Классификация солнца как звезды

Классификация звезд. Солнце, его характеристики и эволюция.

Классификация звезд осуществляется с помощью Диаграммы Герцшпрунга –Ресселла.(ДГР) –графического изображения зависимости светимости звезды от эффективной температуры.см рис 2.24. Звездные классы.: O, B, M, A, F, G, K, T, N.( Для запоминания: «О Боже Мой АФГанистан Куда Ты Несёшься».)

Логарифм светимости звезды относительно светимости Солнца

Lg (L/L_O) O B A F G K M

Логарифм температуры (Lg T)

Рис.2.24. Схематизированная диаграмма Герцшпрунга-Ресселла. L — светимость звезды, Т –эффективная температура. L_О –светимость Солнца.

Солнце (желтый карлик класса G4 находится на главной последовательности) – звезда представляет собой газовый шар в состоянии плазмы («горячий огонь»). Под действием тяготения Солнце стремиться сжаться. Сжатию препятствует давление газа, возникающее из-за высокой температуры. Источником энергии Солнца является термоядерная реакция горения ядер водорода и превращения четырех протонов в одно ядро гелия в центральной области Солнца.

Характеристики Солнца: радиус 7 10 8 м, масса 2 10 30 кг, плотность 1,4 г/см 3 , температура поверхности 5800 о К, излучаемая мощность (светимость) 4 10 18 Мвт. Химический состав: водород 74%, гелий 24%, углерод, азот, кислород, неон 3%, Возраст 5 10 9 лет.

Теоретические значения в центре Солнца: температура 13 10 6 К, плотность 98 г/см 3 , давление 2 10 11 атмосфер.

Эволюция Солнца. Наша звезда Солнце – звезда третьего поколения Галактики образовалась в результате вспышки Сверхновой на краю спирального рукава Ориона Галактики, вдоль которого располагаются скопления молодых звезд и облака межзвездного газа и пыли.

Когда Солнце достигнет возраста 9 млрд. лет термоядерная реакция горения водорода в центре Солнца прекращается. Водород в центре Солнца превратится в гелий, и образуется гелиевого ядро. Водород горит только в тонкой оболочке. Ядро сжимается, оболочка расширяется, желтая звезда Солнце превращается в красного гиганта размером с орбиту Марса за время 0,5 млрд лет. Затем начинает гореть гелий, превращаясь в углерод в течении 5 10 7 лет. Вся оболочка сбрасывается, и красный гигант превращается в медленно остывающего белого карлика — конечную стадию эволюции звезд данного класса. Со временем светимость Солнца возрастает на 1 % на каждые 100 млн. лет.

Ближайшей к Солнцу звездой класса G4 является ( Центавра А ) находящаяся на расстоянии 1,32 парсека = 4,307 световых года = 4,0735 10 16 км.

Красные гиганты – относительно холодные звезды высокой светимости с протяженными оболочками. Красные гиганты имеют большие радиусы и огромные излучающие поверхности. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную области спектра электромагнитного излучения. Красные гиганты имеют гелиевое ядро, окруженное тонким слоевым источником энерговыделения, где горит водород, или углеродно-кислородное ядро, окруженное двумя слоями горения водородным и гелиевым. Плотность вещества в ядрах красных гигантов достигает 10 8 -10 9 г/см 3 , температура 10 8 -10 9 К.

Белые карлики – компактные звезды с массой порядка массы Солнца и радиусами около 1% радиуса Солнца. Белые карлики существуют благодаря устойчивому равновесию между силами тяготения, которые стремятся сжать звезду и давлением вырожденного электронного газа препятствующего этому. Плотность вещества белого карлика 10 5 -10 6 г/см 3 , температура поверхности около 10 4 К. Основной источник светимости белого карлика – энергия теплового движения ионов вещества звезды. Электроны имеют квантовомеханический импульс

, Давление электронного газа пропорционально концентрации частиц и энергии Ферми

, Для релятивисткого электронного газа , концентрация пропорциональна плотности

, Следовательно давление электронного газа

. Eсли гравитационное давление

> больше давления электронного газа, то происходит гравитационный коллапс звезды.

Зависимость давления от плотности вещества , где . Существует верхний предел массы холодного невращающегося белого карлика (предел Чандрасекара): Предельная масса белого карлика .

где М_О— масса Солнца, -молекулярная масса приходящаяся на один электрон. Если масса звезды М больше начинается процесс нейтронизации вещества звезды. Ядра начинают захватывать электроны в реакции обратного бета-распада , когда энергия Ферми электронов превышает порог нейтронизации. Ядра перегружаются нейтронами, и с некоторого момента начинают выбрасывать нейтроны, плотность звезды возрастает и приближается к ядерной. Размер звезду уменьшается. Белый карлик, пройдя предел Чандрасекара, превращается в нейтронную звезду.

