Текст книги "Астрономия. Популярные лекции"

Автор книги: Владимир Сурдин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 16 страниц)

Тропический месяц – период возвращения Луны к той же эклиптической долготе. Это понятие практически не употребляется.

Аномалистический месяц – промежуток времени между последовательными прохождениями Луны через перигей ее орбиты (27,5546 сут).

Драконический месяц – промежуток времени между последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел ее орбиты на эклиптике (27,2122 сут); имеет значение в теории затмений.

МОДЕЛЬ ЗВЕЗДЫ – результат теоретического расчета (как правило, численного) физических условий внутри звезды заданной массы и химического/изотопного состава. Эволюционная модель звезды демонстрирует изменение всех этих характеристик со временем. Модели звезд различаются степенью учета реальных факторов. Простейшие (одномерные) модели представляют звезду как сферически симметричный объект, физические параметры и химический состав в недрах которого изменяются только вдоль радиуса. Двумерные модели учитывают вращение звезды.

Свойства солнечного вещества, определяемые локальными значениями основных параметров. Доля водорода по массе (X) и давление (P) заимствованы у Sears, 1964; коэффициент непрозрачности (ϰ) – у Weymann, 1957; удельная (на единицу массы) скорость генерации энергии (ε) – у Гибсона, 1977.

Стандартная модель Солнца

(Bahcall J. N. et al. 1982 Rev. Mod. Phys. Vol. 54. P. 767)

Mr и Lr – масса и светимость внутри радиуса r вокруг центра звезды; T, ρ, X и ϰ – температура, плотность, массовая доля водорода и коэффициент непрозрачности на расстоянии r от центра звезды.

Возможен также учет перемешивания вещества, наличия магнитного поля, потери массы в виде звездного ветра с поверхности звезды. Трехмерные модели могут учитывать влияние внешнего источника гравитации и излучения (т. е. влияние близкой соседней звезды).

Распределение основных параметров в модели внутреннего строения современного Солнца, достигшего возраста 4,5 · 10⁹ лет. T и ρ – температура и плотность на расстоянии r от центра, M и L – масса и светимость внутри радиуса r. Начальный химический состав, практически неизменный в течение эволюции за пределами ядра (r > 0,25 R_☉), в массовых долях в этой модели составляет: H – 0,708, He – 0,272, тяжелые элементы – 0,020. Плотность и температура в центре: ρ_c = 158 г/см³ и T_c = 15,7 · 10⁶ K. Стрелки указывают расположение шкал для соответствующих параметров. (По: Sears, 1964.)

НЕБЕСНАЯ СФЕРА – воображаемая сфера произвольного радиуса, в центре которой располагается наблюдатель, внутри которой находятся все наблюдаемые небесные объекты и на поверхность которой, с точки зрения наблюдателя, они спроецированы. Небесная сфера применяется в астрономии как вспомогательная математическая поверхность для изучения взаимного расположения и движения космических объектов. Координаты объектов на небесной сфере (например, прямое восхождение и склонение) задаются путем продления линии, проведенной из центра небесной сферы через объект до пересечения с поверхностью сферы.

На небесной сфере выделяют: большие круги (их центры совпадают с центром сферы); малые круги (их центры не лежат в центре сферы); математический горизонт; зенит; надир; точки Юг, Восток, Север и Запад; полюсы мира, небесный экватор и меридиан; эклиптику; точки солнцестояний и равноденствий; суточные параллели – малые круги, параллельные экватору, которые вследствие суточного вращения Земли описывают все небесные светила на небесной сфере.

ПАРАЛЛАКС – видимое смещение более близкого объекта на фоне значительно более далеких при перемещении наблюдателя с одного конца некоторой базы на другой ее конец. Например, перемещение Земли по орбите вызывает заметный годичный параллакс у близких звезд: видимое положение звезды описывает, в общем случае, эллипс вокруг среднего положения звезды.

Параллактический угол объекта (p) равен половине его максимального параллактического смещения, т. е. равен большой полуоси параллактического эллипса. Проще говоря, он равен углу, под которым от объекта виден радиус земной орбиты (1 а. е.). Даже у ближайших звезд значение p < 1″. Если угол параллакса p мал и выражен в радианах, а длина базы, перпендикулярной направлению на объект, составляет B, то расстояние до объекта с большой точностью равно D = B/p. При фиксированной базе сам параллактический угол может служить мерой расстояния до объекта. Поскольку базой годичного параллакса служит расстояние 1 а. е., то, измеряя параллакс в секундах дуги, получим простое выражение для расстояния до звезды в парсеках: D = 1/p. По определению, парсек – это расстояние до объекта, годичный параллакс которого равен секунде дуги; «парсек» = «параллакс» + «секунда».

