Что показывает звездная величина
Что такое звездная величина?
Темной ясной ночью далеко за городом на небе видны тысячи звезд. Первое, что бросается в глаза, все они различаются между собой по яркости или, как говорят астрономы, по блеску. Астрономы давно научились точно определять блеск звезд и других небесных светил. Измеряется блеск в звездных величинах. Ясно, что под «величиной» имеется в виду не размер звезд! Но все же встает вопрос: что вообще такое звездная величина и как ей пользоваться?
Звездная величина — один из самых старых стандартов измерения, которыми мы пользуемся.
Впервые этот термин употребил великий астроном античности Гиппарх (130 г. до н. э.). Гиппарх решил разделить все звезды на небе по их яркости на шесть групп или «величин». Самым ярким звездам он присвоил 1-ю величину. Они стали как бы лучшими, первыми среди остальных. Чуть менее яркие звезды получили 2-ю величину. Еще менее яркие — 3-ю. Наконец, самым тусклым звездам, видимым невооруженным глазом, Гиппарх присвоил 6-ю величину.
В соответствии с этим разделением такие звезды как Вега, Альдебаран или Сириус были отнесены к звездам первой величины, а звезды ковша Большой Медведицы — к звездам второй величины. Сегодня кажется немного странным, что звезды бо́льшего блеска имеют меньшую величину. Сегодня мы бы действовали наоборот: если звезда ярче, то и ее блеск больше. Но в целом логика Гиппарха понятна.
Система звездных величин была очень удобна, хотя и весьма субъективна. Шкала сильно зависела от наблюдателя. Например, если одному астроному в силу его восприятия казалось, что вот эта звезда второй величины, то другому астроному — что она первой величины. Каков же блеск звезды на самом деле? Нужен было дать какое-то строгое определение для звездной величины, чтобы перейти к объективным оценкам.
Шкала звездных величин
Для кого-то этот момент может показаться странным. Субъективное ощущение подсказывает, что звезды звезды 6-й величины всего в 6-10 раз слабее, чем звезды 1-й. Руководствуясь этим ощущением, Гиппарх, собственно, и разработал шкалу звездных величин.
Погсон предложил логарифмическую шкалу величин — разница в 5 единиц по шкале звездных величин точно соответствует 100-кратному различию светового потока. То есть звезда 1-й величины ровно в 100 раз ярче звезды 6-й величины и в 100 × 100 = 10000 раз ярче звезды 11-й величины. Это правило в точности соответствует действительности.
Осталось определить стандарт, по отношению к которому можно измерять звездные величины всех других звезд. Таким стандартом долгое время считалась звезда Вега, блеск которой был взят за нуль-пункт звездных величин (0 m ).
Почему звездные величины?
Итак, в физике есть аналог звездной величине — люкс. Почему же астрономы до сих пор используют шкалу звездных величин?
Ответ прост: она чрезвычайно удобна.
Посмотрите на таблицу ниже.
| Объект | Освещенность m (зв. вел.) | Освещенность лк |
|---|---|---|
| Сириус | -1.44 | 1.0E-5 |
| Венера | -4.67 | 0.00018 |
| Безлунное звездное небо | -5.2 | 0.0003 |
| Сверхновая 1054 года | -6 | 0.00063 |
| Луна в фазе первой четверти | -9 | 0.01 |
| Вспышка Иридиума (максимум) | -9.5 | 0.016 |
| Полная Луна | -12.74 | 0.31 |
| В море на глубине 50 м | -17.25 | 20 |
| Пасмурный день | -21.5 | 1000 |
| Солнечный день в тени | -25 | 25000 |
| Под солнцем в тропиках в полдень | -26.7 | 130000 |
Мы видим, что освещенность, создаваемая такими небесными объектами, как Солнце, Луна, планеты и звезды, различается в миллионы раз, если измерять ее в люксах. Это огромные числа, которыми довольно трудно оперировать.
Звездные величины, напротив, очень удобны. Солнце всего лишь на 25 зв. величин ярче Сириуса. А сам Сириус примерно на столько же ярче самых слабых звезд, которые удается сфотографировать в телескоп им. Хаббла (их блеск около 30 m ). Весь диапазон блеска небесных объектов, таким образом, укладывается в 60 звездных величин. Очень удобно!
Звездная величина
Каждая из этих звезд имеет определенную величину, позволяющую их увидеть
Звездная величина — числовая безразмерная величина, характеризирующая яркость звезды или другого космического тела по отношению к видимой площади. Другими словами, эта величина отображает количество электромагнитных волн, излучаемых телом, которые регистрируются наблюдателем. Поэтому данная величина зависит от характеристик наблюдаемого объекта и расстояния от наблюдателя до него. Термин охватывает лишь видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый спектры электромагнитного излучения.
