8. HVĚZDYMgr. Monika Bouchalová

Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.1

FYZIKA PRO IV. ROČNÍK GYMNÁZIAASTROFYZIKA

III/2-2-2-18Tento digitální učební materiál (DUM) vznikl na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo

CZ.1.07/1.5.00/34.0794 s názvem „Výuka na gymnáziu podporovaná ICT“.

Zpracováno 11. března 2013

• kosmické objekty takové hmotnosti, že v nich vzplanuly termonukleární reakce

• mají kulovitý tvar, ve kterém je udržuje gravitace

• představují dominantní složku svítící hmoty ve vesmíru

• gravitačně jsou vázány v galaxiích (v jedné galaxii asi kolem 100 miliard)

• silnější vazby se vyskytují v tzv. hvězdných asociacích nebo hvězdokupách (vždy ovšem v rámci galaxie)

• Zemi nejbližší hvězda je Slunce

HVĚZDY

VNĚJŠÍ• relativní (závisí na poloze pozorovatele)

• Hvězdná velikost• Vzdálenost

• absolutní • Zářivý výkon • Efektivní teplota • Spektrální třída• Hmotnost • Poloměr • Chemické složení

CHARAKTERISTIKY HVĚZD

VNITŘNÍ• Centrální teplota Tc

• Centrální tlak pc

• Většina fyzikálních veličin se u hvězd vyjadřuje v jednotkách vztažených ke Slunci, označují se astronomickým symbolem Slunce, např. M.

Centrální teplota

Postupnou přeměnou H na He se pozvolna zvyšuje střední hmotnost částic plynu a mění se také hustota. Chemické změny v nitru hvězdy vedou ke zvyšování centrální teploty Tc.

Centrální tlak

Ve stabilní hvězdě musí platit v každém místě jejího nitra rovnováha mezi gravitační silou a silou vztlakovou. Říkáme, že hvězda je v hydrostatické rovnováze. Na vztlakové síle se podílí zejména tlak plynu. V nitru velmi žhavých hvězd se uplatní také tlak záření.

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnitřní

Obr.: 1

Hmotnost od 0,08 M do cca 100 M, M = 2.1030 kg; většina 0,3 až 5 MS;

Podle tohoto parametru lze zjistit délku života hvězdy.

Hvězdná velikost, též magnituda, bezrozměrná, fotometrická veličina, která udává jasnost objektu (světelného zdroje) na obloze.

Hlavní jednotka jasnosti je 1 magnituda = 1 mag. Hvězdná velikost se zmenší o 5 mag, vzroste-li jasnost stokrát.

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnější

Obr.: 2

Absolutní hvězdná velikost též absolutní magnituda (značka M) - Není závislá na vzdálenosti od Země (na rozdíl od magnitudy). Je to magnituda, pozorovatelná 10 pc od hvězdy (čili 32,6 světelných roků) Zářivý výkon, někdy nesprávně „svítivost“ (značka L , rozměr W), obvykle v jednotkách (tzv. nominálního Slunce) L = 4×1026 W celková energie vyzářená ve všech vlnových délkách za jednotku času.Zářivý výkon hvězdy závisí na její hmotnosti.Povrchová teplota (značka T, jednotka K). S ní souvisí dominantní barva vyzařovaného světla. Tzv. Spektrální typ

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnější

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnější

Obr.: 3

Spektrální třída

Povrch. Teplota

(K)

Barva hvězdy Typ hvězdy Příklady

hvězdHmotnost 

(MS)Poloměr

(RS)

Zářivý výkon(LS)

O 5000030000 modrá

modří nadobři ζ Pup, δ Pup,

ζ Ori2050 15 1 400

000

B 3000011000

modro bílá

nadobři, bílí trpaslíci

Regulus, Rigel, Sirius B

3,2 17 7 20 000

A 110007500

bílomodrá

nadobři, bílí trpaslíci,

hvězdy hl. posl.

Vega, Altair,Sirius A,

Prokyon B

1,8 3,2 2,5 80

F 75006000

žlutobílá

nadobři,hvězdy hl. posl.

Canopus, Polárka, Procyon

1,2 1,7 1,3 6

G 60005000 žlutá nadobři,

hvězdy hl. posl.Slunce, Capella

0,8 1,1 1,1 1,2

K 50003500 oranžová

červení nadobři, obři,

hvězdy hl. posl.

