К главной последовательности относятся те звезды, которые находятся в основной фазе своей эволюции. Это, если сравнивать с человеком, период зрелости, период относительной устойчивости. Все звезды проходят эту фазу, одни быстрее (тяжелые звезды), другие - дольше (легкие звезды). В жизни каждой звезды этот период является самым продолжительным.

Е сли рассматривать диаграмму Герцшпрунга - Рессела, то звезды главной последовательности располагаются по диагонали из верхнего левого угла(высокие светимости) в нижний правый (низкие светимости). Положение звезд на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла зависит от массы, химического состава звёзд и процессов выделения энергии в их недрах. Звёзды на Главной последовательносте имеют одинаковый источник энергии (термоядерные реакции горения водорода, так что их светимость и температура (а следовательно, положение на Главной последовательносте) определяются главным образом массой; самые массивные звёзды (М~50M Солнца) располагаются в верхней (левой) части Главной последовательности, а с продвижением вниз по Главной последовательносте массы звёзд убывают до М~0,08M Солнца.

Н а Главную последовательность звёзды попадают после стадии гравитационного сжатия, приводящего к появлению в недрах звезды термоядерного источника энергии. Начало стадии Главной последовательности определяется как момент, когда потери энергии химически однородной звезды на излучение полностью компенсируются выделением энергии в термоядерных реакциях. Звёзды в этот момент находятся на левой границе Главной последовательности, именуемой начальной Главной последовательностью или Главной последовательностью нулевого возраста. Окончание стадии Главной последовательности соответствует образованию у звезды однородного гелиевого ядра. Звезда уходит с Главной последовательности и становится гигантом. Разброс звёзд на наблюдаемой Главной последовательносте обусловлен, кроме эффектов эволюции, различиями в начальном химическом составе, вращением и возможной двойственностью звезды.

У звёзд с М<0,08M Солнца время гравитационного сжатия превышает время жизни Галактики, и поэтому они не достигли Главной последовательности и находятся несколько правее неё. У звёзд с массами 0,08M Солнца стадия термоядерного горения водорода столь продолжительна, что они за время жизни Галактики не успели покинуть Главной последовательности. У более массивных звёзд время жизни на Главной последовательносте ~90% всего времени их эволюции. Именно этим объясняется преимущественная концентрация звезд в области Главной последовательности.

А нализ Главной последовательности играет особенно важную роль при исследовании звёздных групп и скоплений, т. к. по мере увеличения их возраста точка, в которой Главная последовательность скопления начинает заметно отклоняться от начальной Главной последовательности, смещается в область меньших светимостсй и более поздних спектральных классов, и поэтому положение точки поворота Главной последовательности может служить индикатором возраста звездного скопления.

Главная последовательность (ГП) - наиболее населенная область на диаграмме Гецшпрунга - Рессела (ГР). Основная масса звезд на диаграмме ГР расположена вдоль диагонали на полосе, идущей от правого нижнего угла диаграммы в левый верхний угол. Эта полоса и называется главной последовательностью.

Нижний правый угол занят холодными звездами с малой светимостью и малой массой, начиная со звезд порядка 0.08 солнечной массы, а верхний левый угол занимают горячие звезды, имеющие массу порядка 60-100 солнечных масс и большую светимость (вопрос об устойчивости звезд с массами больше 60-120М sun остается открытым, хотя, по-видимому, в последнее время имеются наблюдения таких звезд).

Фаза эволюции, соответствующая главной последовательности, связана с выделением энергии в процессе превращения водорода в гелий , и так как все звезды ГП имеют один источник энергии, то положение звезды на диаграмме ГР определяется ее массой и в малой степени химическим составом.

Основное время жизни звезда проводит на главной последовательности и поэтому главная последовательность - наиболее населенная группа на диаграмме ГР (до 90% всех звезд лежат на ней).

Главная последовательность

Зависимость масса-светимость для главной последовательности

Для звезд главной последовательности существует апроксимационное соотношение, известное как зависимость масса-светимость. Это соотношение было выведено из наблюдательного определения масс и светимостей звезд главной последовательности, но оно также подтверждается расчетами звездных моделей для звезд ГП. Светимость звезды грубо пропорциональна ее массе в степени 3.5 или 4:

L~ M 3.5-4

Таким образом, звезда в два раза массивней Солнца имеет светимость в 11 раз большую, чем Солнце. Наиболее массивные звезды главной последовательности примерно в 60 раз массивней Солнца. Это соответствует светимости почти в миллион раз больше солнечной.

