Что происходит со звездами в конце жизни. Цикл жизни звезды
Вглядываясь в глубины Вселенной, астрономы исследуют столкновение различных космических сил. Смерть звезды приоткрыла нам завесу пределов времени и пространства. Современная астрономия позволила увидеть совершенно иную Вселенную: кипящую и неукротимую. Зрелище сопровождаемое предсмертной агонией гигантской звезды. Поверхность ее похожа на бушующее море огня, покрытого всплесками раскаленного газа. Вздымающиеся волны образуют цунами высотой в тысячу метров. В атмосферу взмывают огромные газовые шлейфы, которые больше . В глубинах звезды начался процесс разрушения. Это приводит к взрыву и рождению сверхновой. На ее месте остаются лишь цветные нити и светящиеся облака газов.
Удивительно то, что гибель одной звезды, порождает целое поколение новых звезд. Подобная смена гибели и рождения, определяет всю историю нашей галактики – Млечного пути и миллиарды таких же галактик во .
Наше представление о космосе сформировано редкими взрывами звезд, достаточно яркими, чтобы увидеть их невооруженным взглядом.
В 1054 году, звездочеты Северной Америки обнаружили сверхновую, наблюдая за полумесяцем. Это же событие наблюдали в Китае, Корее, на Ближнем Востоке.
Астроном Тихо Браги, наблюдал подобное явление в 1572 году. Он писал об этом: «Я был настолько поражен этим зрелищем, что не постыдился подвергнуть сомнению то, что видели мои собственные глаза»
Следующий случай, в 1604 году, описал Иоганн Кеплер. Галилей на этом сделал обоснование для нового подхода к , взяв за идею изменение как фундаментальную составляющую космоса.
Чтобы понять, как звезды формируют Вселенную, ученые используют целый арсенал новейших . От гигантских телескопов, расположенных высоко в горах, до целой армады спутников в космосе. Глядя на звезды в телескопы, мы видим . Но это лишь маленькая толика того, что известно, как электромагнитный спектр.
На одном конце спектра находится короткое высокоэнергетичные рентгеновское и гамма излучение. На другом, длинные, низкоэнергетичные радиоволны, ультракороткие волны. Для сбора сигналов, испускаемых звездами в отдаленных уголках галактики, используется несметное количество радиотелескопов. Они помогают ученым рассмотреть объекты сквозь толщу туманностей и газовых скоплений.
На другом конце спектра располагаются ультрафиолетовые рентгеновские и гамма лучи. Коротковолновое рентгеновское излучение позволяет врачам просветить наши тела и увидеть переломы костей. Астрономы же ищут его в космосе, как свидетельства самых бурно протекающих процессов.
Крабовидная туманность – это оболочка сверхновой, которую наблюдали в разных местах в 1054 году. Ученые сосредоточили свое внимание на глубинной части пульсара. Они зафиксировали всплески радиации, которые оставили круглые следы в окружающем газовом облаке. Некоторые погибающие звезды ожидает крайне странная судьба. Вселенная рождает монстров.
Альберт Эйнштейн предположил, что есть звезды с такой гравитацией, которая не позволяет прорваться даже свету. Но он отклонил эту идею, как невозможную. Что когда-то было за гранью понимания – сейчас определяет границу . Астрономы считают, что когда врывается большая звезда, в ее ядро проникает столько материи, что она может покинуть Вселенную. Но последнее слово за гравитацией.
Пользуясь преимуществами земли, мы можем охарактеризовать Вселенную по известным нам критериям, включая формы света электромагнитного спектра. Однако с этим не согласны. Как можно определить объект, который не дает света?
Астрономы нашли ответ во вспышке гамма излучения, направленного в центр нашей галактики. Радиотелескопы сконцентрировались на источники и обнаружили потоки материи в двух направлениях. И вот что они увидели.
Черная дыра, испускающая потоки газа с внешних слоев звезды. Они образуют вращающийся диск. Он формирует магнитные поля, которые вращаясь, образуют два высокоэнергетичных луча, или потока, из, проходящих сквозь них, материи.
Астрономы знают, что черные дыры способны сконцентрировать в этих потоках огромное количество энергии в мгновение ока. Одна из них, известная под названием «GROJ 1655-40», несется сквозь Вселенную на скорости 400 тысяч километров в час. В четыре раза быстрее, чем другие звезды. Это подобно выстрелу из пушки, произведенному одной из Сверхновых.
Черные дыры, благодаря способности мобилизовать огромное количество энергии, интересуют нас не только из любопытства. Есть категория дыр, существующих с незапамятных . С тех пор, когда первые звезды только зарождались. Когда те первородные гиганты погибали, они рождали черные дыры.
Гравитация подпитывала черные дыры космическим веществом и газом. Вещество превратилось впервые галактики, которые переросли в крупные. Некоторые из них достигли массы, в миллиарды раз превышающие массу Солнца.
