Главная Запань
- 1 year ago
- 0
- 0
Главная последовательность — стадия эволюции звёзд , а также область на диаграмме Герцшпрунга — Рассела , образованная звёздами на этой стадии, и соответствующий класс светимости .
На главную последовательность звёзды попадают после стадии протозвезды — когда их единственным источником энергии становятся термоядерные реакции синтеза гелия из водорода , идущие в ядре. В этот момент возраст звезды считается нулевым и она находится на так называемой начальной главной последовательности. По мере исчерпания водорода звезда становится немного ярче, отходит от начальной главной последовательности и, когда в ядре не остаётся водорода, звезда окончательно покидает главную последовательность, причём то, как это происходит, зависит от массы звезды. Однако в любом случае дальнейшие стадии эволюции длятся гораздо меньше, чем стадия главной последовательности, и, как следствие, абсолютное большинство звёзд во Вселенной , включая Солнце , принадлежит главной последовательности. Планетные системы звёзд главной последовательности с небольшой массой представляют интерес при поиске обитаемых планет — ввиду длительного существования и стабильных размеров зоны обитаемости .
Главная последовательность была впервые обнаружена и описана в начале XX века в нескольких независимых работах, в которых строилась диаграмма спектр — светимость. В середине XX века была выяснена природа и эволюция звёзд главной последовательности.
На диаграмме Герцшпрунга — Рассела главная последовательность проходит по диагонали: из верхнего левого угла (высокие светимости , синий цвет) в правый нижний угол (низкие светимости, красный цвет). Таким образом, значения масс, размеров, температур и светимостей звёзд главной последовательности тесно связаны друг с другом и лежат в довольно широком диапазоне.
Светимости, радиусы и температуры звёзд главной последовательности варьируют в довольно широком диапазоне: встречаются светимости от 10 −4 до 10 6 L ⊙ (и абсолютные звёздные величины от −6 m до +16 m ), радиусы — от 0,1 до более чем 10 R ⊙ , температуры — от 3 до 50 тысяч K . Тем не менее, эти величины тесно связаны, в результате чего звёзды главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга — Рассела занимают практически диагональную полосу, проходящую от ярких голубых звёзд к тусклым красным . Звёзды главной последовательности имеют класс светимости V . 90 % всех звёзд, в том числе и Солнце , принадлежит главной последовательности, что обусловлено большой длительностью этой стадии эволюции (см. ниже ) .
Вышеперечисленные параметры определяются в первую очередь массой звезды. На них влияют и другие свойства звезды, но в гораздо меньшей степени, чем масса (см. ниже абсолютно чёрным телом , то её светимость пропорциональна квадрату радиуса и четвёртой степени эффективной температуры по закону Стефана — Больцмана :
) . Если считать звездугде — постоянная Стефана — Больцмана . Этот закон применим ко всем звёздам, а не только к звёздам главной последовательности. Для звёзд главной последовательности масса и светимость связаны одноимённым соотношением : теоретически его можно оценить как , где , однако для реальных звёзд может принимать значения от 1 до 5 в разных диапазонах масс . Связь массы и радиуса звезды часто описывается похожим соотношением — , где принимает значения не более 1 в разных диапазонах масс , но иногда это соотношение приближают более сложными функциями .
В любом случае выходит, что все четыре параметра оказываются тесно связанными. Теоретические ограничения на массу ограничивают диапазон остальных параметров звёзд. Максимальная масса устойчивых звёзд составляет около 120 M ⊙ . Хотя известны более массивные звёзды, они оказываются неустойчивыми, пульсируют и теряют массу, выбрасывая вещество в открытый космос, пока не становятся устойчивыми . Нижний предел массы — около 0,08 M ⊙ : при меньшей массе звезда неспособна поддерживать горение водорода в своих недрах и является коричневым карликом , а не звездой .