Pollux, Arktur,

0,6 0,8 0,9 0,4

M 35003000 červená

červení nadobři, obři

trpaslíci

AntaresBarnardova

hvězda, roxima Centauri,

0,008 0,05 0,4 0,04

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnější

TřídaPovrch. Teplota

(K)

Barva hvězdy Typ hvězdy Příklady

hvězdHmotnost (

MS)Poloměr

(RS)

Zářivý výkon(LS)

O 5000030000 modrá

modří nadobři ζ Pup, δ Pup,

ζ Ori2050 15 1 400

000

B 3000011000

modro bílá

nadobří, bílí trpaslíci

Regulus, Rigel, Sirius B

3,2 17 7 20 000

A 110007500

bílomodrá

nadobří, bílí trpaslíci,

hvězdy hl. posl.

Vega, Altair,Sirius A,

Prokyon B

1,8 3,2 2,5 80

F 75006000

žlutobílá

nadobři,hvězdy hl. posl.

Canopus, Polárka, Procyon

1,2 1,7 1,3 6

G 60005000 žlutá nadobři,

hvězdy hl. posl. Slunce, Capella0,8 1,1 1,1 1,2

K 50003500

oranžová

červení nadobři, obři,

hvězdy hl. posl.Pollux, Arktur,

0,6 0,8 0,9 0,4

M 35003000 červená

červení nadobři, obři

trpaslíci

AntaresBarnardova

hvězda, Proxima Centauri,

0,008 0,05 0,4 0,04

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnějšíPro zapamatování písmen ve správném pořadí, existují říkanky.

Ó Buď Alespoň Frajere Galantní Ke Mně.

Oh Be A Fine Girl/Guy Kiss My Lips.

Vzdálenost – jednotka ly nebo pc

Poloměr – vzhledem k velkým vzdálenostem se i největší hvězdy jeví jako bodové zdroje. Lidské oko dokáže rozlišit dva svítící body v úhlové vzdálenosti asi 1´.Sluneční poloměr R je vzdálenost od středu Slunce k povrchu sluneční fotosféry. R = 695 997 km.

Chemické složení – průměrné složení látky ve hvězdě. • vodík (téměř 80 % všech atomů),• helium (téměř 20 %). • ostatní prvky dohromady představují asi 2 % všech atomů ve

vesmíru.Pozorování jsou bezprostředně přístupny jen svrchní vrstvy hvězd, jejichž složení zpravidla odpovídá složení zárodečné mlhoviny, z níž hvězdy vznikly.Chemické složení není konstantní, ale s časem se mění.

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnější

Dobu rotace lze určit pomocí Dopplerova jevu.

Dopplerův jev popisuje změnu frekvence a vlnové délky přijímaného oproti vysílanému signálu, způsobenou vzájemnou rychlostí vysílače a přijímače.V astronomii se Dopplerův jev projevuje posuvem spektrálních čar vyzařovaných vesmírnými tělesy.

Pokud se tělesa vzdalují, lze pozorovat rudý posuv.

Pokud se tělesa přibližují , lze pozorovat modrý posuv.

Při vyšších rychlostech se však projevuje i dilatace času, je proto třeba brát v úvahu relativistický Dopplerův jev.

cv

CHARAKTERISTIKY HVĚZD - vnější

diagram

• závislost mezi absolutní hvězdnou velikostí a spektrální třídou hvězd byla nalezena Ejnarem Hertzsprungem již roku 1905

• vynesení do diagramu, jak ho chápeme v současnosti, je dílem Henryho Russella z roku 1913

HERTZSPRUNGŮV RUSSELLŮV - HR diagram

Obr.: 9

Ejnar Hertzsprung *1873Dánský chemický inženýr. Zabýval se především spektrální fotometrií hvězd a otevřenými hvězdokupami. Během své cesty do USA v roce 1910 se potkal s Russellem, který došel ke stejným závěrům…

Henry Norris Russell *1877Americký astronom.Jejich společná práce byla poprvé graficky znázorněna v roce 1913, a pojmenována Hertzsprungův – Russellův diagram, ze kterého vyplynulo oddělené postavení hvězd hlavní posloupnosti a obrů.Zpočátku ho mylně interpretoval a považoval za důkaz toho, že se hvězdy vyvíjejí podél hlavní posloupnosti.

