. Такие звезды могут образовывать планетарные туманности, избавляясь от внешних слоев газа. При этом осуществляется превращение ядра в белого карлика, который обладает большой плотностью.

Если брать в расчет диаграмму Герцшпрунга-Рассела, то на ней желтые звезды находятся в центральной части главной последовательности. Поскольку Солнце можно назвать типичным желтым карликом, его модель вполне годится для рассмотрения общей модели желтых карликов. Но есть и другие характерные желтые звезды на небе, названия которых – Альхита, Дабих, Толиман, Хара и т.п. данные звезды не обладают высокой яркостью. К примеру, тот же Толиман, который, если не учитывать Проксима Центавру, ближе всех располагается к Солнцу, имеет 0-ю величину, но в то же время его яркость наивысшая среди всех желтых карликов. Располагается данная звезда в созвездии Центавра, также она является звеном сложной системы, в состав которой входят 6 звезд. Спектральный класс Толимана – G. А вот Дабих, находящийся в 350 световых годах от нас, относится к спектральному классу F. Но ее высокая яркость обусловлена наличием рядом звезды, относящейся к спектральному классу – А0.

Кроме Толимана, спектральный класс G имеет HD82943, которая расположилась на главной последовательности. Данная звезда, благодаря схожему с Солнцем химическому составу и температуре, также имеет две планеты больших размеров. Однако форма орбит данных планет далеко не круговая, поэтому относительно часто происходят их сближения с HD82943. В настоящее время астрономы смогли доказать, что раньше данная звезда имела гораздо большее число планет, но со временем она их все поглотила.

Новые и сверхновые

SN 1604 или Сверхновая Кеплера

Термин «сверхновая» перекочевал от термина «новая звезда». «Новыми» называли звезды, которые возникали на небосклоне практически на пустом месте, после чего постепенно угасали. Первые «новые» известны ещё по китайским летописям, датируемым вплоть до второго тысячелетия до нашей эры. Что интересно, среди этих новых нередко встречались сверхновые. К примеру, именно сверхновую в 1571 году наблюдал Тихо Браге, который впоследствии ввёл термин «новая звезда». Сейчас нам известно, что в обоих случаях речь не идёт о рождении новых светил в буквальном смысле.

Новые и сверхновые звезды обозначают резкое увеличение яркости какой-либо звезды или группы звезд. Как правило, раньше люди не имели возможности наблюдать звёзды, которые порождали эти вспышки. Это были слишком тусклые объекты для невооруженного глаза или астрономического прибора тех лет. Их наблюдали уже в момент вспышки, что естественно походило на рождение нового светила.

Не смотря на схожесть этих явлений, в наши дни существует резкое различие в их определениях. Пиковая светимость сверхновых звезд в тысячи и сотни тысяч раз больше пиковой светимости новых. Такое расхождение объясняется принципиальным различием природы этих явлений.

Классификация звезд сверхгигантов

По Йеркской классификации, отражающей подчинение спектра светимости, сверхгиганты относятся к I классу. Их разделили на две группы:

Ia – яркие сверхгиганты или гипергиганты;
Ib – менее яркие сверхгиганты.

По своему спектральному типу в Гарвардской классификации эти звезды занимают промежуток от O до M. Голубые сверхгиганты представлены классам O, B, A, красные – K, M, промежуточные и плохо изученные желтые – F, G.

Красные сверхгиганты

Крупные звезды покидают главную последовательность, когда в их ядре начинается горение углерода и кислорода, – они становятся красными сверхгигантами. Их газовая оболочка вырастает до огромных размеров, распространяясь на миллионы километров. Химические процессы, проходящие с проникновением конвекции из оболочки в ядро, приводят к синтезу тяжелых элементов железного пика, которые после взрыва разлетаются в космосе. Именно красные сверхгиганты обычно заканчивают жизненный путь светила и взрываются сверхновой. Газовая оболочка звезды дает начало новой туманности, а вырожденное ядро превращается в белого карлика. Антарес и Бетельгейзе – крупнейшие объекты из числа умирающих красных светил.

Голубые сверхгиганты

Ригель

В отличие от красных, доживающих долгую жизнь гигантов, – это молодые и раскаленные звезды, превосходящие своей массой солнечную в 10-50 раз, а радиусом – в 20-25 раз. Их температура впечатляет – она составляет 20-50 тыс. градусов. Поверхность голубых сверхгигантов стремительно уменьшается из-за сжатия, при этом излучение внутренней энергии непрерывно растет и повышает температуру светила. Результатом такого процесса становится превращение красных сверхгигантов в голубые. Астрономы заметили, что звезды в своем развитии проходят различные стадии, на промежуточных этапах они становятся желтыми или белыми. Ярчайшая звезда созвездия Ориона – Ригель – отличный пример голубого сверхгиганта. Ее внушительная масса в 20 раз превышает Солнце, светимость выше в 130 тыс. раз.