Для наиболее массивных звезд L~M .

Время жизни на главной последовательности

Звезды проводят большую часть своей жизни на главной последовательности. В общем, более массивные звезды живут более быстрой жизнью, чем менее массивные. Казалось бы, что звезды, имеющие большее количество водорода для горения должны были бы расходовать его дольше, но это не так, потому что они используют свои ресурсы быстрее.

Оценим время жизни звезды на ГП. Упрощенно, оно равно отношению энергии, которая может быть излучена к выделению звездой энергии в единицу времени (это светимость L).

Энергия, излучаемая звездой за время t, равна произведению светимости на это время:

E=Lt.

Согласно уравнению Эйнштейна:

E=Mc 2 .

Комбинируя эти два выражения, получаем:

t=Mc 2 /L,

учитывая закон масса-светимость, получаем:

t=c 2 /M 2.5-3 ,

или в солнечных единицах:

t/t sun =1/(M/M sun) 2/5-3 .

Таким образом, если расчетное время жизни Солнца на главной последовательности составляет 10 10 лет, то звезда в 10 раз массивней Солнца будет жить в 1000 раз меньше т.е. 10 7 лет. Так как для наиболее массивных звезд L~M, то по мере увеличения их массы время жизни перестает увеличиваться и стремится к величине ~3.5 млн. лет, что очень мало по космическим масштабам.

Поверхностная температура, светимость и время жизни для звезд главной последовательности

Таблица звезд главной последовательности

спектральный класс		температура (К)	светимость (L/L sun)	масса (M/M sun)	радиус (R/R sun)
O9.5	Ориона С	33,000	30,000	18.0	5.90
B0	Южного Креста	30,000	16,000	16.0	5.70
B2	Спика	22,000	8,300	10.5	5.10
B5	Ахернар	15,000	750	5.40	3.70
B8	Регул	12,500	130	3.50	2.70
A0	Сириус А	9,500	63	2.60	2.30
A2	Фомальгаут	9,000	40	2.20	2.00
A5	Альтаир	8,700	24	1.90	1.80
F5	Процион	6,400	4,0	1.35	1.20
G0	Центавра A	5,900	1.45	1.08	1.05
G2	Солнце	5800	1.000	1.00	1.00
G5	Кассиопеи	5,600	0.70	0.95	0.91
G8	Кита	5,300	0.44	0.85	0.87
K0	Поллукс	5,100	0.36	0.83	0.83
K2	Эридана	4,830	0.28	0.78	0.79
K5	Центавра B	4,370	0.18	0.68	0.74
M2	Лаланд 21185	3,400	0.03	0.33	0.36
M4	Росс 128	3,200	0.0005	0.20	0.21
M6	Вольф 359	3,000	0.0002	0.10	0.12

И.Миронова

предыдущая

Звезды являются наиболее интересными астрономическими объектами, и представляют собой наиболее фундаментальные строительные блоки галактик. Возраст, распределение и состав звезд в галактике позволяет определить ее историю, динамику и эволюцию. Кроме того, звезды несут ответственность за производство и распределение в космическом пространстве тяжелых элементов, таких как углерод, азот, кислород, а их характеристики тесно связаны с планетарными системами, которые они образуют. Поэтому изучение процесса рождения, жизни и смерти звезд занимает центральное место в астрономической области.

Рождение звезд

Звезды рождаются в облаках пыли и газа, которые разбросаны в большинстве галактик. Ярким примером распределения такого облака является туманность Ориона.

Представленное изображение сочетает в себе изображения в видимо и инфракрасном диапазоне волн, полученные от космического телескопа Hubble и Spitzer. Турбулентность в глубине этих облаков приводит к созданию узлов с достаточной массы для начала процесса разогревания материала в центре этого узла. Именно это горячее ядро, более известное как протозвезда однажды сможет стать звездой.

