§ 66 Строение, излучения и эволюция Солнца и звёзд

Определения и обозначения

Фотосфера — видимая поверхность Солнца и звезды, откуда исходит основная часть наблюдаемого света. Это не твёрдая оболочка, а слой раскалённого газа. По фотосфере мы судим о цвете и яркости звезды.

Хромосфера — слой солнечной атмосферы над фотосферой. Обычно её слабое свечение теряется на фоне яркой фотосферы, поэтому особенно хорошо она заметна при затмениях и вспышках. В хромосфере наблюдаются струи и выбросы плазмы.

Солнечная корона — самая внешняя, разреженная и горячая часть атмосферы Солнца. Она простирается далеко в космос и постепенно переходит в солнечный ветер. Несмотря на малую плотность, корона имеет очень высокую температуру.

Термоядерная реакция — превращение лёгких атомных ядер в более тяжёлые при высокой температуре с выделением энергии. В звёздах главным таким процессом служит превращение водорода в гелий. Именно это понятие объясняет, откуда звезда получает энергию.

Как это устроено

Энергия Солнца и большинства звёзд выделяется в ядре, потому что только там температура и давление позволяют ядрам водорода сближаться и сливаться. При образовании ядра гелия его масса чуть меньше суммарной массы исходных ядер. Этот дефект массы превращается в энергию по формуле E = mc², поэтому даже небольшое уменьшение массы даёт огромный результат.

В недрах звезды вещество сжато собственной гравитацией, а температура быстро растёт к центру. Из-за этого звезда имеет слоистое строение: в одних областях энергия проходит в виде излучения, а в других вещество перемещается само. Такое разделение определяется плотностью газа, его прозрачностью и тем, насколько эффективно он передаёт тепло.

В ядре происходят термоядерные реакции и образуется энергия. В зоне лучистого переноса фотоны многократно поглощаются и испускаются, поэтому энергия медленно движется наружу излучением. В зоне конвекции нагретое вещество поднимается, остывшее опускается, и энергия переносится потоками плазмы.

Фотосфера — слой, из которого выходит видимый свет; на её фоне заметны гранулы и пятна. Над ней находится хромосфера, где наблюдаются протуберанцы и проявления вспышек. Корона состоит из очень разреженной плазмы, нагретой до миллионов кельвинов, и является источником солнечного ветра.

Звезда испускает не один цвет, а непрерывный набор электромагнитных волн: от радиоволн и инфракрасного излучения до видимого света, ультрафиолета и рентгеновских лучей. Распределение энергии по спектру зависит от температуры: более горячие звёзды сильнее излучают короткие волны. Тёмные и яркие спектральные линии показывают, какие химические элементы присутствуют в атмосфере звезды.

Масса звезды определяет силу сжатия вещества, температуру ядра и скорость расходования водорода. Звезда небольшой или средней массы долго находится на главной последовательности, затем становится красным гигантом и сбрасывает внешние слои, оставляя белый карлик. Массивная звезда живёт короче, превращается в сверхгиганта, взрывается как сверхновая и может оставить нейтронную звезду или чёрную дыру.

Строение Солнца и особенности его слоёв

Таблицу удобно читать сверху вниз: сначала находится источник энергии, затем области её переноса и внешние слои атмосферы. Последний столбец связывает внутренние процессы с тем, что можно наблюдать с Земли.

Не следует считать границы слоёв абсолютно резкими: свойства плазмы изменяются постепенно. Главное различие между слоями — в плотности вещества и способе переноса энергии.

Разбор задач

Задача 1. Распределение явлений по слоям

Условие. Распределите явления по слоям Солнца: образование энергии, перенос энергии потоками вещества, видимое излучение, протуберанцы и солнечная корона. Нужно установить соответствие между явлением и областью, где оно происходит или наблюдается. Для этого сравним назначение каждого слоя.

1. Образование энергии связано с термоядерными реакциями, а они идут только в ядре.
2. Потоки нагретой и остывшей плазмы характерны для зоны конвекции, поэтому перенос энергии веществом относим к ней.
3. Основная часть видимого света выходит из фотосферы, значит, видимое излучение связываем с этим слоем.
4. Протуберанцы наблюдаются в солнечной атмосфере и связаны прежде всего с хромосферой.
5. Солнечная корона сама является внешним слоем атмосферы, поэтому её относим к короне.