HERTZSPRUNGŮV RUSSELLŮV - HR diagram

Obr.: 4

Obr.: 5

ANIMACE

HERTZSPRUNGŮV RUSSELLŮV - HR diagram

Obr.: 6

HERTZSPRUNGŮV RUSSELLŮV - HR diagram

Obr.: 7

HERTZSPRUNGŮV RUSSELLŮV - HR diagram

Obr.: 8

HLAVNÍ POSLOUPNOST• nejpočetnější skupina hvězd (90 % všech)• probíhá úhlopříčně diagramem• patří do ní hvězdy, které jsou v nejlepších letech svého života

(žluté hvězdy typu Slunce a červení trpaslíci)• stráví zde asi 85 % svého života

V tomto stádiu je pro ně charakteristické:• energie je čerpána z termonukleární fúze , mění ve svých jádrech

vodík na helium • poloha je téměř neměnná, závisí na hmotnosti a složení hvězdy

(čím je M větší, tím větší je tlak i teplota a tím rychleji probíhají termonukleární reakce) (MS – 10 miliard let, 15 MS – 10 milionů let)

• horizontální změna polohy je možná pouze u těsných dvojhvězd• vertikální změna polohy je v průběhu vývoje běžná

HR DIAGRAM

PODOBŘI• hvězdy, které se postupně stanou obrem nebo veleobrem• poté co se stanou rudým obrem, odhodí vnější vrstvy a ty vytvoří

planetární mlhovinu• na místě původní hvězdy zůstane neaktivní jádro skládající se

převážně z C a O

VĚTEV OBRŮ • hvězda se stane obrem, když spálí vodík • v héliovém jádře se zapálí 3 α cyklus (He → C)• zvětší svůj objem, přitom klesne její

povrchová teplota, ale zvýší se zářivý výkonVELEOBŘI• velmi hmotné a zářivé hvězdy, nacházející se

na konci svého aktivního života• velice vzácné – na 1 milion hvězd připadá 1 veleobr• nejbližší Canopus se nachází ve vzdálenosti 310 ly

HR DIAGRAM

BÍLÝ TRPASLÍK • vzniká zhroucením hvězdy o průměrné nebo podprůměrné hmotnosti

(nejsou dostatečně hmotné, aby dosáhly ve svém jádře teplot potřebných k fúzi uhlíku)

• maximální hmotnost bílého trpaslíka, po jejímž překročení již degenerační tlak není schopen odolat gravitaci, je asi 1,4 MS.

• bílý trpaslík, který přesáhne tuto hodnotu obvykle přenosem hmoty ze svého hvězdného průvodce, exploduje jako supernova, pokud se tak nestane, ochladí se za stovky miliard let natolik,že již nebude viditelný a stane se černým trpaslíkem

• zajímavou vlastností bílých trpaslíků je jejich pomalá rotace

HR DIAGRAM

ČERVENÍ OBŘI• pro hvězdy s hmotností menší než 4 MS platí, že vyčerpání vodíku

v centru spustí rozpínání hvězdy do podoby červeného obra

• je to červená hvězda - nízká teplota

• má vysoký zářivý výkon - obr

• absolutní hvězdná velikost je kolem 0 mag

• povrchová teplota asi 3 500 K

• poloměr 10 – 100 poloměrů Slunce

• V HR diagramu jsou umístěny vpravo nahoře

HR DIAGRAM

Obr.: 10

Použitá literaturaLiteraturaMACHÁČEK, M.: Fyzika pro gymnázia – Astrofyzika. Prometheus, Praha 1998 ISBN 80-7196-091-8

http://hvezdy.astro.czhttp://cs.wikipedia.org

Obrázky: [1] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://hvezdy.astro.cz/obr/hvezdy/charakteristika/rovnovaha.jpg [2] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://hvezdy.astro.cz/obr/hvezdy/charakteristika/mag.gif [3] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://hvezdy.astro.cz/obr/hvezdy/charakteristika/startype_.gif [4] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR9I-

aA7kwOaT3bOCSNgKCI5F2pNUZAM2vKDCEl3p4g4Gl_-7U8XA [5] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://hvezdy.astro.cz/obr/hvezdy/diagram/russell2.jpg [6] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://astronomia.zcu.cz/obr/hvezdy/diagram/hrgenericsml.jpg [7] Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-03-10]. Dostupné

z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/HR_diagram.png [8] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://galaxie.web2001.cz/hvezdy/obrazky/diagram2.jpg [9] [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://astronomia.zcu.cz/obr/hvezdy/diagram/hraxes.gif [10] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/20/Sun_red_giant_cs.svg/676px-

Sun_red_giant_cs.svg.png