Характеристика небесных тел может быть очень запутанной. Только у звезд есть видимая, абсолютная величина, светимость и другие параметры. С последним мы и попробуем разобраться. Что такое светимость звезд? Имеет ли она что-то общее с их видимостью на ночном небосклоне? Какая светимость у Солнца?

Природа звезд

Звезды - очень массивные космические тела, излучающие свет. Они образуются из газов и пыли, в результате гравитационного сжатия. Внутри звезд находится плотное ядро, в котором происходят ядерные реакции. Они и способствуют свечению звезд. Основными характеристиками светил являются спектр, размер, блеск, светимость, внутренняя структура. Все эти параметры зависят от массы конкретной звезды и её химического состава.

Главными «конструкторами» этих небесных тел являются гелий и водород. В меньшем количестве относительно них, может содержаться углерод, кислород и металлы (марганец, кремний, железо). Наибольшее количество водорода и гелия у молодых звезд, со временем их пропорции уменьшаются, уступая место другим элементам.

Во внутренних областях звезды обстановка очень «горячая». Температура в них доходит до нескольких миллионов кельвинов. Здесь идут непрерывные реакции, в которых водород превращается в гелий. На поверхности температура намного ниже и доходит только до нескольких тысяч кельвинов.

Что такое светимость звезд?

Термоядерные реакции внутри звезд сопровождаются выбросами энергии. Светимостью же называют физическую величину, которая отражает, сколько именно энергии производит небесное тело за определенное время.

Её часто путают с другими параметрами, например, с яркостью звезд на ночном небе. Однако яркость или же видимая величина - это примерная характеристика, которая никак не измеряется. Она во многом связана с удаленностью светила от Земли и описывает только то, насколько хорошо звезда видна на небосклоне. Чем меньше цифра этой величины, тем больше её видимая яркость.

В отличие от неё, светимость звезд - это объективный параметр. Он не зависит от того, где находится наблюдатель. Это характеристика звезды, определяющая её энергетическую мощность. Она может изменяться в разные периоды эволюции небесного тела.

Приближенной к светимости, но не тождественной, является абсолютная Она обозначает яркость светила, видимую наблюдателю на расстоянии 10 парсек или 32,62 световых лет. Обычно она используется для вычисления светимости звезд.

Определение светимости

Количество энергии, которое выделяет небесное тело, определяется в ваттах (Вт), джоулях на секунду (Дж/с) или в эргах на секунду (эрг/с). Существует несколько способов найти необходимый параметр.

Его легко вычислить по формуле L = 0,4(Ma -M),если знать абсолютную величину нужной звезды. Так, латинской буквой L обозначается светимость, буква М - это абсолютная звездная величина, а Ма - абсолютная величина Солнца (4,83 Ма).

Другой способ предполагает больших знаний о светиле. Если нам известны радиус (R) и температура (T ef)его поверхности, то светимость можно определить по формуле L=4pR 2 sT 4 ef . Латинская s в данном случае означает стабильную физическую величину - постоянную Стефана-Больцмана.

Светимость нашего Солнца равна 3.839 х 10 26 Ваттам. Для простоты и наглядности, ученые обычно сравнивают светимость космического тела именно с этой величиной. Так, существуют объекты в тысячи или миллионы раз слабее или мощнее Солнца.

Классы светимости звезд

Для сравнения звезд между собой, астрофизики использую различные классификации. Их делят по спектрам, размерам, температурам и т.д. Но чаще всего, для более полной картины используют сразу несколько характеристик.

Существует центральная гарвардская классификация, основанная на спектрах, которые излучают светила. В ней используют латинские буквы, каждая из которых соответствует конкретному цвету излучения (О-голубой, В - бело-голубой, А - белый и т.д.).

Звезды одного спектра могут иметь различную светимость. Поэтому ученые разработали йеркскую классификацию, которая учитывает и этот параметр. Она разделяет их по светимости, основываясь на абсолютной величине. При этом каждому виду звезд приписывают не только буквы спектра, но и цифры, отвечающие за светимость. Так, выделяют:

• гипергигантов (0);
• ярчайших сверхгигантов (Ia+);
• ярких сверхгигантов (Ia);
• нормальных сверхгигантов (Ib);
• ярких гигантов (II);
• нормальных гигантов (III);
• субгигантов (IV);
• карликов главной последовательности (V);
• субкарликов (VI);
• белых карликов (VII);

Чем больше светимость, тем меньше значение абсолютной величины. У гигантов и сверхгигантов оно обозначается со знаком минус.