Масса, M ⊙ | Светимость, L ⊙ | Радиус, R ⊙ | Температура, K | Спектральный класс | Примеры |
---|---|---|---|---|---|
120 | 1,8⋅10 6 | 15,8 | 53300 | O3 | |
85 | 1,0⋅10 6 | 13,2 | 50700 | O3 | |
60 | 530000 | 10,6 | 48200 | O4 | |
40 | 240000 | 8,6 | 43700 | O5 | |
25 | 79000 | 6,6 | 38000 | O7 | |
20 | 45000 | 5,8 | 35000 | O8 | |
15 | 20000 | 4,9 | 31000 | B0 | Бекрукс |
12 | 10000 | 4,3 | 28100 | B1 | |
9 | 4100 | 3,7 | 24200 | B2 | Спика |
7 | 1800 | 3,3 | 20900 | B3 | |
5 | 550 | 2,7 | 17200 | B4 | |
4 | 240 | 2,4 | 14900 | B5 | Ахернар |
3 | 81 | 2,0 | 12200 | B7 | Регул |
2,5 | 39 | 1,84 | 10700 | B9 | Сириус |
2 | 16 | 1,64 | 9080 | A2 | Фомальгаут |
1,7 | 8,0 | 1,52 | 7960 | A7 | Альтаир |
1,35 | 4,0 | 1,2 | 6400 | F5 | Процион |
1,08 | 1,45 | 1,05 | 5900 | G0 | Альфа Центавра A |
1 | 1 | 1 | 5800 | G2 | Солнце |
0,95 | 0,7 | 0,91 | 5600 | G5 | Мю Кассиопеи |
0,85 | 0,44 | 0,87 | 5300 | G8 | Тау Кита |
0,83 | 0,36 | 0,83 | 5100 | K0 | |
0,78 | 0,28 | 0,79 | 4830 | K2 | Эпсилон Эридана |
0,68 | 0,18 | 0,74 | 4370 | K5 | Альфа Центавра B |
0,33 | 0,03 | 0,36 | 3400 | M2 | Лаланд 21185 |
0,20 | 0,0005 | 0,21 | 3200 | M4 | Росс 128 |
0,10 | 0,0002 | 0,12 | 3000 | M6 | Вольф 359 |
При формировании звёзды главной последовательности однородны и состоят в основном из водорода (около 91 % по количеству частиц, 75 % по массе) и гелия (около 9 % по числу частиц, 25 % по массе) — их состав близок к составу межзвёздной среды . Также эти звёзды содержат небольшое количество более тяжёлых элементов . Со временем доля гелия в центре возрастает вследствие идущих термоядерных реакций .
Звёзды главной последовательности принято называть « карликами » вне зависимости от их размера — например, Солнце является жёлтым карликом . Тем не менее, отличие от звёзд-гигантов по светимости прослеживается только для звёзд поздних спектральных классов. Звёзды главной последовательности классов O , B , A и F на диаграмме Герцшпрунга — Рассела располагаются практически там же, где и гиганты этих спектральных классов . Кроме того, не все звёзды, называемые карликами, относятся к главной последовательности: к примеру, белые карлики или коричневые карлики не являются звёздами главной последовательности .
При сгорании водорода в ядре звёзд образуется гелий, с которым в период, пока звезда находится на стадии главной последовательности, не проходят никакие термоядерные реакции . Водорода в ядре остаётся меньше, из-за чего звезда вынуждена постепенно сжиматься, чтобы компенсировать падение темпа реакций. Это увеличивает давление в ядре, и, следовательно, мощность энерговыделения и светимость звезды . Таким образом, звезда меняет своё положение на диаграмме Герцшпрунга — Рассела ещё тогда, когда находится на главной последовательности, до схода с неё . Например, 4,5 миллиарда лет назад Солнце , уже будучи звездой главной последовательности, имело светимость около 70 % от современной .
