Почему светит Солнце?
В древности люди не знали, почему светит Солнце. Но уже тогда они заметили, что оно появляется рано утром и исчезает вечером, а на смену ему приходят яркие звезды. Его считали дневным божеством, символом света, добра и власти.
Солнце — одна из звёзд нашей Галактики (Млечный Путь) и единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются планеты, кометы, астероиды, метеороиды и другие космические тела.
Сейчас наука шагнула далеко вперед и Солнце уже не столь загадочно для нас. Это не какой-нибудь особенный и неповторимый объект, а звезда. Такая же, как тысячи других, которые мы видим в ночном небе. Но другие звезды очень далеки от нас, поэтому с Земли они кажутся крохотными огоньками. Солнце к нам гораздо ближе, и его сияние видно намного лучше.
Кратка характеристика Солнца
Как и все остальные звезды, Солнце представляет собой огромный горячий шар. Предполагается, что оно образовалось из остатков других звезд около 4,5 миллиардов лет назад. Газ и пыль, освободившиеся из них, стали сжиматься в облако, температура и давление в котором постоянно повышались.
«Разогревшись» примерно до десяти миллионов градусов, облако превратилось в звезду, ставшую гигантским генератором энергии.
- По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V (жёлтый карлик).
- Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см³ (в 1,4 раза больше, чем у воды).
- Эффективная температура поверхности Солнца — 5780 кельвин .
Солнце светит почти белым светом, но прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок из-за действия атмосферы Земли (при ясном небе, вместе с голубым рассеянным светом от неба, солнечный свет вновь даёт белое освещение).
Зeмля oтдaлeнa oт Coлнцa нa 150 млн. км. Cкopocть cвeтa – З00000 км/c, пoэтoму лучу тpeбуeтcя 8 минут и 20 ceкунд. Ho вaжнo тaкжe пoнимaть, чтo ушли миллиoны лeт, пpeждe чeм фoтoны cвeтa пepeшли c coлнeчнoгo ядpa нa пoвepxнocть.
Структура и состав Солнца
Наше Солнце в основном состоит из двух элементов: водорода (74,9%) и гелия (23,8%). Помимо них там присутствует в маленьких количествах: кислород (1%), углерод (0.3%), неон (0.2%) и железо (0.2%). Внутри Солнце делится на слои:
- ядро,
- радиационная и конвекционная зоны,
- фотосфера,
- атмосфера.
Строение Солнца схематично.Ядро Солнца обладает наибольшей плотностью и занимает примерно 25% от общего солнечного объема.
Именно в солнечном ядре посредством ядерного синтеза, трансформирующего водород в гелий, формируется тепловая энергия. По сути, ядро – это такой себе солнечный мотор, благодаря ему, наше светило выделяет тепло и обогревает всех нас.
Что заставляет Солнце излучать свет?
Древние мыслители думали, что поверхность солнца постоянно горит, и поэтому излучает свет и тепло. Однако это не так. Во-первых, причина излучения тепла и света находится намного глубже поверхности звезды, а именно в ядре . Ну и во-вторых, процессы происходящие в недрах звезд вовсе не похожи на горение.
Солнце содержит огромное количество атомов водорода.
Суть термоядерной реакции
Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга, что предотвращает встречу одного из протонов друг с другом.
Но ядро Солнца сильно разогрето и находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру, и электроны начинают отделяться от своих протонов.
Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга и объединяются в ядра других элементов.
То есть с научной точки зрения, — это реакция, при которой более легкие атомные ядра — обычно изотопы водорода (дейтерий и тритий) сливаются в более тяжелые ядра — гелия .
Данный процесс, происходящий в недрах звезд, называется термоядерный синтез.
Это процесс перехода материи в энергию, причем из минимального количества материи высвобождается невероятное количество энергии — каждую секунду Солнце излучает 3,9 × 10 в степени 26 Вт мощности.
Чтобы произошла термоядерная реакция необходима невероятно высокая температура — несколько миллионов градусов.
Как можно было догадаться солнце не вечно , оно со временем «спалит само себя». Ученые считают, что в нем еще хватит материи приблизительно на 4-6 миллиардов лет, т.е. где-то на столько же, сколько оно уже просуществовало.
Почему Солнце не взрывается?
Звезда живет за счет притяжения — вот почему они большие, огромные. Чтобы сжать звезду, нужна огромная сила притяжения, для того чтобы выделить невероятное количество энергии, достаточного для термоядерного синтеза. Вот в чем секрет звезд, вот почему они светятся.