Связь между абсолютной величиной, температурой, спектром, светимостью звезд показывает диаграмма Герцшпрунга — Рессела. Она была принята ещё в 1910 году. Диаграмма объединяет гарвардскую и йеркскую классификации и позволяет рассматривать и классифицировать светила более целостно.

Разница в светимости

Параметры звезд сильно взаимосвязаны друг с другом. На светимость влияние оказывает температура звезды и её масса. А они во много зависят от химического состава светила. Масса звезды становится тем больше, чем меньше в ней тяжелых элементов (тяжелее водорода и гелия).

Самой большой массой обладают гипергиганты и различные сверхгиганты. Они наиболее мощные и яркие звезды во Вселенной, но вместе с тем, и редчайшие. Карлики, наоборот, обладают небольшой массой и светимостью, но составляют около 90% всех звезд.

Самой массивной звездой, которая известна сейчас, является голубой гипергигант R136a1. Её светимость превышает солнечную в 8,7 миллионов раз. Переменная звезда в созвездии Лебедя (Р Лебедя) превосходит по светимости Солнце в 630 000 раз, а S Золотой Рыбы превышает этот его параметр в 500 000 раз. Одна из самых маленьких известных звезд 2MASS J0523-1403 обладает светимостью 0,00126 от солнечной.

Визуально звезды для земного наблюдателя выглядят по-разному: одни светят ярче, другие тусклее.

Однако это еще не говорит об истинной мощности их излучения, поскольку звезды находятся на разных расстояниях.

Например, голубой Ригель из созвездия Ориона имеет видимую звездную величину 0,11, а находящийся недалеко на небе ярчайший Сириус имеет видимую звездную величину минус 1,5.

Тем не менее Ригель излучает энергии в видимых лучах в 2200 раз больше, чем Сириус, а кажется слабее только потому, что находится в 90 раз дальше от нас по сравнению с Сириусом.

Таким образом, видимая звездная величина сама по себе не может быть характеристикой звезды, поскольку зависит от расстояния.

Истинной характеристикой мощности излучения звезды служит её светимость, т. е. полная энергия, которую излучает звезда в единицу времени.

Светимость в астрономии – полная энергия, излучаемая астрономическим объектом (планетой, звездой, галактикой и т. п.) в единицу времени. Измеряется в абсолютных единицах: ваттах (Вт) – в Международной системе единиц СИ; эрг/с – в системе СГС (сантиметр-грамм-секунда); либо в единицах светимости Солнца (светимость Солнца L s = 3,86·10 33 эрг/с или 3,8·10 26 Вт).

Светимость не зависит от расстояния до объекта, от него зависит только видимая звёздная величина.

Светимость – одна из важнейших звёздных характеристик, позволяющая сравнивать между собой различные типы звёзд на диаграммах «спектр – светимость», «масса – светимость».

где R – радиус звезды, T – температура её поверхности, σ – постоянная Стефана-Больцмана.

Светимости звезд, надо отметить, весьма различны: существуют звёзды, светимость которых в 500 000 раз больше солнечной, и есть звезды-карлики, светимость которых примерно во столько же раз меньше.

Светимость звезды можно измерять в физических единицах (скажем, в ваттах), но астрономы чаще выражают светимости звезд в единицах светимости Солнца.

Также можно выражать истинную светимость звезды с помощью абсолютной звездной величины .

Представим себе, что мы расположили все звезды рядом и рассматриваем их с одного и того же расстояния. Тогда видимая звездная величина уже не будет зависеть от расстояния и будет определяться только светимостью.

В качестве стандартного расстояния принято значение 10 пс (парсек).

Видимая звездная величина (m), которую бы имела звезда на таком расстоянии, называется абсолютной звездной величиной (M).

Таким образом, абсолютная звездная величина – это количественная характеристика светимости объекта, равная звездной величине, которую имел бы объект на стандартном расстоянии 10 парсек.

Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния, то

где Е - освещенность, создаваемая звездой, которая удалена от Земли на r парсек; E 0 - освещенность от той же звезды со стандартного расстояния r 0 (10 пк).

