Диаграмма герцшпрунга рассела показывает взаимосвязь между. Звезды на диаграмме герцшпрунга - рассела

Оригинал взят у taurus_ek в Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (лабораторная работа)

Сто лет назад два астронома, Герцшпрунг и Рассел, независимо друг от друга предложили способ визуализации физических параметров звезд. Они отмечали положение каждой звезды на координатной плоскости по двум координатам: по спектральному классу на горизонтальной оси и по светимости на вертикальной. То есть так, что горячие голубые звезды расположены на диаграмме слева, холодные красные - справа; яркие - наверху, тусклые - внизу.

На такой диаграмме легко увидеть глазами связь двух характеристик - яркости и температуры звезд - и понять статистику звездного населения по этим параметрам.

Если бы все звезды были похожи на Солнце, то они попали бы в одну компактную область в центре диаграммы. Если бы звезды имели, скажем, одну температуру и, соответственно, один цвет, но разную яркость, то диаграмма представляла бы собой вертикальную полосу. Если бы звезды были все разные, и корреляции между светимостью и температурой не было бы, то диаграмма Герцшпрунга-Рассела оказалась равномерно засеяна точками, как старая фотография в деревенском доме засижена мухами. И так далее.

Оказалось, однако, что структура такой диаграммы довольно сложная.

Звезды формируют на диаграмме выраженные заполненные области, а в других частях диаграммы их совсем нет. Изучение структуры позволило выявить "ветви", которые формируются звездами разных классов светимости. Полоса, начинающаяся в левом верхнем углу среди ярких горячих звезд и спускающаяся вниз к слабым оранжевым и затем красным - так называемая "главная последовательность ", включающая основную массу, 90% всех звезд; справа от нее - большая группа гигантов , над ней - сверхгиганты . Сейчас астрономы выделяют восемь классов светимости от 0 - гипергигантов до VII - белых карликов, да еще добавляют подклассы.

Позже выяснилось, что на диаграмме Герцшпрунга-Рассела можно обнаружить множество закономерностей и особенностей: астрометрических, астрофизических, эволюционных, - провести кривые масс, эволюционные треки и т.п. В общем, это оказался очень мощный инструмент в астрономии.

Я давно хотел убедиться собственными руками , что диаграмма Герцшпрунга-Рассела действительно строится и действительно выглядит так, как рисуют в учебниках. С онлайнизацией Каталога ярких звезд сделать это оказалось достаточно просто, чем я с удовольствием занялся на досуге, и лично убедился: да, диаграмма Герцшпрунга-Рассела - не фейк! :) В конце поста именно она.

Почему я назвал её "лабораторной работой"?

Я строил диаграмму на Каталоге ярких звезд, а значит, тусклых звезд на диаграмме нет. А ведь слабых звезд гораздо больше, чем ярких! Реальная диаграмма Г-Р продолжается вниз, в сторону слабых звезд еще на такой же диапазон яркости, главная последовательность в области слабых красных звезд становится все гуще. На моей диаграмме нет целых классов звезд, например, белых карликов.

Так что приведенная картинка - даже не иллюстрация к астрономическому термину "диаграмма Герцшпрунга-Рассела" и тем более не инструмент для анализа, а типичная лабораторная работа .

Звезды, если их нанести на диаграмму в соответствии с физическими характеристиками, разделяются на четко выраженные группы, соответствующие разным стадиям их эволюции.

Звезды бывают множества типов. Есть звезды, диаметр которых в 30 раз превышает диаметр Солнца, и есть звезды размером всего лишь с большой земной город. Есть звезды настолько горячие, что основной цвет в спектре их излучения — фиолетовый, и есть звезды настолько «холодные», что даже темно-красный свет в их спектре выражен крайне тускло. В XIX веке в астрономии произошел перелом — ученые стали сходить с накатанного пути классической астрономии («Где это , и как и куда оно движется?») и переходить на рельсы астрофизики («Что это , и как оно устроено?»). Одной из первоочередных задач на этом пути стала задача хотя бы внешнего упорядочивания классификации наблюдаемых во Вселенной звезд. Это и привело к независимому созданию двумя астрофизиками диаграммы, которую сегодня принято в их честь называть диаграммой Герцшпрунга—Рассела (или, сокращенно, «диаграммы ГР»).

