Звездная величина, светимость звезд и диковинки Вселенной

Время чтения: 10 мин.

Выражение «звезда первой величины» знакомо каждому. А что оно означает в астрономии? Что такое видимые и абсолютные звездные величины? И какие яркие звезды Вселенной известны сегодня ученым?

С глубокой древности люди замечали самые яркие звезды, которые первые зажигаются на ночном небе, потом – следующие, и так далее до самых тусклых, едва заметных глазом. Но, конечно, такое субъективное восприятие не могло устроить ученых-астрономов.

Древнегреческий ученый Гиппарх Никейский, который жил на территории Турции во II веке до н. э., считается одним из влиятельнейших астрономов античности. Он составил объемный каталог звезд, первый в Европе, описав расположения более чем тысячи небесных светил. Также Гиппарх ввел понятие «звездная величина». Наблюдая невооруженным глазом за звездами, астроном решил разделить их по яркости на шесть величин, где первая величина – самый яркий объект, а шестая — наиболее тусклый.

Звездное небо.

В XIX веке, британский астрономом Норман Погсон усовершенствовал шкалу измерений звездных величин, установив постоянное число m, обозначающее, во сколько раз яркость звезды следующей величины слабее предыдущей. То есть:

звезды 2-й величины тусклее звезд 1-й величины в m раз,

звезды 3-й величины тусклее звезд 2-й величины в m раз,

звезды 4-й величины тусклее звезд 3-й величины в m раз,

…

Тогда, сравнивая с блеском звезд 1-й величины, получаем:

звезды 3-й величины тусклее звезд 1-й величины в m в степени 2 раз,

звезды 4-й величины тусклее звезд 1-й величины в m в степени 3 раз,

звезды 5-й величины тусклее звезд 1-й величины в m в степени 4 раз,

и так далее.

Наблюдениями было установлено, что звезды 1-й величины в 100 раз ярче звезд 6-й величины – последних, которые можно увидеть невооруженным глазом. Для наблюдения звезд 7-й и более величины нужен телескоп.

Отсюда вычислено и значение числа m: оно равно 2,512 (это корень пятой степени из 100).

Итак, звезды каждой следующей величины светят примерно в 2,5 раза слабее звезд предыдущей величины.

Отрицательная звездная величина

За эталон звездного блеска в свое время была взята Вега (альфа созвездия Лиры) – ей была присвоена нулевая звездная величина.

Точка отсчета и эталон звездной величины – Вега, и её местонахождение на небе.

Тогда какой величины должны быть звезды ярче Веги – например, Сириус? Ясно, что их яркость должна обозначаться числом по другую сторону нуля, т.е. – отрицательным. Звездная величина Сириуса равна минус 1,6, Канопуса (альфа Киля) – минус 0,9. А наше Солнце имеет звездную величину минус 26,73! Блеск полной Луны тоже значителен – она светит так, как светила бы звезда минус 12,6 величины. Ярче Сириуса светит и Венера – её величина – минус 4,3.

Видимый блеск звезд и планет в звездных величинах.

Не забываем, что речь идет о разнице чисел, возведенных в степень, поэтому видимая звездная величина для Солнца – минус 26,73 по сравнению с величиной Сириуса минус 1,6 означает, что Солнце светит ярче Сириуса в 10 млрд раз!

Расчет здесь несложен: если звездная величина Солнца – минус 26,73 (округленно берется 26,8 – такое округление практически не меняет результат), значит, Солнце ярче звезд первой величины в (2,5 в степени 27,8) раза. Величина Сириуса – минус 1,6 – означает, что Сириус ярче звезд первой величины в (2,5 в степени 2,6) раза. Получаем соотношение:

Расчет – насколько Солнце ярче Сириуса: отношение величины блеска Солнца к блеску Сириуса.

Сделав тот же расчет для сравнения яркости Солнца и Луны, мы получим, что Солнце в ясную погоду освещает Землю в 437 000 раз сильнее, нежели полная Луна на безоблачном ночном небе.

Свет Солнца и Луны: разница в яркости – 437 000 раз.

Как ученые вычисляют звездные расстояния?