Параллаксы, определенные по параллактическому смещению светила, называют тригонометрическими. Но часто в виде параллактического угла выражают расстояние до светила, найденное иным, не геометрическим способом. Так появились динамический, спектральный, энергетический, групповой, статистический параллаксы.

Движение наблюдателя, вызванное суточным вращением Земли, вызывает изменение видимого положения близких объектов, располагающихся в пределах Солнечной системы. Угол между направлениями, в которых светило было бы видно из центра Земли и из какой-либо точки на его поверхности, называют суточным параллаксом светила (иногда его называют геоцентрическим параллаксом – geocentric parallax). Из-за вращения Земли суточный параллакс любого светила (кроме находящихся в полюсах мира) для любого наблюдателя (кроме находящихся на полюсах Земли) является функцией времени. Для светила, находящегося в момент наблюдения в зените, суточный параллакс равен нулю. Если светило наблюдается на горизонте, то его суточный параллакс принимает максимальное значение и называется горизонтальным параллаксом. Фактически это угол, под которым от объекта виден радиус Земли. Горизонтальный параллакс у всех тел Солнечной системы невелик: у Луны в среднем 57′, у Солнца 8,794″, у всех планет он меньше 1′.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ – повышение температуры поверхности планеты, вызванное тем, что атмосфера прозрачна для приходящего солнечного излучения, но при этом непрозрачна для уходящего с планеты инфракрасного излучения. Температура поверхности растет до тех пор, пока не установится баланс этих тепловых потоков. Источником непрозрачности атмосферы для ИК-излучения обычно служат пары воды (H₂O) и двуокись углерода (CO₂). Парниковый эффект атмосферы особенно сильно проявляется на Венере, имеющей вследствие этого высокую температуру поверхности (737 K при эффективной температуре планеты около 240 K). Менее сильно парниковый эффект проявляется на Земле, доводя ее среднюю температуру до 288 K при эффективной около 250 K.

РАВНОДЕНСТВИЕ – момент прохождения центра Солнца в его видимом движении по небесной сфере через небесный экватор. Равноденствие происходит 20–21 марта (весеннее равноденствие) и 22–23 сентября (осеннее равноденствие). В это время продолжительность дня и ночи одинакова. Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада.

СОЛНЦЕСТОЯНИЕ – прохождение Солнца через точки эклиптики, максимально удаленные от небесного экватора. Эти точки называют точками солнцестояния.

Различают летнее и зимнее солнцестояния. В эти моменты высота Солнца над горизонтом в полдень соответственно максимальна или минимальна. В эти даты на Земле наблюдается самый длинный или самый короткий световой день (разумеется, в течение суток; многосуточные полярные дни не в счет). В Северном полушарии летнее солнцестояние приходится на 20, 21 или 22 июня, а зимнее – на 21 или 22 декабря (в Южном полушарии – наоборот). Даты солнцестояния в разные годы могут различаться на 1–2 дня вследствие високосного сдвига. По традиции терминология ориентируется на Северное полушарие: июньское событие по всей Земле называют летним солнцестоянием, соответствующую точку эклиптики – точкой летнего солнцестояния, а декабрьское событие – зимним солнцестоянием и точку эклиптики – точкой зимнего солнцестояния.

В астрономии момент летнего солнцестояния принимается за начало лета, а момент зимнего солнцестояния – за начало зимы (в Северном полушарии). Эклиптическая долгота Солнца в эти моменты – соответственно 90° и 270°. В средних широтах в течение астрономической зимы и весны Солнце каждый день кульминирует в полдень все выше и выше над горизонтом, а в день летнего солнцестояния «останавливается» и изменяет свое движение на обратное. Летом и осенью (с 21 июня по 21 декабря) оно каждый день кульминирует все ниже и ниже. В конце концов в момент зимнего солнцестояния Солнце вновь «останавливается», изменяет свое движение на обратное и начинает подниматься. В течение нескольких дней до и после моментов солнцестояния высота Солнца в полдень почти не меняется, т. е. светило почти не меняет своего склонения. Отсюда и происходит название явлений – солнцестояния. Из наблюдений высоты Солнца в периоды солнцестояний можно определить наклон плоскости эклиптики к плоскости небесного экватора: он равен половине углового расстояния между точками летнего и зимнего солнцестояний.

ТЕОРЕМА ВИРИАЛА – теорема механики о связи между средним значением суммарной кинетической энергии системы частиц, движущихся в ограниченной области пространства, и действующими в этой системе силами. Установлена нем. физиком Р. Клаузиусом (1870). В астрономии существен случай гравитационных сил, при этом теорема вириала формулируется так: для всякого гравитационно связанного тела (системы) его средняя по времени потенциальная гравитационная энергия составляет

(1)

где E_кин – средняя по времени кинетическая энергия движения частиц тела (системы). Часто теорему вириала формулируют так: у стабильной гравитационно связанной системы частиц полная кинетическая энергия составляет (по модулю) половину потенциальной энергии.