Другие явления, такие, как быстрое вращение также могут повлиять на смещение звезды относительно главной последовательности . На светимость и температуру поверхности также влияет металличность звезды. Выделяют отдельный класс звёзд, называемый субкарликами : они выделяют энергию за счёт горения водорода в ядре, но это старые звёзды, бедные тяжёлыми элементами. Из-за этого субкарлики имеют звёздные величины на 1—2 m слабее, чем звёзды главной последовательности тех же спектральных классов . Наконец, среди звёзд главной последовательности существуют переменные звёзды , например, переменные типа Дельты Щита , которые, в силу переменности, с некоторым периодом меняют своё положение на диаграмме . Все эти обстоятельства обеспечивают звёздам главной последовательности некоторый разброс на диаграмме цвет — светимость, особенно в области ранних спектральных классов .
Ядро является наиболее плотной и горячей частью звезды, в которой происходят ядерные реакции и выделяется энергия (см. ниже конвекцией — перемешиванием вещества, и лучистым переносом — последовательным поглощением и переизлучением фотонов . Конвекция появляется только в том случае, если лучистый перенос неспособен быстро переносить энергию и в какой-то области звезды образуется достаточно большой градиент температуры, что делает её неустойчивой к конвекции .
) . Энергия из ядра может переноситься к поверхности двумя основными способами:У звёзд больших масс энерговыделение сильно сосредоточено к центру: например, в звезде массой 10 M ⊙ 90 % энергии выделяется во внутренних 10 % массы звезды, а в звезде массой 1 M ⊙ такая же доля энергии выделяется во внутренних 70 % массы . Поэтому в ядре градиент температуры достаточно велик и у звёзд с массами более 1,5 M ⊙ ядро конвективно, а внешние слои являются областью лучистого переноса. При уменьшении массы размер конвективного ядра становится меньше и появляется конвективная зона у поверхности звезды, так как из-за более низкой температуры внешние слои становятся непрозрачными и уменьшают эффективность лучистого переноса. При массе звезды менее 1,15 M ⊙ конвективное ядро полностью исчезает. Таким образом, в диапазоне масс 1,15—1,5 M ⊙ звезда имеет две небольших конвективных зоны — в ядре и у поверхности, в то время как остальные части звезды устойчивы к конвекции. При дальнейшем уменьшении массы звезды конвективная зона у поверхности увеличивается, и для звёзд массой менее 0,2—0,5 M ⊙ она распространяется на весь объём звезды — маломассивные звёзды являются полностью конвективными .
Структура звезды влияет на её эволюцию (см. ниже
): например, маломассивные звёзды полностью конвективны, поэтому гелий, вырабатываемый в ядрах таких звёзд, переносится по всему их объёму. Они остаются химически однородными и продолжают термоядерный синтез до тех пор, пока весь водород в звезде не будет исчерпан. Напротив, у более массивных звёзд в определённый момент образуется гелиевое ядро, и реакции в центре прекращаются . Структура звезды может меняться со временем: по мере накопления гелия прозрачность вещества увеличивается, что может приводить к остановке конвекции в ядрах маломассивных звёзд .Звёзды главной последовательности выделяют энергию с помощью термоядерных реакций : все они синтезируют гелий из водорода . Существует два пути синтеза гелия: протон-протонный цикл и CNO-цикл . Первый доминирует у звёзд массой менее 1,5 M ⊙ , второй же вносит основной вклад в светимость более массивных звёзд .
При увеличении массы звезды увеличивается температура и плотность в её ядре, а от этих параметров, в свою очередь, зависит частота термоядерных реакций, и, следовательно, мощность энерговыделения. Для протон-протонного цикла мощность пропорциональна 4-й степени температуры в ядре, а для CNO-цикла — 17-й, поэтому при высоких температурах CNO-цикл начинает играть главную роль .
Диапазон температур в центрах звёзд довольно невелик: например, для звезды с массой 0,1 M ⊙ температура в ядре составляет 4 миллиона кельвинов , а для звезды с массой 50 M ⊙ — 40 миллионов. Эффективность протон-протонного цикла и CNO-цикла сравнивается при температуре 18 миллионов кельвинов (которая как раз достигается в звёздах с массой 1,5 M ⊙ ), у Солнца с центральной температурой в 16 миллионов кельвинов только 10% энергии выделяется в CNO-цикле .
