Звёздная величина

Материал из testwiki
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сверху: видимые звёздные величины звёзд. Снизу: их яркости в условных и относительных единицах

Звёздная величина́ (иногда блеск) — безразмерная числовая характеристика светимости или яркости объекта, широко используемая в астрономии. Может указываться как число с пометкой m справа сверху от числа, например, 5m (от Шаблон:Lang-la — «величина»).

Существуют различные шкалы звёздных величин, однако все они имеют логарифмический вид, и в любом случае, чем ярче объект, тем ниже его звёздная величина. Отличие на 5 звёздных величин, вне зависимости от системы, соответствует отношению соответствующих показателей, равному 100, отличие на одну величину — в 10052,512 раза.

Видимая звёздная величина (обозначается m) характеризует освещённость, создаваемую объектом. Она описывает восприятие яркости объекта наблюдателем, что зависит не только от собственной светимости источника, но и от других условий, например, его удалённости от наблюдателя. Зависимость видимой звёздной величины от освещённости выражается формулой Погсона:

m=2,5lgEE0,

где E — освещённость, создаваемая объектом, E0нуль-пункт шкалы, то есть значение освещённости, для которого звёздная величина принята равной нулю, lgдесятичный логарифм. На практике звёздные величины обычно измеряются путём сравнения с эталонами — непеременными звёздами, освещённость от которых ранее была многократно измерена с высокой точностью. Абсолютная звёздная величина (обозначается M) характеризует собственную светимость объекта и определяется как видимая звёздная величина, которую имел бы объект, если бы наблюдался с расстояния в 10 парсек.

Поскольку у реальных звёзд и других небесных тел распределение энергии в спектре может быть разным, то в зависимости от спектрального диапазона наблюдаемые освещённости от объектов могут соотноситься по-разному. По этой причине существуют разные системы звёздных величин: чаще всего используются звёздные величины, измеренные для фильтра V, полоса пропускания которого близка к таковой у человеческого глаза.

Так, например, видимая звёздная величина самой яркой звезды ночного неба, Сириуса, составляет −1,5m, а абсолютная — +1,4m. Для Солнца видимая звёздная величина составляет −26,8m, а абсолютная — +4,8m. Видимый блеск Венеры может достигать −4,4m. Принято считать, что невооружённым глазом при благоприятных условиях на ночном небе можно видеть точечные объекты с видимой звёздной величиной максимум +6m; более тусклые объекты можно наблюдать лишь с использованием оптических приборов (биноклей, телескопов Шаблон:Итп). Космический телескоп «Хаббл» способен наблюдать тусклые объекты до +30m.

Первоначально систему звёздных величин создал Гиппарх во II веке до н. э. как деление звёзд на 6 классов, от самых ярких до самых тусклых. При этом в силу закона Вебера — Фехнера освещённости от звёзд 1-й, 2-й и последующих звёздных величин оказались распределены в убывающей геометрической прогрессии, поэтому шкала имеет логарифмический вид. В 1857 году Норман Погсон предложил современную формулу, определяющую шкалу звёздных величин.

Общие сведения

Звёздная величина — безразмерная числовая характеристика освещённости, создаваемой объектом (видимая звёздная величина) или его светимости (абсолютная звёздная величина). Применяется к небесным телам в астрономии, может указываться как m справа сверху от числа (от Шаблон:Lang-la — «величина»), например, 5m (однако если указан диапазон спектра, то символ m обычно не указывают ― см. нижеШаблон:Переход). Шкала звёздных величин, то есть зависимость звёздной величины от яркости или светимости, имеет логарифмический вид, а чем ярче объект, тем ниже его звёздная величина. Отличие на 5 звёздных величин соответствует изменению яркости (светимости) в 100 раз, отличие на одну величину — в 10052,512 раза, а у наиболее ярких объектов звёздная величина отрицательна[1], поэтому для того, чтобы явно указать на положительную звёздную величину, иногда ставят плюс, например, +0,7m. Запись звёздной величины без знака допустима и также обозначает положительную звёздную величину. Логарифмический характер зависимости обусловлен особенностями восприятия человеческого глаза и историей создания шкалы (см. нижеШаблон:Переход)[2]. Звёздная величина может быть вычислена как для точечных, так и для протяжённых объектов: в последнем случае она характеризует полную освещённость, создаваемую объектомШаблон:Sfn.