Используя формулу Погсона, получаем:

m – M = -2,5lg(E/E 0) = -2,5lg(r 0 /r) 2 = -5lgr 0 + 5lgr .

Отсюда следует

M = m + 5lgr 0 - 5lgr .

Для r 0 = 10 пк

M = m + 5 - 5lgr . (1)

Если в (1) r = r 0 = 10 пк , то M = m – по определению абсолютной звездной величины.

Разность между видимой (m) и абсолютной (М) звёздными величинами называют модулем расстояния

m - М = 5 lgr - 5 .

В то время как М зависит только от собственной светимости звезды, m зависит также и от расстояния r (в пс) до неё.

Для примера подсчитаем абсолютную звездную величину для одной из самых ярких и близких к нам звезд – а Центавра.

Ее видимая звездная величина -0,1, расстояние до нее 1,33 пс. Подставляя эти значения в формулу (1), получаем: М = -0,1 + 5 - 5lg1,33 = 4,3 .

Т. е. абсолютная звездная величина а Центавра близка к абсолютной звездной величине Солнца, равной 4,8.

Следует еще учитывать поглощение света звезды межзвездной средой. Такое поглощение ослабляет блеск звезды и увеличивает видимую звездную величину m.

В этом случае: m = М - 5 + 5lgr + A(r) , где слагаемым А(r) учитывается межзвездное поглощение.

Светимость
Видимые и абсолютные звёздные величины
Википедия

Светимостью звезды именуют общую мощность электрического излучения звезды, уходящего от него в галлактическое место.

Светимость Солнца составляет 3,827·1026 Вт (в системе СИ) либо 3,827·1033 эрг/сек (в системе СГС). Астрологи употребляют светимость Солнца в качестве единицы измерения светимости звезд и галактик.

За год Солнце высвечивает в космос энергию 1,2·1034 Дж = 3,4·1018 тераватт-часов. Раз в секунду масса Солнца миниатюризируется на 4,3 млн тонн в силу эквивалентности массы и энергии (E = mc2). За гипотетичные 4,5 млрд лет собственного существования Солнце потеряло 6·1026 кг, что соответствует 0,03% массы Солнца.

На Землю попадает приблизительно 2 миллиардных толики этой энергии, из которых ~37% (альбедо Земли) сходу отражается назад в космос. Земля поглощает около 1 млрд тераватт-часов солнечной энергии в год. Для сопоставления мировое создание электроэнергии составляет около 20 тыщ тераватт-часов в год, другими словами, 0,002% от солнечной энергии.

Источники:

Изменяется ли светимость Солнца?

ДРЕВНЕЙШИЕ ОЛЕДЕНЕНИЯ

Историческая геология свидетельствует, что в прежние геологические эпохи временами наступали похолодания. Самое раннее из установленных оледенений отстояло от наших дней на 2500 млн лет. О существовании ледниковых эпох в далеком прошлом геологи судят на основании находок так называемых тиллитов - неотсортированных пород, включающих валуны и глину, образовавшихся под действием ледника. Если рассмотреть проявление всех крупных оледенений, известных за геологическую историю, нельзя не обратить внимание на неравномерность их распределения во времени. После нескольких фаз, происшедших примерно 2500-2200 млн лет назад, наступил длительный перерыв, измеряемый в 1500 млн лет, когда оледенений не было. Примерно 900 млн лет назад оледенения возобновились и стали происходить с интервалом 50-100 млн лет. Помимо сильных похолоданий, вызывавших мощные оледенения на Земле, существовали и более слабые температурные минимумы, когда похолодание было недостаточным для широкого распространения льда на планете.

Особенностью оледенений было то, что наступали они в неблагоприятных условиях для их проявления (климат на Земле был жарким, отсутствовало четкое разделение на климатические зоны). Тем не менее, резкое похолодание охватывало всю планету независимо от широты. Например, следы верхнепротерозойского оледенения, случившегося 900 млн лет назад, обнаружены в различных местах планеты независимо от географической широты. Ледниковые образования (тиллиты) часто подстилаются и (или) перекрываются осадками, образовавшимися в условиях жаркого климата. Эти факты указывают на то, что похолодание наступало относительно быстро и затем столь же резко заканчивалось. Небольшая мощность ледниковых образований свидетельствует о кратковременности холодных периодов.