До сих пор речь шла об относительной. то есть видимой величине звезд, которая зависит не только от светимости самой звезды, но и от того, на каком расстоянии она находится от Земли. У астрономов существует понятие абсолютной звездной величины – это блеск звезды, какой у нее был бы, если бы она находилась от нас на расстоянии 10 парсеков. Рассчитав величину звезд на одном и том же расстоянии, можно их сравнивать и судить об их истинной светимости.

Расстояние до Луны, планет и спутников Солнечной системы измерить просто: достаточно отправить лазерный луч (для Луны, который отражается от специальных уголковых отражателей, установленных астронавтами «Аполлона-11) или радиоволны (для планет и их спутников) в сторону нужного объекта и засечь время, когда сигнал вернется на Землю. Зная скорость света, легко определить расстояние.

Для оценки звездных расстояний такой метод, конечно же, не подходит – ведь звезды в тысячи раз дальше объектов Солнечной системы. Расстояния до далеких объектов ученые рассчитывают с помощью параллакса.

Звездный параллакс – это видимое изменение положения любой ближайшей звезды (или другого объекта) на фоне отдаленных звезд.

Если мы посмотрим на свой палец или любой другой предмет поочередно правым и левым глазом, мы увидим разные картинки, т.к. глаза находятся друг от друга на определенном расстоянии. Точно так же – если мы посмотрим на звезду сначала 22 января, а затем 22 июля – то есть с противоположных точек земной орбиты, светило за эти полгода успеет сместиться на определенный угол:

Перемещение видимого положения звезды при наблюдении с противоположных точек земной орбиты.

Этот угол, под которым с искомой звезды был бы виден радиус земной орбиты – называют годичным параллаксом звезды:

Выделенный угол, противолежащий радиусу земной орбиты – и есть годичный параллакс звезды.

Из картинки видно, что определение расстояние до звезды превращается в простую геометрическую задачу – вычислить гипотенузу, зная катет и противолежащий угол прямоугольного треугольника.

Расстояние, с которого полудиаметр земной орбиты был бы виден под углом в одну секунду – это и есть парсек (сложение слов «параллакс» и «секунда») – самая распространенная у астрономов единица измерения расстояний до звезд.

В астрономических единицах парсек равен 206250,756 а.е., в световых годах – 3,26 св. года, в километрах – более 30,5 триллионов километров. Самая ближайшая к нам звезда – Проксима Центавра – находится на расстоянии 4,25 св. лет м- это дальше, чем один парсек. То есть нет ни одной звезды, годичный параллакс которой равнялся бы 1 секунде, он – всегда меньше. Звездные параллаксы определяют точно благодаря современным сверхчувствительным астрономическим приборам.

Метод параллакса подходит для звезд, удаленных от нас не более, чем на 300 световых лет. Для оценки более далеких расстояний ученые ориентируются на истинную светимость звезд – то есть их абсолютную звездную величину.

Итак, поместим известные нам звезды на расстояние 10 парсеков, или 32,6 световых лет. Как будет отличаться их яркость?

Абсолютные звездные величины

На расстоянии 10 парсеков наше Солнце светило бы звездой лишь +4,8 величины, однако это в пределах того, что можно заметит невооруженным глазом (до +6 величины). Сириус абсолютно ярче Солнца – его истинная светимость равна +1,3. Еще ярче – Вега: величина +0,6.

Полярная звезда, которая видимо относится лишь к звездам второй величины, на деле обладает светимостью минус 3,64 – это почти в 2000 раз ярче нашего Солнца!

Такие звезды, как Полярная, используются астрономами в качестве «эталона светимости» для определения расстояния для еще более удаленных объектов. «Эталонная свеча» – это объект с известной светимостью и расстоянием до него. Сопоставляя яркость такого «космического маяка» с яркостью отдаленной звезды, ученые приблизительно определяют расстояния до звезд, находящихся в тысячах световых годах от нас.

Ученые определяют расстояния до очень далеких звезд в других галактиках, сопоставляя их видимый блеск с блеском звезд с известной светимостью – “эталонными свечами”.

