Ночное небо способно заворожить каждого своей красотой. Созерцая яркие точки звезд, мы редко задумываемся о том, что каждая из них обладает своим уникальным цветом. Об этом рассказывает заведующий кафедрой физики Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ) Кирилл Холин.
Звезды — это гигантские космические объекты, представляющие собой раскаленные шары плазмы, которые излучают собственный свет. Основной источник энергии звезд — процесс ядерного синтеза. В ходе этого процесса атомы водорода превращаются в атомы гелия, высвобождая огромное количество энергии в виде тепла и света.
Первые наблюдения за цветами звезд были сделаны еще в античные времена. Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (II век н. э.) первым документально зафиксировал различия в цвете звезд. В своем труде «Альмагест» он отмечал красноватый оттенок у Антареса, Альдебарана и Бетельгейзе.
Прорыв в изучении звезд произошел благодаря итальянскому ученому Галилео Галилею, создавшему первый телескоп. Позднее появление метода спектроскопии (научного способа исследования состава и физических характеристик объектов по их спектру излучения) позволило ученым получить глубокие знания о составе, плотности, температуре и эволюции небесных светил.
Почему далекие звезды кажутся белыми?
Когда человек смотрит на ночное небо, звезды кажутся яркими и белыми. Это явление можно объяснить особенностями строения и работы нашего зрения.
Человеческий глаз способен различать цвета только при определенных условиях освещения и характеристик наблюдаемого объекта. Это связано с работой сетчатки — внутренней светочувствительной оболочки, содержащей нервные клетки.
В сетчатке находятся два типа светочувствительных клеток:
- Колбочки — отвечают за дневное зрение и восприятие цвета. Они наиболее чувствительны к свету с длиной волны около 555 нанометров (нм) и работают только при достаточно ярком освещении. В человеческом глазу насчитывается около 7 миллионов колбочек.
- Палочки — обеспечивают ночное зрение, но практически не различают цвета. Они максимально чувствительны к длине волны около 500 нм и располагаются по периферии сетчатки. Их количество в 18 раз превышает количество колбочек (около 125 миллионов).
При ярком свете (фотопическое зрение) активны колбочки. В условиях слабого освещения (скотопическое зрение) работают палочки. При среднем уровне освещенности (мезопическое зрение) задействованы оба типа клеток. Именно поэтому мы различаем цвета только при ярком освещении, достаточном размере объекта и его яркости.
Звезды находятся на значительном расстоянии от Земли, поэтому человеческий глаз воспринимает их как белые объекты. И только самые яркие и большие светила при внимательном наблюдении показывают свой истинный оттенок.
От чего зависит цвет звезды?
«Важно понимать, что цвет — это субъективное ощущение, которое формируется в нашем мозге на основе сигналов от сетчатки глаза. Когда свет попадает на сетчатку, мы воспринимаем различные цвета благодаря электромагнитным волнам, которые обладают длинами приблизительно от 400 до 700 нм. В зависимости от длины падающих на сетчатку волн и их сочетаний у нас возникают ощущения разных цветов», — объясняет ученый.
Свечение звезд возникает благодаря особым процессам, происходящим на их поверхности. Когда атомы переходят с одного энергетического уровня на другой, они излучают свет. Этот процесс напрямую зависит от температуры поверхности звезды. Существует важное физическое правило: чем выше температура звезды, тем больше разница в энергиях между ее атомами. При этом длина волны излучаемого света изменяется обратно пропорционально этой разнице энергий.
В результате можно наблюдать следующую закономерность:
- Красные звезды (температура 3000–4000 К) излучают самые длинные световые волны;
- При повышении температуры до примерно 5000 К появляется желтоватый оттенок;
- При температуре около 10 000 К звезда становится белой;
- Самые горячие звезды с температурой около 30 000 К излучают голубой свет.
Интересно, что зеленых звезд в природе не существует. Связано это с тем, что звезды излучают в широком диапазоне длин волн, и даже если максимум излучения приходится на зеленый цвет, то захватываются и красный с синим, в результате человеческий глаз воспринимает это как белый.
Таким образом, цвет звезды служит точным индикатором ее температуры: чем «холоднее» звезда, тем более красный у нее цвет, а чем «горячее» — тем более голубой. Это явление аналогично нагреву обычного металла, который при повышении температуры меняет свой цвет от красного к белому.
«Особенной звездой для нас является Солнце. Оно относится к желто-белым звездам и для космического наблюдателя является практически белым. Однако в условиях земной атмосферы у него явно выраженный желтый оттенок, а на закате или рассвете — красный. Это происходит из-за эффекта Рэлея, который заключается в том, что мелкие частицы в атмосфере рассеивают короткие (синие) волны сильнее, чем длинные (красные)», — подводит итог эксперт.