У звёзд с очень низкой металличностью нуклеосинтез идёт по-другому. Одна из особенностей CNO-цикла состоит в том, что для его хода необходимо наличие углерода , азота и кислорода в веществе звезды. Если этих элементов недостаточно — менее 10 −10 —10 −9 массы звезды, то CNO-цикл проходить не может, и единственным источником энергии остаётся протон-протонный цикл. Чтобы с его помощью выделять достаточно энергии для сохранения гидростатического равновесия , ядро звезды вынуждено сжиматься и нагреваться гораздо сильнее, чем для звезды с нормальной металличностью. В этом случае температура в центре массивных звёзд может достигать 100 миллионов кельвинов, чего уже достаточно для прохождения тройного альфа-процесса с участием гелия. В этой реакции вырабатывается углерод , и, когда его становится достаточно много, энергия начинает выделяться за счёт CNO-цикла, а температура и давление в ядре звезды понижаются до значений, наблюдаемых у нормальных звёзд. Считается, что описанный сценарий реализовывался у звёзд гипотетического населения III : они должны были сформироваться из вещества, образованного при первичном нуклеосинтезе , которое практически не содержало элементов тяжелее гелия .
Звёзды попадают на стадию главную последовательность после стадии протозвезды , во время которой звезда выделяет энергию за счёт собственного сжатия, но в его конце в ядре звёзды начинается термоядерный синтез . Первоначально сгорают литий и бериллий , после чего начинается синтез гелия из водорода, который какое-то время сопровождается сгоранием дейтерия и гелия-3 . Когда мощность этих реакций сравнивается со светимостью звезды, она прекращает сжиматься. Вскоре после этого достигается равновесие между расходом и выработкой дейтерия и гелия-3, а единственным источником энергии звезды становятся термоядерные реакции с участием водорода. Принято считать, что в этот момент звезда попадает на главную последовательность и отсчитывать от него возраст звезды. Область диаграммы Герцшпрунга — Рассела , где располагаются звёзды нулевого возраста, называется начальной главной последовательностью или главной последовательностью нулевого возраста. Она расположена в нижней части главной последовательности — со временем звёзды становятся ярче .
При сгорании водорода в ядре звезды накапливается гелий — в зависимости от массы звезды и расположения конвективной зоны он может как равномерно распределяться по всему объёму звезды, так и оставаться внутри ядра. В любом случае, пока звезда находится на главной последовательности, реакции с участием гелия не идут, а концентрация водорода падает. Чтобы компенсировать падение темпа реакций, ядро звезды сжимается и нагревается, что в итоге приводит к увеличению светимости. Повышение светимости сочетается с уменьшением температуры поверхности для массивных звёзд и её ростом для маломассивных — звезда отходит от начальной главной последовательности .
Так, например, за время пребывания на главной последовательности Солнце увеличит свою светимость более чем в 3 раза: 4,5 миллиарда лет назад Солнце находилось на начальной главной последовательности и имело светимость 0,7 L ⊙ , а через 6,4 миллиарда лет, когда водород в ядре будет исчерпан, оно сойдёт с главной последовательности, имея светимость 2,2 L ⊙ . Радиус Солнца за время этой стадии увеличится от 0,9 до 1,6 R ⊙ .
Хотя у всех звёзд главной последовательности накапливается гелий, что в определённый момент приводит к прекращению реакций в ядре, звёзды разной массой завершают эту стадию эволюции по-разному .
Звёзды с массами более 1,2—1,3 M ⊙ имеют конвективное ядро достаточных размеров, чтобы в его границах проходили все термоядерные реакции. Ядра таких звёзд химически однородны, и, как следствие, когда доля водорода в ядре падает ниже некоторого предела, реакции прекращаются сразу во всём ядре. Начинается общее сжатие, за счёт которого звезда излучает, при этом она нагревается и становится немного ярче — на диаграмме Герцшпрунга — Рассела звезда движется вверх и влево, описывая так называемый крюк ( англ. hook ) . Благодаря сжатию слои вокруг гелиевого ядра становятся достаточно горячими и плотными, чтобы там началось горение водорода. Сжатие прекращается, а звезда сходит с главной последовательности и становится субгигантом .