Видимая звёздная величина

Шаблон:Основная статья Видимая звёздная величина (обозначается как m) характеризует освещённость, создаваемую светилом. Она описывает восприятие яркости светила наблюдателем, что зависит не только от собственной светимости источника, но и от других условий, например, его удалённости от наблюдателя. Зависимость видимой звёздной величины от освещённости выражается формулой ПогсонаШаблон:SfnШаблон:Sfn:

m=2,5lgEE0,

где E — освещённость, создаваемая светилом, E0нуль-пункт шкалы, lgдесятичный логарифм. Также можно связать отношение освещённостей от двух объектов E1,E2 и разность их звёздных величин m1,m2Шаблон:SfnШаблон:Sfn:

m1m2=2,5lgE1E2,

Можно записать эту же формулу в обратном видеШаблон:Sfn:

E1E2=100,4(m1m2)2,512(m1m2).

Таким образом, освещённости, создаваемые светилами с видимыми звёздными величинами n и n+1, отличаются в 100,4=10052,512 раз; отличие звёздных величин на 5m соответствует отношению освещённостей ровно в 100 раз. Множитель 2,5 в предыдущих двух формулах для m и m1m2 — это точное значение, не имеющее отношения к 1005Шаблон:Sfn.

На практике звёздные величины обычно измеряются путём сравнения с эталонами — непеременными звёздами, для которых яркость ранее была многократно измерена с высокой точностью[2][3].

Абсолютная звёздная величина

Шаблон:Основная статья Абсолютная звёздная величина (обозначается M) — мера собственной светимости объекта: она не зависит от расположения наблюдателя и условий наблюдения. Она определяется как видимая звёздная величина, которую имел бы объект, если бы наблюдался с расстояния в 10 парсек (пк) в отсутствие межзвёздного поглощения (см. нижеШаблон:Переход)[2]Шаблон:Sfn.

Освещённость E, создаваемая светилом, обратно пропорциональна квадрату расстояния r до наблюдателя. Из этого можно получить связь между видимой и абсолютной звёздной величиной светилаШаблон:Sfn[4]:

E(r)E(10пк)=(10пкr)2,
mM=2,5lgE(r)E(10пк)=2,5lg(10пкr)2,
mM=5lg(r10пк).

Величина mM также называется модулем расстояния. Часто встречается следующий вид записи этой формулы, допустимый при условии, что r выражается в парсекахШаблон:Sfn:

mM=5lgr5.

Расстояние в парсеках следующим образом выражается через модуль расстояния[5]:

r=100,2(mM+5).

Приведённые формулы верны в отсутствие межзвёздного поглощения (см. нижеШаблон:Переход)[5].

Абсолютная величина для тел Солнечной системы

Для тел Солнечной системы, кроме Солнца, — планет, астероидов и других объектов — абсолютную величину принято определять иным образом и обозначать H. Она определяется как видимая звёздная величина, которую бы имел объект, если бы находился на расстоянии в 1 а.е. от Солнца и от наблюдателя, с фазовым углом[6], то есть в условиях, когда наблюдается освещённая половина объекта, ― описанная комбинация на практике недостижима. Для пересчёта видимой звёздной величины в абсолютную в этом случае необходимо не только учесть расстояния между объектом, Солнцем и наблюдателем, но и наблюдаемую фазу и зависимость видимой звёздной величины от фазы. Абсолютная величина, которая вычисляется по результатам наблюдений в разное время, может отличаться в зависимости от ориентации объекта в пространстве, например, если тело имеет форму, отличную от сферической, поэтому часто используют усреднённое значение[7].