Испуская энергетические потоки, они разогревали окружение галактик. Это останавливало струю газа в центральной галактике, замедляя ее рост, и, провоцируя рост периферийных галактик. Но на этом воздействие черных дыр не заканчивалось.
Галактическое скопление, называемое «Гидра А», окружено раскаленными впадинами, испускающими рентгеновское излучение. Из центральной галактики вырывается поток, видимый в радиоволновом спектре. Газ по краям этого потока содержит большое количество ионов железа, и других металлов, рожденных взрывом сверхновой. Выталкивая эти металлы на края Вселенной, черные дыры насыщают отдаленные галактики элементами, необходимыми для формирования звезд и планетарных систем, подобных нашей.
Исполинские черные дыры наблюдаются почти во всех галактиках во Вселенной. Так же отмечается и рост числа мощных энергетических потоков.
Нам досталось роль наблюдателей за тернистым жизненным циклом звезд. Находясь на колоссальном удалении от них во времени и пространстве, нам очень многое непонятно.
Запуск в 1977 году, заметно сократил это расстояние. После обследования самых далеких планет Солнечной системы и их спутников, эти аппараты направляются к внешним пределам нашей системы, на десятки миллиардов километров от Земли. Двигаясь со скоростью 16 километров в секунду, Вояджер2 покроет расстояние в четыре световых года и достигнет одной из ближайших к нам звезд – Сириуса, через 290 тысяч лет.
Наблюдая из нашего тихого уголка в галактике, мы поняли, что звезды не только освещают Вселенную, но и насыщают ее материей, необходимой для жизни. Наблюдая за гибелью звезды во взрыве, мы приобретаем понимание той силы, которая образует Вселенную и меняет миры, подобные нашему собственному миру.
Термоядерный синтез в недрах звёзд
В это время для звёзд массой больше, чем 0.8 масс Солнца, ядро становится прозрачным для излучения, и возобладает лучистый перенос энергии в ядре, а наверху оболочка остается конвективной. Какими прибывают на главную последовательность звёзды меньшей массы, достоверно никто не знает, так как время нахождения этих звёзд в разряде молодых превышает возраст Вселенной. Все наши представления об эволюции этих звёзд держатся на численных расчетах.
По мере сжатия звезды, начинает увеличиваться давление вырожденного электронного газа и на каком-то радиусе звезды это давление останавливает рост центральной температуры, а затем начинает ее понижать. И для звёзд меньше 0.08 это оказывается фатальным: выделяющейся энергии в ходе ядерных реакций никогда не хватит, чтобы покрыть расходы на излучение. Такие недо-звёзды получили название коричневые карлики , и их судьба - это постоянное сжатие, пока давление вырожденного газа не остановит его, а затем - постепенное остывание с остановкой всех ядерных реакций.
Молодые звёзды промежуточной массы
Молодые звёзды промежуточной массы (от 2 до 8 массы Солнца) качественно эволюционируют точно так же, как и их меньшие сестры, за тем исключением, что в них нет конвективных зон вплоть до главной последовательности.
Объекты этого типа ассоциируются с т. н. звёздами Ae\Be Хербита неправильными переменными спектрального типа B-F5. У них также наблюдаются диски биполярные джеты. Скорость истечения, светимость и эффективная температура существенно больше, чем для τ Тельца , поэтому они эффективно нагревают и рассеивают остатки протозвёздного облака.
Молодые звёзды с массой больше 8 солнечных масс
На самом деле это уже нормальные звёзды. Пока накапливалась масса гидростатического ядра, звезда успела проскочить все промежуточные стадии и разогреть ядерные реакции до такой степени, чтоб они компенсировали потери на излучение. У данных звёзд истечения массы и светимость настолько велика, что не просто останавливает коллапсирование оставшихся внешних областей, но толкает их обратно. Таким образом, масса образовавшейся звезды заметно меньше массы протозвёздного облака. Скорее всего этим и объясняется отсутствие в нашей галактике звёзд больше чем 100-200 массы Солнца.
Середина жизненного цикла звезды
Среди сформировавшихся звёзд встречается огромное многообразие цветов и размеров. По спектральному классу они варьируются от горячих голубых до холодных красных, по массе - от 0,08 до более чем 200 солнечных масс. Светимость и цвет звезды зависит от температуры её поверхности, которая, в свою очередь, определяется массой. Все, новые звезды «занимают своё место» на главной последовательности согласно своему химическому составу и массе. Речь не идёт о физическом перемещении звезды - только о её положении на указанной диаграмме, зависящем от параметров звезды. То есть, речь идёт, фактически, лишь об изменении параметров звезды.
То, что происходит в дальнейшем, вновь зависит от массы звезды.
