Звезды главной последовательности

Единицы измерения

Большинство звёздных характеристик как правило выражается в СИ, но также используется и СГС (к примеру, светимость выражается в эргах в секунду). Масса, светимость и радиус обычно даются в соотношении с нашим Солнцем:

Для обозначения расстояния до звёзд приняты такие единицы как световой год и парсек

Большие расстояния, такие как радиус гигантских звёзд или большая полуось двойных звёздных систем часто выражаются с использованием

астрономической единицы (а. е.) - среднее расстояние между Землёй и Солнцем (150 млн км).

Рис.1 – Диаграмма Герцшпрунга-Рассела

Виды звёзд

Классификации звёзд начали строить сразу после того, как начали получать их спектры. В первом приближении спектр звезды можно описать как спектр чёрного тела, но с наложенными на него линиями поглощения или излучения. По составу и силе этих линий звезде присваивался тот или иной определённый класс. Так поступают и сейчас, однако, нынешнее делœение звёзд гораздо более сложное: дополнительно оно включает абсолютную звёздную величину, наличие или отсутствие переменности блеска и размеров, а основные спектральные классы разбиваются на подклассы.

В начале XX века, Герцшпрунг и Рассел нанесли на диаграмму ʼʼАбсолютная звёздная величинаʼʼ - ʼʼспектральный классʼʼ различные звёзды, и оказалось, что большая их часть сгруппирована вдоль узкой кривой. Позже эта диаграмма (ныне носящая название Диаграмма Герцшпрунга-Рассела ) оказалось ключом к пониманию и исследованиям процессов, происходящих внутри звезды.

Теперь, когда есть теория внутреннего строения звезд и теория их эволюции, стало возможным и объяснение существования классов звезд. Оказалось, что всё многообразие видов звёзд - это не более чем отражение количественных характеристик звёзд (такие как масса и химический состав) и эволюционного этапа, на котором в данный момент находится звезда.

В каталогах и на письме класс звёзд пишется в одно слово, при этом сначала идет буквенное обозначение основного спектрального класса (если класс точно не определён, пишется буквенный диапазон, к примеру, O-B), далее арабскими цифрами уточняется спектральный подкласс, потом римскими цифрами идет класс светимости (номер области на диаграмме Герцшпрунга-Рассела), а затем идет дополнительная информация. К примеру, Солнце имеет класс G2V.

Наиболее многочисленный класс звёзд составляют звёзды главной последовательности, к такому типу звёзд принадлежит и наше Солнце. С эволюционной точки зрения главная последовательность - это то место диаграммы Герцшпрунга-Рассела, на котором звезда находится большую часть своей жизни. В это время потери энергии на излучения компенсируются за счёт энергии, выделяющейся в ходе ядерных реакции. Время жизни на главной последовательности определяется массой и долей элементов тяжелœее гелия (металличностью).

Современная (гарвардская) спектральная классификация звёзд, разработана в Гарвардской обсерватории в 1890 - 1924 годах.

Основная (гарвардская) спектральная классификация звёзд
Класс	Температура, K	Истинный цвет	Видимый цвет	Основные признаки
O	30 000-60 000	голубой	голубой	Слабые линии нейтрального водорода, гелия, ионизованного гелия, многократно ионизованных Si, C, N.
B	10 000-30 000	бело-голубой	бело-голубой и белый	Линии поглощения гелия и водорода. Слабые линии H и К Ca II.
A	7500-10 000	белый	белый	Сильная бальмеровская серия, линии H и К Ca II усиливаются к классу F. Также ближе к классу F начинают появляться линии металлов
F	6000-7500	жёлто-белый	белый	Сильны Линии H и К Ca II, линии металлов. Линии водорода начинают ослабевать. Появляется линия Ca I. Появляется и усиливается полоса G, образованная линиями Fe, Ca и Ti.
G	5000-6000	жёлтый	жёлтый	Линии H и К Ca II интенсивны. Линия Ca I и многочисленные линии металлов. Линии водорода продолжают слабеть, Появляются полосы молекул CH и CN.
K	3500-5000	оранжевый	желтовато-оранжевый	Линии металлов и полоса G интенсивны. Линии водорода почти не заметно. Появляется полосы поглощения TiO.
M	2000-3500	красный	оранжево-красный	Интенсивны полосы TiO и других молекул. Полоса G слабеет. Все ещё заметны линии металлов.

