Диаграмма «спектр — светимость»

Определения и обозначения

Диаграмма «спектр — светимость», или диаграмма Герцшпрунга — Рассела, сопоставляет спектральный класс звезды с её светимостью. По одной оси виден цветовой и температурный ряд, по другой — количество излучаемой энергии. Благодаря этому звёзды можно сравнивать не по одному признаку, а сразу по двум.

Светимость звезды — полная энергия, которую звезда излучает за единицу времени. Она характеризует саму звезду и не зависит от того, насколько далеко находится наблюдатель. Видимая яркость может быть меньше у далёкой мощной звезды и больше у близкой слабой.

Спектральный класс — обозначение, связанное с особенностями спектра и температурой поверхности звезды. Последовательность классов от горячих к холодным такова: O, B, A, F, G, K, M. Класс помогает быстро оценить температуру даже тогда, когда её нельзя измерить напрямую.

Абсолютная звёздная величина показывает, какой была бы видимая звёздная величина, если бы звезду поместили на стандартное расстояние. Это позволяет сравнивать истинную светимость звёзд, не смешивая её с влиянием расстояния. Чем больше светимость, тем меньше обычно абсолютная звёздная величина.

Как это устроено

Спектр звезды содержит линии поглощения и излучения, а их вид зависит от температуры и состава её внешних слоёв. По набору и относительной силе линий астроном определяет спектральный класс. Класс связывает наблюдаемый спектр с примерным диапазоном температур поверхности, поэтому по нему можно оценить, горячая звезда или холодная.

Светимость меняется у звёзд в очень широких пределах: от тысячных долей солнечной до миллионов солнечных светимостей. Линейная шкала сделала бы слабые звёзды почти неразличимыми рядом с мощными. Поэтому по вертикали часто используют логарифм светимости, например lg(L/L☉), где L☉ — светимость Солнца.

По горизонтали удобно откладывать спектральные классы или температуру, потому что так сразу видна связь между цветом, спектром и нагревом поверхности. В привычной диаграмме классы записывают от O к M слева направо. Температура при этом убывает, а не возрастает, поэтому направление оси нужно проверять по подписям.

Точки звёзд образуют не случайное облако, а несколько заметных областей. Главная последовательность тянется от горячих и ярких звёзд вверху слева к холодным и слабым внизу справа. Выше неё располагаются гиганты и сверхгиганты, а внизу слева — белые карлики.

Положение точки даёт сразу три подсказки: температуру по горизонтали, светимость по вертикали и вероятные размеры или стадию развития по принадлежности к области. Но одна диаграмма не сообщает точный возраст каждой звезды. Для эволюционных выводов нужны расчёты, химический состав, масса и сведения о принадлежности к скоплению.

Области диаграммы «спектр — светимость»

Таблицу используют по двум координатам: сначала находят температуру или класс, затем сравнивают высоту точки. Если звезда находится высоко при холодном спектре, это кандидат в гиганты, а если низко при горячем спектре — в белые карлики. Положение на главной последовательности указывает на более обычное соотношение температуры, размеров и светимости.

Разбор задач

Задача 1

Звезда имеет спектральный класс G и находится на главной последовательности. Нужно определить часть диаграммы и свойства, которые можно оценить. Спектральный класс нельзя принимать за значение светимости: он задаёт прежде всего температуру.

1. Класс G находится между F и K, то есть примерно в средней, не самой горячей части горизонтальной оси.
2. Так как звезда принадлежит главной последовательности, её точку нужно искать на диагональной полосе, а не в области гигантов или белых карликов.
3. По высоте точки можно оценить светимость, а по горизонтали — температуру; для класса G она близка к солнечной.

Ответ: звезда располагается в средней части главной последовательности. По её положению оценивают температуру поверхности, светимость и типичное соотношение размеров, характерное для звёзд главной последовательности.

Задача 2

Две звезды имеют один и тот же спектральный класс, но одна находится значительно выше другой. Их температуры примерно одинаковы, поэтому различие по вертикали означает различие светимостей. Нужно выяснить, какие физические свойства могут это объяснить.

1. Одинаковый класс даёт примерно одинаковую температуру поверхности.
2. Более высокая точка означает большую светимость, а не большую температуру.
3. При близких температурах более светимая звезда должна иметь большую излучающую поверхность, то есть обычно больший радиус.

Ответ: верхняя звезда светит сильнее нижней. Верхняя может быть гигантом, а нижняя — звездой главной последовательности; обе при этом могут иметь одинаковый спектральный класс.

Задача 3

На диаграмме отмечены холодная звезда с очень высокой светимостью и горячая звезда с низкой светимостью. На первый взгляд сочетания кажутся необычными, но температура и светимость описывают разные стороны звезды. Поэтому их нужно определить по разным осям.

1. Холодную и очень светимую звезду ищут справа в верхней части диаграммы.
2. Такое положение характерно для красного гиганта или сверхгиганта: большая площадь поверхности компенсирует низкую температуру.
3. Горячую, но слабосветящую звезду ищут слева внизу.
4. Это область белых карликов, у которых высокая температура сочетается с очень малым радиусом.

Ответ: первая звезда, вероятнее всего, красный гигант или сверхгигант, а вторая — белый карлик. Противоречия нет: светимость зависит и от температуры, и от размера поверхности.

Типичные ошибки

Светимость путают с видимой яркостью. Ошибка возникает потому, что в наблюдениях мы непосредственно видим именно яркость. Проверка проста: спросите, изменится ли характеристика при переносе звезды дальше, — светимость нет, а видимая яркость изменится.

Считают, что температура растёт слева направо. Такой вывод появляется при привычном чтении числовых осей. Сверяйте подписи: в стандартной диаграмме классы идут O—B—A—F—G—K—M, от горячих к холодным.

Одинаковую температуру принимают за одинаковую светимость. При этом забывают, что размеры звёзд могут отличаться в десятки и сотни раз. Проверяйте не только горизонталь, но и вертикальное положение точек: гигант при той же температуре будет светить сильнее.

Положение считают точным возрастом звезды. Область диаграммы действительно связана со стадией эволюции, но разные звёзды проходят её по-разному. Для возраста нужны масса, состав, модели и дополнительные наблюдения.

Связь с другими темами

До изучения диаграммы нужно знать, что спектр связан с температурой поверхности и спектральным классом. Также важно различать светимость, видимую яркость и абсолютную звёздную величину, иначе положение точки будет истолковано неверно. Диаграмма используется при изучении размеров, строения и эволюции звёзд, а сравнение точек особенно полезно для исследования звёздных скоплений.

Что запомнить

• Диаграмма сопоставляет спектральный класс или температуру звезды с её светимостью.
• В обычной ориентации горячие звёзды находятся слева, холодные — справа.
• На вертикальной оси светимость часто представляют в логарифмическом масштабе.
• Большинство звёзд располагается на главной последовательности.
• Гиганты и сверхгиганты имеют высокую светимость при сравнительно низкой температуре.
• Белые карлики горячие, но обладают небольшой светимостью из-за малых размеров.