Синтез в ядре звезды Солнца, каждую секунду генерирует мощность, которой хватило бы на миллиард ядерных бомб. Звезда — это гигантская водородная “бомба”.
Почему тогда ей просто не разлететься на куски?
Дело в том, что силы тяжести сжимают внешние слои звезды. Сила тяжести и синтез ведут грандиозную войну, притяжение которых хочет смять звезду и энергия синтеза, которая стремится разнести звезду изнутри, этот конфликт и это равновесие создают звезду.
Этот процесс происходит всю жизнь звезды. В результате создается свет и каждый луч совершает невероятное путешествие, проходя 1080 миллионов километров в час. За одну секунду, луч света может семь раз обогнуть землю, ни что во вселенной не движется так быстро.
История изучения светимости Солнца
Одним из первых, кто попытался подойти к объяснению природы Солнца с научной точки зрения был древнегреческий астроном и математик Анаксагор, согласно словам которого Солнце – раскаленный металлический шар. За это философ был заключен в тюрьме.
Прежде, чем в 17-м веке началось инструментальное изучение Солнца, было еще немало предположений о природе солнечного света, вплоть до находящихся на поверхности постоянно горящих лесов.
С 17-го века ученым открывается такое явление как солнечные пятна, появляется возможность вычислить период вращения Солнца. Становится ясно, что наша звезда является неким физическим телом со сложной структурой.
В 19-м веке возникает спектроскопия, при помощи которой удается разложить солнечный луч на составные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения, Фраунгоферу удается обнаружить новый химический элемент, входящий в состав звезды, — гелий.
В середине 19 века ученые уже пытались описать свечение Солнца более сложными научными гипотезами.
В 1848 году Роберт Майер выдвинул метеоритную гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке метеоритами.
Несколько позже, в 1853-м году, возникла более правдоподобная идея так называемого «механизма Кельвина — Гельмгольца», согласно которой Солнце нагревалось по причине гравитационного сжатия. Однако, в таком случае возраст светила был бы значительно меньше, нежели на самом деле, что противоречило некоторым геологическим исследованиям.
Уравнение Энштейна
Вооружившись знаменитым уравнением Эншнейна, которое предсказывало, что любая масса должно иметь эквивалентное количество энергии, британские астрономы 1920-х годов предположили, что Солнце фактически превращало свою массу в энергию. Однако вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу и почерневший углерод (излучая свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Только в XX веке было найдено правильное решение этой проблемы, благодаря которой стала понятна природа светимости Солнца.
Сколько будет гореть Солнце?
Эффективность реакции термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце постоянно излучает тепло, — энергия, выделяемая путем превращения всего одного килограмма водорода в гелий эквивалентна той, которая выделяется при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце достаточно массивно и относительно молодо, считают, что оно использовало только около половины своего топлива — водорода.
Koгдa Coлнцe изpacxoдуeт вecь вoдopoдный зaпac (1З0 млн. лeт), тo пepeйдeт к гeлию. После этого его светимость будет и дальше увеличиваться, пока Солнце не станет на 121 % ярче и горячее, чем сейчас. и оно перейдет в фазу красного гиганта.
Ученые считают, что через 4–5 млрд лет Солнце расширится и поглотит или очень сильно разогреет Землю.
Пocлe кpacнoгo гигaнтa oнo pуxнeт и ocтaвит cжaтую мaccу в шapикe зeмнoгo paзмepa. Этo cтaдия бeлoгo кapликa. В конце концов, ядро Солнца преобразует весь свой водород в гелий, и звезда умрет. Этого не произойдет еще примерно 5 миллиардов лет. Солнце не может исчезнуть просто так или погаснуть в один миг. Светимость нашей звезды увеличивается на 1 % каждые 110 млн лет за счет сжигания водорода.
Видео
Источник
Почему звезды разных размеров? Ответ не так прост, как кажется
Массивный значит большой, менее массивный значит маленький, так? Все не так просто, когда речь заходит о звездах и их размерах. Если сравнивать планету Землю с Солнцем, выясняется, что можно разместить 109 наших планет одна на другой, просто чтобы проложить дорогу от одного конца светила до другого. Но бывают звезды меньше Земли и намного, намного больше орбиты Земли вокруг Солнца. Как это возможно? Что определяет размер звезды? Почему «солнца» такие разные?
Нам еще только предстоит понять звезды.
Вопрос непростой, потому что мы практически не видим размера звезды.