Трехмерное компьютерное моделирование процесса формирования звезд показывает, что вращающиеся газовопылевые облака могут разрушиться на две или три части; это объясняет, почему большинство звезд в Млечном пути находятся в парах или небольших группах.

Не весь материл, из газопылевого облака попадает в будущую звезду. Оставшийся материал может образовать планеты, астероиды, кометы или просто остаться в виде пыли.

Главная последовательность звезд

Звезде размером с наше Солнце требуется порядка 50 миллионов лет чтобы созреть с момента образования до взрослого состояния. Наше Солнце будет находиться в этой фазе зрелости в течении примерно 10 миллиардов лет.

Звезды питаются энергией выделяемой в процессе ядерного синтеза водорода с образованием гелия в своих недрах. Отток энергии их центральных областей звезды обеспечивает необходимое давление для предотвращения коллапса звезды под действием собственности силы тяжести.

Как показано в диаграмме Герцшпрунга-Рассела, главная последовательность звезд охватывает широкий спектр светимости и цвета звезд, которые могут быть классифицированы в соответствии с этими характеристиками. Самые маленькие звезды известны как красные карлики, имеют массу около 10% массы Солнца и излучают только 0.01 % энергии по сравнению с нашим светилом. Температура их поверхности не превышает 3000-4000 К. Несмотря на свои миниатюрные размеры, красные карлики являются на сегодняшний день самым многочисленным типом звезд во Вселенной и имеют возраст десятки миллиардов лет.

С другой стороны, наиболее массивные звезды, известные как гипергиганты, могут иметь массу в 100 или более раз, больше массы Солнца и температуру поверхности более 30 000 К. Гипергиганты выделяют в сотни тысяч раз больше энергии, чем Солнце, но имеют время жизни всего несколько миллионов лет. Столь экстремальные звезды, как полагают ученые были широко распространены в ранней Вселенной, сегодня же они встречаются крайне редко - во всем Млечном пути известно несколько гипергигантов.

Эволюция звезды

В общих чертах, чем больше звезда, тем короче ее продолжительность жизни, хотя все кроме сверхмассивных звезд живут миллиарды лет. Когда звезда полностью вырабатывает водород в своем ядре, ядерные реакции в ее недрах прекращаются. Лишенное энергии ядро, необходимое для своего поддержания, начинает разрушаться в себя и становиться намного горячее. Оставшийся водород за пределами ядра продолжает поддерживать ядерную реакцию за пределами ядра. Все более и более горячее ядро начинает выталкивать внешние слои звезды наружу, заставляя звезду расширяться и охлаждаться, превращая ее в красного гиганта.

Если звезда достаточно массивна, процесс коллапса ядра может довести его температуру до достаточного уровня чтобы поддерживать более экзотические ядерные реакции, которые потребляют гелий и производят различные тяжелые элементы, вплоть до железа. Тем не менее, такие реакции дают только временную отсрочку от глобальной катастрофы звезды. Постепенно, внутренние ядерные процессы звезды становятся все более нестабильными. Эти изменения вызывают пульсацию внутри звезды, которая в дальнейшем приведет к сбросу внешних оболочки, окружая себя облаком газа и пыли. Что происходит дальше зависит от размера ядра.

