Звезды и их образование
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Юридический институт
Кафедра природоресурсного, земельного и экологического права
РЕФЕРАТ
по спецкурсу «Концепции современного естествознания»
на тему: «Звезды и их образование»
Проверил доцент
____________ Е.С. Болтанова
Выполнила ст-ка 2 курса
Отделения второго высшего
Образования
_____________Д.А. Лымарева
Томск 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1. Вселенная – мир звезд 4
2. Общая характеристика звезд 9
3. Межзвездная среда – источник рождения звезд 18
4. Звездообразование 21
Заключение 26
Список использованной литературы 28
ВВЕДЕНИЕ
Когда-то все думали, что центром Мира является Земля. Со временем такое мнение признали ошибочным и стали считать центром всего Солнце. Но затем выяснилось, что и светило, дающее жизнь всему живому на голубой планете, отнюдь не центр космического пространства, а только крошечная песчинка в безбрежном океане звёзд. Сам же океан не так огромен, как кажется с Земли, а представляет из себя только малую часть Вселенной, которая бесконечна. Но и она, по всей видимости, составляет небольшую толику какого-то ещё более огромного и величайшего образования, находящегося за пределами разума и воображения.
Если задаться вопросом, какие из космических объектов во Вселенной «самые главные», то ответ будет однозначным – это звезды. Почему? Хотя бы потому, что 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах. У многих, если не у большинства, других Галактик «звездная субстанция» составляет больше, чем 99,9% их массы. Есть, правда, мнение, что в ядрах многих галактик и в квазарах (это очень массивные и компактные объекты, которые, как показали наблюдения ближайших из них, располагаются в ядрах крупных галактик) основная часть вещества – это плотный, довольно горячий газ. Если даже это так, то вывод относительно звезд остается неизменным: ведь массы галактических ядер невелики по сравнению с массами самих галактик.
ВСЕЛЕННАЯ – МИР ЗВЕЗД
Вселенная – это окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений. Вселенную в целом изучает астрономия.
Астрономия (от греч. astron – звезда, nomos – наука) – наука о движении, строении, возникновении, развитии небесных тел, их систем и Вселенной в целом.
Основной метод получения астрономических знаний – наблюдение, поскольку, за редким исключением, эксперимент при изучении Вселенной невозможен.
Возраст Вселенной, согласно
современной космологической
Вселенная представляет
собой упорядоченную систему
отдельных взаимосвязанных
При изучении объектов Вселенной имеют дело со сверхбольшими расстояниями. Для удобства при измерении таких сверхбольших расстояний в космологии используют специальные единицы:
♦ Астрономическая единица (а. е.) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. Эта единица, как правило, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы. Например, расстояние от Солнца до самой удаленной от него планеты – Плутона – 40 а. е.
♦ Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, проходит за один год, – 9 460 730 472 580, 820 км (то есть примерно 9,5 триллионов километров); 1 а.е. равна 8,3 световой минуты. В световых годах определяют расстояние до звезд и других космических объектов, находящихся за пределами Солнечной системы.
♦ Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 светового года. Используют для измерения расстояний внутри звездных систем и между ними.
При определении расстояний до других галактик используют еще более крупные единицы – килопарсек (Кпк) – 103 пк, мегапарсек (Мпк) – 106 пк.
Вселенная образована огромным количеством галактик.
Галактика (от греч. galaktikos – молочный, млечный) – звездная система, в свою очередь образованная звездами различных типов, звездными скоплениями. Помимо звезд в состав галактик могут входить газовые, пылевые туманности и др.
Полагают, что среднее расстояние между галактиками 2 млн световых лет, а типичная скорость движения галактик – около 1000 км/с.
Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Галактики образуют метагалактику (Вселенную), размеры которой оцениваются в 15–20 млрд световых лет.
Вследствие удаленности галактик свет от входящих в них миллиардов звезд сливается, создавая впечатление светящегося туманного вещества, поэтому галактики получили название туманностей.
Ближайшая к нам большая галактика – наблюдаемая в созвездии Андромеды туманность – Туманность Андромеды. Это единственная галактика, которую можно разглядеть в небе невооружённым глазом. Она видится маленьким овальным светящимся пятнышком. Свет в нём распределён неравномерно: центральная часть более яркая. Если же усилить глаз телескопом, то пятнышко превратится в гигантскую звёздную систему, диаметр которой составляет 150 тыс. световых лет. Это больше диаметра На в полтора раза.