Глубокое телескопическое изображение звезд в ночном небе ясно показывает звезды разных размеров и яркостей, но все звезды показаны в виде точек. Разница в размерах — это оптический обман, связанный с насыщением наблюдательных камер
Даже в телескопе большинство звезд выглядят как простые точки света из-за гигантских расстояний до нас. Их различия в цвете и яркости увидеть легко, но размеры — совсем наоборот. Объект определенного размера на определенном расстоянии будет иметь так называемый угловой диаметр: кажущийся размер, который объект занимает на небе. Ближайшая к Солнцу звезда, Альфа Центавра А, находится всего в 4,3 светового года от нас и на 22% больше Солнца в радиусе.
Две подобных солнцу звезды, Альфа Центавра А и B, расположенные всего в 4,37 светового года от нас и вращающиеся вокруг друг друга на расстоянии между Сатурном и Нептуном. Даже на этом снимке Хаббла они видны как просто перенасыщенные точечные источники; никакого диска не видно
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Тем не менее нам кажется, что ее угловой диаметр всего 0,007’’, или секунд дуги. Из 60 секунд дуги состоит одна минута дуги; из 60 минут дуги состоит 1 градус, а из 360 градусов — полный круг. Даже телескоп вроде Хаббла может увидеть только 0,05’’; во Вселенной очень мало звезд, которые телескоп может реально «увидеть» в достойном разрешении. Как правило, это гигантские звезды неподалеку, вроде Бетельгейзе или R Doradus — крупнейшие по угловому диаметру звезды на всем небе.
Радиоизображение очень, очень большой звезды Бетельгейзе. Одна из немногих звезд, которую мы видим как большее, чем точечный источник, с Земли
К счастью, существуют косвенные измерения, которые позволяют нам рассчитать физический размер звезды, и они невероятно надежды. Если у вас есть сферический объект, который становится таким горячим, что испускает излучение, общий объем излучения, испускаемого звездой, определяется двумя параметрами: температурой объекта и его физическими размерами. Причина этого в том, что единственное место, которое излучает свет во Вселенной — это поверхность звезды, а площадь поверхности сферы всегда рассчитывается одной формулой: 4πr 2 , где r — это радиус сферы. Если вы можете измерить расстояние до этой звезды, ее температуру и яркость, вы знаете и ее радиус, а значит и размер, просто потому что таковы законы физики.
Приближенный снимок красного гиганта UY Scuti, обработанный при помощи телескопа обсерватории Резерфорда. Эта яркая звезда может быть всего лишь «точкой» для большинства телескопов, но на деле это крупнейшая звезда из всех известных человечеству
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Когда мы производим наблюдения, мы видим, что некоторые звезды имеют всего несколько десятков километров в размерах, а другие в 1500 раза больше Солнца. Среди сверхгигантских звезд самой большой считается UY Scuti диаметром в 2,4 миллиарда километров, что больше орбиты Юпитера вокруг Солнца. Конечно, по этим невероятным примерам звезд нельзя судить о большинстве. Самым распространенным типом звезд являются звезды главной последовательности вроде нашего Солнца: звезда, которая состоит из водорода и получает энергию за счет синтеза водорода в гелий в своем ядре. И они бывают самых разных размеров в зависимости от массы самой звезды.
Молодой регион звездообразования в нашем собственном Млечном Пути. По мере того как газовые облака уплотняются под действием гравитации, протозвезды нагреваются и становятся плотнее, пока в их ядрах, наконец, не начинается синтез
Когда у вас образуется звезда, гравитационное сжатие приводит к преобразованию потенциальной энергии (гравитационной потенциальной энергии) в кинетическую (тепло/движение) частиц в ядре звезды. Если массы будет достаточно, температура станет достаточно высокой, чтобы зажечь ядерный синтез в самых внутренних областях, где ядра водорода превращаются в гелий в процессе цепной реакции. В звезде с низкой массой только крошечная часть самого центра дойдет до порога в 4 000 000 градусов и начнет синтез, и протекать он будет медленно. С другой стороны, самые большие звезды могут быть в сотни раз массивнее Солнца и достигать температур в ядре в несколько десятков миллионов градусов, сплавляя водород в гелий со скоростью в миллионы раз быстрее, чем у нашего Солнца.