Диаграмма ГР — как это нередко бывает в науке — была практически одновременно разработана двумя учеными, совершенно самостоятельно работавшими на двух разных континентах. Генри Норрис Рассел — один из крупнейших американских астрономов начала XX века — долгие годы интересовался проблемой описания жизненного цикла звезд и, судя по всему, пришел к основной идее диаграммы еще в 1909 году, однако работа с ее представлением была опубликована лишь в 1913 году. Датчанин Эйнар Герцшпрунг пришел к тем же выводам, что и Рассел, несколькими годами раньше своего американского коллеги, однако опубликованы они были (в 1905-м и 1907 годах) в узкоспециализированном «Журнале научной фотографии» (Zeitschrift für Wissenschaeftliche Photographie) , издающемся к тому же на немецком языке, и публикация эта поначалу попросту осталась незамеченной астрономами. Поэтому вплоть до середины 1930-х годов эту диаграмму принято было называть просто «диаграммой Рассела», пока не был обнаружен случившийся казус, после чего датчанину было воздано должное, и теперь диаграмма носит имена обоих ученых.

Диаграмма ГР представляет собой график, на котором по вертикальной оси отсчитывается светимость (интенсивность светового излучения) звезд, а по горизонтальной — наблюдаемая температура их поверхностей. Оба этих количественных показателя поддаются экспериментальному измерению при условии, что известно расстояние от Земли до соответствующей звезды. Чисто исторически сложилось так, что по горизонтальной оси х температуру поверхности звезд откладывают в обратном порядке: то есть, чем жарче звезда, тем левее она находится; это чистая условность, и я не вижу смысла в том, чтобы ее обсуждать и оспаривать. Смысл же всей диаграммы ГР заключается в том, чтобы нанести на нее как можно больше экспериментально наблюдаемых звезд (каждая из которых представлена соответствующей точкой) и по их расположению определить некие закономерности их распределения по соотношению спектра и светимости.

Выясняется, что это распределение носит отнюдь не случайный характер: по соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три достаточно строгие категории или, как принято их называть в астрофизике, «последовательности». Из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу — самые тусклые и, как следствие, долгоживущие.

Отдельно — правее и выше — расположена группа звезд с очень высокой светимостью, не пропорциональной их температуре, которая относительно низка — это так называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Эти огромные звезды, условно говоря, светят, но не греют. Ниже и левее главной последовательности расположены карлики — группа относительно мелких и холодных звезд. Еще раз отметим, что подавляющее большинство звезд относится к главной последовательности, и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза гелия из водорода (см. Эволюция звезд).

На самом деле, три этих последовательности на диаграмме ГР строго соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд. Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу — это доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней оболочкой (через 6,5 млрд. лет такая участь постигнет и наше Солнце — его внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты Венеры). Они излучают в пространство примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но, поскольку площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта остается относительно холодной.

Наконец, обратимся к левому нижнему углу диаграммы ГР: здесь мы видим так называемых белых карликов (см. Предел Чандрасекара). Это очень горячие звезды — но очень мелкие, размером, обычно, не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос относительно немного энергии, они, по причине весьма незначительной (на фоне других звезд) площади их поверхностной оболочки, светятся в достаточно ярком спектре, поскольку она оказывается достаточно высокотемпературной.