Нейтронные звезды – сверхплотные звезды, состоящие из нейтронов с малой примесью электронов, сверхтяжелых атомных ядер и протонов. Нейтронные звезды были предсказаны в 30 гг. 20 века и открыты в виде пульсаров в 1967 г.. Пульсары испускают периодическое радиоизлучение с периодом 0,01-1сек, которое вызвано быстрым вращением нейтронной звезды. Нейтронные звезды могут проявлять себя в виде рентгенеровских пульсаров. Плотность нейтронной звезды огромна

10 14 г/см 3 . Температура 10 9 К.

Нейтронные звезды возникают в процессе нейтронизации вещества, т.е. реакции слияния электронов и протонов с образованием нейтронов в ядрах и в свободном состоянии и испусканием нейтрино:

. (2.164)

E_с , (2.165)

Мэв – энергия бета-распада нейтрона.

При выполнении условия нейтронизации E_F > E_c реакция (2.164) становится энергетически выгодной.

Пример: Реакции нейтронизации и далее лишают звезду «электронной опоры». Давление электронного газа падает, и против силы тяготения действует только давление вырожденного газа нейтронов, обеспечивая гидростатическое равновесие нейтронной звезды. Масса нейтронной звезды с массой 1,5 массы Солнца имеет радиус около 10 км.

Дата добавления: 2014-12-18 ; просмотров: 4815 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Солнце — звезда, которая нас греет или уничтожает?

Глядя на светило, которое миллиарды лет греет и освещает нашу планету, мало кто из нас догадывается, что перед нами работающий естественный термоядерный реактор. Столь грозное и пугающее сравнение связано с природой Солнца, которое по происхождению и своему составу является типичной звездой нашей галактики. Несмотря на то, что процессы, происходящие на Солнце, никак нельзя назвать животворными, эта звезда несет нам жизнь.

Что представляет собой Солнце?

Почему Солнце — звезда, похожая на миллиарды других в галактике Млечный Путь — так интересует астрофизиков и ученых-ядерщиков? Дело в том, что это самая близкая к нам звезда, благодаря которой мы можем понять суть процессов, которые бушуют во Вселенной с момента ее рождения. Изучив Солнце, мы поймем, что такое звезды, как они живут и чем заканчивается столь блистательное зрелище. Другие звезды, ввиду значительного своего удаления от нашей Солнечной системы, не могут нам продемонстрировать особенности своего внешнего вида.

Наша звезда является центральным объектом Солнечной системы, вокруг которого по своим орбитам вращаются восемь планет, астероиды и карликовые планеты, кометы и другие космические объекты. Солнце относится к звездам G класса в соответствии с гарвардской классификацией. В соответствии с классификацией Анджело Секки Солнце так же, как Арктур и Капелла, это желтый карлик II класса. В отличие от других звезд, находящихся в десятках, в сотнях световых лет от нашей планеты, наше светило располагается практически рядом. Землю от Солнца отделяет 150 млн. км — ничтожное расстояние по сравнению с колоссальными расстояниями, которые преобладают во Вселенной.

Ближайшая к Солнцу звезда — красный карлик Проксима Центавра — находится на расстоянии 4 световых лет. Мы находимся вдалеке от туманностей и звездных скоплений, которые являются самыми беспокойными областями галактики. Такое расположение обеспечивает спокойное движение Солнца по своей орбите уже 14 млрд. лет, с тех пор как образовалась галактика Млечный Путь и наша Вселенная в целом. Скорость движения звезды по орбите вокруг галактического центра составляет 200 км в секунду.

По земным меркам 150 млн. километров — это большое расстояние. Однако даже на таком удалении мы в полной мере ощущаем тепло, которое излучает Солнце. Свет нашей звезды идет к нам 8 секунд и продолжает греть и освещать нашу планету. Все дело в размерах нашей звезды. Несмотря на то, что наше светило относится к нормальным звездам, со средней массой, его масса превосходит в 700 раз массу всех небесных тел Солнечной системы. Размер солнечного диска сегодня определен и составляет 1 млн. 392 тыс. 20 км. Это в 109 раз больше диаметра Земли.

Происхождение Солнца, его жизнь и смерть

Наше светило родилось вместе с другими звездами более 4-5 млрд. лет назад. Родильным домом для Солнца стало газовое облако, которое образовалось в результате колоссальных по своим масштабам космических катаклизмов. По одной из версий, облака газа появились в результате Большого Взрыва, который потряс пространство. По своему составу газопылевые облака состояли на 99% из атомов водорода. Лишь 1% приходился на атомы гелия и другие элементы. Весь этот набор элементов под действием сил гравитации получил необходимый импульс и стал плотно сжиматься в одну субстанцию.