У менее массивных звёзд, с массами менее 1,2—1,3 M ⊙ , но более 0,2 M ⊙ , конвективное ядро имеет либо слишком малый размер, либо отсутствует, а источники энергии в гораздо меньшей степени сосредоточены в центре. В результате в различных областях звезды водород расходуется с разной скоростью, а звезда оказывается химически неоднородна. В самом центре звезды водород исчерпывается в первую очередь, но в других областях его горение продолжается, поэтому общего сжатия не происходит. В первое время образование гелиевого ядра не влияет на наблюдаемую эволюцию звезды и она не сходит с главной последовательности. Лишь когда ядро становится достаточно массивным и начинает сжиматься, а внешние слои — расширяться и охлаждаться, считается, что звезда переходит на ветвь субгигантов .
Звёзды наименьшей массы — менее 0,2 M ⊙ , полностью конвективны и остаются химически однородными на протяжении практически всей своей эволюции . По мере накопления гелия такие звёзды — красные карлики — становятся ярче и горячее и превращаются в голубые карлики , а затем, когда водород во всей звезде исчерпывается — в белые карлики . Однако из-за очень большого срока жизни таких звёзд, который должен превышать возраст Вселенной (см. ниже ), заметно проэволюционировавшие звёзды малых масс не наблюдаются — имеются лишь теоретические расчёты эволюции таких звёзд .
Срок нахождения звезды на главной последовательности определяется количеством энергии, которое звезда может получить, сжигая водород в ядре, и её светимостью. При делении одной величины на другую получается время, называемое ядерной временной шкалой . Например, если Солнце сможет сжечь в ядре около 10 % своей массы, а при превращении водорода в гелий только 0,7 % массы вещества переходит в энергию , то ядерная временная шкала для Солнца может быть оценена как :
где — масса Солнца , — солнечная светимость , — скорость света . Величина получается равной порядка 10 10 лет. Из таких же соображений ядерную временную шкалу можно оценить и для других звёзд :
где — соответственно масса и светимость выбранной звезды. Для звёзд главной последовательности светимость возрастает быстрее массы , поэтому, чем больше масса звезды, тем меньше её срок её нахождения на этой стадии. Если грубо принять соотношение масса — светимость за для большинства звёзд, то время жизни будет зависеть от массы как . Для наиболее массивных звёзд соотношение приближается к , поэтому для них срок жизни перестаёт уменьшаться с ростом массы и приходит к значению порядка нескольких миллионов лет, что очень мало по астрономическим меркам . Напротив, самые маломассивные звёзды могут находиться на главной последовательности до десятков триллионов лет. Такой большой срок, превышающий нынешний возраст Вселенной , достигается не только благодаря низкой светимости, но и по той причине, что самые маломассивные звёзды полностью конвективны и тратят в ядерных реакциях весь водород, который имеют .
Эта особенность позволяет определять возраст звёздных скоплений с учётом того, что звёзды в них образовались практически одновременно. На диаграмме Герцшпрунга — Рассела для скопления главная последовательность ограничена слева и переходит в ветвь субгигантов : самые массивные звёзды уже сошли с главной последовательности, а те звёзды, срок жизни которых совпадает с возрастом скопления, должны переходить на ветвь субгигантов и находиться на точке поворота . Чем более тусклыми и красными являются звёзды на точке поворота, тем меньше их масса и тем больше возраст скопления .