Вообще, по диаграмме Герцшпрунца—Рассела можно проследить весь жизненный путь звезды. Сначала звезда главной последовательности (подобная Солнцу) конденсируется из газо-пылевого облака (см. Гипотеза газопылевого облака) и уплотняется до создания давлений и температур, необходимых для разжигания первичной реакции термоядерного синтеза, и, соответственно появляется где-то в основной последовательности диаграммы ГР. Пока звезда горит (запасы водорода не исчерпаны), она так и остается (как сейчас Солнце) на своем месте в основной последовательности, практически не смещаясь. После того, как запасы водорода исчерпаны, звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.

Генри Норрис РАССЕЛ (РЕССЕЛ)
Henry Norris Russell, 1877-1957

Американский астрофизик. Родился в Ойстер-Бэй (штат Нью-Йорк) в семье пресвитерианского священника. Учился в Принстонском университете, где сменил своего учителя К. Юнга на должностях профессора астрономии и директора местной обсерватории, которые занимал вплоть до 1947 года. Долгое время Рассел занимался исследованием связи между спектрами звезд и их светимостью с целью разобраться в том, как эволюционируют светила. В 1913 году — независимо от Герцшпрунга — построил диаграмму, связывающую спектральные характеристики и светимость звезд (которая теперь и называется диаграммой Герцшпрунга — Рассела) по результатам изучения снимков, полученных им на фотопластинках в обсерватории Принстонского университета. Увы, ученый вывел из полученной диаграммы ложное заключение о том, что звезды появляются на свет в виде красных гигантов и со временем вырождаются в белых карликов.

Эйнар ГЕРЦШПРУНГ
Ejnar Hertzsprung, 1873-1967

Датский астроном. Родился в местечке Фредериксборг близ Копенгагена. Учился в Копенгагенском политехническом институте, получил специальность инженера-химика. По окончании института (1898) в течение трех лет работал в Петербурге. Вернувшись на родину, начал изучать астрономию, одновременно проводил фотографические наблюдения в обсерватории Копенгагенского университета и небольшой обсерватории «Урания». Его исследования произвели впечатление на директора Потсдамской обсерватории К. Шварцшильда, который пригласил Герцшпрунга сначала в Гёттингенский университет, а затем в Потсдамскую обсерваторию (1909). С 1919 года Герцшпрунг работал в Лейденской обсерватории, в 1935 году стал ее директором. Выйдя в отставку, возвратился в Данию и продолжил исследования в обсерватории в Брорфельде. Образование фотохимика позволило ученому разработать уникальную для тех лет технологию расчета светимости звезд по их фотоизображениям. Сопоставив полученные результаты с данными о спектрах исследуемых звезд, Герцшпрунг и пришел к своей классификации звезд, согласно которой они подразделяются на гигантов, карликов и основной ряд.

Звезды. Диаграмма Герцшпрунга-Рассела.

Сопоставление светимостей звезд с их спектральными классами впервые было сделано в начале XX века Эйнаром Герцшпрунгом и Генри Расселом, поэтому диаграмму спектр-светимость часто называют диаграммой Герцшпрунга–Рассела. На этой диаграмме по оси абсцисс откладываются спектральные классы (или эффективные температуры), по оси ординат – светимости L (или абсолютные звездные величины М). Если бы между светимостями и их температурами не было никакой зависимости, то все звезды распределялись на такой диаграмме равномерно. Но на диаграмме обнаруживаются несколько закономерностей, которые называют последовательностями.

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела.

Большинство звезд (около 90 %), располагаются на диаграмме вдоль длинной узкой полосы, называемой главной последовательностью. Она протянулась из верхнего левого угла (от голубых сверхгигантов) в нижний правый угол (до красных карликов). К звездам главной последовательности относится Солнце, светимость которого принимают за единицу. Точки, соответствующие гигантам и сверхгигантам, располагаются над главной последовательностью справа, а соответствующие белым карликам – в нижнем левом углу, под главной последовательностью. По распределению звезд в соответствии с их светимостью и температурой на диаграмме Герцшпрунга–Рассела выделены следующие классы светимости:

• сверхгиганты – I класс светимости;
• гиганты – II класс светимости;
• звезды главной последовательности – V класс светимости;
• субкарлики – VI класс светимости;
• белые карлики – VII класс светимости.

