17.1: Mwangaza wa Nyota
- Page ID
- 176191
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza tofauti kati ya mwanga na mwangaza unaoonekana
- Kuelewa jinsi wanaastronomia wanavyobainisha mwangaza na ukubwa
Mwangaza
Pengine tabia muhimu zaidi ya nyota ni mwangaza wake—jumla ya nishati katika wavelengths zote ambazo hutoa kwa sekunde. Mapema, tuliona kwamba Jua linaweka kiasi kikubwa cha nishati kila pili. (Na kuna nyota zenye kung'aa zaidi kuliko Jua huko nje.) Ili kufanya kulinganisha kati ya nyota iwe rahisi, wanaastronomia huonyesha mwanga wa nyota nyingine kulingana na mwangaza wa Jua. Kwa mfano, mwanga wa Sirius ni karibu mara 25 ule wa Jua. Tunatumia ishara L Sun kuashiria mwanga wa Jua; hivyo, ile ya Sirius inaweza kuandikwa kama 25 L Sun. Katika sura ya baadaye, tutaona kwamba kama tunaweza kupima kiasi gani cha nishati nyota inatoa na pia tunajua masi yake, basi tunaweza kuhesabu muda gani unaweza kuendelea kuangaza kabla ya kuchosha nishati yake ya nyuklia na kuanza kufa.
Mwangaza dhahiri
Wanaastronomia wana makini kutofautisha kati ya mwangaza wa nyota (jumla ya pato la nishati) na kiasi cha nishati kinachotokea kufikia macho yetu au darubini duniani. Nyota ni kidemokrasia katika jinsi zinavyozalisha mionzi; hutoa kiasi sawa cha nishati katika kila mwelekeo angani. Kwa hiyo, sehemu ndogo tu ya nishati iliyotolewa na nyota hufikia mwangalizi duniani. Tunaita kiasi cha nishati ya nyota inayofikia eneo fulani (sema, mita moja ya mraba) kila pili hapa duniani mwangaza wake unaoonekana. Ikiwa unatazama anga ya usiku, unaona mwangaza mwangaza kati ya nyota. Nyota nyingi, kwa kweli, ni hafifu sana kwamba unahitaji darubini ili kuzichunguza.
Kama nyota zote zilikuwa na mwangaza sawa—kama zingekuwa kama balbu za kawaida zilizo na matokeo sawa ya nururi-tungeweza kutumia tofauti katika mwangaza wao dhahiri kutuambia kitu tunachotaka sana kujua: ni mbali gani. Fikiria wewe ni katika kubwa tamasha ukumbi au ballroom kwamba ni giza isipokuwa chache kadhaa 25-watt balbu kuwekwa katika Fixtures kuzunguka kuta. Kwa kuwa wote ni balbu 25-watt, mwanga wao (pato la nishati) ni sawa. Lakini kutoka ambapo umesimama kwenye kona moja, hawana mwangaza sawa. Wale walio karibu nawe wanaonekana kuwa nyepesi (zaidi ya nuru yao inafikia jicho lako), na walio mbali huonekana kuwa nyepesi (nuru yao imeenea zaidi kabla ya kukufikilia). Kwa njia hii, unaweza kuwaambia ambayo balbu ni karibu na wewe. Kwa namna hiyo, kama nyota zote zilikuwa na mwangaza huo huo, tungeweza kubainisha mara moja kuwa nyota zinazoonekana angavu zilikuwa karibu na zile zinazoonekana dimmest zilikuwa mbali.
Ili kufuta wazo hili kwa usahihi zaidi, kumbuka kutoka kwenye sura ya Mionzi na Spectra ambayo tunajua hasa jinsi mwanga unavyozidi na umbali unaoongezeka. Nishati tunayopokea ni inversely sawia na mraba wa umbali. Ikiwa, kwa mfano, tuna nyota mbili za mwanga sawa na moja ni mara mbili mbali kama nyingine, itaonekana mara nne zaidi kuliko ya karibu. Ikiwa ni mara tatu mbali, itaonekana mara tisa (tatu za mraba) dimmer, na kadhalika.