Системы звёздных величин

Файл:UBV-System-ru.svg
Кривые чувствительности полос U, B и V

Общие принципы

Разные приёмники излучения, в том числе человеческий глаз, улавливают не весь поток электромагнитного излучения от источника, а только его определённую часть и имеют разную чувствительность к свету с разной длиной волны. Распределение энергии в спектре у различных источников может отличаться, поэтому и при наблюдении в разных длинах волн соотношение видимых яркостей объектов будет различным. Поэтому для разных инструментов с разными оптическими фильтрами могут использоваться разные системы звёздных величин, определённые по различным эталонам, и у них может отличаться нуль-пункт[5]Шаблон:Sfn.

Эта проблема возникла с развитием астрономической фотографии в XIX веке. Так, человеческий глаз наиболее чувствителен к излучению на длине волны около 550 нм, а фотоэмульсия, которая использовалась в астрономической фотографии, по сравнению с глазом более чувствительна к синему цвету и менее — к красному. Это приводило к тому, что видимая звёздная величина двух звёзд могла быть одинаковой при визуальных наблюдениях, но отличаться при фотографических, или наоборот: например, более голубые звёзды оказывались более яркими при фотографических наблюдениях. По этой причине появилось разделение на визуальную звёздную величину mv и фотографическую mp. В дальнейшем появилась возможность привести фотопластинки к полосе пропускания, близкой к таковой у человеческого глаза — связанная с ними система звёздных величин получила название фотовизуальной и обозначение mpv[2][8].

Позже, приборы с зарядовой связью обеспечили гораздо более высокую точность измерения потоков излучения и лучшую стандартизацию, поэтому актуальными стали системы звёздных величин именно для них[8]. Например, популярность получила фотометрическая система UBV (система Джонсона), разработанная в 1950-х годах, в которой определены три полосы пропускания: U, B и V (от Шаблон:Lang-en), соответствующие ультрафиолетовому диапазону, синему и жёлтому цветам, позже эта система была расширена с добавлением красного и инфракрасного фильтров R и I (от Шаблон:Lang-en). Полоса пропускания V очень близка к визуальной, а B — к фотографической. Этими же символами обозначаются и сами звёздные величины, и чаще всего используется звёздная величина V (также записывается как mV)[2][5]. Нуль-пункт в этой системе установлен таким образом, чтобы звёзды спектрального класса A0 во всех полосах имели одну и ту же звёздную величину, а для Веги во всех полосах она равна +0,03Шаблон:Sfn[9][10].

Показатель цвета

Шаблон:Основная статья Показателем цвета называют разность звёздных величин в двух разных полосах — различные показатели цвета характеризуют распределение энергии в спектре звезды[1]. Широко употребимые показатели цвета ― B−V и U−B, то есть разность звёздных величин в фильтрах B и V, а во втором случае ― U и B. Система UBV определена таким образом, чтобы у звёзд спектрального класса A0 звёздная величина была одинакова во всех полосах, поэтому эти показатели цвета у таких звёзд равны нулю. Звёзды более ранних спектральных классов (O и B) имеют отрицательные показатели цвета B−V и U−B и более голубой цвет, у звёзд более поздних спектральных классов более красный цвет и показатели цвета положительныШаблон:Sfn[11].

Болометрическая звёздная величина

В случае, когда измеряется поток энергии от объекта во всём электромагнитном спектре, говорят о болометрической звёздной величине mbol (или, если речь об абсолютной звёздной величине, то Mbol). На практике измерение потока во всём электромагнитном спектре — сложная задача, поэтому часто используют понятие болометрической поправки BC, которая связывает визуальную звёздную величину (или в полосе V) и болометрическуюШаблон:Sfn[12] (хотя вместо полосы V может использоваться и другая полоса[13]).

Вид выражения для болометрической поправки имеет две альтернативных формы, при которых болометрические поправки отличаются знакомШаблон:Sfn[12]Шаблон:Sfn[14]:

BC=mbolV=MbolMV,
BC=Vmbol=MVMbol,

где V — видимая, а MV — абсолютная звёздная величина в полосе V. Для определённости далее будет приниматься первая формулаШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Помимо этого, до принятия в 2015 году резолюции B2 Международного астрономического союза в ходу были разные шкалы болометрической звёздной величины с различным нуль-пунктом. Согласно этой резолюции, в качестве нуль-пункта шкалы абсолютных болометрических звёздных величин принимается светимость ровно 3,0128Шаблон:E Вт, а видимых — освещённость, которую создаёт изотропно излучающий источник на расстоянии в 10 парсек, что составляет около 2,518Шаблон:E Вт/м2. Нуль-пункт был выбран таким образом, чтобы абсолютная болометрическая звёздная величина Солнца была близка к +4,74m — широко используемое значение к моменту принятия резолюции[15].