Коричневые карлики

Коричневые карлики - это тип звёзд, в которых ядерные реакции никогда не могли компенсировать потери энергии на излучение. Долгое время коричневые карлики были гипотетическими объектами. Их существование предсказали в серединœе XX в., основываясь на представлениях о процессах, происходящих во время формирования звезд. При этом в 2004 году впервые был обнаружен коричневый карлик. На сегодняшний день открыто достаточно много звёзд подобного типа. Их спектральный класс М - T. В теории выделяется ещё один класс - обозначаемый Y.

Звезды главной последовательности - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Звезды главной последовательности" 2017, 2018.

Картинка выше не имеет никакого отношения к челябинскому болиду; эта картинка называется диаграммой Герцшпрунга-Рассела, и показывает она закономерности в распределении звезд по светимости и цвету (спектральному классу). Наверное, каждый, кто читал хотя бы какую-нибудь научно-популярную книжку по астрономии видел эту картинку, и запомнил, что подавляющее большинство звезд во Вселенной находятся на "главной последовательности" , то есть расположены вблизи кривой, которая идет из верхнего левого в правый нижний угол диаграммы Герцшпрунга-Рассела. Звезды на главной последовательности стабильны, и могут очень медленно двигаться по ней многие миллиарды лет, потихоньку перерабатывая водород в гелий; когда ядерное топливо подходит к концу, обычная звезда покидает главную последовательность, становясь на недолгое время красным гигантом , а потом схлапываясь навсегда в белого карлика , который постепенно затухает.

Так вот, метафора заключается в том, что про стартапы можно нарисовать аналогичную картинку, и в ней тоже окажется, что есть узкая зона стабильности - "главная последовательность" - и есть нестабильные состояния за ее пределами. Осями могут служить cash burn (скорость расходования инвестиций) и темпы роста ключевых метрик (у каждого проекта они свои, конечно; в наиболее типичном случае это количество пользователей).

На главной последовательности - проекты, которые умеют балансировать одно с другим. Идеальной ситуацией является аккуратное, плавное движение по ней: постепенно растут расходы, и пропорционально увеличиваются темпы роста (именно темпы роста, а не сами метрики!). Другими словами, вкладываемые деньги дают взрывной рост - стартап "взлетает".
Огромное кладбище карликов - под главной последовательностью. Эти проекты заморожены, они не проедают деньги, или проедают очень маленькое, неизменное их количество (грубо говоря, затраты на хостинг) - но и метрики стабильны, не растут или практически не растут. Может, кто-то и заходит, регистрируется, даже начинает пользоваться - но к новому витку роста это не приведет. (Из личного опыта это, конечно - 9facts).
Над главной последовательностью - искусственно раздутые гиганты. Деньги сгорают очень быстро (как гелий!), но это происходит не там, где надо, или просто слишком рано - рынок еще не готов откликнуться соответствующим ростом метрик. На спектрограмме такого стартапа очень хорошо видны характерные признаки: раздутые штаты, отсутствие органического роста пользователей (рост только за счет покупки трафика), метания из стороны в сторону. В анамнезе, как правило, "дикий инвестор" - кто-то, кто очень сильно поверил в идею, но при этом не занимается профессионально развитием стартапов, не может оценить потребности проекта на очередном этапе, и дает слишком много денег. (И это тоже было все у нас с 9facts, кстати).
Очень часто можно наблюдать, как проект проходит ровно тот путь, что и звезда в процессе своей эволюции: из главной последовательности в гиганты (ошибочно решили, что ухватили ту модель, которая обеспечит взрывной рост, и начали накачивать деньгами), а потом в карлики (деньги кончились). Ну и еще несколько забавных аналогий можно увидеть в рамках этой богатой метафоры.

