З чого складаються зірки (спектри зірок)?
Спектральний аналіз зірок і інших космічних об’єктів
Промінь світла, що проходить через скляну призму заломлюється, і після виходу з призми йде вже по іншому напрямку. При цьому промені різного кольору переломлюються по-різному. З семи кольорів веселки найсильніше відхиляються світлові промені фіолетового кольору, в меншій мірі – синього, ще менше – блакитні промені, потім – зелені, жовті, помаранчеві, найменше відхиляються червоні промені.
Будь-яке світиться тіло випускає в простір промені різного кольору. Але так як вони накладаються один на інший, то для людського ока все вони зливаються в один колір.
Наприклад, Сонце випускає промені білого кольору, але якщо ми пропустимо такий промінь через призму і тим самим розкладемо його на складові частини, то виявиться, що білий колір променя складний: він складається з суміші всіх кольорів веселки. Змішавши ці кольори разом, ми знову отримаємо білий колір.
В астрономії, для вивчення того як влаштовані зірки, активно використовуються так звані спектри зірок. Спектром називається промінь якого-небудь джерела світла, пропущений через призму і розкладений нею на свої складові частини. Трохи відійшовши, можна сказати, що звичайна земна веселка є ніщо інше, як спектр Сонця, адже своєю появою вона зобов’язана заломлення сонячного світла в крапельках води, що діють в даному випадку подібно призмі.
Для того щоб отримати спектр в більш чистому вигляді, вчені користуються не простий скляною призмою, а спеціальним приладом – спектроскопом.
Принцип роботи спектроскопа: ми знаємо як “світиться” абсолютно “чистий” (ідеальна) зірка, також ми знаємо які “перешкоди” вносять різні домішки.
Принцип роботи спектроскопа: ми знаємо як “світиться” абсолютно “чистий” (ідеальний) потік світла, також ми знаємо які “перешкоди” вносять різні домішки. Порівнюючи спектри, ми можемо бачити температуру і хімічний склад тіла, випустивши аналізований світловий потік
Якщо ми висвітлимо щілину спектроскопа світяться парами якого-небудь речовини, то побачимо, що спектр цієї речовини складається з декількох кольорових ліній на темному тлі. При цьому кольору ліній для кожної речовини завжди одні й ті ж – незалежно від того, говоримо ми про Землю або Альфа Центавра. Кисень або водень завжди залишаються самим собою. Відповідно, знаючи як виглядає кожен із звичних нам хімічних елементів на спектрографі, ми можемо дуже точно визначити їх наявність у складі далеких зірок, просто порівнявши спектр їх випромінювання з нашим земним “еталоном”.
Маючи в своєму розпорядженні списком спектрів різних речовин, ми зможемо кожен раз точно визначити, з яким же речовиною ми маємо справу. Досить найменшої домішки будь-якого речовини в металевому сплаві або в гірській породі, і ця речовина видасть свою присутність, заявить про себе кольоровим сигналом в спектрі.
Суміш парів декількох хімічних елементів, що не утворюють хімічної сполуки, дає накладення їх спектрів один на інший. За таким спектрами ми і розпізнаємо хімічний склад суміші. Якщо світяться не розкладені на атоми молекули складної хімічної речовини, тобто хімічної сполуки, то їх спектр складається з широких яскравих кольорових смуг на темному тлі. Для будь-якого хімічної сполуки ці смуги теж завжди певні, і ми їх вміємо розпізнавати.
Спектр у вигляді смужки, що складається з усіх кольорів веселки, дають тверді, рідкі і розпечені речовини, наприклад нитку електричної лампочки, розплавлений чавун і розпечений прут заліза. Такий же спектр дають величезні маси стисненого газу, з якого складається Сонце.
Незабаром після того як в спектрі Сонця були виявлені темні лінії, деякі з учених звернули увагу на таке явище: в жовтій частині цього спектра є темна лінія, яка має ту ж довжину хвилі, що і яскрава жовта лінія в спектрі розріджених світяться парів натрію. Що це означає?
Для з’ясування питання вчені провели експеримент.
Було взято розпечений шматок вапна, дає неперервний спектр без всяких темних ліній. Потім перед цим шматком вапна було поміщено полум’я газового пальника, що містить пари натрію. Тоді в безперервному спектрі, отриманому від розпеченої вапна, світло якої пройшов через полум’я пальника, з’явилася в жовтій частині темна лінія. Стало ясно, що порівняно більш холодні пари натрію поглинають або затримують промені тієї ж самої довжини хвилі, яку ці пари самі по собі здатні випускати.
Дослідним шляхом, було встановлено, що світяться гази і пари поглинають світло тих самих довжин хвиль, які вони самі здатні випускати, будучи досить нагрітими.
Так слідом за першою таємницею – причиною фарбування полум’я в той чи інший колір парами певних речовин – була розкрита і друга таємниця: причина появи темних ліній в сонячному спектрі.
Спектральний аналіз в дослідженні Сонця
Очевидно, Сонце – розпечене тіло, що випускає біле світло, спектр якого безперервний – оточене шаром більш холодних, але все ж розжарених газів. Ці гази і утворюють навколо Сонця його оболонку, або атмосферу. А в цій атмосфері містяться пари натрію, які і поглинають з променів сонячного спектра промені з гой самої довжиною хвилі, яку натрій здатний випускати. Поглинаючи, затримуючи ці промені, пари натрію створюють в світлі Сонця, що пройшов крізь його атмосферу і дійшов до нас, недолік жовтих променів з цією довжиною хвилі. Ось чому в відповідному місці жовтої частини спектра Сонця ми знаходимо темну лінію.