Современная система спектральной классификации Моргана-Кинана с температурным диапазоном каждого звездного класса, показанного выше, в кельвинах. Подавляющее большинство звезд (75%) являются звездами М-класса, из которых лишь 1 на 800 достаточно массивна, чтобы стать сверхновой
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Наименьшие звезды имеют наименьшие внешние поток и давление излучения, а самые массивные имеют самые большие. Это внешнее излучение и энергия удерживают звезду от гравитационного коллапса, но вас может удивить, что диапазон относительно узкий. Самые маломассивные звезды, красные карлики, вроде Проксимы Центавра и VB 10 составляют всего 10% от размера Солнца, чуть больше Юпитера. Но самый большой голубой гигант R136a1 в 250 раз больше Солнца по массе, но всего в 30 раз больше в диаметре. Если вы синтезируете водород в гелий, звезда не будет сильно меняться в размерах.
Но далеко не каждая звезда синтезирует водород в гелий. Самые небольшие звезды вообще ничего не синтезируют, а самые большие находятся на гораздо более энергичном этапе своей жизни. Мы можем разбить звезды на типы по размеру и выделим пять общих классов
Нейтронные звезды: останки сверхновых, содержащие массу в один-три солнца, но сжатые в одно гигантское атомное ядро. Они все еще излучают радиацию, но в небольших количествах из-за своих размеров. Обычная нейтронная звезда по размерам составляет 20-100 километров.
Белые карликовые звезды: образуются, когда звезда типа солнца сжигает последнее гелиевое топливо в ядре, а внешние слои раздуваются, когда внутренние сжимаются. Обычно белая карликовая звезда имеет от 0,5 до 1,4 масс Солнца, но по физическому объему близка к Земле: порядка 10 000 километров в поперечнике, состоящих из сильно сжатых атомов.
Звезды главной последовательности: сюда входят красные карлики, звезды типа Солнца и голубые гиганты, которых мы уже упоминали. Их размеры бывают самые разные, от 100 000 километров до 30 000 000 километров. Но даже крупнейшая из этих звезд, если поставить ее на место Солнца, не проглотит Меркурий.
Красные гиганты: наглядно демонстрируют, что происходит, когда в ядре заканчивается водород. Если вы не красный карлик (в таком случае вы просто станете белым карликом), гравитационное сжатие нагреет ваше ядро настолько, что вы начнете синтезировать гелий в углерод. Синтез гелия в углерод испускает намного больше энергии, чем синтез водорода в гелий, поэтому звезда сильно расширяется. Физика в том, что исходящая сила (радиация) на границе звезды должна уравновешивать входящую силу (гравитацию), чтобы звезда была стабильной, и чем больше будет сила, которая стремится наружу, тем больше будет звезда. Красные гиганты обычно составляют 100-150 000 000 километров в диаметре. Этого достаточно, чтобы поглотить Меркурий, Венеру и, возможно, Землю.
Сверхгигантские звезды: самые массивные звезды, которые заканчивают с синтезом гелия и начинают синтезировать еще более тяжелые элементы в ядрах: углерод, кислород, кремний и серу. Эти звезды обречены стать сверхновыми или черными дырами, но перед этим они раздуются на миллиарды километров или даже больше. Среди них самые большие звезды вроде Бетельгейзе, и поставь мы такую звезду вместо нашего Солнца, она проглотила бы все наши твердые планеты, пояс астероидов и даже Юпитер.
Солнце пока относительно небольшое в сравнении с гигантами, но разрастется до размеров Арктура в своей фазе красного гиганта
Для самых маленьких звезд из всех, таких как нейтронные звезды и белые карлики, есть правило, что захваченная энергия может убегать только через крошечную площадь поверхности, которая и удерживает их яркими в течение длительного времени. Но для всех остальных звезд размеры определяются простым балансом: сила исходящего излучения на поверхности должна равняться направленному внутрь гравитационному притяжению. Большие радиационные силы означают, что звезда набухает до больших размеров, причем самые большие звезды разбухают до миллиардов километров.
Земля, если расчеты правильные, не будет проглочена Солнцем в фазе красного гиганта. Но на самой планете станет очень и очень жарко
По мере старения Солнца его ядро нагревается, расширяется и становится горячее со временем. Через один-два миллиарда лет оно станет достаточно горячим, чтобы вскипятить океаны Земли, если мы не выведем планету на более безопасную орбиту. Через несколько сотен миллионов лет Солнце станет большим и ярким. Но будем смотреть правде в глаза: каким бы большим ни стало наше Солнце, оно никогда не станет массивнее нейтронных звезд и крупнейших сверхгигантов, даже если будет больше в размерах.
Источник