Среди более ранних шкал в некоторых случаях принималось, что болометрическая поправка для Солнца равна нулю. В другой шкале болометрическая поправка была принята равной нулю для звёзд спектрального класса F5, которые излучают наибольшую долю энергии в видимом диапазоне: в этом случае болометрическая звёздная величина будет всегда на 0,07m ярче, чем если принимать BC=0 для Солнца. Также в этом случае болометрическая поправка была всегда отрицательна или равна нулю (если принимать BC=mbolV), либо, если принимать BC=Vmbol, то всегда положительна или равна нулю. Во всех случаях нуль-пункт шкалы болометрических звёздных величин ярче, чем нуль-пункт шкалы видимых звёздных величин: для всех звёзд какая-то часть излучения не попадает в видимый диапазон, даже для тех, для которых приравниваются mbol и VШаблон:Sfn[12]Шаблон:Sfn[14].

Болометрическая поправка зависит от температуры звезды. Для звёзд солнечного типа она близка к нулю, в то время как для звёзд более ранних и более поздних спектральных классов отрицательна, так как более горячие звёзды излучают значительную долю энергии в ультрафиолетовом диапазоне, а более холодные ― в инфракрасном. Так, например, для звёзд спектрального класса B0 болометрическая поправка составляет −3,0m, для звёзд класса M0 ― −1,2m[13].

Современные системы

Система Веги

Начиная с системы UBV, распространены шкалы звёздных величин, в которых за нуль-пункт для любой полосы принимается освещённость, которую в этой полосе создаёт Вега[16], то есть при таком определении звёздная величина Веги равна нулю в любой полосе. Однако у такой системы имеются и недостатки: в частности, распределение энергии в спектре Веги не плоское, особенно вне оптического диапазона, поэтому нет физического смысла приводить нуль-пункт во всех полосах именно к потоку от Веги[17].

Система AB

Более поздняя система Шаблон:Нп3 (от Шаблон:Lang-enШаблон:Sfn) связывает нуль-пункт с определённым значением спектральной плотности потока излучения в любом спектральном диапазоне, а именно — приблизительно 3631 Ян[18]. Более строго, звёздная величина mAB на частоте ν связана со спектральной плотностью потока fν на этой частоте, выраженной в Шаблон:Nobr[10][19]:

mAB=2,5lgfν48,60.

Константа выбрана таким образом, чтобы у гипотетического источника излучения с fν, постоянной для всех ν, величина mAB (одинаковая для всех ν) равнялась величине V. Тогда mAB равняется нулю при fν около Шаблон:Nobr[20], что соответствует спектральной плотности потока энергии от Веги на длине волны 5546 ангстрем[18][19]. Так, например, фотометрическая система ugriz, используемая в обзоре SDSS, основана на системе ABШаблон:Sfn. В фотометрической системе космического телескопа Gaia применяется нуль-пункт как в системе AB, так и в системе Веги[21][22].

Система ST

В системе ST (также STMAG) нуль-пункт связан с плотностью потока энергии на единицу длины волны, а не частоты, как в системе AB. Нуль-пункт соответствует спектральной плотности потока Шаблон:Nobr. Звёздная величина mST на длине волны λ связана со спектральной плотностью потока fλ на этой длине волны, выраженной в эрг/(с · см2 · Å)[10][16][20]:

mST=2,5lgfλ21,10.

Эта система используется, например, в фотометрических данных телескопа Хаббл. Для перевода между системами ST и AB можно использовать следующее соотношение[10]:

λfλ=νfν,

следовательно[10],

fν=fλλν=fλλ2c,

где cскорость света[10].