Так, не побувавши ніколи на Сонце, що знаходиться від нас на відстані 150 мільйонів кілометрів, ми можемо стверджувати, що в складі сонячної атмосфери є натрій.
Таким же чином, визначивши довжини хвиль інших темних ліній, видимих в спектрі Сонця, і порівнявши їх з довжинами хвиль яскравих ліній, що випускаються парами різних речовин і спостережуваних в лабораторії, ми точно визначимо, які ще інші хімічні елементи входять до складу сонячної атмосфери.
Так було з’ясовано, що в сонячній атмосфері присутні ті ж хімічні елементи, що і на землі: водень, азот, натрій, магній, алюміній, кальцій, залізо і навіть золото.
Спектри зірок, світло яких теж можна направити в спектроскоп, схожі на спектр Сонця. І по темних лініях їх ми можемо визначити хімічний склад зоряних атмосфер так само, як ми визначили хімічний склад сонячної атмосфери по темних лініях спектра Сонця.
Таким шляхом вчені встановили, що навіть кількісно хімічний склад атмосфер Сонця і зірок дуже схожий на кількісний хімічний склад земної кори.
Найлегший з усіх газів, з усіх хімічних елементів – водень – складає на Сонце 42% за вагою. На частку кисню припадає 23% за вагою. Стільки ж припадає на частку всіх металів, разом узятих. Вуглець, азот і сірка складають разом 6% від складу сонячної атмосфери. І тільки 6% припадає на всі інші елементи, разом узяті.
Треба врахувати, що атоми водню легше всіх інших. Тому їх число далеко перевершує число всіх інших атомів. З кожної сотні атомів в атмосфері Сонця 90 атомів належить водню.
Середня щільність Сонця на 40% більше щільності води і все-таки воно поводиться в усіх відношеннях як ідеальний газ. Щільність на зовнішньому видимому краю Сонця становить приблизно одну мільйонну від густини води, в той час як щільність поблизу його центру приблизно в 50 разів більша за густину води.
Спектральний аналіз та температура зірок
Спектри зірок – це їхні паспорти з описом всіх зіркових прийме, всіх їх фізичних властивостей. Треба лише вміти в цих паспортах розібратися. Багато що ще ми не вміємо з них витягти в майбутньому, але вже і зараз ми читаємо в них чимало.
За спектром зірки ми можемо дізнатися її світність, а отже, і відстань до неї, температуру, розмір, хімічний склад її атмосфери, швидкість руху в просторі, швидкість її обертання навколо осі і навіть то, чи немає поблизу неї інший невидимої зірки, разом з якої вона обертається навколо їх загального центру ваги.
Спектральний аналіз дає вченим також можливість визначати швидкість руху світил до нас або від нас навіть у тих випадках, коли цю швидкість і взагалі рух світил ніякими іншими способами виявити неможливо.
Якщо який-небудь джерело коливань, що поширюються у вигляді хвиль, рухається по відношенню до нас, то, зрозуміло, довжина хвилі, сприймається нами, змінюється. Чим швидше наближається до нас джерело коливання, тим коротше робиться довжина його хвилі. І навпаки, чим швидше джерело коливань видаляється, тим довжина хвилі в порівнянні з тією довжиною хвилі, яку сприйняв би спостерігач, нерухомий по відношенню до джерела, збільшується.
Те ж саме відбувається і зі світлом, коли джерело світла – небесне світило – рухається по відношенню до нас. Коли світило наближається до нас, довжина хвилі всіх ліній в його спектрі стає коротшим. А коли джерело світла віддаляється, то довжина хвилі тих же самих ліній стає більше. Відповідно до цього в першому випадку лінії спектра зсуваються в бік фіолетового кінця спектра (тобто в бік коротких довжин хвиль), а в другому випадку вони зміщуються до червоного кінця спектра.
Точно так же шляхом вивчення розподілу яскравості в діапазоні зірок ми дізналися їх температуру.
Зірки червоного кольору – самі “холодні”. Вони нагріті до 3 тисяч градусів, що приблизно дорівнює температурі в полум’ї електричної дуги.
Температура жовтих зірок становить 6 тисяч градусів. Така ж температура поверхні нашого Сонця, яке теж відноситься до розряду жовтих зірок. Температуру в 6 тисяч градусів наша техніка поки не може штучно створити на Землі.
Білі зірки ще більш гарячі. Температура їх становить від 10 до 20 тисяч градусів.
Нарешті, найгарячішими серед відомих нам зірок є блакитні зірки, розпечені до 30, а в деяких випадках навіть до 100 тисяч градусів.
У надрах зірок температура повинна бути значно вище. Визначити її точно ми не можемо, тому що світло з глибини зірок до нас не доходить: світло зірок, що спостерігається нами, випромінюється їх поверхнею. Можна говорити лише про наукові розрахунках, про те, що температура всередині Сонця і зірок становить приблизно 20 мільйонів градусів.
Незважаючи на розпеченій зірок, нас досягає лише незначна частка випускається ними тепла – так далекі від нас зірки. Найбільше тепла доходить до нас від яскравої червоної зірки Бетельгейзе в сузір’ї Оріона: менше Однією десятої від мільярдної частки малої калорії 1 на квадратний сантиметр за хвилину.
Іншими словами, збираючи за допомогою 2,5-метрового увігнутого дзеркала це тепло, протягом року ми б могли нагріти їм наперсток води всього лише на два градуси!
(1 votes, average: 5.00 out of 5)