Дальнейшая судьба звезды в зависимости от массы ее ядра

	Для средних звезд, подобных Солнцу, процесс освобождения ядра от внешних слоев продолжается до тех пор, пока весь окружающий е материал не будет выброшен. Оставшееся, сильно разогретое ядро называется белый карлик. Белые карлики имеющие размер сравнимой с Землей, имеет массу полноценной звезды. До недавнего времени они оставались загадкой для астрономов - почему не происходит дальнейшее разрушение ядра. Квантовая механика разрешила эту загадку. Давление быстро движущихся электронов спасает звезду от коллапса. Чем массивнее ядро, тем более плотный карлик образуется. Таким образом, чем меньше размер белого карлика, тем более он массивен. Эти парадоксальные звезды довольно часто встречаются во Вселенной - наше Солнце через несколько миллиардов лет тоже превратиться в белого карлика. Ввиду отсутствия внутреннего источника энергии, белые карлики со временем остывают и исчезают в бескрайних просторах космического пространства.
	Если белый карлик образовался в двойной или кратной звездной системе, окончание его жизни может быть более насыщенным известным как образование новой звезды. Когда астрономы данному событию дали такое название, они действительно думали что происходит образование новой звезды. Однако сегодня известно что на самом деле речь идет о очень старых звездах - белых карликах. Если белый карлик находится достаточно близко к звезде компаньону, его гравитация может перетянуть на себя водород из внешних слоев атмосферы своего соседа и создать свой собственных поверхностный слой. Когда собирается достаточное количество водорода на поверхности белого карлика, происходит взрыв ядерного топлива. Это приводит к увеличению его яркости и сбрасывания оставшегося материала с поверхности. В течении нескольких дней, яркость звезды падает и цикл начинается снова. Иногда, особенно у массивных белых карликов (масса которых больше 1,4 массы Солнца) может обрастать настолько большим количеством материала, что во время взрыва они разрушаются полностью. Этот процесс известен как рождение сверхновой звезды.
	Звездам главной последовательности с массой около 8 и более масс Солнца суждено умереть в результате мощного взрыва. Этот процесс называют рождением сверхновой звездой. Сверхновая звезда это не просто большая новая звезда. В новой звезде взрываются только поверхностные слои, в то время как в сверхновой происходит коллапс самого ядра звезды. В результате происходит высвобождение колоссального количества энергии. В период от нескольких дней до нескольких недель, сверхновая может затмить своим светом целую галактику. Термины Новая и Сверхновая звезда не совсем точно определяют суть процесса. Как мы уже знаем, физически, образование новых звезд не происходит. Происходит разрушение уже существующих звезд. Объясняет подобное заблуждение несколько исторических случаев, когда на небе появлялись яркие звезды, которые до этого времени были практически или полностью невидны. Этот эффект и появления новой звезды и повлиял на терминологию.
	Если в центре сверхновой звезды расположено ядро с массой от 1,4 до 3 масс Солнца, разрушение ядра будет продолжаться до тех пор пока электроны и протоны не объединятся и не создадут нейтроны, которые впоследствии образуют нейтронную звезду. Нейтронный звезды являются невероятно плотными космическими объектами — их плотность сопоставима с плотностью атомного ядра. Так как большое количество массы упаковано в маленьком объеме, гравитация на поверхности нейтронной звезды просто запредельна Нейтронные звезды имеют большие магнитные поля, которые могут ускорить атомные частицы вокруг ее магнитных полюсов производя мощные пучки радиации. Если такой пучок ориентирован в сторону Земли, то мы можем регистрировать регулярные импульсы в рентгеновском диапазоне от этой звезды. В таком случае она называется пульсаром.
	Если ядро звезды более 3 солнечных масс, то в процессе его коллапса образуется черная дыра: бесконечно плотный объект, гравитация которого настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Так как фотоны это единственный инструмент, благодаря которому мы может изучать вселенную, обнаружение черных дыр напрямую невозможно. О их существовании можно узнать только косвенно. Одним из главных косвенных факторов указывающих на существовании в определенной области черной дыры является ее огромная гравитация. Если рядом с черной дырой расположен какой-либо материал — чаще всего это звезды-компаньоны — он будет захвачен черной дырой и притянут к ней. Притянутая материя будет двигаться в сторону черной дыры по спирали образуя вокруг нее диск, который нагревается до огромных температур, испуская обильное количество рентгеновских и гамма-лучей. Именно их обнаружение, косвенно указывает на существование рядом со звездой черной дыры.

Полезные статьи которые ответят на большинство интересных вопросов о звездах.

Объекты глубокого космоса

Решебник по астрономии 11 класс на урок №25 (рабочая тетрадь) - Эволюция звёзд

1. По данным, приведенным в следующей таблице, отметьте на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 25.1) положение соответствующих звезд, а затем дополните таблицу недостающими характеристиками.

Нанесение положения звёзд на диаграмму иллюстрируется на примере Солнца. Звёзды наносим на пересечении координат светимости и температуры.