Эти особенности древних ледниковых эпох не позволяют связывать их с какими-либо "земными причинами", например, горообразовательными процессами или изменением конфигурации суши и моря. Ведь в те далекие" времена не существовало высоких гор, а колебания уровня океана изменялись очень медленно. Нет оснований объяснять древние оледенения и вспышками вулканической деятельности, поскольку корреляции эпох усиления вулканизма и оледенений отсутствуют: интенсивные вулканические процессы происходили на Земле очень часто, а оледенения - всего лишь несколько раз за всю ее историю. Возможно, в некоторых случаях вулканические извержения способствовали более интенсивному развитию оледенения, но они не могли быть его первопричиной. Не могут вызвать глобальные понижения температуры на десятки градусов такие явления, как изменения наклона земной оси или засорение земной атмосферы пылью (земной или космической). Л.И. Салоп и ряд других ученых склоняются в пользу внеземной причины древних оледенений. Наиболее естественно объяснить оледенения изменениями светимости Солнца. По-видимому, существуют определенные ритмы: приблизительно раз в 80-100 млн лет светимость падает и на протяжении нескольких миллионов лет оказывается ниже средних значений.

Стадиальность оледенений, их периодичность позволяют предположить существование и более крупных ритмов солнечной светимости. Последние 900 млн лет характеризуются эпизодическими фазами оледенений. Далее, в глубине веков, обнаруживается период отсутствия оледенений, длившийся 1500 млн лет. Еще дальше от нашего времени оледенения вновь появляются, но не на столь продолжительное время. Нельзя исключать, что колебания светимости Солнца были и ранее, но они не проявили себя в форме оледенений, поскольку температура на Земле тогда была высокой и не опускалась ниже 0°С в течение фазы похолодания. Если наше пред положение верно, то можно говорить о периодичности колебаний солнечной светимости. Какой-то интервал времени Солнце ведет себя как стационарная звезда, а затем, примерно в течение такого же периода, пульсирует с периодом 80-100 млн лет. Оледенения указывают интервалы времени, когда светимость Солнца падала и температура на поверхности планеты понижалась. А есть ли свидетельства противоположного явления - эпизодического возрастания светимости Солнца? История Земли не дает определенного ответа на этот вопрос. Увеличение светимости Солнца должно было привести к разогреву поверхности Земли и, следовательно, подъему температуры воды, а это вызвало бы изменения в экологической обстановке. Такие изменения геологи фиксировали неоднократно, однако связаны ли они с ростом температуры, пока сказать трудно.

ОБ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ РАССКАЖЕТ МАРС?

В исследовании колебаний светимости Солнца может помочь изучение истории Марса. Как известно, температура на его поверхности колеблется от -120°С ночью до +20°С днем. Однако в истории Марса были периоды, когда температура поднималась еще выше и по Марсу текли реки. Такие потепления происходили на Марсе неоднократно, но точно определить время этих теплых эпох ученые еще не могут, так как нет абсолютных датировок возраста горных пород планеты. Считается, что жидкая вода на поверхности Марса оказалась не в результате дождей, а за счет таяния подземных льдов. Вода, выйдя из растаявшего грунта, устремилась в разработанные ею речные долины, чтобы затем вновь уйти в грунт в пределах обширных бессточных впадин. Относительно причин потеплений на Марсе нет единого мнения. Многие считают, что таяние подземных льдов вызвано активизацией глубинных процессов и прежде всего вулканической деятельностью. С таким выводом трудно согласиться, поскольку эндогенная деятельность на Марсе интенсивно проявила себя в ранний период его истории (ранее 2,5 млрд лет назад), а водно-эрозионная деятельность, наоборот, характерна для последних 2,5 млрд лет. Речные долины на Марсе, как правило, расположены на большом удалении от вулканических массивов. Да и энергетически трудно представить механизм эпизодического разогрева всей планеты вулканическими извержениями.

