Астрофизика и космология: звёзды, галактики и эволюционирующая Вселенная
Свет переносит информацию через космос. Объединяя спектры, физические законы и измерения расстояний, мы восстанавливаем жизнь звёзд и историю Вселенной.
Цели обучения
- определять температуру, состав и движение по свету звезды;
- связывать светимость, поток и расстояние;
- читать диаграмму Герцшпрунга — Рассела и объяснять эволюцию звёзд разной массы;
- применять красное смещение и закон Хаббла;
- оценивать основные свидетельства эволюции Вселенной.
1. Информация в свете
Спектр разделяет излучение по длинам волн. Горячее плотное тело даёт примерно непрерывный тепловой спектр; более холодный газ на пути создаёт линии поглощения, а возбуждённый разреженный газ — линии излучения. У каждого элемента характерный набор линий из-за квантования электронных уровней.
Для приближённого спектра чёрного тела действует закон Вина: $\lambda_{\max}T=b$. Меньшая длина волны максимума соответствует большей температуре поверхности. Движение вдоль луча зрения сдвигает линии. При малой скорости удаления $z=(\lambda_{\mathrm{набл}}-\lambda_{\mathrm{исп}})/\lambda_{\mathrm{исп}}\approx v/c$. Красное смещение — относительный сдвиг длины волны, а не просто видимый красный цвет.
2. Светимость, поток и расстояние
Светимость $L$ — полная мощность излучения. Поток $F$ — мощность, приходящаяся на единицу площади у наблюдателя. При равномерном распространении $F=L/(4\pi d^2)$. Одинаковые звёзды могут казаться неодинаково яркими из-за разных расстояний. Параллакс ближайших звёзд калибрует методы больших расстояний, образуя лестницу расстояний.