Конспект лекций (раздаточный материал) по астрономии по разделу " Солнце и звезды" ( часть 2)

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО   ОБРАЗОВАНИЯ

 «ВОЛЖСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, ПЕДАГОГИКИ И ПРАВА»

  Волжский социально-педагогический колледж

Астрономия (11кл., 1 курс СПО)   

Конспект лекций (раздаточный материал) по разделу

«Солнце и звезды» (часть2) 

(к учебнику Б. А. Воронцова-Вельяминова, Е. К. Страута)

Автор: Бондаренко Людмила Валентиновна

Место работы: Волжский социально-педагогический колледж – структурное подразделение ВИЭПП

Должность: Преподаватель физики и астрономии

Двойные звёзды. Масса звёзд.

Многие звёзды образуют пары или сложные системы. Двойные звёзды – близко расположенные пары звёзд. Бывают: оптически двойные и физически двойные.   Оптически двойные составляются из далёких друг от друга звёзд, которые случайно проецируются на небесную сферу по лучу зрения.    Физически двойные – системы близко расположенных в пространстве звёзд, связанных силами тяготения и обращающиеся около общего центра масс.     Первая известная ещё в древности звёздная пара – Мицар (конь) и Алькор (всадник), наблюдаемые в ручке «ковша» Большой Медведицы   – пример оптически двойных звёзд так как Алькор отстоит от Мицара примерно на 12 угловых минут. Физически двойные бывают: Визуально-двойные – их компоненты можно увидеть с помощью телескопа визуально или сфотографировать. Затменно-двойные – их    компоненты периодически загораживают друг друга от наблюдателя. Спектрально-двойные – двойственность проявляется в периодических смещениях или раздвоениях линий их спектров. Астрометрически - двойные – одна звезда не видна и возмущает правильное движение соседней.   Первый список двойных звёзд составил в 1803 г. англ. астроном Гершель (несколько сотен). В настоящее время известно около 100 тысяч визуально-двойных звёзд. Периоды обращения компонентов у визуально-двойных систем составляют от нескольких лет до нескольких тысяч лет. Двойные звёзды являются частным случаем кратных звёзд, состоящих из нескольких компонентов. Пример  кратных звёзд - тройная звезда α Центавра. К кратным звёздам принято причислять звёзды, имеющие менее 10 компонентов. Система с большим числом звёзд называется звёздным скоплением. Пример - рассеянное скопление Плеяд, видное на ночном небе невооружённым глазом. Затменно-двойные или затменно-переменные звёзды – тесные пары, обращающиеся с периодом от нескольких часов до нескольких лет по орбитам, большая полуось которых сравнима с самими звёздами. Т.к. угловое расстояние между ними мало, мы не можем увидеть отдельно их компоненты. Судить о двойственности системы можно лишь по периодическим колебаниям блеска. У таких звёзд обнаруживается явление затмений, когда один из компонентов проходит впереди или сзади другого относительно наблюдателя. Разность звездных величин в минимуме и максимуме блеска называется амплитудой, а промежуток времени между двумя последовательными наименьшими минимумами - периодом переменности. Пример затменно-переменной звезды - b Персея (Алголь), которая регулярно затмевается на 9,6 ч с периодом 2,867 суток. Известно около 4000 затменно-двойных звёзд. Спектрально-двойные звёзды - звезды, двойственность которых устанавливается лишь на основании спектральных наблюдений.  Представьте, у нас есть две звезды: одна массивная и яркая А, вторая — менее яркая и массивная В. Обе они обращаются вокруг общего центра масс системы, то приближается к наблюдателю, то удаляется. Вследствие эффекта Доплера в первом случае линии в спектре звезды будут смещаться в фиолетовую область спектра, а во втором - в красную. Период этих смещений будет равен периоду обращения звёзд.   Интересно, что благодаря этому методу в 1995 году у звезды 51 Пегаса был обнаружен спутник, масса которого составляла около половины массы Юпитера. Так была найдена первая 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 то в одну, то в 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. По данным 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 0,5Mʘ  M  10Mʘ светимость звезды пропорциональна четвертой степени ее массы L ≈ М4. При M > 10Mʘ то L ≈ М2 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 до неё (или её годичному параллаксу):  или Но в большинстве случаев линейные радиусы звёзд принято выражать в радиусах Солнца. Если учесть, что 1 а. е. в радиусах Солнца равна 149,6 · 106 км : 0,696 · 106 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/м3, что в 1000 раз меньше плотности воздуха при нормальных условиях. Другой крайностью является плотность белых карликов - около 109 кг/м3.