По отношению к точечным источникам света используют также термин «блеск», а к протяженным – «яркость».
История
Древнегреческий ученый Гиппарх Никейский, который жил на территории Турции во II веке до н. э., считается одним из влиятельнейших астрономов античности. Он составил объемный каталог звезд, первый в Европе, описав расположения более чем тысячи небесных светил. Также Гиппарх ввел такую характеристику как звездная величина. Наблюдая невооруженным глазом за звездами, астроном решил разделить их по яркости на шесть величин, где первая величина – самый яркий объект, а шестая — наиболее тусклый.
В XIX веке, британский астрономом Норман Погсон усовершенствовал шкалу измерений звездных величин. Он расширил диапазон ее значений и ввел логарифмическую зависимость. То есть с повышением звездной величины на единицу, яркость объекта уменьшается в 2.512 раза. Тогда звезда 1-й величины (1 m ) в сто раз ярче, нежели светило 6-й величины (6 m ).
Вега — эталон звездной величины
За эталон небесного светила с нулевой звездной величиной изначально брался блеск Веги, самой яркой точки в созвездии Лиры. Несколько позже было изложено более точное определение объекта нулевой звездной величины – его освещённость должная равняться 2,54·10 −6 люкс, а световой поток в видимом диапазон 10 6 квантов/(см²·с).
Видимая звездная величина
Абсолютная звездная величина и светимость
Для того чтобы была возможность сравнить истинную яркость космических тел, была разработана такая характеристика как абсолютная звездная величина. Согласно ней вычисляется значение видимой звездной величины объекта, если бы этот объект располагался на за 10 парсек (32,62 световых лет) от Земли. В таком случае отсутствуют зависимость от расстояния до наблюдателя при сравнении различных звезд.
Абсолютная звездная величина для космических объектов в Солнечной системе использует иное расстояние от тела к наблюдателю. А именно 1 астрономическую единицу, при этом, в теории, наблюдатель должен находиться в центре Солнца.
Материалы по теме
Размер Вселенной
Более современной и полезной величиной в астрономии стала «светимость». Эта характеристика определяет полную энергию, которую излучает космическое тело за определенный отрезок времени. Для ее вычисления как раз и служит абсолютная звездная величина.
Спектральная зависимость
Как уже говорилось ранее, звездная величина может быть измерена для различных видов электромагнитного излучения, а потому имеет разные значения для каждого диапазона спектра. Для получения картинки какого-либо космического объекта астрономы могут использовать фотопластинки, которые более чувствительны к высокочастотной части видимого света, и на изображении звезды получаются голубыми. Такая звездная величина называется «фотографической», mPv. Чтобы получилось значение близкое к визуальному («фотовизуальное», mP), фотопластинку покрывают специальной ортохроматической эмульсией и используют желтый светофильтр.
Снимок Солнца через темный светофильтр
Учеными была составлена так называемая фотометрическая система диапазонов, благодаря которой можно определять основные характеристики космических тел, такие как: температура поверхности, степень отражения света (альбедо, не для звезд), степень межзвездного поглощения света и прочие. Для этого производится фотографирование светила в разных спектрах электромагнитного излучения и последующие сравнение результатов. Для фотографии наиболее популярны следующие фильтры: ультрафиолетовый, синий (фотографическая звездная величина) и желтый (близкий к фотовизуальному диапазону).
Фотография с запечатленными энергиями всех диапазонов электромагнитных волн определяет так называемую болометрическую звездную величину (mb). С ее помощью, зная расстояние и степень межзвездного поглощения, астрономы вычисляют светимость космического тела.
Звездные величины некоторых объектов
Трасса Международной космической станции на фоне созвездия Большой Медведицы
Звёздная величина
Звёздная величина́, (блеск) — безразмерная числовая характеристика яркости объекта. Обычно термин применяется к небесным светилам. Звёздная величина характеризует поток энергии (энергию всех фотонов в секунду) на единицу площади от рассматриваемого светила в видимом и ближними инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн. Таким образом, звёздная величина зависит и от физических характеристик самого объекта (то есть светимости), и от расстояния до него. Чем меньше значение звёздной величины, тем ярче данный объект.
Содержание
Определение
Ещё во II веке до н. э. древнегреческий астроном Гиппарх разделил все звёзды на шесть величин. Самые яркие он назвал звёздами первой величины, самые тусклые — звёздами шестой величины, а остальные равномерно распределил по промежуточным величинам.