Наша Галактика –
это звездная система, в которую
входят все звезды, видимые в созвездиях,
и все звезды Млечного Пути, а
также газовые и пылевые
Наша Галактика имеет очень красивое и интригующее название - Млечный Путь. С Земли это небесное великолепие наблюдается в виде широкой белесой полосы, тускло светящейся на небесной сфере и опоясывающей все небо.
Установлено, что Млечный Путь имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две (возможно, более) спиральные ветви. Они состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и закручиваются вокруг ядра. Расположение спиральных ветвей точно пока не выяснено, но Солнце находится между ними, а самые горячие и яркие звезды группируются в звездных облаках, непосредственно образующих спиральные ветви.
Более яркие, близкие звезды расположены тем гуще, чем они ближе к средней линии Млечного Пути. Среднюю линию Млечного Пути называют галактическим экватором. Плоскость галактического экватора – это плоскость симметрии нашей звездной системы.
Млечный Путь - это довольно большая галактика, имеющая диаметр около 100 тысяч световых лет и включающая в себя по самым скромным подсчётам не менее 200 млрд звёзд, в том числе Солнце. В настоящее время всё больше склоняются к цифре в 400 млрд звёзд. Все эти звёзды осуществляют движение по замкнутым орбитам. Друг с другом они связаны силами гравитации, и большинство из них имеет планеты. Звёзды в совокупности с планетами образуют звёздные системы.
Всё это бесчисленное многообразие звёздных систем, составляющих Млечный путь, не разбросано по космическому пространству как попало, а объединено в колоссальное образование, имеющее форму диска с утолщением посередине – диск Млечного пути. Диаметр диска равен 100 000 световых лет, Толщина диска равна нескольким тысячам световых лет.
Звездные скопления, звезды,
газовые туманности, облака космической
пыли – 95 % массы Галактики –
Утолщение (балдж) в центральной части диска Млечного пути называют Галактическим центром или ядром. В нём, по очень вытянутым орбитам, движутся миллиарды старых звёзд. Их масса очень велика и оценивается в 10 млрд масс Солнц.
Особый интерес для астрономов представляет ядро Галактики. Размеры ядра не так впечатляют. Его линейные размеры оценивают приблизительно в 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного излучения. Однако на звездном небе ядро Галактики не видно, поскольку заслонено облаками космической пыли, через которые его свет не доходит до нас. Если бы земляне могли наблюдать его в небе, то их взорам предстал бы гигантский светящийся эллипсоид, который по своим размерам был бы больше Луны в сто раз. Ядро можно наблюдать, только применяя особые способы фотографирования, оно доступно наблюдениям в рентгеновском и инфракрасном диапазонах.
Вокруг ядра Галактики все звезды вращаются с разной скоростью. Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики – около 250 км/с. На один оборот ей требуется примерно 200 млн лет. Расстояние от Солнца до центра Галактики – около 30 тыс. световых лет, а до ее края – несколько меньше. Чем ближе к краю Галактики, тем разреженнее звезды.
Предполагают, что в самом центре ядра имеется чёрная дыра, массой более чем в три миллиона Солнц.
Черные дыры (или «застывшие звезды», «гравитационные могилы») – объекты, в которые, как предполагают, превращаются звезды на заключительной стадии своего существования. Пространство черной дыры как бы вырвано из пространства метагалактики: вещество и излучение «проваливаются» в нее и не могут «выйти» обратно.
Млечный путь представляет из себя сложнейшее космическое образование, но оно не ограничено поверхностью диска. Вокруг существует огромное облако сферической формы (гало). В его состав входят: разреженные горячие газы, отдельные звёзды, шаровые звёздные скопления, карликовые галактики и тёмная материя (форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним.). На окраинах Млечного пути присутствуют плотные облака газа. Их протяжённость составляет несколько тысяч световых лет, температура достигает 10 000 градусов, а масса равняется не менее чем десяти миллионам Солнц.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗВЕЗД
Звезды – самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов.
Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние от Земли до Солнца – 8,3 световой минуты.
Состав звезд, а также
их температуру исследуют
Изучение спектров звезд позволило сделать вывод о том, что они состоят из атомов тех же химических элементов, что и все тела на Земле. В составе звезд преобладают водород (около 50 % по массе) и гелий (около 40 %). Атомы остальных химических элементов встречаются почти в таком же соотношении, как и на Земле. Масса звезд гораздо больше массы планет.
Согласно современным представлениям, звезды светят вследствие того, что в их недрах происходят ядерные реакции: водород превращается в гелий, в результате чего и освобождается атомная энергия. Поскольку содержание атомов водорода в звездах велико, за счет таких преобразований большинство звезд может излучать энергию. Вследствие происходящих атомных превращений постепенно меняется их химический состав, что может служить указанием на направления звездной эволюции.
