Найвища температура у Всесвіті. Спектральні класи зірок
Опубликованно 02.09.2018 03:08
Речовина нашого Всесвіту структурно організовано і утворює велике різноманіття феноменів різного масштабу з досить сильно разнящимися фізичними властивостями. Одне з найважливіших таких властивостей – температура. Знаючи цей показник і використовуючи теоретичні моделі, можна судити про багатьох характеристики того чи іншого тіла – про його стан, будову, віці.
Розкид значень температури у різних спостережуваних компонентів Всесвіту дуже велика. Так, найнижча величина її в природі зафіксована для туманності Бумеранг і складає всього 1 K. А які самі високі температури у Всесвіті, відомі на сьогоднішній день, і про які особливості різних об'єктів свідчать? Для початку подивимося, як же вчені визначають температуру віддалених космічних тел. Спектри й температура
Всю інформацію про далеких зірках, туманностях, галактиках вчені отримують, досліджуючи їх випромінювання. З того, на який частотний діапазон спектра припадає максимум випромінювання, визначається температура як показник середньої кінетичної енергії, якою володіють частинки тіла, – адже частота випромінювання пов'язана прямою залежністю з енергією. Так що найвища температура у Всесвіті повинна відображати, відповідно, і найбільшу енергію.
Чим більш високими частотами характеризується максимум інтенсивності випромінювання, тим гаряче досліджуване тіло. Однак повний спектр випромінювання розподілена по дуже широкого діапазону, і за особливостями його видимій області («кольору») можна робити певні загальні висновки про температуру, наприклад, зірки. Остаточна ж оцінка проводиться на основі вивчення всього спектра з урахуванням смуг емісії та поглинання.
Спектральні класи зірок
На основі спектральних особливостей, включаючи колір, була розроблена так звана Гарвардська класифікація зірок. Вона включає сім основних класів, які позначаються літерами O, B, A, F, G, K, M і декілька додаткових. Гарвардська класифікація відображає поверхневу температуру зірок. Сонце, фотосфера якого розігріта до 5780 K, відноситься до класу жовтих зірок G2. Найбільш гарячі і блакитні зірки класу O, найхолодніші – червоні – належать до класу M.
Гарвардську класифікацію доповнює Йеркская, або класифікація Моргана-Кинана-Келлман (МКК – за прізвищами розробників), підрозділяються зірки на вісім класів світності від 0 до VII, тісно пов'язаних з масою світила – від гипергигантов до білих карликів. Наше Сонце – карлик класу V.
Застосовані спільно, як осей, щодо яких відкладені значення колір – температура і абсолютна величина – світність (що свідчить про масі), вони дали можливість побудувати графік, широко відомий як діаграма Герцшпрунга-Рассела, на якому відображені головні характеристики зірок у їх взаємозв'язку.
Найгарячіші зірки
З діаграми видно, що найбільш гарячими є блакитні гіганти, надгіганти і гипергиганты. Це надзвичайно масивні, яскраві і короткоживучі зірки. Термоядерні реакції в їх надрах протікають дуже інтенсивно, породжуючи жахливу світність і високі температури. Такі зірки відносяться до класів B і O або до особливого класу W (відрізняється широкими емісійними лініями в спектрі).
Наприклад, Ця Великої Ведмедиці (знаходиться на кінці ручки ковша) при масі, в 6 разів перевищує сонячну, світить у 700 разів потужнішим і має поверхневу температуру близько 22 000 K. У Дзеты Оріона – зірки Альнитак, – яка масивніше Сонця в 28 разів, зовнішні шари нагріті до 33 500 K. А температура гипергиганта з найвищою відомою масою і светимостью (як мінімум в 8,7 мільйонів разів могутніше нашого Сонця) – R136a1 у Великій Магеллановій хмарі – оцінена в 53 000 K.
Однак фотосфери зірок, як би сильно розігріті вони не були, не дадуть нам уявлення про самій високій температурі у Всесвіті. В пошуках більш жарких областей потрібно заглянути в надра зірок.
Термоядерні топки космосу
В ядрах масивних зірок, стиснутых колосальним тиском, розвиваються дійсно високі температури, достатні для нуклеосинтеза елементів аж до заліза і нікелю. Так, розрахунки для блакитних гігантів, надгігантів і дуже рідкісних гипергигантов дають для цього параметра до кінця життя зірки порядок величини 109 K – мільярд градусів.