Следует подчеркнуть, что в выражение (1) не входит внутренняя энергия частиц (например, энергия их вращения или внутренняя энергия атомов или молекул, если рассматривается газ).

Применение этой теоремы в астрономии обусловлено тем, что она позволяет через величину гравитационной энергии связать массу системы с кинетической энергией частей этой системы (в системе отсчета, относительно которой система как целое неподвижна). Поскольку гравитационная энергия системы U_G по порядку величины составляет –GM²/R, где M – масса системы, R – ее размер (радиус), G – гравитационная постоянная, а средняя кинетическая энергия системы

где v – среднеквадратичная скорость членов системы, то из формулы (1) следует:

(2)

Если из наблюдений известны v²_ср и R, то выражение (2) позволяет оценить массу системы. Этот метод применим, например, для оценки масс звездных скоплений, галактик и компактных скоплений галактик. При рассмотрении строения звезд теорема вириала позволяет оценить среднюю температуру звезды. Для этого в формулу (2) подставляют значение среднеквадратичной скорости, выраженное через температуру:

где m – масса частицы газа. Тогда из (2) следует:

(3)

Полная энергия звезды, как следует из (1),

(4)

Из (4) видно, что ∆E = –∆E_кин, т. е. сообщение звезде энергии уменьшает кинетическую энергию ее частиц и, наоборот, излучение энергии приводит к росту E_кин и температуры звезды. Если источником энергии звезды служит ее постепенное сжатие под действием сил гравитации (это соответствует определенным этапам эволюции звезд), то выделяющаяся гравитационная энергия распределяется следующим образом. Половина ее, согласно (1), идет на увеличение E_кин и температуры звезды:

Вторая половина ∆UG идет на излучение:

ТЕРМИНАТОР – граница между дневным и ночным полушариями Луны, планеты или естественного спутника планеты. У идеального шара в проекции на видимый диск планеты терминатор имеет форму половины эллипса, соединяющего концы его большой оси; в предельных случаях это полукруг или прямая линия. У реальных планет из-за неровности их поверхности терминатор при его наблюдении в телескоп демонстрирует сложную форму, особенно в областях с пересеченным рельефом (горы, каньоны). В области терминатора солнечные лучи падают под малым углом к поверхности планеты, образуя длинные тени. Это облегчает астроному изучение рельефа поверхности.

ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – элементарная ядерная реакция, происходящая в ходе термоядерного синтеза в горячей плазме, частицы которой хаотически распределены по скоростям (в отличие от частиц, разогнанных в ускорителе).

ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ – цепочка ядерных реакций, происходящих в горячей плазме и приводящих к слиянию легких атомных ядер и образованию ядер более тяжелых элементов. Энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера при сближении ядер, черпается из кинетической энергии их хаотического теплового движения. В результате выделяется ядерная энергия связи, часть которой переходит в тепло, например в форме быстрых нейтронов и γ-квантов. Другую часть уносят нейтрино.

CNO-цикл термоядерного синтеза гелия из водорода.

Термоядерный синтез – основной источник энергии излучения звезд. Бóльшую часть своей активной жизни звезда получает энергию в результате реакций превращения ядер водорода (протонов) в ядра гелия. Эти реакции происходят во внутренней области (ядре) звезды, где температура газа превышает 10 млн K. Огромные запасы внутриядерной энергии постепенно освобождаются в недрах звезды, обеспечивая ее длительное существование в виде почти не меняющегося со временем (стационарного) гидростатически равновесного тела. В звездах типа Солнца этот процесс может продолжаться более 10 млрд лет. После «выгорания» водорода температура в ядре звезды повышается до 100 млн K, и там начинается реакция превращения гелия в углерод. В процессе эволюции звезд, значительно более массивных, чем Солнце, цепочка ядерных реакций продолжается и после выгорания гелия, приводя к образованию в недрах звезды всё более тяжелых (по атомной массе) элементов вплоть до образования ядер Fe и Ni, которые имеют наибольшую энергию связи в расчете на один нуклон. Появление на определенных стадиях эволюции звезд свободных нейтронов и захват их ядрами элементов группы железа приводит к синтезу еще более тяжелых ядер, вплоть до трансурановых элементов.