Больше оснований связать потепление на Марсе с ростом светимости Солнца. Увеличение поступающего от него тепла привело к значительному повышению температуры на поверхности Марса, в результате чего промерзший грунт начинал таять. Излишки воды из одних мест стали перетекать в другие, где уровень подземных вод был ниже. Современная изученность Марса позволяет выделять по меньшей мере два этапа флювиаль-ной (водноэрозионной) деятельности на его поверхности. Самый ранний из них, когда заложились древние долины - Узбой, Ладон, Маадим, Бахрам -приблизительно датируется в 2500 лет назад. Более молодой флювиаль-ный этап, когда сформировались долины Касэй, Тиу, Симуд, Ведра, Маджа и др., приходится на последний миллиард лет марсианской истории.

ДВА СОСТОЯНИЯ СОЛНЦА?

Если сопоставить эпохи оледенений Земли и эпохи флювиальных процессов на Марсе, то они примерно совпадают по времени. Возможно, это не случайно.В эти периоды солнечная светимость изменялась как в сторону ее резкого увеличения, так и уменьшения. Увеличение проявилось на Марсе в виде флювиальных этапов, а уменьшение на Земле - в виде ледниковых эпох. Если эти предположения верны, то у дневного светила существуют два периодически сменяющих друг друга типа состояния. Первое - относительно спокойное, характерное для эпохи от 2250 млн лет до 900 млн лет, когда не было значительных изменений интенсивности свечения. Второе - контрастное, когда возникали как фазы усиления, так и фазы сокращения светимости. Мы живем в продолжающуюся уже 900 млн лет контрастную эпоху.

В чем причина столь резких колебаний светимости Солнца? Ведь оно считается стационарной звездой, а колебания солнечной постоянной не превышают 0,3% (что совершенно недостаточно для глобального оледенения). Однако в последнее время некоторые астрофизики допускают возможность более значительных колебаний солнечной светимости. Известно, что количество солнечного нейтрино, зарегистрированное наземными приборами, оказалось значительно меньше, чем должно быть согласно теоретическим расчетам. Так, по модели, предложенной У. Фаулером (1972 г.), высокие температуры, необходимые для возбуждения ядерных процессов, устанавливаются во внутренних частях Солнца периодически через определенные интервалы времени - порядка 200-300 млн лет. Когда эти температуры достигнуты, раскаленная плазма вследствие конвективной неустойчивости поднимается и перемешивается с относительно холодным веществом у поверхности. В результате светимость Солнца падает примерно на 35%, а температура на Земле на 30°С и более. Такое состояние длится около 10 млн лет. Высказанная гипотеза, естественно, встречает определенные возражения. Например, получены данные, указывающие на возможность существования у нейтрино массы покоя, а это может привести к тому, что излучаемые Солнцем нейтрино трансформируются так, что их невозможно регистрировать принятыми методами. Рассматриваемая проблема обсуждается лишь на качественном уровне. Для решения вопроса о том, насколько должна понизиться светимость Солнца, чтобы вызвать оледенение, нужны специальные расчеты. По-видимому, речь идет о снижении светимости на 10% и более.

Стоит лишь подчеркнуть, что анализ геологических данных, свидетельствующих об изменении во времени температуры земной поверхности, -единственная возможность обнаружить и оценить колебания солнечной светимости, имевшие место миллионы и миллиарды лет назад. Прямого пути установления столь протяженных циклов колебаний светимости Солнца у ученых пока нет. Поэтому остается лишь косвенный путь - искать следы пульсаций Солнца в истории обращающихся вокруг него планет. Обратим внимание еще на одно обстоятельство. Среди астрономов и геофизиков распространена точка зрения, что в период образования Земли, т.е. 4,6 млрд лет назад, уровень солнечной радиации был на 40% ниже, чем сейчас, и с тех пор вплоть до наших дней он увеличивался. Следовательно, температура на Земле должна постепенно возрастать. Данные же "каменной летописи" Земли свидетельствуют об обратном - температура на поверхности планеты постепенно понижалась. Так, 3,8 млрд лет назад, на основании определения отношения изотопов кислорода в кремнистых отложениях серии Исуа (Гренландия), температура находилась в интервале 90-150°С. Три миллиарда лет назад она колебалась в пределах от 90 до 65°С и дальше постепенно снижалась до современной. Лишь будущие исследования покажут, как выйти из этого противоречия.

• Автор статьи И.А. Резанов , доктор геолого-минералогических наук, Институт истории естествознания и техники РАН им. С.И. Вавилова
• Подготовка и выпуск проект "Астрогалактика" 15.09.2007