Ответ: образование энергии — ядро; перенос потоками вещества — зона конвекции; видимое излучение — фотосфера; протуберанцы — хромосфера; солнечная корона — корона. При этом корона и хромосфера являются внешними слоями, а зона конвекции расположена глубже.

Задача 2. Спектр звезды

Условие. Объясните, почему по спектру звезды можно определить её температуру и химический состав. Нельзя ограничиваться утверждением, что спектр «содержит информацию»: нужно указать, какие именно признаки рассматривают. Разделим решение на две части.

1. Сначала изучают распределение энергии по длинам волн и цвет звезды. Положение области максимального излучения связано с температурой: у более горячих звёзд максимум смещён к коротким волнам.
2. Затем рассматривают спектральные линии. Каждый химический элемент поглощает или испускает свет на определённых длинах волн, поэтому набор линий служит своеобразным «отпечатком» элемента.
3. Сравнивая наблюдаемый спектр с лабораторными спектрами и моделями, определяют температуру и присутствующие элементы.

Ответ: температура определяется по цвету и распределению энергии в спектре, а химический состав — по характерным спектральным линиям. Один и тот же анализ позволяет исследовать звезду на огромном расстоянии, не доставляя её вещество в лабораторию.

Задача 3. Судьба звёзд разной массы

Условие. Сравните дальнейшую эволюцию звезды солнечной массы и массивной звезды. Нужно назвать основные этапы и конечные объекты, не смешивая срок жизни с размером звезды. Ключом к решению служит скорость расходования ядерного топлива.

1. Звезда солнечной массы долго находится на главной последовательности, превращая водород в гелий. Затем она расширяется и становится красным гигантом.
2. После сброса внешних оболочек горячее плотное ядро постепенно остывает и становится белым карликом.
3. Массивная звезда расходует топливо быстрее, проходит стадию сверхгиганта и образует тяжёлые элементы в последовательных реакциях.
4. Когда поддержка реакциями ослабевает, массивное ядро сжимается, а внешние слои выбрасываются при взрыве сверхновой.
5. Если остаток имеет меньшую массу, он становится нейтронной звездой; при ещё большей массе сжатие приводит к образованию чёрной дыры.

Ответ: звезда солнечной массы заканчивает путь белым карликом, а массивная — после сверхновой нейтронной звездой или чёрной дырой. Различие объясняется прежде всего начальной массой.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Энергию Солнца называют результатом горения топлива. Так думают из-за яркого пламени, но в звезде нет обычного горения: источник энергии — ядерное превращение водорода. Проверьте себя вопросом: происходит ли здесь химическая реакция или меняются атомные ядра?

Ошибка 2. Фотосферу считают твёрдой поверхностью. На самом деле это видимый слой раскалённого газа, поэтому у Солнца нет твёрдой границы, по которой можно было бы ходить. Если слой излучает свет и состоит из плазмы, это фотосфера, а не поверхность планеты.

Ошибка 3. Корону считают холоднее фотосферы из-за её слабого свечения. Слабое свечение объясняется малой плотностью, а не низкой температурой: корона горячее и достигает миллионов кельвинов. Разделяйте количество вещества и температуру.

Ошибка 4. Иногда считают, что все звёзды проходят одинаковый путь и заканчиваются одинаково. На самом деле масса определяет скорость расходования топлива и силу сжатия остатка. Сначала оцените массу звезды, а затем выбирайте её конечный объект.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, превращениях атомных ядер, законе сохранения энергии и видах электромагнитного излучения. Эти сведения объясняют термоядерные реакции и перенос энергии.

Тема связана со спектральным анализом: по линиям спектра изучают химический состав и физические характеристики далёких звёзд. Она также помогает понять происхождение химических элементов во Вселенной.

Активность Солнца связана с солнечным ветром, магнитными бурями и космической погодой. Эти явления могут влиять на связь, работу спутников и магнитное поле Земли.

Что запомнить

• Основной источник энергии Солнца и звёзд — термоядерные реакции в ядре.
• В недрах Солнца энергия переносится излучением и конвекцией.
• Фотосфера — видимый слой Солнца, а хромосфера и корона образуют его внешнюю атмосферу.
• Солнце и звёзды излучают электромагнитные волны разных диапазонов.
• По спектру звезды можно судить о её температуре и химическом составе.
• Эволюция звезды определяется главным образом её массой.
• Конечными остатками звёзд могут быть белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.