54. Физическая природа Солнца и звёзд

Определения и обозначения

Звезда — раскалённое небесное тело, излучающее собственный свет. В её недрах есть источник энергии, поэтому она светится сама, в отличие от планеты, которая преимущественно отражает свет звезды. Это различие помогает понять, почему Солнце и далёкие звёзды видны как источники света, а планеты — как освещённые тела.

Светимость звезды — полная энергия, которую звезда излучает за единицу времени во все стороны. Её измеряют в ваттах; это характеристика самой звезды, а не того, насколько хорошо её видно с Земли. Сравнивая светимости, можно оценить мощность излучения звёзд независимо от расстояния до них.

Спектр звезды — распределение её излучения по длинам волн. В спектре видны области разной яркости и линии, связанные с веществом звезды. Изучая их, астрономы узнают о температуре и составе звезды, хотя не могут взять от неё пробу вещества.

Звёздная величина — характеристика видимого блеска звезды. Чем меньше числовое значение величины, тем ярче звезда выглядит наблюдателю. Она нужна для сравнения звёзд на небе, но сама по себе не показывает, сколько энергии звезда излучает в действительности.

Как это устроено

Энергия звёзд рождается в их недрах, где вещество сжато и нагрето до огромных температур. При термоядерных реакциях ядра водорода соединяются и образуют ядра гелия. Масса получившихся продуктов немного меньше исходной массы, а разница переходит в энергию и поддерживает излучение звезды.

Энергия, возникшая в центре, не вылетает сразу наружу: сначала она проходит через слои звезды, взаимодействуя с веществом. Вблизи поверхности энергия уходит в пространство в виде излучения. Поэтому поверхность звезды нагрета и светится, а поступление энергии из недр помогает поддерживать это свечение длительное время.

Поверхность звезды испускает свет разных длин волн, но интенсивность этого излучения неодинакова. У более горячей звезды максимум излучения смещён к коротким волнам, поэтому её цвет кажется голубоватым или белым. У более холодной звезды заметнее длинноволновая, красная часть спектра, и она выглядит красноватой.

В спектре звезды одни длины волн могут поглощаться её веществом, поэтому на непрерывном фоне появляются тёмные линии. У каждого химического элемента свой набор таких линий, и по совпадению с лабораторными спектрами определяют состав звезды. Расположение максимума и общий вид спектра дают сведения о температуре, а смещение линий связано с движением звезды: при приближении и удалении длины волн меняются.

Светимость показывает полную мощность излучения, а видимый блеск — сколько света приходит к наблюдателю. По мере удаления от звезды один и тот же поток распределяется по всё большей поверхности, поэтому до Земли доходит меньше энергии; поток убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Значит, удалённая звезда может выглядеть слабее близкой, даже если её светимость больше.

Физические характеристики Солнца и звёзд

Таблица помогает не смешивать характеристики самой звезды с тем, как она выглядит с Земли: светимость относится к полному излучению, а звёздная величина — к видимому блеску. Цвет и спектр связаны с температурой, а спектральные линии дополнительно раскрывают состав и движение. Чтобы сделать вывод, полезно сначала определить, какую именно характеристику измеряют.

Разбор задач

Задача 1. Звезда излучает энергию мощностью 4 · 10²⁶ Вт. Какую энергию она излучит за 10 с? Здесь мощность показывает, сколько энергии выделяется за одну секунду, поэтому нужно умножить её на время.

1. Запишем связь энергии, мощности и времени: E = Pt.
2. Подставим значения: E = 4 · 10²⁶ Вт · 10 с.
3. Вычислим: E = 4 · 10²⁷ Дж, так как 1 Вт = 1 Дж/с.

Ответ: за 10 с звезда излучит 4 · 10²⁷ Дж.

Задача 2. Две звезды имеют одинаковую светимость, но одна находится вдвое дальше от Земли. Какая будет выглядеть слабее и во сколько раз? При равной светимости различие видимого блеска определяется расстоянием: поток убывает как 1/r². Поэтому удвоение расстояния уменьшает поток не в два, а в четыре раза.

1. Обозначим расстояние до близкой звезды через r, тогда до дальней — 2r.
2. Сравним потоки: F₂/F₁ = r²/(2r)² = 1/4.
3. Значит, от дальней звезды приходит в четыре раза меньше энергии за то же время.

Ответ: слабее выглядит звезда, находящаяся вдвое дальше; её поток в четыре раза меньше.

Задача 3. По спектрам двух звёзд установлено, что у одной максимум излучения приходится на более короткую длину волны. Какая звезда горячее и как это связано с её цветом? Положение максимума связано с температурой поверхности: у более горячего тела максимум смещён к коротким волнам. Поэтому нужно сравнить именно длины волн, а не общую яркость звёзд.

1. Находим звезду, у которой максимум расположен при более короткой длине волны.
2. Связываем коротковолновый максимум с более высокой температурой поверхности.
3. Ожидаем, что эта звезда будет выглядеть более голубоватой, чем звезда с более длинноволновым максимумом.

Ответ: горячее звезда с более коротковолновым максимумом; её цвет будет смещён к голубому.

Типичные ошибки

Смешивать светимость и видимый блеск. Эти величины кажутся похожими, потому что обе связаны со светом звезды, но первая описывает полное излучение, а второй — наблюдаемую яркость. Путаница возникает, если забыть о расстоянии до звезды. Проверь себя: при сравнении блеска спроси, одинаково ли далеко находятся звёзды.

Считать, что планеты излучают собственный свет. Планета может быть яркой на небе, поэтому её легко принять за самостоятельный источник излучения. Обычно она видна потому, что отражает свет звезды. Проверь себя: выясни, является ли объект звездой с собственным источником энергии или освещённым телом.

Объяснять цвет только химическим составом. Состав влияет на спектр, но основная причина различий общего цвета звёзд — температура поверхности. Ошибка возникает, когда спектральные линии и цвет считают одним и тем же признаком. Проверь себя: при сравнении цвета прежде всего сопоставь температуры звёзд.

Думать, что Солнце получает энергию при обычном горении. Огонь возникает при химических реакциях и быстро исчерпал бы запас топлива Солнца. В звёздных недрах источник энергии — термоядерные реакции, превращающие водород в гелий. Проверь себя: если объяснение сводится к горению в присутствии кислорода, оно не описывает источник энергии звезды.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия энергии, мощности и температуры, а также представление о том, что свет переносит энергию. Например, связь E = Pt позволяет вычислять энергию, излучённую за определённое время. Знания о спектрах пригодятся при изучении строения атома: спектральные линии связаны с излучением и поглощением света веществом. Понятия электромагнитных волн и спектра также используют, чтобы исследовать далёкие объекты и узнавать о Вселенной по их излучению.

Что запомнить

• Солнце — звезда, излучающая собственный свет.
• Основной источник энергии звёзд — термоядерные реакции в их недрах.
• Спектр несёт сведения о составе, температуре и движении звезды.
• Цвет звезды связан с температурой её поверхности.
• Светимость характеризует полное излучение звезды, а видимый блеск зависит также от расстояния.
• Видимая звёздная величина уменьшается с ростом наблюдаемой яркости.