Денеб

В созвездии Лебедя наблюдается звезда Денеб – еще один представитель этого редкого класса. Ее спектральный класс Ia, это – яркий сверхгигант. На небосводе по своей светимости эта далекая звезда может сравниться только с Ригелем. Интенсивность ее излучения сравнима с 196 тыс. Солнц, радиус объекта превосходит наше светило в 200 раз, а вес – в 19. Денеб быстро теряет свою массу, звездный ветер невероятной силы разносит ее вещество по Вселенной. Звезда уже вступила в период нестабильности. Пока ее блеск изменяется по небольшой амплитуде, но со временем станет пульсирующим. После исчерпания запаса тяжелых элементов, которые поддерживают стабильность ядра, Денеб, как другие голубые сверхгиганты, вспыхнет сверхновой, а его массивное ядро станет черной дырой.

Интересные факты

Красный карлик может существовать миллиарды лет, экономно расходуя внутреннее топливо, а для сверхгиганта этот период сокращается до нескольких миллионов.

Туманность вокруг Полярной звезды

Известная всем Полярная звезда – представительница этого класса. Она относится к желтому спектру, ее радиус больше солнечного в 30 раз, а светимость – в 2200.

Гипергиганты не значительно превосходят сверхгигантов по размеру, но при этом превалируют в массе в десятки раз, а их яркость достигает от 500 тыс. до 5 млн. светимостей Солнца. Эти звезды имеют самую короткую жизнь, иногда она исчисляется сотнями тысяч лет. Таких ярких и мощных объектов в нашей Галактике найдено около 10.

Изначально ученые считали, что голубые гиганты взрываются, переходя в стадию красных. Но неоднократные наблюдения вспышек сверхновых непосредственно из голубых сверхгигантов, доказали ошибочность этой теории. Колоссальная энергия таких процессов стала неожиданностью для ученых. Под пристальное наблюдение попала Эта Киля, являющаяся нестабильной. Этот голубой сверхгигант, способный затмить 120 Солнц, может взорваться сверхновой в недалеком будущем. Воздействие взрывной волны подобной силы на нашу Солнечную систему непредсказуемо, но мы точно не узнаем о них.

Новые и сверхновые звезды

Иногда на небе ученые наблюдают резкую сильную вспышку, которая не имеет никакого отношения к мерцанию переменных светил. Так образуются новые и сверхновые звезды. Новые получили свое название, потому что раньше считалось, что на месте появления такого объекта первоначально была пустота. В ХХ веке, когда проводилось регулярное фотографирование небосвода, установили, что на месте вспышки «новых» светил все-таки была небольшая слабозаметная звездочка, но в определенный момент она почему-то резко увеличила свое свечение.

Новые звезды вспыхивают раз в несколько лет. И даже, несмотря на то, что количество излучаемого света увеличивается в десятки тысяч раз, заметить их невооруженных взглядом невозможно, настолько далеко они расположены.

Вспышка сверхновой звезды – куда более масштабное явление. Энергия, которая образуется при взрыве, сопоставима с солнечной, которую оно излучает за несколько миллиардов лет. Сверхновые звезды вспыхивают еще реже. Данное явление происходит как в нашей Галактике, так и за ее пределами. В 1054 г в китайских и японских хрониках в Галактике был отмечен взрыв сверхновой звезды, который видели даже в дневное время. В 1987 году с помощью современной аппаратуры удалось наблюдать вспышку сверхновой от начала до конца. Произошла она в галактике Большое Магелланово Облако.

Почему же вспыхивают новые и сверхновые звезды? Ответ на этот вопрос удалось найти лишь в середине ХХ века. Во время очередной вспышки, специалисты заметили, что произошел взрыв одной звезды из двойной системы. В этой паре одна звезда похожа на Солнце, относится в главной последовательности. Вторая – очень плотный белый карлик, его диаметр в 100 раз меньше Солнца. Звезды находятся очень близко друг к другу. В результате приливных сил вещество из желтого светила «переливалось» на карлика. Там оно попало в условия высоких температур и давления, что запустило термоядерные реакции. На Солнце такие реакции происходят в недрах и являются относительно спокойными. В системе звезд это спровоцировало взрыв, в результате которого оболочка белого карлика начала сильно расширяться, а светимость двойной системы многократно увеличилась. Однако плотность оболочки была настолько низкой, что она никак не повредила желтой звезде. Сейчас светило продолжает «снабжать» карлика веществом и вполне вероятно, что через несколько сотен лет произойдет еще одна вспышка новой звезды на небе.

Со сверхновыми дела обстоят немного иначе. В созвездии Тельца учеными было обнаружено светящееся газовое облако – Крабовидная туманность. Сейчас оно расширяется и специалистам удается определить скорость этого расширения. Если в течение определенного времени скорость не менялась, то примерно 1000 лет назад, вещество из туманности находилось в одной точке – в том месте, где произошла вспышка сверхновой звезды. Так ученые определили, что Крабовидная туманность – это остатки после вспышки. Позже были обнаружены еще аналогичные туманности. Самое интересное, что в центре Крабовидной туманности находится звезда пульсар. Ее вещество гораздо плотнее, чем у белых карликов. Ели очень массивные светила в конце своей жизни теряют устойчивость, то это становится причиной взрыва сверхновой звезды.

Наблюдать за звездами увлекательно и познавательно. Даже не используя никакой современной аппаратуры, можно для себя сделать много удивительных открытий. На небосводе регулярно появляются новые объекты. Только в нашей Галактике Млечный Путь ежегодно рождается около пяти новых звезд.