А продуктивность этой метафоры вот в чем.
1) Главная последовательность очень узка. Это тонкая тропинка, пройти по ней невозможно без очень четкого понимания того, как вообще устроена венчурная отрасль (пользуясь случаем, еще раз порекламирую , и ), без очень четкого концентрации на сути своего продукта, без идентификации и контроля собственных ключевых метрик. без опытных лоцманов, без вовлеченности, трудолюбия, фанатизма даже. Шаг влево, шаг вправо - и вернуться будет трудно, почти невозможно. Если все же сход произошел - надо все бросить, и попытаться вернуться. В этом - польза моей метафоры для стартапера.
2) Если проект очевидно за пределами главной последовательности - в него нет смысла инвестировать, его нет смысла рассматривать. Шансов нет. В том числе, нет смысла рассматривать и проект, который еще не начался даже, но основные параметры которого уже с самого начала предполагают отклонение от главной последовательности ("сразу наймем 30 человек"). В этом - польза моей метафоры для инвестора, очень помогает экономить время.
3) Ну и конечно нельзя забывать, что обобщения и догмы полезны лишь тогда, когда ты помнишь об их логическом обосновании, и можешь для себя понять, почему в данной конкретной ситуации обобщение не сработает, а догму можно нарушить.

Ну и, наконец, пару слов о том, как же выглядит главная последовательность для стартапов. (Естественно, об этом можно говорить только в очень обобщенном виде, очень различаются рынки, страны и т.д.).
Начинается все в той части графика, где еще нет пользователей - и на этой стадии в команде не может быть больше 2-3 человек, и она не может сжигать сотни тысяч рублей в месяц, а лучше бы не сжигать вообще ничего. Прототип готов, сформулирована основная гипотеза, начаты попытки продвижения, привлечено посевное финансирование - в команде может быть 5-6 человек, она может тратить пару сотен тысяч в месяц, но должны обязательно быть клиенты, пусть хотя бы в режиме бета-тестирования, и значительная часть денег должна направляться не в разработку. Продукт создан, клиенты пользуются и начали платить первые деньги, удалось привлечь серьезное финансирование от бизнес-ангелов - главное на этой стадии заключается в том, чтобы в какой-то момент остановить рост затрат на разработку, делая акцент на развитие бизнеса и получение устойчивых метрик; тратить миллионы еще нельзя. Достигнут стабильный рост, привлечен первый венчурный раунд финансирования - это не повод для бесконтрольного раздувания штатов и для неаккуратного обращения с деньгами, успешные проекты здесь вырастают до 10-20 человек, и удерживают свои затраты в пределах 50-100 тысяч долларов в месяц. И так далее.

Короче, все как в космосе, с одной только разницей.
Там - 90% звезд находятся на главной последовательности, а у нас не будет большим преувеличением сказать, что 90% стартапов пытаются найти себя за ее пределами.
Из интервью и питчей только этой недели:
- стартап А потратил уже $1.5M за два года на разработку продукта, востребованность решения не доказана, пользовательская база не растет, пытаются привлечь еще $2M - в основном на продолжение разработки (а кто им даст? и, главное, по какой оценке?),
- у стартапа Б закончились все деньги, привлеченные на посевной стадии, и основатели продолжают ковыряться с ним параллельно с основной работой, покуда конкуренты ушли вперед в хорошем темпе; в свое время основатели не взяли приличные инвестиции по неплохой оценке, пытаясь не размываться и рассчитывая на собственные силы, а сейчас уже согласны и на значительно меньшую оценку, но...,
- стартап В пытается поднять несколько десятков миллионов рублей на стадии идеи, планируя собрать команду около 20 человек для создания прототипа и проверки гипотезы,
... и так далее.

Posted on Feb. 17th, 2013 at 02:10 pm |

Звезды являются наиболее интересными астрономическими объектами, и представляют собой наиболее фундаментальные строительные блоки галактик. Возраст, распределение и состав звезд в галактике позволяет определить ее историю, динамику и эволюцию. Кроме того, звезды несут ответственность за производство и распределение в космическом пространстве тяжелых элементов, таких как углерод, азот, кислород, а их характеристики тесно связаны с планетарными системами, которые они образуют. Поэтому изучение процесса рождения, жизни и смерти звезд занимает центральное место в астрономической области.

Рождение звезд

Звезды рождаются в облаках пыли и газа, которые разбросаны в большинстве галактик. Ярким примером распределения такого облака является туманность Ориона.