Как выяснилось позже, связь такой шкалы с реальными физическими величинами логарифмическая, поскольку изменение яркости в одинаковое число раз воспринимается глазом как изменение на одинаковую величину (закон Вебера — Фехнера). Поэтому в 1856 году Норман Погсон предложил следующую формализацию шкалы звёздных величин, ставшую общепринятой [1] [2] :
где m — звёздные величины объектов, L — освещенности от объектов. Такое определение соответствует падению светового потока в 100 раз при увеличении звёздной величины на 5 единиц.
По современным измерениям, звезда нулевой величины за пределами земной атмосферы создаёт освещённость в 2,54·10 −6 люкс. Световой поток от звезды 0 m примерно равен 10 3 квантов /(см²·с·Å) в зелёном свете (полоса V системы UBV) или 10 6 квантов /(см²·с·Å) во всём видимом диапазоне света.
Следующие свойства помогают пользоваться видимыми звёздными величинами на практике:
Спектральная зависимость
Видимая звёздная величина зависит от спектральной чувствительности приёмника излучения (глаза, фотоэлектрического детектора, фотопластинки и т. п.)
Самой распространённой фотометрической системой является система UBV, которая состоит из трёх полос, перекрывающих разные интервалы длин волн. В ней для каждого объекта можно измерить 3 звёздные величины:
Разности звёздных величин одного объекта в разных диапазонах (для системы UBV это U−B и B−V) являются показателями цвета объекта: чем они больше, тем более красным является объект. Фотометрическая система UBV определена таким образом, чтобы показатели цвета звёзд спектрального класса А0V равнялись нулю.
Звёздные величины и как их определяют
На самом деле, звёздные величины могут быть разными. Так как нет идентичных тел в нашей Вселенной. Разумеется, существуют схожие черты и параметры, по которым мы объединяем какие-либо объекты. Но всегда есть хоть малейшее различие между ними.
В астрономии понятие звёздная величина обозначает безразмерную (то есть имеет размерность единица) числовую характеристику яркости объекта. Таким образом, она отражает поток энергии всех фотонов за секунду времени на единицу площади, исходящих от светила.
Фотон (частица света)
Какие бывают звёздные величины
В астрономии различают две звёздные величины: видимую и абсолютную.
Видимая звёздная величина
Она отражает видимый блеск звёзд и используется для визуальных величин (измеряются в ультрафиолетовом, инфракрасном и других диапазонах).
Собственно говоря, данная мера зависит от светимости и расстояния до тела.
Чем меньше видимый показатель светила, тем, на самом деле, больше его яркость.
Сириус (самая яркая звезда)
Абсолютная звёздная величина
А вот её применяют для наиболее точной характеристики объекта, которая равна значению при расстоянии от него 10 парсек. Для сравнения светимости звёзд используют именно абсолютную величину, так как для этого неважно насколько они удалены от нас.
Более того, чтобы вычислить светимость, необходимо знать абсолютное значение яркости звезды.
Как определяется звёздная величина
Впервые, еще во 2 веке до нашей эры, астроном из Древней Греции Гиппарх разделил звёзды по величине. Он выделил ярчайшие из них, присвоив им первую, а самым тусклым светилам шестую величину.
Проще говоря, звезда первой звездной величины это самая яркая на небе.
Первым ввёл такую характеристику Гиппарх. Но со временем многие другие учёные изучали космические тела и пополняли данные о них.
Так, позднее в 1856 году Норман Погсон предложил иное исчисление шкалы значений светил. И она стала общепринятой.
где m — звёздная величина тела, а L — освещённость от него.
Стоит отметить, что по формуле Погсона можно рассчитать лишь разницу между величинами, но не их. Поскольку для вычисления необходим нулевой пункт (блеск, соответствующий нулевой мере звезды).
Раньше нуль-пункт был равен блеску Веги, но со временем его переопределили. Хотя при визуальном наблюдении Вегу всё так же принимают за нулевую меру.
Как оказалось, ярчайшие объекты имеют отрицательную звёздную величину.
Шкала звёздных величин
Между прочим, в современной астрономии звездные величины применяют не только для светил, а также для планет и других небесных тел. Но при их характеристике учитывают и видимое, и абсолютное значение.
Итак, яркость звезд и звездная величина являются важным показателем объекта. Разумеется, они зависят от других химических и физических свойств тела.
Свет светил ярко выделяется на ночном небе. Однако современные приборы и техника позволяют астрономам разглядеть звезды с высокой величиной. Проще говоря, стало возможным увидеть даже самые тусклые светила.
Звездная величина
Каждая из этих звезд имеет определенную величину, позволяющую их увидеть
Звездная величина — числовая безразмерная величина, характеризирующая яркость звезды или другого космического тела по отношению к видимой площади. Другими словами, эта величина отображает количество электромагнитных волн, излучаемых телом, которые регистрируются наблюдателем. Поэтому данная величина зависит от характеристик наблюдаемого объекта и расстояния от наблюдателя до него. Термин охватывает лишь видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый спектры электромагнитного излучения.
