Внутрішня будова Сонця і зірок головної послідовності

Внутрішня будова Сонця і зірок головної послідовності


Зірки - це величезні кульки, що складаються з плазми, що світиться. У межах нашої галактики налічується величезна їх кількість. Зірки відігравали важливу роль у розвитку науки. Також вони відзначалися в міфах багатьох народів, служили як інструменти навігації. Коли були винайдені телескопи, а також відкриті закони руху небесних тіл і гравітація, вчені зрозуміли: всі зірки схожі на Сонце.

Визначення

До зірок головної послідовності відносять всі ті, всередині яких водень перетворюється на гелій. Оскільки цей процес властивий більшій частині зірок, до цієї категорії належить більшість спостеріганих людиною світил. Наприклад, Сонце також стосується цієї групи. Альфа Оріона, або, наприклад, супутник Сіріуса не належать до зірок головної послідовності.

Групи зірок

Вперше питанням зіставлення зірок з їх спектральними класами зайнялися вчені Е. Герцшпрунг і Г. Рассел. Вони створили діаграму, на якій відображався спектр і світність зірок. Згодом ця діаграма була названа на їхню честь. Велика частина світил, розташованих на ній, називається небесними тілами головної послідовності. У цю категорію входять зірки, починаючи від блакитних надгігантів, і закінчуючи білими карликами. Світність Сонця на даній діаграмі приймається за одиницю. У послідовність входять зірки різної маси. Вчені виділили такі категорії світил:

  • Надгіганти - I клас світності.
  • Гіганти - II клас.
  • Зірки головної послідовності - V клас.
  • Субкарлики - VI клас.
  • Білі карлики - VII клас.

Процеси всередині світил

З точки зору структури Сонце може бути розділено на чотири умовні зони, в межах яких відбуваються різні фізичні процеси. Енергія випромінювання зірки, а також внутрішня теплова виникають глибоко всередині світила, передаючись на зовнішні шари. Будова зірок головної послідовності схожа на структуру світила Сонячної системи. Центральною частиною будь-якого світила, що відноситься на діаграмі Герцшпрунга-Рассела до даної категорії, є ядро. Там постійно відбуваються ядерні реакції, в процесі яких гелій перетворюється на водень. Для того щоб ядра водню змогли зіткнутися один з одним, їх енергія повинна бути вище енергії відштовхування. Тому такі реакції протікають тільки при дуже високих температурах. Всередині Сонця температура сягає 15 мільйонів градусів за Цельсієм. У міру видалення від ядра зірки вона знижується. На зовнішньому кордоні ядра температура становить вже половину від значення в центральній частині. Також знижується і щільність плазми.

Ядерні реакції

Але не тільки за внутрішньою будовою зірки головної послідовності схожі на Сонце. Світила даної категорії відрізняються також і тим, що ядерні реакції всередині них відбуваються шляхом триступеневого процесу. Інакше він називається протон-протонним циклом. На першій фазі два протони стикаються між собою. В результаті цього зіткнення з'являються нові частинки: дейтерій, позитрон і нейтрино. Далі протон стикається з частинкою нейтрино, і виникає ядро ізотопу гелію-3, а також квант гамма-випромінювання. На третьому ступені процесу два ядра гелію-3 зливаються між собою, і відбувається утворення звичайного водню.

У процесі цих зіткнень під час ядерних реакцій постійно виробляються елементарні частинки нейтрино. Вони долають нижні шари світила, і летять у міжпланетний простір. Нейтрино також реєструються і на землі. Кількість, яка реєструється вченими за допомогою приладів, незрівнянно менша, ніж їх має бути за припущенням вчених. Ця проблема є однією з найбільших загадок у фізиці Сонця.

Краща зона

Наступним шаром у будові Сонця і зірок головної послідовності є промениста зона. Її межі простягаються від ядра і до тонкого шару, що знаходиться на межі конвективної зони - тахокліну. Свою назву промениста зона отримала від способу, за допомогою якого енергія переноситься від ядра до зовнішніх шарів зірки - випромінювання. Фотони, які постійно виробляються в ядрі, рухаються в цій зоні, стикаючись з ядрами плазми. Відомо, що швидкість цих частинок дорівнює швидкості світла. Але незважаючи на це, фотонам потрібно близько мільйона років, щоб досягти межі конвективної і променистої зон. Така затримка відбувається через постійне зіткнення фотонів з ядрами плазми і їх перевипромінювання.