Представленное изображение сочетает в себе изображения в видимо и инфракрасном диапазоне волн, полученные от космического телескопа Hubble и Spitzer. Турбулентность в глубине этих облаков приводит к созданию узлов с достаточной массы для начала процесса разогревания материала в центре этого узла. Именно это горячее ядро, более известное как протозвезда однажды сможет стать звездой.

Трехмерное компьютерное моделирование процесса формирования звезд показывает, что вращающиеся газовопылевые облака могут разрушиться на две или три части; это объясняет, почему большинство звезд в Млечном пути находятся в парах или небольших группах.

Не весь материл, из газопылевого облака попадает в будущую звезду. Оставшийся материал может образовать планеты, астероиды, кометы или просто остаться в виде пыли.

Главная последовательность звезд

Звезде размером с наше Солнце требуется порядка 50 миллионов лет чтобы созреть с момента образования до взрослого состояния. Наше Солнце будет находиться в этой фазе зрелости в течении примерно 10 миллиардов лет.

Звезды питаются энергией выделяемой в процессе ядерного синтеза водорода с образованием гелия в своих недрах. Отток энергии их центральных областей звезды обеспечивает необходимое давление для предотвращения коллапса звезды под действием собственности силы тяжести.

Как показано в диаграмме Герцшпрунга-Рассела, главная последовательность звезд охватывает широкий спектр светимости и цвета звезд, которые могут быть классифицированы в соответствии с этими характеристиками. Самые маленькие звезды известны как красные карлики, имеют массу около 10% массы Солнца и излучают только 0.01 % энергии по сравнению с нашим светилом. Температура их поверхности не превышает 3000-4000 К. Несмотря на свои миниатюрные размеры, красные карлики являются на сегодняшний день самым многочисленным типом звезд во Вселенной и имеют возраст десятки миллиардов лет.

С другой стороны, наиболее массивные звезды, известные как гипергиганты, могут иметь массу в 100 или более раз, больше массы Солнца и температуру поверхности более 30 000 К. Гипергиганты выделяют в сотни тысяч раз больше энергии, чем Солнце, но имеют время жизни всего несколько миллионов лет. Столь экстремальные звезды, как полагают ученые были широко распространены в ранней Вселенной, сегодня же они встречаются крайне редко - во всем Млечном пути известно несколько гипергигантов.

Эволюция звезды

В общих чертах, чем больше звезда, тем короче ее продолжительность жизни, хотя все кроме сверхмассивных звезд живут миллиарды лет. Когда звезда полностью вырабатывает водород в своем ядре, ядерные реакции в ее недрах прекращаются. Лишенное энергии ядро, необходимое для своего поддержания, начинает разрушаться в себя и становиться намного горячее. Оставшийся водород за пределами ядра продолжает поддерживать ядерную реакцию за пределами ядра. Все более и более горячее ядро начинает выталкивать внешние слои звезды наружу, заставляя звезду расширяться и охлаждаться, превращая ее в красного гиганта.

Если звезда достаточно массивна, процесс коллапса ядра может довести его температуру до достаточного уровня чтобы поддерживать более экзотические ядерные реакции, которые потребляют гелий и производят различные тяжелые элементы, вплоть до железа. Тем не менее, такие реакции дают только временную отсрочку от глобальной катастрофы звезды. Постепенно, внутренние ядерные процессы звезды становятся все более нестабильными. Эти изменения вызывают пульсацию внутри звезды, которая в дальнейшем приведет к сбросу внешних оболочки, окружая себя облаком газа и пыли. Что происходит дальше зависит от размера ядра.