Ole, nyota si wote wana mwanga sawa. (Kwa kweli, tunafurahi sana kuhusu hilo kwa sababu kuwa na aina nyingi za nyota hufanya ulimwengu uwe mahali pa kuvutia zaidi.) Lakini hii inamaanisha kuwa kama nyota ikionekana hafifu angani, hatuwezi kujua kama inaonekana hafifu kwa sababu ina mwanga mdogo lakini iko karibu kiasi, au kwa sababu ina mwangaza wa juu lakini iko mbali sana. Ili kupima luminosities ya nyota, lazima kwanza tufidia madhara ya dimming ya umbali juu ya mwanga, na kufanya hivyo, lazima tujue jinsi mbali. Umbali ni kati ya magumu zaidi ya vipimo vyote vya astronomia. Tutarudi jinsi inavyoamua baada ya kujifunza zaidi kuhusu nyota. Kwa sasa, tutaelezea jinsi wanaastronomia wanavyobainisha mwangaza unaoonekana wa nyota.
Kiwango cha ukubwa
Mchakato wa kupima mwangaza dhahiri wa nyota huitwa photometry (kutoka picha ya Kigiriki inayomaanisha “mwanga” na — metry inayomaanisha “kupima”). Kama tulivyoona Kuchunguza Anga: Kuzaliwa kwa Astronomia, photometry ya nyota ilianza na Hipparchus. Karibu 150 B.C.E., alijenga uchunguzi katika kisiwa cha Rhodes katika Mediterranean. Hapo alitayarisha orodha ya nyota karibu 1000 iliyojumuisha si nafasi zao tu bali pia makadirio ya mwangaza wao dhahiri.
Hipparchus hakuwa na darubini au chombo chochote kilichoweza kupima mwangaza dhahiri kwa usahihi, hivyo alifanya makadirio tu kwa macho yake. Alipanga nyota katika makundi sita ya mwangaza, ambayo kila mmoja aliita ukubwa. Alitaja nyota angavu zaidi katika orodha yake kama nyota za ukubwa wa kwanza, ambapo zile zenye kuzimia sana aliweza kuziona ni nyota za ukubwa wa sita. Wakati wa karne ya kumi na tisa wanaastronomia walijaribu kufanya kiwango hicho kuwa sahihi zaidi kwa kuanzisha kiasi gani mwangaza unaoonekana wa nyota ya ukubwa wa sita unatofautiana na ule wa nyota yenye ukubwa wa kwanza. Vipimo vilionyesha kwamba tunapokea nuru zaidi ya mara 100 kutoka nyota ya ukubwa wa kwanza kuliko nyota ya ukubwa wa sita. Kulingana na kipimo hiki, wanaastronomia kisha walifafanua mfumo wa ukubwa sahihi ambapo tofauti ya magnitudes tano inalingana hasa na uwiano wa mwangaza wa 100:1. Kwa kuongeza, ukubwa wa nyota umepungua; kwa mfano, nyota si “nyota ya ukubwa wa pili tu,” ina ukubwa wa 2.0 (au 2.1, 2.3, na kadhalika). Hivyo ni idadi gani kwamba, wakati kuzidisha pamoja mara tano, inakupa sababu hii ya 100? Kucheza kwenye calculator yako na kuona kama unaweza kupata hiyo. Jibu linageuka kuwa karibu 2.5, ambayo ni mizizi ya tano ya 100. Hii inamaanisha kuwa nyota ya ukubwa 1.0 na ukubwa wa nyota 2.0 hutofautiana katika mwangaza kwa sababu ya takriban 2.5. Vivyo hivyo, tunapokea nuru takriban mara 2.5 kutoka nyota yenye ukubwa 2.0 kama kutoka nyota yenye ukubwa 3.0. Nini kuhusu tofauti kati ya nyota ya ukubwa wa 1.0 na nyota ya ukubwa 3.0? Kwa kuwa tofauti ni mara 2.5 kwa kila “hatua” ya ukubwa, tofauti ya jumla katika mwangaza ni 2.5 × 2.5 = mara 6.25.
