Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности

Звезды – это огромные шары, состоящие из светящейся плазмы. В пределах нашей галактики насчитывается огромное их количество. Звезды играли важную роль в развитии науки. Также они отмечались в мифах многих народов, служили в качестве инструментов навигации. Когда были изобретены телескопы, а также открыты законы движения небесных тел и гравитация, ученые поняли: все звезды похожи на Солнце.

Определение

К звездам главной последовательности относят все те, внутри которых водород превращается в гелий. Так как этот процесс свойственен большей части звезд, к этой категории относится большинство наблюдаемых человеком светил. К примеру, Солнце также относится к данной группе. Альфа Ориона, или, к примеру, спутник Сириуса не принадлежат к звездам главной последовательности.

Группы звезд

Впервые вопросом сопоставления звезд с их спектральными классами занялись ученые Э. Герцшпрунг и Г. Рассел. Они создали диаграмму, на которой отображался спектр и светимость звезд. Впоследствии данная диаграмма была названа в их честь. Большая часть светил, расположенных на ней, называется небесными телами главной последовательности. В эту категорию входят звезды, начиная от голубых сверхгигантов, и заканчивая белыми карликами. Светимость Солнца на данной диаграмме принимается за единицу. В последовательность входят звезды различной массы. Ученые выделили следующие категории светил:

• Сверхгиганты – I класс светимости.
• Гиганты – II класс.
• Звезды главной последовательности – V класс.
• Субкарлики – VI класс.
• Белые карлики – VII класс.

Процессы внутри светил

С точки зрения структуры Солнце может быть разделено на четыре условные зоны, в пределах которых происходят различные физические процессы. Энергия излучения звезды, а также внутренняя тепловая возникают глубоко внутри светила, передаваясь на внешние слои. Строение звезд главной последовательности схоже со структурой светила Солнечной системы. Центральной частью любого светила, относящейся на диаграмме Герцшпрунга-Рассела к данной категории, является ядро. Там постоянно происходят ядерные реакции, в процессе которых гелий превращается в водород. Для того чтобы ядра водорода смогли столкнуться друг с другом, их энергия должна быть выше энергии отталкивания. Поэтому такие реакции протекают только при очень высоких температурах. Внутри Солнца температура достигает 15 миллионов градусов по Цельсию. По мере удаления от ядра звезды она снижается. На внешней границе ядра температура составляет уже половину от значения в центральной части. Также снижается и плотность плазмы.

Ядерные реакции

Но не только по внутреннему строению звезды главной последовательности похожи на Солнце. Светила данной категории отличаются также и тем, что ядерные реакции внутри них происходят путем трехступенчатого процесса. Иначе он называется протон-протонным циклом. На первой фазе два протона сталкиваются между собой. В результате этого столкновения появляются новые частицы: дейтерий, позитрон и нейтрино. Далее протон сталкивается с частицей нейтрино, и возникает ядро изотопа гелия-3, а также квант гамма-излучения. На третьей ступени процесса два ядра гелия-3 сливаются между собой, и происходит образование обычного водорода.

В процессе этих столкновений во время ядерных реакций постоянно производятся элементарные частицы нейтрино. Они преодолевают нижние слои светила, и летят в межпланетное пространство. Нейтрино также регистрируются и на земле. Количество, которое регистрируется учеными при помощи приборов, несоизмеримо меньше, чем их должно быть по предположению ученых. Эта проблема является одной из крупнейших загадок в физике Солнца.

Лучистая зона

Следующим слоем в строении Солнца и звезд главной последовательности является лучистая зона. Ее границы простираются от ядра и до тонкого слоя, находящегося на границе конвективной зоны – тахоклина. Свое название лучистая зона получила от способа, при помощи которого энергия переносится от ядра к внешним слоям звезды – излучения. Фотоны, которые постоянно производятся в ядре, двигаются в этой зоне, сталкиваясь с ядрами плазмы. Известно, что скорость этих частиц равна скорости света. Но несмотря на это, фотонам требуется порядка миллиона лет, чтобы достичь границы конвективной и лучистой зон. Такая задержка происходит из-за постоянного столкновения фотонов с ядрами плазмы и их переизлучения.

