Выбрать главу

Если коэффициент поглощения не зависит от частоты, то формула (4.12) принимает вид

ε

ν

=

α

2ℎν³

𝑐²

1

exp(ℎν/(𝑘𝑇))-1

.

(4.13)

Интегрируя (4.13) по всем частотам, получаем

ε

=

α

𝑎𝑐

𝑇⁴

,

(4.14)

где принято во внимание (4.9). Как и в § 2, обозначим ε=α𝑆. Величина 𝑆 была найдена в теории лучистого равновесия как функция от оптической глубины τ. Поэтому имеем

𝑆(τ)

=

𝑎𝑐

𝑇⁴

.

(4.15)

Этой формулой и даётся связь температуры с оптической глубиной.

Если величина 𝑆(τ) найдена в приближении Эддингтона, то она определяется формулой (2.33). В этом случае получаем

𝑎𝑐

𝑇⁴

=

𝑛𝐹

1

2

+

3

4

τ

.

(4.16)

Взяв для 𝑆(τ) точное выражение, даваемое формулой (2.50), находим

𝑎𝑐

𝑇⁴

=

𝑛𝐹

3

4

τ

+

𝑞(τ)

.

(4.17)

Входящая в формулы (4.16) и (4.17) величина 𝑛𝐹 есть полный поток излучения в фотосфере. Его удобно представить как полный поток излучения абсолютно чёрного тела некоторой температуры 𝑇𝑒 т.е., основываясь на формуле (4.10), положить

𝑛𝐹

=

σ𝑇

4

𝑒

,

(4.18)

где σ=𝑎𝑐/4. Температура 𝑇𝑒 называется эффективной температурой звезды. Со светимостью звезды 𝐿 и её радиусом 𝑅 она связана соотношением

𝐿

=

𝑅²

σ𝑇

4

𝑒

.

(4.19)

Подстановка (4.18) в формулы (4.16) и (4.17) даёт

𝑇⁴

=

𝑇

4

𝑒

1

2

+

3

4

τ

,

(4.20)

𝑇⁴

=

𝑇

4

𝑒

τ

+

𝑞(τ)

.

(4.21)

Полагая в полученных формулах τ=0, мы можем определить поверхностную температуру 𝑇₀. В приближении Эддингтона находим

𝑇₀

=

2⁻¹

/

𝑇

𝑒

=

0,841

𝑇

𝑒

.

(4.22)

Точная связь между 𝑇₀ и 𝑇𝑒 такова:

𝑇₀

=

√3

4

⎞¹/₄

𝑇

𝑒

=

0,811

𝑇

𝑒

.

(4.23)

Положив в тех же формулах 𝑇=𝑇𝑒, мы находим оптическую глубину, соответствующую эффективной температуре звезды. Она получается равной τ=²/₃ по формуле (4.20) и τ=0,64 по формуле (4.21).

3. Излучение, выходящее из фотосферы.

Чтобы определить поле излучения в фотосфере для разных частот, мы должны воспользоваться уравнением переноса излучения

cosθ

𝑑𝐼ν

𝑑𝑟

=-

α

ν

𝐼

ν

+

ε

ν

.

(4.24)

Полагая здесь

εν

αν

=

𝑆

ν

(4.25)

и вводя оптическую глубину в фотосфере в частоте ν

τ

ν

=

𝑟

α

ν

𝑑𝑟

,

(4.26)

вместо (4.24) получаем

cosθ

𝑑𝐼νν,θ)

𝑑τν

=

𝐼

ν

ν

,θ)

-

𝑆

ν

ν

)

.

(4.27)

Интегрируя уравнение (4.27), можно найти интенсивность излучения на разных оптических глубинах. Для нас наибольший интерес представляет интенсивность излучения, выходящего из звезды, т.е. величина 𝐼ν(0,θ). Эта величина равна

𝐼

ν

(0,θ)

=

0

𝑆

ν

ν

)

𝑒

νsecθ

secθ

𝑑τ

ν

.

(4.28)

Формула (4.28) есть простое следствие уравнения переноса излучения. Воспользуемся теперь предположением о локальном термодинамическом равновесии. Сравнивая между собой формулы (4.25) и (4.1), мы видим, что при этом предположении

𝑆

ν

ν

)

=

𝐵

ν

(𝑇)

,

(4.29)

где 𝐵ν(𝑇) — интенсивность излучения абсолютно чёрного тела, даваемая формулой (4.2). Поэтому в случае локального термодинамического равновесия вместо (4.28) получаем

𝐼

ν

(0,θ)

=

0

𝐵

ν

(𝑇)

𝑒

νsecθ

secθ

𝑑τ

ν

.

(4.30)

или

𝐼

ν

(0,θ)

=

2ℎν³

𝑐²

0

𝑒νsecθsecθ𝑑τν

𝑒ℎν/(𝑘𝑇)-1

(4.31)

Формула (4.31) даёт интенсивность излучения частоты ν, выходящего из звезды под углом θ к радиусу-вектору. Вместе с тем она даёт яркость диска звезды в частоте ν на угловом расстоянии θ от центра диска (см. § 2).

Величина 𝐼ν(0,θ) может быть найдена из наблюдений Солнца и затменных переменных. Из наблюдений других звёзд получается лишь величина, пропорциональная потоку излучения 𝐻ν с поверхности звезды. Точнее говоря, эти наблюдения дают освещённость от звезды, равную

ν

=

𝐿ν

4π𝑟²

(4.32)

где ℰν — светимость звезды в частоте ν и 𝑟 — расстояние от звезды до наблюдателя. Но

ν

=

4π𝑅²

𝐻

ν

,

(4.33)

где 𝑅 — радиус звезды. Поэтому имеем

ν

=

𝑅

𝑟

⎞²

𝐻

ν

.

(4.34)

Таким образом, поток излучения 𝐻ν характеризует относительное распределение энергии в спектре звезды.