Переменные и нестационарные звёзды

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 дал ей имя- Мира, то есть «удивительная». Период изменения блеска этой звезды составляет около 332 дней, в течение которых видимая звёздная величина изменяется от 2m (в максимуме блеска) до 10,1m - 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 на конечных этапах своей эволюции. Предполагается, что изменение блеска мирид связано с их 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 оС). Причиной этому является пульсация наружных слоёв звёзды - они периодически то расширяются, то сжимаются.    В начале 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 с его 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 А с периодами от 0,2 до 1,2 дня. Они очень быстро меняют блеск. Амплитуда изменения блеска достигает 1-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. Звезды, 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 11-й до -0,5-й звездной величины (т. е. в 40 тысяч раз), а 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. до н. 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 карлик, а 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 лет у повторных новых до тысяч лет у классических новых звёзд.  Но в 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 1046 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 в воде краба. Туманность так и 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 и так 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. Задачи на определение характеристик Солнца. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Одна из характеристик  Солнца - солнечная постоянная – мощность солнечного излучения, проходящего через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам на расстоянии 1 а.е. от Солнца вне земной атмосферы: Е =1367 Вт/м2.    Вторая - светимость или полное количество энергии, излучаемое Солнцем по всем направлениям за единицу времени. Она определяется как произведение величины солнечной постоянной и площади сферы радиусом в одну астрономическую единицу:  L⨀ = E ∙ 4πR2.   Температура фотосферы Солнца может быть рассчитана по закону Стефана – Больцмана - мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна четвёртой степени температуры: Е = σТ4, где σ - это постоянная Стефана - Больцмана (σ = 5,67 ∙ 10–8Вт/(м2 ∙ К4)). Подставив это уравнение в формулу для определения светимости Солнца нетрудно выразить температуру фотосферы Солнца: Задача 1.Определите светимость Солнца, если среднее расстояние от него до Земли равно 149, млн.км. Задача 2.Определите температуру фотосферы Солнца, если среднее расстояние от Солнца до Земли равно 149,6 млн. км, а светимость Солнца составляет 3,8∙ 1026 Вт. Определение расстояний и характеристик звезд. Задача 3. Определить расстояние от Земли до Веги, еслиее годичный параллакс равен 0,125 ′′. Или в парсеках : D = 1/ р′′ = 1/ 0,123′′ = 8,13пк. Задача4. Определите абсолютную звездную величину Солнца, если его видимая звездная величина – 26,8  m, а среднее расстояние от Земли до Солнца равно 1 а.е. Задача 5. Какова светимость звезды ξ Скорпиона, если её звёздная величина 3m, а расстояние до неё 7500 св. лет? Дано: m = 3m D = 7500 св. лет Решение: lg L = 0,4(5 – M). M = m + 5 – 5 lg D, где D = 7500 : 3,26 = 2300 пк. Тогда M = 3 + 5 – 5 lg 2300 = –8,8. lg L = 0,4•[5 – (–8,8)] = 5,52.    Отсюда L = 330 000. Ответ: L = 330 000 L — ? =============================------------------------------------------------------------------------------       Задача 6. Определить сумму масс и массу звёзд двойной звезды, годичный параллакс которой составляет 0,08′′. Будем считать, что период обращения компонентов равен 56 годам, а большая полуось видимой орбиты равна 3′′. Компоненты звезды отстоят от центра масс на расстояниях, относящихся как 1:7. Ответ:масса компонент равна 14,7 и 2,1 массы Солнца, а их общая масса – 16,8 массы Солнца. ------------------------------------------------------------------------ Задача7. Определить размер ε Ориона, если её угловой диаметр равен 0,00072'', а годичный параллакс -0,0024''. Ответ: радиус ε Ориона в 32 раза больше радиуса Солнца --------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------- Задача 8. Рассчитать радиус одной из самых больших из известных звёзд, если температура её фотосферы составляет порядка 3500 К, а светимость в 270 000 раз больше светимости. Солнца. Для простоты расчётов примем, что температура фотосферы Солнца равна 6000 К. Ответ: радиус VY Большого Пса равен 1527 радиусов Солнца. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Задача 9. Оценить плотность вещества нейтронной звезды PSR J1614-2230. Для простоты расчётов будем считать, что масса Солнца равна 2 ∙ 1030 килограммам. Ответ: плотность вещества нейтронной звезды составляет 4,3∙ 10 26 кг/м3 Для сравнения средняя плотность вещества в тяжёлых атомных ядрах составляет около 2,8 ∙ 1017 кг/м3.

Краткое описание документа:

Конспект лекций по астрономии (раздаточный материал) по разделу " Солнце и звезды" ( часть 2) составлен в соответствии с программой курса «Астрономия» (к учебнику Б. А. Воронцова-Вельяминова, Е. К. Страута) для СПО и может быть использован в учебном процессе для активизации деятельности студентов как в аудиторной, так и для самостоятельной работы. Содержит материал, достаточный для успешного прохождения студентами текущей и промежуточной аттестации по вопросам данного раздела. Может успешно применяться в качестве раздаточного материала, что особенно актуально при отсутствии или недостаточном количестве учебников при проведении теоретических занятий.