Тахоклин

Солнце и звезды главной последовательности также имеют тонкую зону, по-видимому, играющую важную роль в формировании магнитного поля светил. Она называется тахоклин. Ученые предполагают, что именно здесь происходят процессы магнитного динамо. Он заключается в том, что потоки плазмы вытягивают магнитные силовые линии и увеличивают общую напряженность поля. Также есть предположения, что в зоне тахоклина происходит резкая смена химического состава плазмы.

Конвективная зона

Эта область представляет собой самый внешний слой. Его нижняя граница располагается на глубине 200 тыс. км., а верхняя достигает поверхности светила. В начале конвективной зоны температура еще достаточно высока, она достигает порядка 2 млн градусов. Однако этот показатель уже недостаточен для того, чтобы происходил процесс ионизации атомов углерода, азота, кислорода. Эта зона получила свое название из-за способа, с помощью которого происходит постоянный перенос вещества из глубоких слоев во внешние – конвекции, или перемешивания.

В презентации о звездах главной последовательности можно указать тот факт, что Солнце является рядовой звездой в нашей галактике. Поэтому ряд вопросов – например, об источниках его энергии, строении, а также образовании спектра – является общим как для Солнца, так и для других звезд. Наше светило является уникальным в отношении своего расположения – это самая близкая к нашей планете звезда. Поэтому ее поверхность и подвергается детальному изучению.

Фотосфера

Видимая оболочка Солнца называется фотосферой. Именно она излучает практически всю энергию, которая приходит на Землю. Состоит фотосфера из гранул, представляющих собой продолговатые облака из горячего газа. Здесь можно также наблюдать и небольшие пятнышки, которые называются факелами. Их температура приблизительно на 200 ^оС выше, чем окружающая масса, поэтому они отличаются по яркости. Факелы могут существовать до нескольких недель. Эта устойчивость возникает вследствие того, что магнитное поле звезды не дает вертикальным потокам ионизированных газов отклоняться в горизонтальном направлении.

Пятна

Также на поверхности фотосферы иногда появляются темные области – зародыши пятен. Нередко пятна могут разрастаться до диаметра, который превышает диаметр Земли. Солнечные пятна, как правило, появляются группами, затем разрастаются. Постепенно они дробятся на более мелкие участки, пока не исчезают вовсе. Пятна появляются по обе стороны солнечного экватора. Каждые 11 лет их количество, а также занимаемая пятнами площадь, достигают максимума. По наблюдаемому перемещению пятен Галилей смог обнаружить вращение Солнца. В дальнейшем это вращение было уточнено при помощи спектрального анализа.

До сих пор ученые ломают голову над тем, почему период увеличения солнечных пятен составляет именно 11 лет. Несмотря на пробелы в знаниях, информация о солнечных пятнах и периодичности других аспектов деятельности звезды дают ученым возможность делать важные прогнозы. С помощью изучения этих данных можно делать предсказания о наступлении магнитных бурь, нарушений в сфере радиосвязи.

Отличия от других категорий

Светимостью звезды называется количество энергии, которое испускается светилом в одну единицу времени. Эта величина может быть вычислена по количеству энергии, которая достигает поверхности нашей планеты, при условии, если известно расстояние звезды до Земли. Светимость звезд главной последовательности больше, чем у холодных звезд с малой массой, и меньше горячих звезд, масса которых составляет от 60 до 100 солнечных.

Холодные звезды находятся в нижнем правом углу относительно большинства светил, а горячие – в левом верхнем углу. При этом у большинства звезд, в отличие от красных гигантов и белых карликов, масса зависит от показателя светимости. Большую часть своей жизни каждая звезда проводит именно на главной последовательности. Ученые считают, что более массивные звезды живут гораздо меньше, чем те, что обладают малой массой. На первый взгляд, должно быть наоборот, ведь у них больше водорода для горения, и они должны его расходовать дольше. Однако звезды, относящиеся к массивным, расходуют свое топливо гораздо быстрее.