Для определения звездных расстояний в далеких галактиках «маяками» служат вспышки сверхновых. Звезда взрывается, достигая определенной критической точки с известной массой, а при взрыве сверхновых одного типа выделяется одинаковое количество энергии.

Принимая эту энергию за точку отсчета, астрономы сопоставляют ее с видимо яркостью далеких звезд, и определяют приблизительное расстояние до них – конечно, здесь присутствует доля погрешности, т.к. речь идет о видимой яркости звезды. Определить точно подобные расстояния – пока невозможно.

Удивительные находки

Однако существующих методов вычисления вполне достаточно, чтобы найти в глубинах космоса поистине необыкновенные объекты.

Еще в первой половине прошлого столетия была открыта звезда (вернее, рассчитана её светимость) в созвездии Золотой Рыбы, обозначаемая буквой S. Она видна только в Южном полушарии и только в телескоп. Это – переменная звезда, т.е. звезда. светимость которой со временем меняется. Её видимая звездная величина – от +8,6 до +11,8. Но находится она невероятно далеко – в соседней с нами галактике Большого Магелланового облака, удаленного о нас на 49 970 парсеков. На таком огромном расстоянии звезда должна обладать исключительной яркостью, чтобы казаться даже восьмой величины. Сириус, заброшенный так далеко в космосе, был бы виден с Земли звездой +17 величины, и рассмотреть его мы могли бы только в очень мощный телескоп.

Какова же абсолютная светимость этой звездочки? Сейчас она оценивается учеными в минус 10.1, что почти на пятнадцать величин больше, нежели абсолютная светимость Солнца. Расчет разницы яркости S и Солнца показывает, что звезда S ярче в 870 000 раз. Будь она так же близко, как Сириус, т.е. в 8,6 световых годах от Земли, она освещала бы ночью земную поверхность так же ярко, как Луна в фазе четверти!!

Такой свет могла бы давать Земле крошечная звездочка на небе, будь она на расстоянии Сириуса.

Но сейчас найдены звезды гораздо более яркие, чем S Золотой Рыбы. Из известных на сегодня – сегодня самой большой светимостью обладает звезда R 136a1.

Звезда R 136a1. Компьютерное изображение.

Светило находится в галактике Большое Магелланово Облако на расстоянии 163 000 световых лет от Земли, его видимая величина – плюс 12,8, – то есть этот сверхяркий объект, находящийся так далеко, легко увидеть с Земли в телескоп средней мощности. Сама по себе звезда открыта еще в 60-х годах XX века, а вот ее необыкновенная яркость вычислена лишь в 2010 году. Туманность, где находится R 136a1, давно привлекала ученых своей необыкновенной яркостью – по этой причине рассмотреть её детально удалось лишь с помощью телескопа “Хаббл”. Тогда-то и определили абсолютную величину R 136a1 – минус 12,6.

Звезда мощнее, чем S, в 10 раз, но ее видимый свет слабее, хотя она находится почти на том же расстоянии. Этот факт объясняется поглощением и рассеиванием части света звезд туманностью Тарантул.

Светило представляет собой голубой гигант, масса которого в 315 раз превышает солнечную,

Сравнительные параметры R 136a1 и Солнца, кроме размера (справа) и местонахождение звезды R 136a1 (слева) в галактике Туманности Тарантул.

и это – самый массивный объект, известный науке сегодня. Благодаря такой огромной массе температура поверхности звезды достигает 55000̊ºС, что почти в десять раз превышает температуру солнечной поверхности. При этом диаметр светила относительно небольшой и только в 30 раз превосходит диаметр Солнца. Для сравнения – одна из самых крупных известных ученым звезд UY Scuti имеет в поперечнике 2,4 млрд км – то есть превосходит размер Солнца в 1900 раз.

Сравнительный размер Солнца и одной из самых крупных звезд – UY Scuti

Во сколько же раз светимость R 136a1 превосходит светимость нашего Солнца? Ответ ошеломляет: в 8,71 миллиона раз!!

