§ 40. Разнообразие звёзд

Определения и обозначения

Светимость звезды — полная мощность её излучения, обозначаемая обычно L. Это собственная характеристика звезды: две одинаковые звезды имеют одинаковую светимость независимо от того, насколько далеко они находятся.

Температура поверхности звезды — температура её внешних слоёв, из которых выходит наблюдаемое излучение. Она определяет цвет звезды и положение максимума излучения, поэтому по цвету можно приблизительно оценить нагретость поверхности.

Спектральный класс — характеристика звезды по особенностям её спектра и температуре. Классы располагаются в последовательности O–B–A–F–G–K–M; она помогает быстро сравнивать звёзды по температуре и цвету.

Диаграмма Герцшпрунга—Рассела — график зависимости светимости или абсолютной звёздной величины от температуры поверхности. Она нужна для классификации звёзд и изучения изменений, происходящих с ними в течение жизни.

Как это устроено

Цвет звезды связан с температурой её поверхности, потому что звезда излучает как нагретое тело. При повышении температуры максимум излучения смещается к коротким волнам: голубые звёзды горячее жёлтых, а жёлтые горячее красных. Поэтому цвет — не просто признак внешнего вида, а результат физических свойств излучения.

Температуру и состав звезды определяют по спектру, то есть по разложенному на цвета излучению. Тёмные или яркие спектральные линии возникают, когда атомы и ионы поглощают или испускают волны определённых частот. Набор линий зависит от химических элементов, а их интенсивность и вид — от температуры и состояния вещества.

Одинаковая температура не гарантирует одинаковую светимость, поскольку излучает вся поверхность звезды. Для приближённо теплового излучения справедлива зависимость L = 4πR²σT⁴: светимость пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры. Поэтому звезда с большим радиусом может быть намного ярче маленькой звезды того же цвета.

Звёзды на разных расстояниях сравнивают по светимости или абсолютной звёздной величине. Абсолютная величина показывает, каким был бы видимый блеск звезды, если бы она находилась на стандартном расстоянии 10 пк. Такое сравнение устраняет влияние расстояния и позволяет оценивать истинную мощность излучения.

На диаграмме Герцшпрунга—Рассела звёзды распределяются не случайно. Главная последовательность идёт от горячих и ярких звёзд к холодным и слабым, гиганты и сверхгиганты лежат выше неё, а белые карлики — ниже. В обычном варианте диаграммы температура возрастает справа налево, хотя на учебном графике ось может быть направлена слева направо.

Основные характеристики и группы звёзд

Сначала по таблице определяют температуру или спектральный класс, затем находят соответствующий цвет. Для оценки размеров одной температуры недостаточно: нужно учитывать светимость, потому что большая и маленькая звёзды могут иметь одинаковый спектральный класс.

Разбор задач

Задача 1

У звезды температура поверхности 6000 К. Определим её примерный цвет и спектральный класс.

1. Температура 6000 К соответствует границе классов F и G.
2. Для класса G типична температура примерно 5200–6000 К, а цвет — жёлтый; для F цвет желтовато-белый.
3. Так как значение находится на границе, точный класс без спектра назвать нельзя, но наиболее естественная оценка — G.

Ответ: звезда будет жёлтой или желтовато-белой; её класс примерно G, возможно F.

Задача 2

Две звезды имеют одинаковую температуру, но радиус первой в 10 раз больше радиуса второй. Сравним их светимости.

1. При одинаковой температуре множитель σT⁴ одинаков для обеих звёзд.
2. Светимость пропорциональна квадрату радиуса: L ∝ R².
3. Отношение светимостей равно (R₁/R₂)² = 10² = 100.

Ответ: первая звезда светит в 100 раз сильнее второй.

Задача 3

Звезда находится в верхней части диаграммы Герцшпрунга—Рассела, далеко выше главной последовательности. Определим её группу и свойства.

1. Верхняя область означает большую светимость.
2. Положение выше главной последовательности указывает на гиганта или сверхгиганта.
3. Если точка расположена справа, температура сравнительно низкая и цвет красный; большой радиус объясняет высокую светимость.

Ответ: это, вероятнее всего, красный гигант или сверхгигант: он большой, очень светящийся и относительно холодный.

Типичные ошибки

Светимость путают с видимым блеском. Ошибка возникает потому, что удалённая яркая звезда может казаться слабее близкой. Проверка: спросите себя, зависит ли величина от расстояния; для светимости — нет, для блеска — да.

Красную звезду считают горячее голубой. Такое мнение появляется из-за бытовых ассоциаций с огнём и раскалённым металлом. В физике нужно помнить обратное: максимум излучения горячей звезды смещён к голубой части спектра.

Спектральный класс принимают за размер или возраст. Название класса действительно связано с буквенной классификацией, но прежде всего оно описывает спектр и температуру. Проверить себя можно по последовательности O–B–A–F–G–K–M: в ней нет прямой шкалы размеров или возраста.

Диаграмму Герцшпрунга—Рассела читают с неверным направлением температуры. Ошибка появляется из-за непривычной оси, где горячие звёзды расположены слева. Перед анализом подпишите направление оси: в астрономическом варианте температура обычно увеличивается справа налево.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны представления о тепловом излучении, электромагнитном спектре, а также о видимой и абсолютной звёздных величинах. Они объясняют цвет, спектральные линии и сравнение далёких объектов.

Диаграмма Герцшпрунга—Рассела связана с внутренним строением и эволюцией звёзд. По мере развития звезда перемещается между характерными областями диаграммы, меняя температуру, радиус и светимость.

Дальше эти знания пригодятся при изучении источников энергии звёзд и ядерных реакций. Они также помогают понять природу белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр.

Что запомнить

• Цвет звезды связан с температурой её поверхности.
• Голубые звёзды горячее жёлтых, а жёлтые горячее красных.
• Светимость — собственная мощность излучения звезды, а видимый блеск зависит ещё и от расстояния.
• Светимость звезды определяется её температурой и радиусом.
• Спектральные классы располагаются в последовательности O–B–A–F–G–K–M.
• На диаграмме Герцшпрунга—Рассела звёзды образуют несколько характерных групп.
• Главная последовательность отражает основную часть этапа жизни звезды.