Дальнейшая судьба звезды в зависимости от массы ее ядра

	Для средних звезд, подобных Солнцу, процесс освобождения ядра от внешних слоев продолжается до тех пор, пока весь окружающий е материал не будет выброшен. Оставшееся, сильно разогретое ядро называется белый карлик. Белые карлики имеющие размер сравнимой с Землей, имеет массу полноценной звезды. До недавнего времени они оставались загадкой для астрономов - почему не происходит дальнейшее разрушение ядра. Квантовая механика разрешила эту загадку. Давление быстро движущихся электронов спасает звезду от коллапса. Чем массивнее ядро, тем более плотный карлик образуется. Таким образом, чем меньше размер белого карлика, тем более он массивен. Эти парадоксальные звезды довольно часто встречаются во Вселенной - наше Солнце через несколько миллиардов лет тоже превратиться в белого карлика. Ввиду отсутствия внутреннего источника энергии, белые карлики со временем остывают и исчезают в бескрайних просторах космического пространства.
	Если белый карлик образовался в двойной или кратной звездной системе, окончание его жизни может быть более насыщенным известным как образование новой звезды. Когда астрономы данному событию дали такое название, они действительно думали что происходит образование новой звезды. Однако сегодня известно что на самом деле речь идет о очень старых звездах - белых карликах. Если белый карлик находится достаточно близко к звезде компаньону, его гравитация может перетянуть на себя водород из внешних слоев атмосферы своего соседа и создать свой собственных поверхностный слой. Когда собирается достаточное количество водорода на поверхности белого карлика, происходит взрыв ядерного топлива. Это приводит к увеличению его яркости и сбрасывания оставшегося материала с поверхности. В течении нескольких дней, яркость звезды падает и цикл начинается снова. Иногда, особенно у массивных белых карликов (масса которых больше 1,4 массы Солнца) может обрастать настолько большим количеством материала, что во время взрыва они разрушаются полностью. Этот процесс известен как рождение сверхновой звезды.
	Звездам главной последовательности с массой около 8 и более масс Солнца суждено умереть в результате мощного взрыва. Этот процесс называют рождением сверхновой звездой. Сверхновая звезда это не просто большая новая звезда. В новой звезде взрываются только поверхностные слои, в то время как в сверхновой происходит коллапс самого ядра звезды. В результате происходит высвобождение колоссального количества энергии. В период от нескольких дней до нескольких недель, сверхновая может затмить своим светом целую галактику. Термины Новая и Сверхновая звезда не совсем точно определяют суть процесса. Как мы уже знаем, физически, образование новых звезд не происходит. Происходит разрушение уже существующих звезд. Объясняет подобное заблуждение несколько исторических случаев, когда на небе появлялись яркие звезды, которые до этого времени были практически или полностью невидны. Этот эффект и появления новой звезды и повлиял на терминологию.
	Если в центре сверхновой звезды расположено ядро с массой от 1,4 до 3 масс Солнца, разрушение ядра будет продолжаться до тех пор пока электроны и протоны не объединятся и не создадут нейтроны, которые впоследствии образуют нейтронную звезду. Нейтронный звезды являются невероятно плотными космическими объектами — их плотность сопоставима с плотностью атомного ядра. Так как большое количество массы упаковано в маленьком объеме, гравитация на поверхности нейтронной звезды просто запредельна Нейтронные звезды имеют большие магнитные поля, которые могут ускорить атомные частицы вокруг ее магнитных полюсов производя мощные пучки радиации. Если такой пучок ориентирован в сторону Земли, то мы можем регистрировать регулярные импульсы в рентгеновском диапазоне от этой звезды. В таком случае она называется пульсаром.
	Если ядро звезды более 3 солнечных масс, то в процессе его коллапса образуется черная дыра: бесконечно плотный объект, гравитация которого настолько сильна, что даже свет не может покинуть ее. Так как фотоны это единственный инструмент, благодаря которому мы может изучать вселенную, обнаружение черных дыр напрямую невозможно. О их существовании можно узнать только косвенно. Одним из главных косвенных факторов указывающих на существовании в определенной области черной дыры является ее огромная гравитация. Если рядом с черной дырой расположен какой-либо материал — чаще всего это звезды-компаньоны — он будет захвачен черной дырой и притянут к ней. Притянутая материя будет двигаться в сторону черной дыры по спирали образуя вокруг нее диск, который нагревается до огромных температур, испуская обильное количество рентгеновских и гамма-лучей. Именно их обнаружение, косвенно указывает на существование рядом со звездой черной дыры.

Полезные статьи которые ответят на большинство интересных вопросов о звездах.