Тахоклін

Сонце і зірки головної послідовності також мають тонку зону, мабуть, відіграє важливу роль у формуванні магнітного поля світил. Вона називається тахоклін. Вчені припускають, що саме тут відбуваються процеси магнітного динамо. Він полягає в тому, що потоки плазми витягують магнітні силові лінії і збільшують загальну напруженість поля. Також є припущення, що в зоні тахокліну відбувається різка зміна хімічного складу плазми.

Конвективна зона

Це область - самий зовнішній шар. Його нижня межа розташовується на глибині 200 тис. км., а верхня досягає поверхні світила. На початку конвективної зони температура ще досить висока, вона сягає близько 2 млн градусів. Однак цей показник вже недостатній для того, щоб відбувався процес іонізації атомів вуглецю, азоту, кисню. Ця зона отримала свою назву через спосіб, за допомогою якого відбувається постійне перенесення речовини з глибоких шарів у зовнішні - конвекції, або перемішування.

У презентації про зірок головної послідовності можна вказати той факт, що Сонце є пересічною зіркою в нашій галактиці. Тому ряд питань - наприклад, про джерела його енергії, будову, а також утворення спектру - є спільним як для Сонця, так і для інших зірок. Наше світило є унікальним щодо свого розташування - це найближча до нашої планети зірка. Тому її поверхня і піддається детальному вивченню.

Фотосфера

Видима оболонка Сонця називається фотосферою. Саме вона випромінює практично всю енергію, яка приходить на Землю. Складається фотосфера з гранул, що представляють собою продовгуваті хмари з гарячого газу. Тут можна також спостерігати і невеликі плями, які називаються факелами. Їх температура приблизно на 200 оС вища, ніж навколишня маса, тому вони відрізняються за яскравістю. Факели можуть існувати до декількох тижнів. Ця стійкість виникає внаслідок того, що магнітне поле зірки не дає вертикальним потокам іонізованих газів відхилятися в горизонтальному напрямку.

Плями

Також на поверхні фотосфери іноді з'являються темні області - зародки плям. Нерідко плями можуть розростатися до діаметра, який перевищує діаметр Землі. Сонячні плями, як правило, з'являються групами, потім розростаються. Поступово вони дробляться на дрібніші ділянки, поки не зникають зовсім. Плями з'являються по обидва боки сонячного екватора. Кожні 11 років їх кількість, а також займана плямами площа, досягають максимуму. По спостережуваному переміщенню плям Галілей зміг виявити обертання Сонця. Надалі це обертання було уточнено за допомогою спектрального аналізу.

Досі вчені ламають голову над тим, чому період збільшення сонячних плям становить саме 11 років. Незважаючи на прогалини в знаннях, інформація про сонячні плями і періодичність інших аспектів діяльності зірки дають вченим можливість робити важливі прогнози. За допомогою вивчення цих даних можна робити передбачення про настання магнітних буревіїв, порушень у сфері радіозв'язку.

Відмінності від інших категорій

Світністю зірки називається кількість енергії, яка випускається світилом в одну одиницю часу. Ця величина може бути обчислена за кількістю енергії, яка досягає поверхні нашої планети, за умови, якщо відома відстань зірки до Землі. Світність зірок головної послідовності більша, ніж у холодних зірок з малою масою, і менше гарячих зірок, маса яких становить від 60 до 100 сонячних.

Холодні зірки знаходяться в нижньому правому куті відносно більшості світил, а гарячі - в лівому верхньому куті. При цьому у більшості зірок, на відміну від червоних гігантів і білих карликів, маса залежить від показника світності. Більшу частину свого життя кожна зірка проводить саме на головній послідовності. Вчені вважають, що більш масивні зірки живуть набагато менше, ніж ті, що володіють малою масою. На перший погляд, має бути навпаки, адже у них більше водню для горіння, і вони повинні його витрачати довше. Однак зірки, що належать до масивних, витрачають своє паливо набагато швидше.