Впечатление о бесчисленности звезд, видимых невооруженным глазом, ошибочно. В безлунную ночь в ясную погоду на небе видно всего лишь 3000 звезд. Еще в глубокой древности звездное небо было разделено на созвездия.
Созвездия – участки, на которые разделяют звездное небо по фигурам, образуемым яркими звездами. Всего насчитывается 88 созвездий, ими пользуются для ориентировки на звездном небе. Принадлежность звезды к одному созвездию – это их видимая, или перспективная, близость. На самом деле звезды, причисляемые к одному созвездию, находятся на самых различных расстояниях от нас.
Наблюдаемые на небе звезды характеризуются различным блеском, интенсивность которого определяется звездной величиной.
Звездная величина – принятая в астрономии единица измерения видимого блеска звезд и других небесных тел. Чем слабее светится звезда, тем больше число, обозначающее ее звездную величину, и, наоборот, чем меньше значение числа звёздной величины, тем ярче будет блеск звезды.
Самые яркие назвали звездами первой величины. Самые слабые из видимых невооруженным глазом относят к звездам шестой величины. Звезды первой величины ярче звезд шестой величины в 100 раз. В бинокль видны звезды восьмой-девятой величин, а в телескоп – еще более слабые. Звезд первой величины на всем небе около 20. Звезд второй величины, таких, как главные звезды созвездия Большой Медведицы, – около 70. Всего видимых звезд, то есть звезд шестой величины и ярче, около 6000. Учитывая, что над горизонтом видна только половина всего неба, одновременно наблюдать можно максимально около 3000 звезд
Звездная величина не имеет прямого отношения к действительной интенсивности испускаемого звездой излучения. Истинная сила света звезды характеризуется светимостью.
Светимость звезды - это ее истинная сила света по сравнению с силой света Солнца.
Светимость определяется как отношение силы света звезды к силе света Солнца. Зная расстояние до звезды и ее видимый блеск с Земли, вычисляют, каким был бы блеск звезды, если бы она находилась на расстоянии Солнца. Отношение такого предполагаемого блеска звезды к блеску Солнца характеризует ее светимость. Если светимость звезды равна 5, то это значит, что она в 5 раз ярче Солнца. Если светимость обозначается 0,2, то такая звезда в 5 раз слабее Солнца. Наибольшей известной светимостью, в 400 раз большей светимости Солнца, обладает звезда S из созвездия Золотой Рыбы.
Звезды большой светимости в окрестностях Солнца встречаются гораздо реже, а звезды с меньшей светимостью – чаще. Из 20 ближайших к нам звезд только 3 видны невооруженным глазом, а из 20 звезд, кажущихся нам яркими, только 3 входят в число ближайших.
Наблюдаемые с Земли звезды различного цвета: голубоватые, белые, желтые, оранжевые и красные. Цвет звезд соответствует температуре их поверхности. Голубоватые звезды самые горячие — температура на их поверхности составляет десятки тысяч градусов. У белых звезд (таких, как Сириус и Вега) температура около 10 000°,. у желтых (как Капелла и наше Солнце) — порядка 6000°, у оранжевых — порядка 4000° и у красных (как Бетельтейзе и Антарес) — 3000° и ниже. По направлению к центру звезды температура повышается и в центре достигает миллионов и десятков миллионов градусов. Раскаленное тело излучает свет всех цветов (всех длин волн), но в зависимости от температуры накала максимум излучения приходится на различные области спектра, вследствие чего суммарное излучение имеет то красный, то белый, то голубоватый цвет.
Звездный мир чрезвычайно
Звезды-гиганты – огромные звезды, в миллионы раз больше Солнца по объему. Такие звезды встречаются редко. Самые большие звезды называются сверхгигантами. Так, сверхгигант Антарес в созвездии Скорпиона по диаметру в 450 раз больше Солнца, а оно больше Земли в диаметре в 109 раз.
Звезды-карлики, напротив, имеют относительно небольшие размеры. В зависимости от цвета звезды различают красные и белые карлики. Красные карлики меньше Солнца по диаметру примерно в 10 раз. Считают, что именно они составляют большую часть звезд. Белые карлики имеют еще более мелкие размеры и встречаются редко.
Звезды сильно различаются по плотности: чем больше звезда, тем меньше ее плотность. Так, у звезд-гигантов плотность газов, из которых они состоят, очень мала – в сотни тысяч раз меньше плотности воды, а средняя плотность белых карликов в 30 раз больше плотности воды. Средняя плотность Солнца в 1,4 раза больше плотности воды.