Чем быстрее росла масса, тем быстрее становилась скорость вращения. Атомы соединялись в крупные соединения, образуя молекулярный водород и гелий. В результате физических процессов и стремительного вращения в центре облака сложилось шарообразное образование. Появилась протозвезда — древнейшая форма, которая предшествует последующему образованию полноценной звезды. Первоначальное количество космического газа превышало нынешние размеры нашей Солнечной системы. В дальнейшем под воздействием гравитационных сил звездное вещество стало плотно сжиматься, увеличивая массу будущей звезды.

Вместе с уменьшением размеров протозвезды, увеличивалось давление внутри звездной субстанции. Это в свою очередь привело к стремительному росту температуры внутри газового образования. Высокая плотность и температура в 100 млн. Кельвина запустили процесс термоядерного синтеза водорода.

Термоядерная реакция порождает огромное количество тепловой и световой энергии, которая распространяется от внутренних областей Солнца к его поверхности. Ежесекундно с его поверхности улетучивается в открытый космос более 4 млн. тонн. Учитывая, что наша звезда существует уже не один миллиард лет и продолжает светить без видимых и существенных изменений, можно сделать вывод — запасы водорода у нашего Солнца колоссальны. Когда этот запас исчерпается, остается только догадываться, занимаясь математическими вычислениями. Судя по расчетам ученых, Солнце будет еще так же греть и светить десяток миллиардов лет, пока не закончатся запасы термоядерного топлива.

Читайте также: Юбка солнце с кардиганом

По мере угасания интенсивности термоядерных процессов начинается заключительная фаза жизни звезды. Плотность звезды уменьшится, а вот ее размеры значительно увеличатся. Вместо желтого карлика Солнце станет Красным гигантом. Достигнув этой стадии, наша звезда покинет главную последовательность и будет спокойно ждать своей смерти. Человечеству не дождаться финала этой драмы, так как гигантское Красное Солнце уничтожит своим огнем практически все живое на нашей планете. Поверхность огромного красного диска раскалиться до температуры 5800 К. Радиус Солнца станет больше в 250 раз по сравнению с нынешними значениями.

Постепенно температура поверхности будет снижаться, а звезда будет увеличиваться в размерах. Заметно вырастет и ее светимость, в 2700 раз по сравнению с нынешней яркостью. Первыми исчезнут Меркурий и Венера. Планета Земля неизбежно через десятки миллиардов лет прекратит свое существование. Атмосфера планеты под влиянием солнечного ветра исчезнет, вода испарится и поверхность планеты превратится в раскаленную каменную глыбу.

В такой фазе наше светило будет пребывать несколько десятков миллионов лет. После того, как температура в центре солнечного ядра достигнет значений 100 миллионов по Кельвину, запустится процесс горения гелия и углерода. Новый виток цепных реакций окончательно истощит Солнце. Сильно уменьшившаяся масса звезды не сможет удерживать внешнюю оболочку, которую пульсирующие термоядерные процессы развеют в пространстве. На месте красного гиганта образуется планетарная туманность, в центре которой останется ядро бывшей звезды — белый карлик. Другими словами, через десятки миллиардов лет наше гостеприимное светило превратится в маленький плотный и горячий объект размерами с нашу планету. В таком состоянии звезда будет пребывать еще довольно длительное время, медленно умирая и тлея.

Строение и структура Солнца

Близость Солнца позволяет получить представление о его строении и структуре, получить данные о том, как работает этот естественный термоядерный реактор и какие в нем происходят процессы. Интересным будет разобрать структуру, которая состоит из следующих компонентов:

ядро;
зона лучистой энергии;
конвективная зона;
тахоклин.

Далее начинаются слои солнечной атмосферы:

Звезда не является твердым телом, ввиду того, что мы имеем дело с раскаленным газом, плотно сжатым в сферическую область. При таких температурах существование любого вещества в твердом виде физически невозможно. Яркий свет и тепло, излучаемые Солнцем, являются следствием тех же процессов, с которыми человек столкнулся при создании атомной бомбы. Т.е. материя под действием огромного давления и высоких температур преобразуется в энергию. Основным топливом является водород, который в составе Солнца составляет 73,5-75%, поэтому основным источником тепла является процесс термоядерного синтеза водорода, сосредоточенный главным образом в ядре, центральной части звезды.