Звёздные величины некоторых объектов

В следующей таблице приведены видимые звёздные величины mV для некоторых небесных тел, а также абсолютные звёздные величины MV для некоторых объектов. Для объектов Солнечной системы приведена звёздная величина, соответствующая наибольшей возможной яркостиШаблон:Sfn[23].

Характерные значения звёздных величин различных небесных телШаблон:Sfn[23]
Объект mV MV
Солнце −26,7 +4,8
Лунаполнолунии) −12,7
Венера −4,7
Юпитер −2,7
Меркурий −2,2
Марс −2,0
Сириус −1,46 +1,5
Вега +0,03 +0,6
Бетельгейзе +0,50 −5,0
Сатурн +0,7
Полярная 2,0 −4,6
Галактика Андромеды 3,4 −21,1
Ганимед 4,6
Уран 5,5
Предельная величина объектов, видимых невооружённым глазом[комм. 1][5] ~6
Нептун 7,8
Галактика Сомбреро 8,1 −22
Титан 8,3
Проксима Центавра 11,01
Плутон 15,1
Предельная величина объектов, наблюдаемых телескопом «Хаббл»[24] 30

Связанные понятия

Поверхностная яркость

Шаблон:Основная статьяПоверхностная яркость I — величина, используемая в астрономии при исследовании протяжённых объектов, таких как галактики. Она также часто выражается при помощи системы звёздных величин, например, в звёздных величинах с квадратной секунды дуги (обозначение: m/☐′′). Если обозначить μ как поверхностную яркость, выраженную в звёздных величинах на единицу телесного угла, связь μ и I имеет вид μ=2,5lgI+const. Так, например, в фильтре B типичное значение поверхностной яркости в центре спиральных галактик составляет 22m на квадратную секунду дуги. Поверхностная яркость фона ночного неба в зените при хороших условиях наблюдения может составлять 22,5—23m на квадратную секунду дуги[25].

Влияние межзвёздного и атмосферного поглощения

Шаблон:Основная статья Поглощение света в атмосфере Земли частицами пыли и некоторыми молекулами приводит к ослаблению видимого блеска небесных тел и зависит различных условий. Относительная толщина атмосферного слоя, через который проходит луч света, с учётом плотности атмосферы, называется воздушной массой; она влияет на величину ослабления и зависит от высоты светила над горизонтом (в зените воздушная масса равна единице), поэтому меняется в течение суток. Кроме того, свет на разных длинах волн поглощается по-разному: в оптическом диапазоне сильнее всего поглощается синяя и фиолетовая части спектра[26]. Типичное значение поглощения единичной воздушной массой в фильтре V составляет 0,2m[27]. Для того, чтобы корректно сравнивать различные наблюдения, делается поправка на атмосферное поглощение: его измеряют, наблюдая объекты на разной высоте над горизонтом и в различных фильтрах, и в каталогах приводят исправленную величину[9]Шаблон:Sfn.

Наличие межзвёздной пыли в диске Галактики также приводит к межзвёздному поглощению. Проходя через пылевую среду, свет частично поглощается и видимая звёздная величина светила оказывается слабее, чем была бы в отсутствие поглощения; при неучёте этого эффекта его абсолютная звёздная величина светила будет недооценена. С учётом поглощения связь между видимой и абсолютной звёздной величиной (см. вышеШаблон:Переход) принимает вид[5]Шаблон:Sfn:

mM=5lg(r10pc)+A,

где A0 — межзвёздное поглощение. Его величина для одного и того же объекта зависит от длины волны: в более коротких волнах поглощение сильнее. Пусть объект наблюдается в фильтрах B и V; его абсолютные звёздные величины в этих фильтрах — MB и MV соответственно, а межзвёздное поглощение в этих фильтрах — AB и AV. Тогда наблюдаемый показатель цвета BV выражается такШаблон:Sfn:

BV=MBMV+ABAV=(BV)0+EBV,

где (BV)0=MBMV — собственный показатель цвета, который бы наблюдался в отсутствие поглощения, а EBV=ABAVизбыток цвета. Иными словами, межзвёздное поглощение приводит также к межзвёздному покраснению[28]. В фильтрах B и V для различных звёзд наблюдается следующее соотношение между поглощением и избытком цвета: Av/EBV3,0Шаблон:Sfn.