Поздние годы и гибель звёзд
Старые звёзды с малой массой
На сегодняшний день достоверно неизвестно, что происходит с лёгкими звёздами после истощения запаса водорода. Поскольку возраст вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звёздах.
Некоторые звёзды могут синтезировать гелий лишь в некоторых активных участках, что вызывает нестабильность и сильные солнечные ветры . В этом случае образования планетарной туманности не происходит, а звезда лишь испаряется, становясь даже меньше чем коричневый карлик .
Но звезда с массой менее 0,5 солнечной никогда не будет в состоянии синтезировать гелий даже после того, как в ядре прекратятся реакции с участием водорода. Звёздная оболочка у них недостаточно массивна, чтобы преодолеть давление, производимое ядром. К таким звёздам относятся красные карлики (такие как Проксима Центавра), срок пребывания которых на главной последовательности составляет сотни миллиардов лет. После прекращения в их ядре термоядерных реакций, они, постепенно остывая, будут продолжать слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра .
Звёзды среднего размера
При достижении звездой средней величины (от 0,4 до 3,4 солнечных масс) фазы красного гиганта , её внешние слои продолжают расширяться, ядро сжиматься, и начинаются реакции синтеза углерода из гелия . Синтез высвобождает много энергии, давая звезде временную отсрочку. Для звезды по размеру схожей с Солнцем, этот процесс может занять около миллиарда лет.
Изменения в величине испускаемой энергии заставляют звезду пройти через периоды нестабильности, включающие в себя перемены в размере, температуре поверхности и выпуске энергии. Выпуск энергии смещается в сторону низкочастотного излучения. Все это сопровождается нарастающей потерей массы вследствие сильных солнечных ветров и интенсивных пульсаций. Звёзды, находящиеся в этой фазе, получили название звёзд позднего типа , OH -IR звёзд или Мира-подобных звёзд, в зависимости от их точных характеристик. Выбрасываемый газ относительно богат тяжёлыми элементами, производимыми в недрах звезды, такими как кислород и углерод . Газ образует расширяющуюся оболочку и охлаждается по мере удаления от звезды, делая возможным образование частиц пыли и молекул. При сильном инфракрасном излучении центральной звезды в таких оболочках формируются идеальные условия для активизации мазеров .
Реакции сжигания гелия очень чувствительны к температуре. Иногда это приводит к большой нестабильности. Возникают сильнейшие пульсации, которые в конечном итоге сообщают внешним слоям достаточно кинетической энергии , чтобы быть выброшенными и превратиться в планетарную туманность . В центре туманности остаётся ядро звезды, которое, остывая, превращается в гелиевый белый карлик , как правило, имеющий массу до 0,5-0,6 солнечных и диаметр порядка диаметра Земли .
Белые карлики
Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию . В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды , звезду называют белым карликом . Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.
У звезд более массивных, чем Солнце , давление вырожденных электронов не может сдержать сжатие ядра, и оно продолжается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны , упакованные так плотно, что размер звезды измеряется километрами, а плотность в 100 млн раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой ; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества.
Сверхмассивные звёзды
После того, как внешние слои звезды, с массой большей чем пять солнечных, разлетелись образовав красный сверхгигант , ядро вследствие сил гравитации начинает сжиматься. По мере сжатия увеличиваются температура и плотность, и начинается новая последовательность термоядерных реакций. В таких реакциях синтезируются тяжёлые элементы, что временно сдерживает коллапс ядра.
В конечном итоге, по мере образования всё более тяжёлых элементов периодической системы , из кремния синтезируется железо -56. Вплоть до этого момента синтез элементов высвобождал большое количество энергии, однако именно ядро железа -56 обладает максимальным дефектом массы и образование более тяжёлых ядер невыгодно. Поэтому когда железное ядро звезды достигает определённой величины, то давление в нём уже не в состоянии противостоять колоссальной силе гравитации, и происходит незамедлительный коллапс ядра с нейтронизацией его вещества.
То что происходит в дальнейшем, не до конца ясно. Но что бы это ни было, это в считанные секунды приводит к взрыву сверхновой звезды невероятной силы.
Сопутствующий этому всплеск нейтрино провоцирует ударную волну . Сильные струи нейтрино и вращающееся магнитное поле выталкивают большую часть накопленного звездой материала - так называемые рассадочные элементы, включая железо и более лёгкие элементы. Разлетающаяся материя бомбардируется вырываемыми из ядра нейтронами, захватывая их и тем самым создавая набор элементов тяжелее железа, включая радиоактивные, вплоть до урана (а возможно, даже до калифорния). Таким образом, взрывы сверхновых объясняют наличие в межзвёздном веществе элементов тяжелее железа.
Взрывная волна и струи нейтрино уносят материал прочь от умирающей звезды в межзвёздное пространство. В последующем, перемещаясь по космосу, этот материал сверхновой может столкнуться с другим космическим мусором, и возможно, участвовать в образовании новых звёзд, планет или спутников.
