Спектральные классы звезд, классификация, закон Вина-раздел астрофизика

Важность температуры и теплового излучения
Звезды - это тела, которые излучают электромагнитное излучение из-за происходящих внутри них ядерных реакций. Мы не собираемся изучать, как эти реакции делают возможным существование звезд, но мы более подробно исследуем температуру и тепловое излучение.

Температура - это величина, которая измеряет среднюю кинетическую энергию частиц определенного вещества, то есть среднюю энергию движения, которую они имеют. При изучении систем в газовом состоянии, таких как звезды, мы можем предположить, что все частицы движутся более или менее свободно (в отличие от твердотельных систем).

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, создаваемое в результате электромагнитных взаимодействий между множеством частиц вещества с абсолютной температурой, превышающей ноль. Поскольку температура измеряет среднюю кинетическую энергию этих частиц, характеристики излучения теплового излучения связаны с температурой. Это основной источник излучения звезд.

Закон Вина
Обычно системы со многими частицами трудно охарактеризовать. Даже когда мы фокусируемся на коллективных свойствах (термодинамических свойствах), используемые модели обычно сложны. Однако для излучающих тел существует приближение, которое упрощает вычисления и модели: приближение черного тела.

Черное тело - это название, данное идеально излучающей и поглощающей системе. Весьма примечательно, что эти объекты обладают многими термодинамическими свойствами, которым звезды почти точно соответствуют, что говорит о том, что приближение почти верно для этих астрономических тел.

В этом объяснении мы исследуем связь между интенсивностью излучения частот и температурой. Проще говоря: если звезда находится при определенной температуре T, какие частоты она будет излучать более интенсивно?Ниже приведена диаграмма, показывающая частотные профили для разных температур и их максимумы, которые описываются законом Вина. Вы можете видеть уменьшение пика длины волны с увеличением температуры. Также обратите внимание, что пунктирные линии показывают видимый спектральный диапазон, а наклонная пунктирная линия показывает закон Вина.

Закон Вина гласит, что объекты с разной температурой будут излучать спектры разной длины волны. Он показывает зависимость между максимальной интенсивностью излучения определенной частоты и температурой излучающего тела.

Ознакомьтесь с нашим объяснением излучения черного тела. Обратите внимание, что чем выше температура, тем меньше длина волны теплового излучения (обратно пропорциональная зависимость).

Что такое спектральная классификация звезд?
Существует множество спектральных классификаций звезд, но мы изучаем только наиболее широко используемые в этом объяснении. Хотя звезды излучают излучение со всеми видами частот, эта классификация основана на визуальных свойствах, связывая электромагнитные свойства с цветом в видимом диапазоне.

Спектральные классы звезд и таблица классификации звезд
Звездная спектральная классификация классифицирует звезды в соответствии с их спектральными свойствами. Прилагательное спектральный относится к спектру излучения теплового излучения звезд. Видимая область имеет отношение к тому, какие цвета излучаются и с какой интенсивностью, но, в целом, это относится к частотам во всем спектре, которые могут быть рентгеновскими, радио, ультрафиолетовыми (УФ), инфракрасными (ИК), гамма и т.д.

Ниже приведена общая таблица звездной спектральной классификации системы классификации, также известная как Гарвардская спектральная классификация.

Класс Цветность     Температура (Кельвин) Заметные линии поглощения
O       Синий              >30,000                       Гелий
B       Сине-белый   10,000-30,000             Водород + гелий
A       Белый             7500-10,000                Водород + ионизированные металлы
F       Желто-белый 6000-7500                 Более слабый водород + ионизированные металлы

G       Желтый          5200-6000                  Водород + ионизированные металлы + Нейтральные металлы

K      Светло-оранжевый 3700-5200         Нейтральные металлы

M     Оранжево-красный 2400-3700         Оксидные молекулы + нейтральные молекулы

Как мы видим, закон Вина позволяет нам связать цветность с температурой звезд, что позволяет нам установить надежную классификацию. В левом столбце таблицы показаны спектральные типы или спектральные классы.

Семь спектральных типов звезд: O (голубые), B (сине-белые), A (белые), F (желто-белые), G (желтые), K (светло-оранжевые) и M (оранжево-красные).

Уточненная спектральная классификация звезд

Хотя эта классификация сама по себе очень полезна, иногда в астрономии иастрофизике требуется дальнейшее уточнение спектральных типов звезд. Это требует добавления отличительных элементов к уже показанным названиям спектральных типов звезд. Например, изучая их спектр и характеризуя их частоты, мы можем присвоить номера в дополнение к буквам для обозначения конкретных длин волн.

Как звездная спектральная классификация связана со стадиями жизни звезды?
Причина использования методов классификации звезд заключается в коллективном изучении их свойств и извлечении полезной информации благодаря статистическому анализу. Особенности спектральной классификации звезд тесно связаны со стадиями жизни звезды, что позволяет нам выводить такие свойства, как возраст, из наблюдательных свойств, таких как цвет.

Классы светимости и диаграмма Герцшпрунга-Рассела
Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (диаграмма H-R) - это полезная диаграмма, которая отражает статистическое распределение звезд относительно их светимости и температуры. Главная цепь называется главной последовательностью, где звезды проводят большую часть своей жизни. Верхняя область относится к поздним фазам звезд, а нижняя область связана с заключительными стадиями жизни звезды, которая не была очень массивной.

Мы видим, что яркость и цвет (связанные со спектральными характеристиками) коррелируют. Эта корреляция зависит от стадии жизни звезды, но может быть точно описана многими моделями, которые были разработаны и дают диаграмму HR.

Спектр, светимость и этапы жизни звезды
Увидев диаграмму Герцшпрунга-Рассела, теперь мы можем сделать общие утверждения о спектре звезд и значении звездной спектральной классификации.

Например, мы видим, что большинство звезд с более низкими температурами (последние спектральные типы звезд) являются звездами в гигантской области или главной последовательности. Их класс светимости (который в данном случае сильно коррелирует с их размером) определяет, под какую классификацию они подпадают.

С другой стороны, более горячие звезды - это очень яркие звезды главной последовательности (обычно молодые массивные звезды) или белые карлики, которые имеют высокую температуру поверхности из-за процесса, который позволяет им существовать как астрономические объекты. Как мы можем видеть, как светимость, так и спектральные характеристики важны для описания характеристик звезды и понимания стадии ее жизни.

Спектральные классы звезд - основные выводы

Звездная спектральная классификация классифицирует звезды в соответствии с их спектром излучения. Эти категории называются спектральными типами звезд.

Спектр излучения сильно зависит от температуры. Это соотношение очень хорошо известно для упрощенной модели, в которую звезды очень хорошо вписываются: черное тело.

Спектральные классы звезд дают нам информацию о многих свойствах звезд, таких как присутствие определенных элементов или молекул.

Другие системы классификации могут дополнять звездную спектральную классификацию более спектральными типами звезд, чтобы получить очень точное описание свойств звезды.