101 ключевая идея: Астрономия

поверхности звезды. Чем горячее звезда, тем ближе максимальная интенсивность ее излучения находится к голубому концу спектра. Таким образом, цвет звезды определяется температурой ее поверхности. Звезды классифицируются в соответствии с цветом, температурой и линиями поглощения в их спектре. Система классификации с присвоением букв алфавита разным оттенкам цвета была разработана до того, как удалось установить точную связь между цветом и температурой. После экспериментов с использованием лабораторных источников света при разных температурах порядок букв пришлось изменить, как указано в таблице, чтобы создать температурную последовательность.

См. также статьи «Диаграмма Герцшпрунга — Ресселла», «Светимость», «Звездная величина», «Красный гигант», «Спектр оптический», «Тепловое излучение».

ЗВЕЗДЫ 3: КАРЛИКИ И ГИГАНТЫ

Светимость, или количество энергии света в секунду, излучаемое звездой, зависит от температуры и площади ее поверхности в соответствии с законом Стефана (см. ниже). При известной температуре поверхности и радиусе звезды можно вычислить ее светимость. Радиус Солнца можно рассчитать по его расстоянию от Земли и угловой ширине на небосводе. Судя по цвету Солнца, мы знаем, что температура на его поверхности составляет примерно 6000К. Энергия, излучаемая Солнцем за 1 секунду, равна 400 миллионов миллионов миллионов миллионов ватт.[6]

Светимость любой другой звезды можно вычислить при сравнении ее абсолютной звездной величины с абсолютной звездной величиной Солнца. К примеру, если блеск звезды на 5 величин превышает блеск Солнца, она излучает в секунду в 100 раз больше энергии.

С помощью закона Стефана при известной светимости и температуре поверхности звезды можно вычислить площадь ее поверхности и радиус. Закона Стефана гласит: количество энергии, излучаемое звездой в секунду на квадратный метр ее площади, пропорционально четвертой степени температуры ее поверхности. Таким образом, каждый квадратный метр поверхности звезды на половину менее горячей, чем Солнце, излучает 1/16 часть энергии в секунду на единицу площади по отношению к Солнцу. Если в целом такая звезда излучает в секунду в 100 раз больше энергии, чем Солнце, то площадь ее поверхности должна быть в 1600 раз больше, а радиус — в 40 раз больше, чем Солнце. Такая звезда называется красным гигантом. Сходным образом можно доказать, что звезда вдвое более горячая, чем Солнце, но менее мощная имеет гораздо меньший диаметр. Такая звезда называется карликовой звездой. К примеру, диаметр звезды, уступающей Солнцу в блеске на 5 звездных величин и вдвое более горячей, будет в 40 раз меньше диаметра Солнца.

См. также статьи «Светимость», «Звездная величина», «Красный гигант», «Тепловое излучение».

ЗВЕЗДЫ 4: МАССА И СРОК ЖИЗНИ

Массу звезды Главной последовательности можно определить по ее светимости в соответствии с отношением между массой и светимостью, открытым сэром Артуром Эддингтоном. Изучая двойные звезды, Эддингтон смог показать, что светимость звезды Главной последовательности приблизительно пропорциональна кубу ее массы.

В результате применения ньютоновской теории тяготения к движению Земли вокруг Солнца известно, что масса Солнца составляет около 2?10³⁰ кг. Для вычисления массы двух звезд в двойной системе необходимо знать расстояние между ними и орбитальный период. Расчеты производятся по третьему закону Кеплера, выраженному в следующей формуле:

масса (в солнечных массах)?период (годы)² = расстояние (в астрономических единицах)³.

Массу отдельных звезд в двойной системе легко вычислить из общей массы, так как отношение массы одной звезды к массе другой обратно пропорционально отношению между радиусами их орбит.

Жизненный срок звезды зависит от ее массы, так как звезды состоят в основном из водорода, который является их «топливом». Протоны (то есть ядра водорода) соединяются в ядре звезды, образуя ядра гелия. В ходе этого процесса высвобождается энергия порядка 70 10¹² Вт на каждый килограмм водорода в секунду. Поскольку Солнце излучает энергию порядка 4?10²⁶ Вт, следовательно, водород в его ядре превращается в гелий со скоростью 6?10¹¹ = 4?10²⁶ / 70 х 10¹² кг/с. Общая масса Солнца составляет 2?10³⁰ кг, поэтому запасы его водородного топлива будут исчерпаны через 3,5?10¹⁸ секунд, что приблизительно равно 10 млрд. лет. Для звезды с массой т, выраженной в эквиваленте солнечных масс, и светимостью L, выраженной в единицах солнечной светимости, срок жизни составит m/L сроков жизни Солнца. Поскольку светимость звезды Главной последовательности приблизительно пропорциональна кубу ее массы, то чем больше масса звезды, тем короче срок ее жизни.

См. также статьи «Двойные звезды», «Законы Кеплера», «Светимость», «Закон тяготения Ньютона».

ЗЕМЛЯ

Земля, третья по порядку от Солнца планета, представляет собой звезду среднего возраста в Галактике, которую мы привыкли называть Млечный Путь. Галактика состоит из сотен миллионов звезд. Возможность существования во Вселенной других планет, похожих на Землю, представляется довольно высокой. Жизнь на Земле развилась потому, что на нашей планете есть вода в жидкой форме, а поверхность Земли защищена от ультрафиолетового излучения Солнца атмосферой. Если бы Земля находилась гораздо ближе к Солнцу, то океаны испарились бы; если бы Земля находилась гораздо дальше от Солнца, океаны превратились бы в лед. Жизнь, скорее всего, не смогла бы развиться в такой обстановке. К счастью, на протяжении большей части земной истории, после формирования планеты около 4,5 млрд. лет назад, она двигалась вокруг Солнца по круговой орбите, сохраняя расстояние в 149,6 млн. км от Солнца с точностью до 0,01 %. Это расстояние в астрономии принято в качестве единицы длины для измерения расстояний между небесными телами в пределах Солнечной системы и называется астрономической единицей (а. е.).

По форме Земля представляет собой сферу, немного уплощенную у полюсов;[7] ее полярный радиус составляет 6357 км, что примерно на 13 км меньше экваториального радиуса. Термин «километр» первоначально определялся как 0,0001 расстояния от экватора до Северного полюса. Это определение было заменено другим, основанным на скорости света, согласно которому расстояние от экватора до Северного полюса составляет 9986 км. В центре Земли находится сплошное плотное ядро диаметром около 2500 км, окруженное жидким ядром диаметром около 8000 км. Вязкая мантия над внешним ядром переходит в твердую земную кору неравномерной толщины, составляющей в среднем примерно 40 км. В земной коре содержится значительно больше железа, чем в мантии, которая состоит из менее плотных силикатных материалов. Магнитное поле Земли создается в ее жидком ядре, возможно, в результате температурной конвекции потоков вещества, обладающих электрическим зарядом. Ни одна из других планет земного типа в Солнечной системе не обладает магнитным полем; это свидетельствует о том, что сейчас их недра находятся в твердом состоянии.

См. также статьи «Планеты!», «Атмосфера Земли».