Двойные звезды – системы, состоящие из двух звезд, каждая из которых обращается вокруг их общего центра тяжести. Обычно более яркую звезду в паре называют главной, а другую – ее спутником. Ярчайшая звезда неба Сириус – двойная. Спутник этой звезды – белый карлик – обращается вокруг главной звезды за 50 лет и отстоит от нее в 20 раз дальше, чем Земля от Солнца. Среди двойных звезд различают так называемые спектрально-двойные звезды – тесные пары звезд, которые нельзя увидеть раздельно при помощи современных оптических средств.
Кратные звезды - системы, состоящие из трех, четырех или более звезд. Кратные звезды встречаются значительно реже, чем двойные. Ближайшая к нам звезда α-Центавра, видимая в Южном полушарии Земли, в действительности представляет собой систему, которая состоит из двух главных звезд, очень сходных с нашим Солнцем. Период их обращения почти 80 лет, а среднее взаимное расстояние в 23 раза больше расстояния от Земли до Солнца. У этих двух звезд есть спутник – красный карлик. Таким образом, α-Центавра – тройная звезда.
Переменные звезды – звезды, блеск которых со временем меняется. Параллельно с изменением блеска меняются их цвет и температура, а иногда и размеры. Причиной переменности может являться периодическое затмение одной звезды другой. Но гораздо чаще происходят действительные изменения размеров и температур звезд: они сжимаются и расширятся – пульсируют. Промежутки между моментами наибольшего сжатия или расширения у одних переменных звезд составляют годы, у других – только часы.
В зависимости от характера изменения блеска и причин, его вызывающих, переменные звезды подразделяются на различные типы.
Затменные переменные звезды – очень тесные двойные звезды, плоскость орбиты которых проходит через луч зрения. При обращении вокруг общего центра тяжести обе звезды попеременно закрывают друг друга, так что общий блеск системы во время затмений ослабевает.
Цефеиды - другая разновидность переменных звезд. Их так называют по типичной представительнице этого класса звезд звезде д в созвездии Цефея. Все цефеиды являются звездами-гигантами и сверхгигантами. Изменение блеска у них происходит строго периодически. Цефеиды – пульсирующие звезды. Пульсирует, расширяясь и сжимаясь, все тело звезды. При сжатии ее происходит нагревание, а при расширении – охлаждение. Изменение размера и температуры поверхности звезды и вызывает колебания ее излучения.
Эруптивные переменные звёзды - звёзды, меняющие свой блеск нерегулярно или единожды за время наблюдений. Все изменения блеска эруптивных звёзд связывают с взрывными процессами, происходящими на звёздах, в их окрестности или со взрывами самих звёзд. Среди них наиболее известная разновидность – новые звезды.
Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Это некоторые красные карлики. Изменения, происходящие в звезде за время вспышки, столь велики, что за несколько суток небольшая звезда-карлик превращается в гиганта. Блеск ее увеличивается более чем в 10 тыс. раз. От нее отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве. В наибольшем своем блеске раздувшаяся оболочка больше нашего Солнца по диаметру в сотни раз. Новая звезда в большом блеске остается недолго, обычно около суток, затем ее блеск начинает ослабевать и звезда вновь сжимается до прежних размеров. Установлено, что в нашей Галактике ежегодно происходит около 100 вспышек новых звезд. Вспышки являются следствием нарушения устойчивости звезды, вызванного внутренними причинами. Сущность этих причин пока не выяснена.
Иногда в нашей и других галактиках наблюдаются вспышки сверхновых звезд. При таких вспышках звезды излучают свет в миллионы и в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Сверхновые звезды – явление крайне редкое. Последней сверхновой звездой, наблюдавшейся в нашей Галактике, была звезда, которую наблюдал Кеплер в 1604 г.
Согласно расчетам, допускают, что в ряде случаев в результате вспышки сверхновой остаток звездной массы катастрофически сжимается и звезда превращается в быстро вращающуюся нейтронную. Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов. Нейтрон – элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов. Нейтронные звезды чрезвычайно плотные и очень малы – имеют в поперечнике около 10 км. Различают невидимые космические объекты, которые посылают огромное невидимое пульсирующее радиоизлучение, – пульсары. Пульсары – точечные источники радиоизлучения, испускающие импульсы с очень коротким периодом. Возможно, пульсары представляют собой нейтронные звезды.