Hapa ni sheria chache ya thumb ambayo inaweza kusaidia wale mpya kwa mfumo huu. Ikiwa nyota mbili zinatofautiana na ukubwa wa 0.75, zinatofautiana kwa sababu ya takriban 2 katika mwangaza. Ikiwa ni tofauti ya ukubwa 2.5, hutofautiana katika mwangaza kwa sababu ya 10, na tofauti ya ukubwa wa 4 inalingana na tofauti katika mwangaza wa kipengele cha 40.Unaweza kujiambia katika hatua hii, “Kwa nini wanaastronomia wanaendelea kutumia mfumo huu mgumu tangu zaidi ya miaka 2000 iliyopita?” Hilo ni swali bora na, kama tutakavyojadili, wanaastronomia leo wanaweza kutumia njia nyingine za kuonyesha jinsi nyota inavyoonekana angavu. Lakini kwa sababu mfumo huu bado unatumika katika vitabu vingi, chati za nyota, na programu za kompyuta, tulihisi kuwa tunatakiwa kuwatambulisha wanafunzi (japokuwa tulijaribiwa sana kuiacha.)
Nyota angavu zaidi, ambazo kwa kawaida zilitajwa kama nyota za ukubwa wa kwanza, kwa kweli zilitokea (zikipimwa kwa usahihi) zisizofanana na mwangaza. Kwa mfano, nyota angavu zaidi mbinguni, Sirius, inatupeleka mara 10 zaidi ya mwanga kama nyota ya ukubwa wa kwanza. Kwa kiwango cha kisasa cha ukubwa, Sirius, nyota yenye ukubwa mkali zaidi, imepewa ukubwa wa -1.5. Vitu vingine angani vinaweza kuonekana hata nyepesi. Venus katika angavu yake ni ya ukubwa -4.4, wakati Jua lina ukubwa wa -26.8. Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha ukubwa wa ukubwa ulioonekana kutoka mkali zaidi hadi wa kukata tamaa, pamoja na ukubwa halisi wa vitu kadhaa vinavyojulikana. Ukweli muhimu kukumbuka wakati wa kutumia ukubwa ni kwamba mfumo unarudi nyuma: ukubwa mkubwa, kupoteza kitu unachokiangalia.
Mfano\(\PageIndex{1}\): Ulinganisho wa Ukubwa
Hata wanasayansi hawawezi kuhesabu mizizi ya tano katika vichwa vyao, hivyo wanaastronomia wamefupisha majadiliano hapo juu katika mlinganisho ili kusaidia kuhesabu tofauti katika mwangaza kwa nyota zilizo na ukubwa tofauti. Ikiwa m 1 na m 2 ni ukubwa wa nyota mbili, basi tunaweza kuhesabu uwiano wa mwangaza wao\(\left( \frac{b_2}{b_1} \right)\) kwa kutumia equation hii:
\[m_1−m_2=2.5 \log \left( \frac{b_2}{b_1} \right) \text{ or } \frac{b_2}{b_1}=2.5^{m_1−m_2} \nonumber\]
Hapa kuna njia nyingine ya kuandika equation hii:
\[\frac{b_2}{b_1}= \left( 100^{0.2} \right)^{m_1−m_2} \nonumber\]
Hebu tufanye mfano halisi, ili tu kuonyesha jinsi hii inavyofanya kazi. Fikiria kwamba mwanaastronomia amegundua kitu maalum kuhusu nyota hafifu (ukubwa 8.5), na anataka kuwaambia wanafunzi wake ni kiasi gani cha nyota kilichopungua kuliko Sirius. Nyota 1 katika equation itakuwa nyota yetu hafifu na nyota 2 itakuwa Sirius.
Suluhisho
Kumbuka, Sirius ana ukubwa wa -1.5. Katika kesi hiyo:
\[\begin{aligned} \frac{b_2}{b_1} & = \left( 100^{0.2} \right)^{8.5−(−1.5)} =\left( 100^{0.2} \right)^{10} \\ ~ & =(100)^2=100×100=10,000 \end{aligned} \nonumber\]
Zoezi\(\PageIndex{1}\)
Ni wazo lisilo la kawaida kuwa Polaris (ukubwa 2.0) ni nyota angavu zaidi angani, lakini, kama tulivyoona, tofauti hiyo ni ya Sirius (ukubwa wa -1.5). Je, mwangaza wa Sirius unalinganishaje na ule wa Polaris?