Если оптическая толщина среды постоянна вдоль луча зрения, то A пропорционально пройденному расстоянию: A=ar, где a — поглощение на единицу расстояния. Поскольку пыль в нашей Галактике распределена в слое с относительно небольшой толщиной, около 100 парсек, межзвёздное поглощение сильно зависит от направления. Так, для полосы V принимают, что в плоскости диска Галактики среднее поглощение составляет около 2m на килопарсек. В то же время в направлении вблизи галактических полюсов полное поглощение может составлять меньше 0,1m вдоль всего луча зрения, вне зависимости от расстоянияШаблон:Sfn.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела для некоторых близких и ярких звёзд

Шаблон:Основная статья Диаграмма Герцшпрунга — Рассела широко используется для представления зависимости между абсолютной звёздной величиной и спектральным классом звёзд, или другими величинами, тесно связанными с этими параметрами; например, вместо спектрального класса может использоваться показатель цвета[29]. Неравномерное распределение наблюдаемых звёзд на этой диаграмме отражает особенности их образования и эволюции[30].

Происхождение шкалы звёздных величин

Понятие звёздной величины впервые использовал Гиппарх в II веке до н. э. для сравнительной глазомерной оценки видимой яркости звёзд. Он разделил видимые невооружённым глазом звёзды на 6 «величин» в зависимости от их яркости: к 1-й величине были отнесены самые яркие звёзды, к 6-й — самые тусклыеШаблон:Sfn[1].

Согласно психофизическому закону Вебера — Фехнера, человеческие органы чувств, в том числе и глаз, передают ощущения в нелинейной зависимости от внешнего раздражения. Если воздействие изменяется в геометрической прогрессии, то ощущение передаётся в арифметической прогрессии, поэтому и освещённости, создаваемые звёздами 1-й, 2-й и последующих звёздных величин, оказались распределены в геометрической прогрессииШаблон:Sfn. Иными словами, отклик на возмущение зависит от него логарифмически, и, например, если освещённости, создаваемые тремя звёздами, относятся как 1:10:100, то визуально покажется, что между первой и второй звёздами такое же отличие по яркости, как между второй и третьейШаблон:Sfn.

В середине XIX века были проведены измерения энергии излучения, приходящего от звёзд. Выяснилось, что в системе Гиппарха разность в 5 звёздных величин грубо соответствует отношению освещённостей в 100 раз. В 1857 году Норман Погсон предложил принять это соотношение как основу шкалы звёздных величин; таким образом она приняла современный видШаблон:Sfn. Тем не менее предположения о том, что шкала звёздных величин имеет логарифмический характер, выдвигались и ранее: в частности, об этом упоминали Эдмунд Галлей в 1720 году и Джон Гершель в 1829-м[31].

Современное определение звёздной величины (см. вышеШаблон:Переход) изначально предложил Якобус Каптейн в 1902 году. Это понятие получило популярность после того, как в 1911 году Эйнар Герцшпрунг опубликовал диаграмму «абсолютная звёздная величина — показатель цвета», которая позднее стала известна как диаграмма Герцшпрунга — Рассела. В 1922 году Международный астрономический союз утвердил это определение абсолютной звёздной величиныШаблон:Sfn.

С развитием фотоэлектрических приборов в фотометрии в 1950-х годов появлялись стандартизированные системы звёздных величин, начиная с системы UBV Джонсона: сначала она была разработана для оптического диапазона, а затем, к 1966 году, была расширена в инфракрасную часть спектра. По мере того как ПЗС-матрицы вытесняли остальные приёмники излучения в астрономии, потребовалась некоторая адаптация систем и методов, в частности, стандартизация приёмников излучения[9].

Примечания

Комментарии

Шаблон:Примечания

Источники

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Внешние ссылки

Шаблон:Звёзды Шаблон:Избранная статья


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «комм.» не найдено соответствующего тега <references group="комм."/>