Объекты глубокого космоса

В 1910 г. двое астрономов — датчанин Эйнар Герцшпрунг и американец Генри Ресселл — независимо друг от друга решили выяснить, как зависит светимость звезды от ее спектрального класса или цвета. Для этого они нанесли на график данные обо всех известных в то время спектральных классах и светимостях звезд. В левой части диаграммы расположились горячие белые и голубые звезды, в правой — «холодные» красные, вверху — те, что излучают много энергии, внизу — те, которые «скупятся» на излучение. Если бы зависимость спектр- светимость была однозначной, на диаграмме образовалась бы прямая линия, если бы никакой зависимости вообще не существовало, точки расположились бы по всему полю диаграммы.

Получилось нечто совсем иное: точки, соответствующие тем или иным звездам, сгруппировались в различных областях. Больше всего их (около 90 %) разместилось на диагонали, проведенной из левого верхнего угла (звезды классов О и В, излучающие много энергии) к правому нижнему углу (слабые красные звезды). Эту диагональ астрономы назвали «главной последовательностью». Выше горизонтально протянулась последовательность звезд с наибольшей светимостью, которые назвали гигантами, так как для того, чтобы излучать столько энергии, звезда должна иметь очень большую поверхность. Еще выше, над последовательностью гигантов, расположились гипергиганты и сверхгиганты, а между гигантами и главной последовательностью — субгиганты.

Заполненной оказалась еще одна область — в левом нижнем углу разместились горячие звезды малой светимости, которые называют белыми карликами — ведь для того, чтобы излучать мало энергии, горячая звезда должна быть очень маленькой.

Ученым поначалу казалось, что на протяжении своей жизни звезды проходят путь вдоль главной последовательности — постепенно теряя энергию и остывая. Однако в действительности все выглядит сложнее. «Новорожденная» звезда почти сразу «садится» на главную последовательность, а ее место в ней зависит прежде всего от массы — чем больше масса, тем более высокое место она занимает. Там звезда и проводит большую часть своей жизни. Потому-то на главной последовательности и «собралось» наибольшее количество звезд.

Но когда водородное «горючее» подходит к концу, звезда начинает менять свой облик. Ее оболочка начинает разбухать, звезда стремительно увеличивается и переходит в класс красных гигантов, меняя место на диаграмме. Затем остывающая оболочка сбрасывается — и остается только раскаленное ядро звезды. На свет появляется новый белый карлик.

Так живут звезды главной последовательности, в том числе и наше Солнце. У других типов звезд «биография» и сложнее, и богаче событиями.

С помощью диаграммы Герцшпрунга-Ресселла нередко удается определять и возраст удаленных звездных скоплений. Если все звезды скопления лежат на главной последовательности — скопление молодое, если часть звезд уже покинула главную последовательность — его возраст на порядок больше.

Решебник по астрономии 11 класс на урок №25 (рабочая тетрадь) - Эволюция звёзд

1. По данным, приведенным в следующей таблице, отметьте на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 25.1) положение соответствующих звезд, а затем дополните таблицу недостающими характеристиками.

Нанесение положения звёзд на диаграмму иллюстрируется на примере Солнца. Звёзды наносим на пересечении координат светимости и температуры.

2. Используя диаграмму Герцшпрунга-Рессела (рис. 25.1), определите цвет, температуру, спектральный класс и абсолютную звездную величинузвезд, находящихся на главной последовательности и имеющих светимость (в светимостях Солнца), равную 0,01; 100; 10 ООО. Полученные данные занесите в таблицу.

3. Укажите последовательность стадий эволюции Солнца:

а) остывание белого карлика;
б) уплотнение масс газа и пыли;
в) сжатие в протозвезду;
г) гравитационное сжатие красного гиганта;
д) стационарная стадия (источник излучения - термоядерная реакция);
е) красный гигант с увеличивающимся гелиевым ядром.

б - в - г - д - е - а

4. При изучении масс звезд и их светимостей установлено, что для звезд, принадлежащих к главной последовательности, в интервале светимость (L) звезды пропорциональна четвертой степени ее массы: L~M 4 . Проведите необходимые расчеты и укажите на диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 25.1) местонахождение звезд, имеющих массу: 0.5, 5 и 10.

5. Расчеты показывают, что время t (в годах) пребывания звезды на главной последовательности диаграммы Герцшпрунгз- Рессела можно оценить по формуле t, где М - масса звезды в массах Солнца. Определите время пребывания звезды на главной последовательности (время жизни).