Ответьте на вопросы, страница 289 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему в качестве стандартной свечи используют звезды, в спектре излучения которых нет линий водорода?

Решение

Вопрос касается использования определенных астрономических объектов в качестве «стандартных свечей» — объектов с известной абсолютной светимостью, которые служат для измерения космологических расстояний. Звезды (а точнее, звездные явления), в спектре которых отсутствуют линии водорода и которые используются как стандартные свечи, — это сверхновые типа Ia.

Отсутствие линий водорода в их спектре является ключевым классификационным признаком и напрямую связано с механизмом их возникновения и причиной, по которой они являются надежными стандартными свечами.

1. Механизм взрыва сверхновой типа Ia. Сверхновая типа Ia возникает в тесной двойной звездной системе. Один из компонентов системы — это белый карлик, представляющий собой выгоревшее ядро звезды, подобной Солнцу. Он состоит в основном из углерода и кислорода и не имеет водородной оболочки. Белый карлик перетягивает (аккрецирует) на себя вещество со второго компонента системы (это может быть звезда главной последовательности, красный гигант или другой белый карлик).

2. Причина отсутствия линий водорода. Поскольку белый карлик — это остаток звезды, уже прошедшей стадию горения водорода, в его составе этого элемента практически нет. Весь взрыв происходит с веществом самого белого карлика. Следовательно, в веществе, выбрасываемом при взрыве, и, соответственно, в его спектре излучения, отсутствуют характерные для водорода линии (например, линии серии Бальмера). Это кардинально отличает их от сверхновых типа II, которые представляют собой коллапс ядра массивной звезды, сохранившей свою богатую водородом внешнюю оболочку, и в спектрах которых линии водорода ярко выражены.

3. Причина использования в качестве стандартной свечи. Масса белого карлика не может превышать определенный фундаментальный предел, называемый пределом Чандрасекара, который составляет примерно $1.44$ массы Солнца ($M_☉$). Когда масса аккрецирующего белого карлика достигает этого предела, давление и температура в его ядре становятся достаточными для запуска неконтролируемой термоядерной реакции горения углерода. Происходит мощнейший взрыв, полностью разрушающий звезду. Поскольку взрыв всегда происходит при достижении одной и той же критической массы, количество выделяемой энергии и, как следствие, пиковая абсолютная звездная величина (светимость) у всех сверхновых типа Ia оказываются практически одинаковыми (в среднем около $M \approx -19.3$).

Эта предсказуемая и стабильная пиковая светимость и делает сверхновые типа Ia превосходными «стандартными свечами». Зная их абсолютную звездную величину ($\text{M}$) и измерив видимую звездную величину ($\text{m}$), астрономы могут с высокой точностью рассчитать расстояние ($\text{d}$) до галактики, в которой произошла вспышка, используя формулу модуля расстояния: $m - M = 5 \log_{10}(d) - 5$ (где расстояние $\text{d}$ измеряется в парсеках).

Таким образом, отсутствие линий водорода — это не просто случайная особенность, а маркер, указывающий на конкретный физический процесс (термоядерный взрыв белого карлика на пределе Чандрасекара), который и обеспечивает постоянство светимости, необходимое для использования объекта в качестве стандартной свечи.

Ответ: В качестве стандартной свечи используют сверхновые типа Ia. Отсутствие линий водорода в их спектрах указывает на то, что взрыв происходит с белым карликом, состоящим из углерода и кислорода, а не с массивной звездой, имеющей водородную оболочку. Взрыв белого карлика происходит при достижении им строго определенной критической массы (предела Чандрасекара), что приводит к практически одинаковой и очень высокой пиковой светимости для всех таких событий. Это постоянство светимости и позволяет использовать их для точного измерения расстояний до далеких галактик.