Массы звезд не отличаются так значительно как их размеры и плотность, и колеблются в пределах от 0,1 до нескольких десятков солнечных масс. Между массами и светимостью звезд существует некоторая зависимость. В среднем светимость большинства звезд пропорциональна их массе в степени 3,3. Это соотношение позволяет определять массы звезд косвенно, по их светимости.
Предполагают, что многие звезды окружены планетами. Вследствие дальности расстояния пока еще не удается непосредственно увидеть планеты около других звезд даже в самые мощные телескопы. Около некоторых ближайших звезд уже обнаружены невидимые спутники малой массы. Их вычислили по еле заметным движениям звезд под действием притяжения их невидимым спутником. Пока еще с достоверностью не установлено, являются ли эти спутники планетами или же крайне слабо светящимися маленькими звездами.
В результате астрономических исследований для множества звезд точно определены положение на небе, их звездная величина, а также другие характеристики. Составлены звездные каталоги, в которые занесено около миллиона звезд. По установленным положениям звезд на небе составляются карты звездного неба. Известно, что звезд ярче 21-й звездной величины около 2 млрд. Одна из них – Солнце.
Солнце по всем признакам является рядовой звездой. Полагают, что возраст Солнца – 4–5 млрд лет. Ближайшие к Солнцу звезды – α-Центавра и Сириус. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Расстояние от Земли до Солнца 8,3 световой минуты или 149,6 млн км. Диаметр Солнца оценивается в 1,4 млн км. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а его объем больше земного в 1 млн 304 тыс. раз. Средняя плотность Солнца выше плотности воды в 1,4 раза. Но плотность вещества распределена неравномерно: внутри Солнца она чрезвычайно высокая, а снаружи – крайне низкая, в сотни раз меньшая, чем воздух.
На основании проведенных исследований полагают, что Солнце состоит из нескольких слоев – внутренних и внешних. К внутренним слоям относятся ядро, область лучистого переноса энергии и конвективная зона. Внешние слои образует атмосфера.
Ядро находится в центре Солнца. Его радиус составляет 1/3 солнечного радиуса. В ядре сосредоточена большая часть вещества Солнца. Температура вещества в центре Солнца превышает 10 млн К. В условиях сверхдавления и сверхвысокой температуры вещество ядра ионизировано, то есть представляет собой плазму. Частицы плазмы находятся в постоянном движении, скорость которого огромна. Поэтому между частицами непрерывно происходят ядерные реакции, в результате которых из атомов водорода образуются атомы гелия и выделяется большое количество энергии. За время своего существования Солнце не израсходовало еще и половины запасов водородного ядерного топлива. Так оно и будет светить миллиарды лет, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий.
Область лучистого переноса энергии следует за ядром. Полагают, что ее толщина примерно равна радиусу ядра. Здесь в результате поглощения квантов, их дробления и переизлучения энергия переносится наружу.
Выше находится конвективная зона толщиной примерно 200 тыс. км. Температура в конвективной зоне уже значительно ниже. Конвективная зона не может полностью передать огромное количество энергии, поэтому систематически ядерное вещество прорывается в наружные слои таким образом, что конвекция на Солнце напоминает кипение воды. Эта зона переходит во внешние слои Солнца – атмосферу.
Солнечная атмосфера также состоит из нескольких слоев: фотосферы, хромосферы и короны.
Фотосфера – самый
глубокий и тонкий слой атмосферы. Здесь
возникает подавляющее
За фотосферой следует хромосфера – слой раскаленных газов толщиной 10–20 тыс. км. Поскольку в верхних слоях солнечной атмосферы световая энергия в значительной степени переходит в тепловую, температура хромосферы значительно выше температуры фотосферы и оценивается в десятки тысяч кельвинов.
Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Температура в этой части Солнца – более 1 млн К. В короне плазма очень сильно разрежена, плотность ее в миллиарды раз меньше плотности воздуха. Поэтому корона еще прозрачнее, чем хромосфера, и количество излучаемого ею света очень мало. Яркость короны в миллионы раз меньше яркости фотосферы. Температура по мере удаления от поверхности Солнца уменьшается.
Солнечная корона имеет огромные размеры – более 200 радиусов Солнца – и достигает орбиты Марса. Таким образом, Земля оказывается, образно говоря, погруженной в солнечную корону. В этой связи на Землю постоянно воздействует так называемый солнечный ветер – поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем. При соприкосновении с атмосферой Земли он отклоняется верхними ее слоями – ионосферой.
Периодически, с циклом
в среднем около 11 лет, в солнечной
атмосфере появляются активные области,
число которых регулярно