Стадия главной последовательности также является самой длительной стадией эволюции звёзд, поэтому 90 % звёзд принадлежит именно главной последовательности . Это вызвано тем, что на последующих стадиях звёзды имеют значительно большую светимость и быстрее расходуют энергию. Кроме того, горение водорода обеспечивает большее энерговыделение на единицу массы, чем другие термоядерные реакции, а сам водород — наиболее распространённый элемент во Вселенной . Так, например, для Солнца с начала его формирования до превращения в белый карлик пройдёт 12,4 миллиарда лет, из которых на главной последовательности оно проведёт 10,9 миллиардов лет . При этом параметры звёзд во время стадии главной последовательности меняются слабее, чем на других стадиях, поэтому на диаграмме Герцшпрунга — Рассела главная последовательность оказывается не только самой многочисленной, но и очень плотно заселённой областью .
По вышеперечисленным причинам звёзды главной последовательности небольших масс представляют интерес при поиске потенциально обитаемых планет и внеземной жизни . Благодаря малой скорости изменения светимости, размер зоны обитаемости вокруг звезды также меняется медленно, поэтому у жизни оказывается достаточно времени для появления и развития. Звёзды главной последовательности, более массивные, чем Солнце, эволюционируют быстрее и дают планетам меньше времени для развития на них жизни. У наименее массивных звёзд наличие жизнепригодных планет также маловероятно: зона обитаемости располагается очень близко к ним, поэтому планеты с высокой вероятностью оказываются приливно синхронизированными и подвергаются сильному воздействию звёздного ветра . По этим причинам наиболее предпочтительными для возникновения жизни считаются жёлтые и оранжевые карлики .
Предпосылкой к обнаружению главной последовательности стало построение диаграммы « цвет — абсолютная звёздная величина » для некоторых звёзд. Впервые их использовали в своих работах независимо друг от друга Эйнар Герцшпрунг и Генри Расселл в 1905—1913 годах, благодаря чему такие диаграммы и подобные им стали называть диаграммами Герцшпрунга — Рассела . Оба учёных ожидали увидеть приблизительно равномерное распределение звёзд на диаграмме, но обнаружили, что большинство звёзд располагается вдоль диагональной полосы, которая и была названа главной последовательностью . Герцшпрунг также заметил, что звёзды поздних спектральных классов бывают либо гораздо ярче, либо гораздо тусклее, чем Солнце, и ввёл термины « гиганты » и « карлики » применительно к звёздам .
В 1943 году Уильям Морган , Филипп Кинан и улучшили систему спектральной классификации , добавив в неё класс светимости . Усовершенствованная система получила название Йеркской системы, звёзды главной последовательности получили в ней класс светимости V. Принадлежность звезды к классу светимости стало возможно определять не только на основании светимости, но и по виду спектра, в частности, по ширине спектральных линий .
Вместе с тем развивались представления о физических свойствах звёзд и их эволюции. В конце XIX века считалось, что все звёзды излучают за счёт гравитационного сжатия, но такая гипотеза была отвергнута, поскольку она не могла объяснить тот факт, что Солнце существует уже миллиарды лет. В начале XX века Артур Эддингтон выдвинул гипотезу, что звёзды излучают благодаря превращению водорода в гелий с потерей массы, а в 1930-х годах были открыты протон-протонный цикл и CNO-цикл , посредством которых такое превращение возможно .
Хотя долгое время существовало представление о том, что звёзды главной последовательности и гиганты являются разными стадиями эволюции, направление эволюции не было точно известно. В 1954 году Аллан Сендидж выяснил, что звёзды становятся гигантами после стадии главной последовательности, а не наоборот. Кроме того, он обнаружил, что звёзды главной последовательности в основном эволюционируют перпендикулярно ей, а не вдоль. Таким образом, представление о главной последовательности уже приблизилось к современным .
На данный момент уже разработаны подробные модели эволюции, учитывающие множество эффектов, например, вращение звезды и потеря ей массы. Большое внимание в таких моделях уделяется стадии главной последовательности . Исследования с помощью современных телескопов, таких как Gaia , предоставляют большие объёмы информации о звёздах, в том числе и о звёздах главной последовательности, что позволяет точно определять их свойства .
{{
cite journal
}}
: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (
ссылка
)