Чтобы яснее представить себе, какой свет исходил бы от этой звезды, будь она к нам поближе – поместим ее мысленно на расстояние Сириуса и сравним:

Звезда S Золотой рыбы – в 870 000 раз ярче Солнца, на расстоянии Сириуса равняется 1/4 яркости полной Луны;

Звезда R 136a1 – в 8 700 000 раз ярче Солнца – стало быть, в десять раз ярче звезды S – значит, она с расстояния Сириуса – 8,6 световых лет! – заливала бы землю светом как 14 полных лун!

Белые ночи потеряли бы ореол романтики, будь R 136a1 одной из ближайших к Земле звезд.

Это значит не только то, что, будь на каждое земное полушария по одной подобной звезде, у нас не было бы темных ночей и выражения под “покровом ночной темноты” просто не существовало бы. Это значит, что близость подобных объектов существенно изменила бы и наш животный мир – в процессе земной эволюции не появились бы, например, ночные охотники, поскольку их главного преимущества – темноты в ночное время суток – не было бы вовсе.

Этих милых животных могло не быть на планете, будь ночи светлыми.

Но если вернуться из фантастических предположений к реальности и более детально изучить R 136a1, то окажется, что отдаленность подобных объектов на тысячи световых лет – благо для Земли. R 136a1 играет значительную роль в своем секторе и создает 10-ю часть ионных потоков всей Туманности Тарантул, а её энергия равна объединенной энергии 70 обычных голубых звезд, которые ярче и горячее желтых, то есть подобных нашей звезде. За всего лишь 5 секунд R 136a1 выделяет столько же тепла и света, сколько Солнце – за целый год. Сверхмощное излучение R 136a1 способно даже преодолевать силу гравитации, сдерживающую материю звезды, и порождает звездные ветры огромной силы – их скорость доходит до 2500 км/с, а масса плазмы, которую теряет звезда ежегодно, составляет 0,0005 массы Солнца, или около октиллиона (10 в 27 степени) килограмм.

Теряя так много массы, звезда, несмотря на свою тяжесть, должна прожить, по космическим меркам, недолго – всего несколько миллионов лет, после чего она взорвется как сверхновая. Ученые отмечают, что срок жизни такого сверхмассивного и горячего объекта предсказать невозможно.
Взрыв светила будет виден с Земли лишь очень яркой вспышкой благодаря тому, что нас от R 136a1 отделяют 163 тысячи световых лет. Будь R 136a1 или подобная ей звезда близко к нам – столь мощная излучаемая энергия и последующий взрыв вполне могли бы погубить жизнь на нашей планете.

Кстати, когда мы изучаем объекты в космосе на таких расстояниях – нельзя забывать, что мы смотрим в прошлое. Не исключено, что R 136a1 давно взорвалась, а земные ученые увидят вспышку необыкновенной яркости только через пару тысячелетий.

R 136a1 и звезда S – далеко не единственные объекты, обладающие исключительной светимостью. Учеными на сегодняшний день открыты десятки звезд, абсолютная светимость которых превосходит солнечную в сотни тысяч и миллионы раз. Есть среди них и такие, которые не видны с Земли – например, звезда Пистолет, которая полностью закрыта от нас космической пылью и видна лишь в инфракрасном диапазоне. Она находится в Туманности Пистолет, которая и подсвечивается данной звездой – это наша галактика, созвездие Стрельца:

Компьютерное изображение звезды Пистолет и одноименной Туманности в искусственных цветах.

Светило вдвое тусклее, нежели R 136a1, однако в 3 200 000 раз ярче Солнца. Звезда Пистолет – тоже голубая, горячая и массивная – всего в 3-4 раза легче R 136a1. После взрыва оба этих светила, вероятно, станут черными дырами – учитывая их огромную массу.

Среди сверхярких объектов есть звезды разного типа – даже красные гиганты – например, Стивенсон 2-18 – сверхгигант созвездия Щита, который отобрал лидерство у звезды UY Scuti по своим размерам. Его светимость в 437 000 раз сильнее Солнечной – то есть наше светило в сравнении со Стивенсон 2-18 такое же бледное, как Луна в сравнении с Солнцем.

Источник: https://dzen.ru/a/ZNSztcMzxQZb2zsa?utm_referer=yandex.ru