- Jibu
-
\[ \frac{b_{\text{Sirius}}}{b_{\text{Polaris}}} = \left( 100^{0.2} \right)^{2.0−(−1.5)} = \left( 100^{0.2} \right)^{3.5} =100^{0.7}=25 \nonumber\]
(Kidokezo: Ikiwa una calculator ya msingi tu, unaweza kujiuliza jinsi ya kuchukua 100 hadi nguvu ya 0.7. Lakini hii ni kitu unaweza kuuliza Google kufanya. Google sasa inakubali maswali ya hisabati na itawajibu. Kwa hiyo jaribu mwenyewe. Uliza Google, “Ni nini 100 hadi nguvu ya 0.7?”)
Hesabu yetu inaonyesha kwamba mwangaza wa Sirio unaoonekana ni mara 25 zaidi kuliko mwangaza wa Polaris unaoonekana.
Vitengo vingine vya Mwangaza
Ingawa kiwango cha ukubwa bado kinatumika kwa astronomia ya kuona, haitumiwi kabisa katika matawi mapya ya shamba. Katika astronomia ya redio, kwa mfano, hakuna sawa na mfumo wa ukubwa umeelezwa. Badala yake, wanaastronomia wa redio hupima kiasi cha nishati kinachokusanywa kila sekunde kwa kila mita ya mraba ya darubini ya redio na kueleza mwangaza wa kila chanzo kwa suala la, kwa mfano wati kwa kila mita ya mraba.
Vilevile, watafiti wengi katika nyanja za astronomia ya infrared, X-ray, na gamma-ray hutumia nishati kwa kila eneo kwa pili badala ya magnitudes kueleza matokeo ya vipimo vyao. Hata hivyo, wanaastronomia katika nyanja zote ni makini kutofautisha kati ya mwanga wa chanzo (hata wakati huo mwanga wote ni katika X-rays) na kiasi cha nishati kinachotokea kutufikia duniani. Baada ya yote, mwanga ni tabia muhimu sana ambayo inatuambia mengi juu ya kitu kilicho katika swali, wakati nishati inayofikia Dunia ni ajali ya jiografia ya cosmic.
Ili kufanya kulinganisha kati ya nyota iwe rahisi, katika maandishi haya, tunaepuka matumizi ya ukubwa iwezekanavyo na tutaonyesha mwanga wa nyota nyingine kulingana na mwanga wa Jua. Kwa mfano, mwanga wa Sirius ni mara 25 ule wa Jua. Tunatumia ishara\(L_{Sun}\) kuashiria mwanga wa Jua; kwa hiyo, ile ya Sirius inaweza kuandikwa kama 25\(L_{Sun}\).
Muhtasari
Nishati ya jumla iliyotolewa kwa sekunde na nyota inaitwa mwanga wake. Jinsi nyota inavyoonekana angavu kutokana na mtazamo wa Dunia ni mwangaza wake dhahiri. Mwangaza unaoonekana wa nyota unategemea mwanga wake wote na umbali wake kutoka Dunia. Hivyo, uamuzi wa mwangaza dhahiri na kipimo cha umbali wa nyota hutoa taarifa za kutosha kuhesabu mwanga wake. Mwangaza unaoonekana wa nyota mara nyingi huonyeshwa kwa suala la ukubwa, ambayo ni mfumo wa zamani kulingana na jinsi maono ya binadamu yanavyotafsiri kiwango cha mwanga wa jamaa.
faharasa
- mwangaza dhahiri
- kipimo cha kiasi cha nuru inayopokelewa na Dunia kutoka nyota au kitu kingine—yaani jinsi kitu kinavyoonekana angavu angani, kama ikilinganishwa na mwangaza wake.
- angavu
- kiwango ambacho nyota au kitu kingine hutoa nishati ya umeme katika nafasi; pato la jumla la nguvu la kitu
- ukuu
- mfumo wa zamani wa kupima kiasi cha nuru tunayopokea kutoka nyota au kitu kingine cha kuangaza; ukubwa mkubwa, mionzi ndogo tunayopokea kutoka kwa kitu