По отношению к точечным источникам света используют также термин «блеск», а к протяженным – «яркость».
История звездного каталога
Древнегреческий ученый Гиппарх Никейский, который жил на территории Турции во II веке до н. э., считается одним из влиятельнейших астрономов античности. Он составил объемный каталог звезд, первый в Европе, описав расположения более чем тысячи небесных светил. Также Гиппарх ввел такую характеристику как звездная величина. Наблюдая невооруженным глазом за звездами, астроном решил разделить их по яркости на шесть величин, где первая величина – самый яркий объект, а шестая — наиболее тусклый.
В XIX веке, британский астрономом Норман Погсон усовершенствовал шкалу измерений звездных величин. Он расширил диапазон ее значений и ввел логарифмическую зависимость. То есть с повышением звездной величины на единицу, яркость объекта уменьшается в 2.512 раза. Тогда звезда 1-й величины (1m) в сто раз ярче, нежели светило 6-й величины (6m).
Вега — эталон звездной величины
За эталон небесного светила с нулевой звездной величиной изначально брался блеск Веги, самой яркой точки в созвездии Лиры. Несколько позже было изложено более точное определение объекта нулевой звездной величины – его освещённость должная равняться 2,54·10−6 люкс, а световой поток в видимом диапазон 106 квантов/(см²·с).
Видимая звездная величина
Описанная выше характеристика, которую определил Гиппарх Никейский, впоследствии стала носить название «видимая» или «визуальная». Имеется в виду, что ее можно наблюдать как при помощи человеческих глаз в видимом диапазоне, так и с использованием различных инструментов вроде телескопа, включая ультрафиолетовый и инфракрасный диапазон. Звездная величина созвездия Большой Медведицы равна 2m. Однако мы знаем, что Вега с нулевым блеском (0m) не самая яркая звезда на небосводе (пятая по блеску, третья для наблюдателей с территории СНГ). Поэтому более яркие звезды могут иметь отрицательную звездную величину, к примеру, Сириус (-1.5m). Также сегодня известно, что среди небесных светил могут быть не только звезды, но и тела, отражающие свет звезд – планеты, кометы или астероиды. Звездная величина полной Луны составляет −12,7m.
Абсолютная звездная величина и светимость
Для того чтобы была возможность сравнить истинную яркость космических тел, была разработана такая характеристика как абсолютная звездная величина. Согласно ней вычисляется значение видимой звездной величины объекта, если бы этот объект располагался на за 10 парсек (32,62 световых лет) от Земли. В таком случае отсутствуют зависимость от расстояния до наблюдателя при сравнении различных звезд.
Абсолютная звездная величина для космических объектов в Солнечной системе использует иное расстояние от тела к наблюдателю. А именно 1 астрономическую единицу, при этом, в теории, наблюдатель должен находиться в центре Солнца.
Материалы по теме
Размер Вселенной 
Более современной и полезной величиной в астрономии стала «светимость». Эта характеристика определяет полную энергию, которую излучает космическое тело за определенный отрезок времени. Для ее вычисления как раз и служит абсолютная звездная величина.
Спектральная зависимость
Как уже говорилось ранее, звездная величина может быть измерена для различных видов электромагнитного излучения, а потому имеет разные значения для каждого диапазона спектра. Для получения картинки какого-либо космического объекта астрономы могут использовать фотопластинки, которые более чувствительны к высокочастотной части видимого света, и на изображении звезды получаются голубыми. Такая звездная величина называется «фотографической», mPv. Чтобы получилось значение близкое к визуальному («фотовизуальное», mP), фотопластинку покрывают специальной ортохроматической эмульсией и используют желтый светофильтр.
Снимок Солнца через темный светофильтр
Учеными была составлена так называемая фотометрическая система диапазонов, благодаря которой можно определять основные характеристики космических тел, такие как: температура поверхности, степень отражения света (альбедо, не для звезд), степень межзвездного поглощения света и прочие. Для этого производится фотографирование светила в разных спектрах электромагнитного излучения и последующие сравнение результатов. Для фотографии наиболее популярны следующие фильтры: ультрафиолетовый, синий (фотографическая звездная величина) и желтый (близкий к фотовизуальному диапазону).
Фотография с запечатленными энергиями всех диапазонов электромагнитных волн определяет так называемую болометрическую звездную величину (mb). С ее помощью, зная расстояние и степень межзвездного поглощения, астрономы вычисляют светимость космического тела.
Звездные величины некоторых объектов
Трасса Международной космической станции на фоне созвездия Большой Медведицы