Принято указывать класс светимости после спектрального класса звезды. Солнце – звезда G2V. В настоящее время выяснилось, что звезды главной последовательности – 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. Параллельно главной последовательности, но несколько ниже ее располагаются субкарлики. Они отличаются от звезд главной последовательности меньшим содержанием металлов.

Выяснилось, что положение звезды на диаграмме Герцшпрунга – Рассела изменяется в зависимости от возраста звезды. Большую часть своей жизни звезда проводит на главной последовательности. В этот период ее цвет, температура, светимость и другие параметры почти не меняются. Но до того, как звезда достигнет этого устойчивого состояния, еще в состоянии протозвезды, она имеет красный цвет и в течение короткого времени большую светимость, чем будет иметь на главной последовательности.

Звезды большой массы (сверхгиганты) щедро расходуют свою энергию, и эволюция таких звезд продолжается всего сотни миллионов лет. Поэтому голубые сверхгиганты являются молодыми звездами. Стадии эволюции звезды после главной последовательности также короткие. Типичные звезды становятся при этом красными гигантами, очень массивные звезды – красными сверхгигантами. Звезда быстро увеличивается в размере, и ее светимость возрастает. Именно эти фазы эволюции отражаются на диаграмме Герцшпрунга–Рассела. В 1911–24 гг. астрономы Холм, Рассел, Герцшпрунг и Эддингтон установили, что для звезд главной последовательности существует связь между светимостью L и массой М, и построили диаграмму масса–светимость.

Термоядерный механизм излучения звезды качественно объясняет зависимость масса–светимость: чем больше масса, тем больше светимость. Действительно, при большей массе в недрах звезды достигаются более высокие температуры. Вероятность реакций синтеза возрастает, соответственно выделяется больше энергии и увеличивается светимость звезды.

Источник информации: "Открытая Астрономия 2.5", ООО "ФИЗИКОН"

Звезды являются основными представителями барионного вещества Вселенной. Звезда - это массивный плазменный шар, в недрах которого происходит термоядерная реакция. На приводимой ниже диаграмме Герцшпрунга - Рассела отчетливо видно, что соотношение параметров звезд не является случайным. Это и неудивительно, ведь развитие Вселенной подчиняется определенным закономерностям (рис. 3.6).

Спектральные классы

Рис. 3.6.

На диаграмме использовано нескольких переменных. Их набор позволяет провести классификацию звезд. Светимостью звезды является полная энергия, излучаемая ею за единицу времени. Звезды-сверхгиганты обладают светимостью в 100000 раз большей, чем светимость Солнца.

Но есть звезды-карлики, которые по своей светимости уступают Солнцу в 100000 раз. Светимость звезды не зависит от расстояния до нее и определяется ее массой. Абсолютная звездная величина - это видимая звездная величина источника излучений, если бы он был на расстоянии 10 парсек от наблюдателя. Шкала звездных величин строится таким образом, чтобы разнице в пять единиц отвечало изменение освещенности, создаваемой звездой, в 100 раз. Освещенностью является поток энергии излучения, падающий на одну сторону площадки площадью 1 м 2 . Субъективно звездная величина воспринимается как блеск точечного или яркость протяжен-

ного объекта. В соответствии со значениями абсолютных звездных величин различают звезды различных классов светимостей, например яркие гиганты и белые карлики.

Спектральные классы звезд различаются на основании их спектров, прежде всего температур их фотосфер, т.е. излучающего слоя атмосферы светила. Что касается буквенных обозначений спектральных классов, то они были введены в силу определенных исторических обстоятельств, т.е. сами по себе они не выражают какую-либо закономерность. Для их запоминания на русском языке используются различные мнемонические правила, например такое: Один Бритый Англичанин Финики Жевал Лак Л/орковь.