Солнечное ядро составляет ориентировочно 0,2 солнечного радиуса. Именно здесь идут главные процессы, за счет которых Солнце живет и снабжает световой и кинетической энергией окружающее космическое пространство. Процесс переноса лучистой энергии от центра звезды к верхним слоям осуществляется в зоне лучистого переноса. Здесь фотоны, стремящиеся от ядра к поверхности, перемешиваются с частицами ионизированного газа (плазмой). За счет этого происходит обмен энергией. В этой части солнечного шара располагается особая зона – тахоклин, которая отвечает за образование магнитного поля нашей звезды.

Далее начинается самая масштабная область Солнца — конвективная зона. Эта область составляет почти 2/3 солнечного диаметра. Один только радиус конвективной зоны практически равен диаметру нашей планеты – 140 тыс. километров. Конвекция представляет собой процесс, при котором плотный и разогретый газ равномерно распределяется по всему внутреннему объему звезды по направлению к поверхности, отдавая тепло следующим слоям. Этот процесс происходит беспрерывно и его можно видеть, наблюдая за поверхностью Солнца в мощный телескоп.

На границе внутренней структуры и атмосферы звезды находится фотосфера — тонкая, всего 400 км глубиной, оболочка. Именно ее мы и видим при своих наблюдениях за Солнцем. Фотосфера состоит из гранул и неоднородна по своей структуре. Темные пятна сменяются яркими участками. Такая неоднородность связана с разным периодом остывания поверхности Солнца. Что касается невидимой части спектра поверхности нашего светила, то в этом случае мы имеем дело с хромосферой. Это плотный слой атмосферы Солнца, и его можно видеть только во время солнечного затмения.

Наиболее интересными солнечными объектами для наблюдения являются протуберанцы, которые по виду напоминают длинные волокна, и солнечная корона. Эти образования являются гигантскими выбросами водорода. Возникают протуберанцы и перемещаются по поверхности Солнца с огромной скоростью — 300 км/с. Температура этих петлей превышает отметку 10 тыс. градусов. Солнечная корона представляет собой внешние слои атмосферы, которые по толщине превышают диаметр самой звезды в несколько раз. Точной границы у солнечной короны нет. Ее видимая граница является только частью этого огромного образования.

Завершающим этапом солнечной активности является солнечный ветер. Этот процесс связан с естественным истечением звездного вещества через внешние слои в окружающее космическое пространство. Солнечный ветер в основном состоит из заряженных элементарных частиц — протонов и электронов. В зависимости от цикла солнечной активности скорость солнечного ветра может быть различной от 300 км в секунду до отметки в 1500 км/с. Эта субстанция распространяется по всей солнечной системе, оказывая влияние на все небесные тела нашего ближнего космоса.

Примерно такую структуру имеют и другие звезды, входящие в главную последовательность. Другие небесные светила, которые мы наблюдаем на ночном небосклоне, могут иметь другую структуру. Различия могут состоять только в массе звезды, которая в данном случае является ключевым фактором для звездной активности.

Особенности нашей звезды

Как и все нормальные звезды, которых во Вселенной большинство, Солнце является основным объектом нашей планетарной системы. Огромная масса звезды и ее размеры обеспечивают баланс гравитационных сил, обеспечивая упорядоченное движение небесных тел вокруг нее. На первый взгляд наше светило ничем особенным не отличается. Однако за последние годы сделан ряд открытий, которые позволяют утверждать об уникальности Солнца. К примеру, Солнце дает на порядок меньше излучения в ультрафиолетовом диапазоне, чем другие однотипные звезды. Другая особенность заключается в состоянии нашей звезды. Солнце относится к переменным звездам, однако в отличие от своих сестер по космосу, которые меняются интенсивность и яркость света, наше светило продолжает светить ровным светом.

Также оно выделяет огромное количество энергии, при этом видимыми являются только 48% этого количества. Невидимое человеческому глазу инфракрасное излучение составляет 45% энергии Солнца. Из всего того огромного количества солнечного излучения наша планета получает совсем крохи, около половины миллиардной доли, однако этого вполне хватает для поддержания баланса, создавшихся на Земле условий.

Заключение

Оценивая полученные на сегодняшний день данные о Солнце, нельзя утверждать, что мы досконально знаем природу нашей звезды. Все представления о строении и структуре Солнца держатся на математических и физических моделях, созданных человеком. Анализ процессов, происходящих внутри нашей звезды и на ее поверхности, позволяет найти объяснение тем процессам и явлениям, которые происходят на нашей планете. Солнце является не только генератором энергии, обогревающим нашу планету, но и самым мощным источником радиоизлучения и электромагнитных волн, которые воздействуют на биосферу Земли. Любое изменение активности Солнца мгновенно отражается на состоянии земного климата и нашем самочувствии.

Источник