§ 40. Разнообразие звёзд

Определения и обозначения

Светимость звезды — полная энергия, которую звезда излучает за единицу времени. Она показывает, насколько мощно звезда излучает сама по себе, независимо от того, как далеко она находится от Земли. Это позволяет сравнивать реальные энергетические характеристики звёзд.

Абсолютная звёздная величина — характеристика светимости, равная видимой звёздной величине, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии 10 пк. Она нужна, чтобы сравнивать звёзды так, словно они находятся на одинаковом расстоянии. Чем больше светимость, тем меньше абсолютная звёздная величина.

Спектральный класс — обозначение, определяемое по спектру звезды и связанное с температурой её поверхности. Последовательность классов от горячих к холодным: O, B, A, F, G, K, M. Класс помогает сопоставить цвет и температуру звезды.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела — график, на котором звёзды распределены по светимости и температуре поверхности. Она помогает увидеть группы звёзд и сравнить их свойства. По положению на диаграмме можно понять, чем звёзды похожи и чем отличаются.

Как это устроено

Излучение звезды распространяется во все стороны, поэтому с увеличением расстояния оно распределяется по всё большей поверхности. Поток, достигающий наблюдателя, убывает пропорционально квадрату расстояния: на расстоянии вдвое большем он вчетверо меньше. Вот почему видимая яркость зависит и от светимости, и от расстояния. Чтобы сравнивать сами звёзды, а не условия наблюдения, используют светимость или абсолютную звёздную величину.

Свет звезды состоит из излучения разных длин волн, а распределение этих волн образует спектр. По спектру определяют спектральный класс и оценивают температуру поверхности: максимум излучения у более горячих звёзд смещён к коротким волнам. Поэтому горячие звёзды выглядят голубоватыми или белыми, а более холодные — оранжевыми или красными. Цвет связан прежде всего с температурой, но сам по себе не сообщает, насколько звезда светима.

На диаграмме Герцшпрунга — Рассела по одной оси указывают светимость, а по другой — температуру поверхности или величину, связанную с ней. Так можно сразу сопоставить, насколько звезда горячая и сколько энергии она излучает. Температурную ось обычно направляют от больших значений слева к меньшим справа: такое расположение закрепилось в астрономии исторически. Поэтому красные, более холодные звёзды обычно находятся правее горячих голубых.

Большинство известных звёзд располагается на главной последовательности — вытянутой области диаграммы. Звёзды на ней не одинаковы: их положение связано с массой. Как правило, более массивные звёзды горячее и светимее, а менее массивные холоднее и тусклее. Поэтому положение на главной последовательности помогает сравнивать звёзды и судить об их массе.

При близкой температуре поверхность каждого квадратного метра звезды излучает примерно одинаково, но общая площадь поверхности может различаться. Красный гигант имеет большой радиус, поэтому его поверхность огромна и суммарная светимость высока. Белый карлик, напротив, мал: даже горячая поверхность не компенсирует небольшую площадь, и светимость остаётся низкой. Так размер объясняет, почему звёзды близкой температуры могут находиться в разных областях диаграммы.

Основные группы звёзд на диаграмме Герцшпрунга — Рассела

Чтобы определить группу звезды, сначала найдите её температуру и светимость, а затем сопоставьте координаты с областями диаграммы. Положение сверху или снизу показывает уровень светимости, а слева или справа — относительную температуру. Сравнивая группу и температуру, учитывайте размеры: они помогают объяснить различие светимостей.

Разбор задач

Задача 1. Две звезды имеют одинаковую светимость, но одна находится дальше от Земли. Какая из них выглядит тусклее и почему?

1. Светимость у звёзд одинакова, значит, за одинаковое время они излучают одинаковую полную энергию.
2. Наблюдаемая яркость зависит от потока, дошедшего до Земли. При увеличении расстояния то же излучение распределяется по большей площади, а поток убывает как 1/r².
3. Следовательно, до наблюдателя от дальней звезды доходит меньший поток. Её видимая яркость меньше, хотя собственная светимость не изменилась.

Ответ: тусклее выглядит более далёкая звезда.

Задача 2. По положению звезды на диаграмме определите, к какой группе она относится, и сравните её температуру и светимость со звездой главной последовательности.

1. Сначала оцените обе координаты: горизонтальная показывает температуру, вертикальная — светимость. Не делайте вывод только по цвету или одной координате.
2. Верхняя правая область соответствует красным гигантам: они относительно холодные, но очень светимые. Нижняя левая область соответствует белым карликам: они горячие, но малосветимые.
3. Если точка попала на диагональную полосу, это звезда главной последовательности. При сравнении выбирайте звезду главной последовательности с близкой температурой, чтобы увидеть, как различие размеров меняет светимость.

Ответ: область диаграммы указывает группу; гигант при низкой температуре светимее, а белый карлик при высокой температуре может быть тусклее звезды главной последовательности.

Задача 3. Две звезды имеют одинаковую температуру поверхности, но одна значительно светимее. Какая из них имеет больший радиус?

1. При одинаковой температуре каждый участок поверхности звёзд одинаковой площади излучает примерно одинаковую мощность.
2. Светимость — суммарная мощность излучения всей поверхности. Если температура одинакова, большая светимость означает большую площадь излучения.
3. Площадь поверхности сферы растёт с радиусом, поэтому звезда с большей площадью имеет больший радиус.

Ответ: больший радиус у более светимой звезды.

Типичные ошибки

Ошибка — считать светимость и видимую яркость одним и тем же. Их путают, потому что обе величины описывают, насколько заметен свет звезды, но видимая яркость меняется с расстоянием. Проверка: сравните расстояния; если они разные, одинаковая светимость не гарантирует одинаковую яркость.

Ошибка — полагать, что красная звезда обязательно слабее голубой. Цвет показывает прежде всего температуру, тогда как светимость зависит также от радиуса. Проверка: сопоставьте размеры или положение звёзд на диаграмме, а не делайте вывод о светимости только по цвету.

Ошибка — читать спектральные классы как последовательность от холодных к горячим. Порядок классов O, B, A, F, G, K, M идёт от горячих к холодным, и его легко перепутать, если ориентироваться на привычный порядок букв. Проверка: запомните крайние классы: O — горячий, M — холодный.

Ошибка — считать все звёзды главной последовательности одинаковыми. На диагональной полосе действительно находятся звёзды одной общей группы, но их массы, температуры и светимости различаются. Проверка: сравните положение точек вдоль полосы — оно показывает, что свойства звёзд меняются.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о спектре излучения и температуре: по спектру судят о свойствах поверхности звезды. Также пригодится закон обратных квадратов, объясняющий, почему поток излучения ослабевает с расстоянием. Эти знания позволяют отличать наблюдаемую яркость от светимости.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела помогает перейти от сравнения звёзд к изучению их строения и эволюции. По светимости и температуре можно оценивать размеры звёзд, а сравнение видимой и абсолютной звёздной величины используется при определении расстояний. Так свойства звезды связываются с её местом и изменениями во времени.

Что запомнить

• Светимость — характеристика самой звезды, а видимая яркость зависит ещё и от расстояния.
• Цвет и спектр звезды позволяют судить о температуре её поверхности.
• На диаграмме Герцшпрунга — Рассела сопоставляют светимость и температуру звёзд.
• Большинство звёзд расположено на главной последовательности.
• Красные гиганты имеют большие размеры и высокую светимость.
• Белые карлики малы и имеют низкую светимость, несмотря на высокую температуру поверхности.