Ранний вариант рассматриваемой диаграммы был предложен датчанином Э. Герцшпрунгом и американцем Г. Расселом, причем независимо друг от друга, в 1910 г. В последующем она многократно уточнялась. Ее изобретение, безусловно, является одним из крупнейших достижений в астрономии.

Главную последовательность звезд образуют светила, в том числе Солнце, источником которых является синтез ядер атомов гелия из ядер атомов водорода. Указанная последовательность содержит как очень яркие и горячие звезды, так и тусклые и относительно холодные звезды, например красные карлики, масса которых составляет всего десятые доли от массы Солнца. Главная последовательность содержит около 85% всех звезд. Что касается других звезд, то история их абсолютного большинства также тесно связана с главной последовательностью. Некоторые из них, например голубые гиганты, проходят стадию эволюции, которая приводит к все той же главной последовательности. Другие являются результатом эволюции звезды, которая «покинула» главную последовательность. Таковы, например, белые карлики и значительная часть красных гигантов. С главной последовательностью никак не связана лишь судьба тех звезд, которые, например, в силу гравитационного коллапса превращаются в черную дыру. В их недрах проходили термоядерные реакции, но они не успели достичь стадии водородно-гелиевого синтеза.

Для большинства звезд главной последовательности характерна относительно простая зависимость между светимостью (L) и массой (М) (они выражаются в единицах соответственно солнечной светимости и массы):

где а в зависимости от массы звезды меняется в пределах от 2 до 4.

Формула (3.8) позволяет при известной светимости звезды вычислить ее массу.

Выводы

• Звезда представляет собой массивный плазменный шар, в недрах которого происходит термоядерная реакция.
• Диаграмма Герцшпрунга - Рассела выражает закономерное сочетание многих параметров звезд. Она позволяет осуществить классификацию звезд, а также выразить их эволюцию.
• Светимость звезд главной последовательности пропорциональна их массе.

• URL: http://dic.academic.ru/pictures/bse/gif/0257642347.gif

Г. Рассел установили одну из за-висимостей характеристик звёзд и представили её в виде диаграммы , носящей их имена.

На горизонтальной оси диаграммы Герцшпрунга — Рас-села (диаграмма Г—Р) откладывают температуру звезды , а на вертикальной — её светимость в солнечных единицах. Каж-дой звезде на диаграмме отвечает вполне определённая точка. Обычно говорят, что место на диаграмме занимает звезда, а не соответствующая ей точка, и при обсуждении эволюции звёзд пишут: «звезда движется по диаграмме», подразумевая при этом, что в процессе эволюции звезды из-за изменений температуры и светимости звезды меняется положение соот-ветствующей точки на диаграмме Герцшпрунга — Рассела.

Выше главной последовательности в области температур, меньших 6000 K, расположена полоса красных гигантов (светимостью 10 2 —10 3 L ☉ и радиусом 10— 60 R ☉) и красных сверхгигантов (светимостью 10 4 L ☉ и радиу-сом 200—3000 R ☉ ). Звёзды горячие (T ≈ 30 000 K) и яркие (L ≈ 10 4 L ☉) называются белыми сверхгигантами, они занима-ют верхнюю часть главной последовательности.

В левом нижнем углу (T ≈ 10 000 K, L ≈ 10 4 L ☉ и R ≈ 0,01R ☉) расположены белые карлики. Первый белый карлик был от-крыт в конце XIX в. Это был невидимый в небольшой теле-скоп спутник Сириуса — самой яркой звезды нашего неба. Он был назван белым карликом за свои малые размеры: его ди-аметр примерно равен диаметру Земли, зато масса мало отли-чается от массы Солнца . Впоследствии было открыто большое количество таких звёзд, все они получили название белых кар-ликов.

Главная » Английский алфавит » Диаграмма герцшпрунга рассела показывает взаимосвязь между. Звезды на диаграмме герцшпрунга - рассела