Будова і еволюція подібних об'єктів поки ще недостатньо добре вивчені, відповідно і моделі їх ще далеко не повні. Ясно, однак, що дуже гарячими ядрами повинні володіти всі зірки великих мас, до яких би спектральних класів вони ні належали, наприклад, червоні надгіганти. Незважаючи на безсумнівні відмінності в процесах, що протікають у надрах зірок, ключовим параметром, що визначає температуру ядра, є маса. Зоряні залишки
Від маси в загальному випадку залежить і доля зірки – то, як вона закінчить свій життєвий шлях. Маломасивні зірки типу Сонця, вичерпавши запас водню, втрачають зовнішні шари, після чого від світила залишається вироджене ядро, в якому вже не може йти термоядерний синтез, – білий карлик. Зовнішній тонкий шар молодого білого карлика зазвичай має температуру до 200 000 K, а глибше розташовується ізотермічне ядро, нагріте до десятків мільйонів градусів. Подальша еволюція карлика полягає до його поступового охолодження.
Гігантські зірки чекає інша доля – вибух наднової, що супроводжується підвищенням температури до значень порядку 1011 K. В ході вибуху стає можливий нуклеосинтез важких елементів. Одним з результатів такого феномену є нейтронна зірка – дуже компактний, суперщільний, зі складною структурою залишок загиблої зірки. При народженні він настільки ж гарячий – до сотень мільярдів градусів, проте стрімко остигає за рахунок інтенсивного випромінювання нейтрино. Але, як ми побачимо далі, навіть новонароджена нейтронна зірка – не те місце, де температура – найвища у Всесвіті. Далекі екзотичні об'єкти
Існує клас космічних об'єктів, досить віддалених (а значить, і давніх), що характеризуються абсолютно екстремальними температурами. Це квазари. За сучасними поглядами, квазар являє собою надмасивну чорну діру, що володіє потужним аккреційним диском, утвореним падаючим на неї по спіралі речовиною – газом або, точніше, плазмою. Власне, це активне галактичне ядро в стадії формування.
Швидкість руху плазми в диску настільки велика, що внаслідок тертя вона розігрівається до надвисоких температур. Магнітні поля збирають випромінювання та частина речовини диска в два полярних пучка – джета, що викидаються квазаром в простір. Це надзвичайно високоенергетичний процес. Світність квазара в середньому на шість порядків вище світності найпотужнішою зірки R136a1.
Теоретичні моделі припускають для квазарів ефективну температуру (тобто властиву абсолютно чорного тіла, що випромінює з тією ж яскравістю) не більш 500 мільярдів градусів (5?1011 K). Проте недавні дослідження найближчого квазара 3C 273 привели до несподіваного результату: від 2?1013 до 4?1013 K – десятки трильйонів кельвінів. Така величина порівнянна з температурами, достигающимися в явищах з найвищим відомим енерговиділенням – гамма-сплески. На сьогоднішній день це найвища температура у Всесвіті, яка була коли-небудь зареєстрована. Спекотніше всіх
Слід мати на увазі, що квазар 3С 273 ми бачимо таким, яким він був близько 2,5 мільярда років тому. Так що, враховуючи, що, чим далі ми заглядаємо в космос, тим більш віддалені епохи минулого спостерігаємо, в пошуках самого гарячого об'єкта ми можемо окинути поглядом Всесвіт не тільки в просторі, але і в часі.
Якщо повернутися до самого моменту її народження - приблизно 13,77 мільярда років тому, який спостерігати неможливо, - ми знайдемо абсолютно екзотичну Всесвіт, при описі якої космологія підходить до межі своїх теоретичних можливостей, пов'язаній з межами застосовності сучасних фізичних теорій.
Опис Всесвіту стає можливим, починаючи з віку, відповідного планковскому часу 10-43 секунд. Самий гарячий об'єкт в цю епоху – сама наша Всесвіт, з планковскої температурою 1,4?1032 K. І це, відповідно до сучасної моделі її народження та еволюції, максимальна температура у Всесвіті з усіх коли-небудь достигавшихся та можливих. Автор: Вінера Андрєєва 27 Липня 2018
Категория: Студентам