Термоядерные рекции в звездах приводят к постепенному изменению химического состава звездного вещества, что вызывает перестройку звезды и ее продвижение по эволюционному пути. Первый этап эволюции заканчивается истощением водорода в центральных областях звезды. Затем, после повышения температуры, вызванного сжатием центральных слоев звезды, лишенных источников энергии, становятся эффективными термоядерные реакции горения гелия, которые сменяются реакциями горения C, O, Si и последующих элементов – вплоть до Fe и Ni. Вследствие сильной зависимости подбарьерных термоядерных реакций от температуры на каждом очередном этапе горения температура звездного вещества остается примерно постоянной. После истощения очередного ядерного горючего происходит повышение температуры и плотности до тех пор, пока не включаются новые термоядерные реакции между ядрами – продуктами предыдущего этапа эволюции. Следовательно, каждому этапу звездной эволюции соответствуют определенные термоядерные реакции.

Все каналы термоядерной реакции синтеза гелия из водорода в рамках pp-цепочки с указанной в процентах вероятностью каждого из них в точках разветвления.

Первые в цепи таких термоядерных реакций – водородные. Они протекают двумя путями в зависимости от начальной температуры Tc в центре звезды, которая связана с ее массой M в момент достижения главной последовательности. При Tc < 17 млн K (M ≲ 1,2 M_☉) основной оказывается pp-цепочка реакций синтеза гелия из водорода, при более высоких температурах преобладают реакции углеродного цикла. Главная, т. е. наиболее медленная, реакция pp-цепочки – первичная реакция, в которой участвуют два протона:

¹H + ¹H → ²D + e⁺ + ν,

в ней происходит позитронный распад одного из протонов в момент сближения двух протонов на расстояние действия ядерных сил. Затем следуют реакции

²D + ¹H → ³He + γ ;

³He + ³He → ⁴He + 2¹H.

Синтез гелия из водорода в реакциях углеродного цикла протекает при участии катализаторов, роль которых играют малые примеси изотопов C, N и O в первоначальном звездном веществе. Общий результат водородного или углеродного цикла можно записать в виде

4 ¹H → ⁴He + 2ν + 26,73 МэВ (6,4 · 10¹⁴ Дж/кг).

Часть освобождающейся в этой реакции энергии уносят нейтрино: ≈0,6 МэВ в pp-цепочке и ≈1,7 МэВ в углеродном цикле на один образовавшийся атом гелия. Остальная энергия постепенно просачивается к поверхности звезды и поддерживает ее свечение многие миллионы и миллиарды лет.

Ярчайшие звезды

Обозначения: p – параллакс в угловых секундах; r – расстояние; M_V – абсолютная звездная величина в фильтре V; L_V/L_☉ – светимость (L_V) в фильтре V в единицах светимости Солнца (L_☉).

* После числа отмечена значительная переменность блеска (v) или его слабая переменность (v?).

** У двойных звезд с компонентами сравнимой светимости в спектре видны две системы линий.

Рекомендуемая литература

Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра / под ред. Б. М. Шустова, Л. В. Рыхловой. М.: Физматлит, 2010.

Астрономия: век XXI / под ред. В. Г. Сурдина. Фрязино: Век 2, 2015.

Галактики / под ред. В. Г. Сурдина. М.: Физматлит, 2017.

Жаров В. Е. Сферическая астрономия. Фрязино: Век 2, 2006.

Звезды / под ред. В. Г. Сурдина. М.: Физматлит, 2013.

Кинг А. Р. Введение в классическую звездную динамику. М.: УРСС, 2002.

Ковалевский Ж. Современная астрометрия. Фрязино: Век 2, 2004.

Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс астрономии, М.: УРСС, 2011.

Ксанфомалити Л. В. Парад планет. М.: Наука. Физматлит, 1997.

Небо и телескоп / под ред. В. Г. Сурдина. М.: Физматлит, 2017.

Солнечная система / под ред. В. Г. Сурдина. М.: Физматлит, 2017.

Сильченко О. К. Происхождение и эволюция галактик / под ред. В. Г. Сурдина. Фрязино: Век 2, 2017.

Система Сатурна глазами «Кассини» (The Saturn System Through the Eyes of Cassini. NASA, 2017). Электронная книга  в свободном доступе: https://saturn.jpl.nasa.gov/resources/7777.

Сурдин В. Г. Астрономические олимпиады. М.: МГУ, 1995.

Сурдин В. Г. Астрономические задачи с решениями. М.: УРСС, 2002.

Сурдин В. Г. Вселенная от А до Я. М.: Эксмо, 2012.

Сурдин В. Г. Разведка далеких планет. М.: Физматлит, 2014.

Сурдин В. Г. Вселенная в вопросах и ответах. Задачи и тесты по астрономии и космонавтике. М.: Альпина нон-фикшн, 2017.

Шубин П. С. Венера. Неукротимая планета. Кемерово: издатель П. С. Шубин, 2015.

Язев С. А. Лекции о Солнечной системе. СПб.: Лань, 2011.