2. Используя диаграмму Герцшпрунга-Рессела (рис. 25.1), определите цвет, температуру, спектральный класс и абсолютную звездную величинузвезд, находящихся на главной последовательности и имеющих светимость (в светимостях Солнца), равную 0,01; 100; 10 ООО. Полученные данные занесите в таблицу.

3. Укажите последовательность стадий эволюции Солнца:

а) остывание белого карлика;
б) уплотнение масс газа и пыли;
в) сжатие в протозвезду;
г) гравитационное сжатие красного гиганта;
д) стационарная стадия (источник излучения - термоядерная реакция);
е) красный гигант с увеличивающимся гелиевым ядром.

б - в - г - д - е - а

4. При изучении масс звезд и их светимостей установлено, что для звезд, принадлежащих к главной последовательности, в интервале светимость (L) звезды пропорциональна четвертой степени ее массы: L~M 4 . Проведите необходимые расчеты и укажите на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 25.1) местонахождение звезд, имеющих массу: 0.5, 5 и 10.

5. Расчеты показывают, что время t (в годах) пребывания звезды на главной последовательности диаграммы Герцшпрунгз- Рессела можно оценить по формуле t, где М - масса звезды в массах Солнца. Определите время пребывания звезды на главной последовательности (время жизни).

– наиболее распространенные из всех наблюдаемых космических объектов Вселенной.

Важнейшим параметром звезд является масса. Звездами называются газовые шары, масса которых превосходит 0,08 масс Солнца.

Изучая свечение звезд, их спектры, установили, что атмосферы звезд состоят из водорода, гелия и примеси некоторых других элементов. Именно в звездах имеются условия для формирования более тяжелых элементов, чем гелий.

Температуры и светимости звезд заключены в очень широких пределах, но эти параметры не являются независимыми. Светимость звезд сравнивают со светимостью Солнца. Абсолютная звездная величина Солнца M = +4,82 m . Светимость Солнца: L = 3,58·10 26 Вт. Существуют звезды, в сотни тысяч раз более яркие и в сотни тысяч раз более слабые, чем Солнце.

Звезды главной последовательности – это нормальные звезды, похожие на Солнце, в которых происходит сгорание водорода в термоядерных реакциях. Главная последовательность – это последовательность звезд разной массы. Самые большие по массе звезды располагаются в верхней части главной последовательности и являются голубыми гигантами. Самые маленькие по массе звезды – карлики. Они располагаются в нижней части главной последовательности.

Глубокий эволюционный смысл имеет диаграмма спектр–светимость .

Звезды образуются в результате гравитационной неустойчивости в холодных и плотных молекулярных облаках. Поэтому звезды всегда рождаются группами (скоплениями, комплексами). Стадия развития звезды, характеризующаяся сжатием и не имеющая еще термоядерных источников энергии, называется протозвездой . В течение сотен тысяч лет холодное газопылевое облако ощутимо сжимается; температура в центре облака увеличивается до миллионов кельвинов. По достижению температуры в несколько миллионов кельвинов в центре начинаются термоядерные реакции. Минимальная масса, которая необходима для этого, составляет 0,08 M .

В звездах главной последовательности происходит реакции так называемого протон-протонного цикла.

Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы. Звезды скромных размеров и небольшой массы, включая и Солнце, в конце жизни, после стадии красного гиганта сжимаются и сбрасывают оболочку, превращаясь в белые карлики . Белые карлики имеют массу, не превышающую 1,2 M , радиус в 100 раз меньше солнечного. Их плотность в миллион раз больше солнечной.

Нейтронные звезды образуются при вспышках сверхновых звезд, если первоначальная масса звезды была 10–40 M либо при аккреции вещества на белый карлик в тесной двойной системе. Они быстро вращаются вокруг своей оси и обладают сильным магнитным полем. Движущиеся заряженные частицы генерируют электромагнитные волны, которые излучаются узким быстровращающимся пучком. Нейтронные звезды отождествляются с пульсарами.

Если конечная масса звезды больше 3 M , то звезда становится черной дырой . Гравитационное поле столь массивной звезды так сильно сдавливает ее вещество, что звезда не может остановиться на стадии нейтронной звезды и продолжает сжиматься вплоть до гравитационного радиуса. Предполагают, что количество черных дыр в нашей Галактике около десяти миллионов.