Процессы, протекающие при образовании сверхновой, до сих пор изучаются, и пока в этом вопросе нет ясности. Также стоит под вопросом, что же на самом деле остаётся от изначальной звезды. Тем не менее, рассматриваются два варианта:
Нейтронные звёзды
Известно, что в некоторых сверхновых сильная гравитация в недрах сверхгиганта заставляет электроны упасть на атомное ядро, где они, сливаясь с протонами , образуют нейтроны . Электромагнитные силы, разделяющие близлежащие ядра, исчезают. Ядро звезды теперь представляет собой плотный шар из атомных ядер и отдельных нейтронов.
Такие звёзды, известные, как нейтронные звёзды, чрезвычайно малы - не более размера крупного города, и имеют невообразимо высокую плотность. Период их обращения становится чрезвычайно мал по мере уменьшения размера звезды (благодаря сохранению момента импульса). Некоторые совершают 600 оборотов в секунду. Когда ось, соединяющая северный и южный магнитный полюса этой быстро вращающейся звезды, указывает на Землю, можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Такие нейтронные звезды получили название «пульсары », и стали первыми открытыми нейтронными звёздами.
Чёрные дыры
Далеко не все сверхновые становятся нейтронными звёздами. Если звезда обладает достаточно большой массой, то коллапс звезды продолжится и сами нейтроны начнут обрушиваться внутрь, пока её радиус не станет меньше Шварцшильдовского . После этого звезда становится чёрной дырой.
Существование чёрных дыр было предсказано общей теорией относительности . Согласно ОТО материя и информация не может покидать чёрную дыру ни при каких условиях. Тем не менее, квантовая механика делает возможным исключения из этого правила.
Остаётся ряд открытых вопросов. Главный среди них: «А есть ли черные дыры вообще?» Ведь чтобы сказать точно, что данный объект это черная дыра необходимо наблюдать его горизонт событий. Все попытки это сделать оканчивались провалом. Но надежда пока есть, так как некоторые объекты нельзя объяснить без привлечения аккреции , причем аккреции на объект без твердой поверхности, но само существование черных дыр это не доказывает.
Также открыты вопросы: возможен ли коллапс звезды непосредственно в чёрную дыру, минуя сверхновую? Существуют ли сверхновые, которые впоследствии станут чёрными дырами? Каково точное влияние изначальной массы звезды на формирование объектов в конце её жизненного цикла?
Примечания
См. также
Ссылки
- Эволюция звёзд (Физическая энциклопедия)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Эволюция звёзд" в других словарях:
- (от лат. evolutio развёртывание), в широком смысле синоним развития; процессы изменения (лреим. необратимого), протекающие в живой и неживой природе, а также в социальных системах. Э. может вести к усложнению, дифференциации, повышению… … Философская энциклопедия
Внутренняя жизнь звезды регулируется воздействием двух сил: силы притяжения, которая противодействует звезде, удерживает ее, и силы, освобождающейся при происходящих в ядре ядерных реакциях. Она, наоборот, стремится “вытолкнуть” звезду в дальнее пространство. Во время стадий формирования плотная и сжатая звезда находится под сильным воздействием гравитации. В результате происходит сильное нагревание, температура достигает 10-20 миллионов градусов. Этого достаточно для начала ядерных реакций, в результате которых водород превращается в гелий.
Затем в течении длительного периода две силы уравновешивают друг друга, звезда находится в стабильном состоянии. Когда ядерное горючее ядра понемногу иссякает, звезда вступает в фазу нестабильности, две силы противоборствуют. Для звезды наступает критический момент, в действие вступают самые разные факторы – температура, плотность, химический состав. На первое место выступает масса звезды, именно от нее зависит будущее этого небесного тела – или звезда вспыхнет, как сверхновая, или превратится в белого карлика, нейтронную звезду или в черную дыру.
Как иссякает водород
Только очень крупные среди небесных тел (примерно в 80 раз превышающие массу Юпитера) становятся звездами, меньшие (примерно в 17 раз меньше Юпитера) становятся планетами. Есть и тела средней массы, они слишком крупные, чтобы относиться к классу планет, и слишком маленькие и холодные для того, что бы в их недрах происходили ядерные реакции, характерные для звезд.
Эти небесные тела темного цвета обладают слабой светимостью, их довольно сложно различить на небе. Они получили название “коричневые карлики”.
Итак, звезда формируется из облаков, состоящих из межзвездного газа. Как уже отмечалось, довольно длительное время звезда пребывает в уравновешенном состоянии. Затем наступает период нестабильности. Дальнейшая судьба звезды зависит от различных факторов. Рассмотрим гипотетическую звезду небольшого размера, масса которой составляет от 0,1 до 4 солнечных масс. Характерной чертой звезд, имеющих малую массу, является отсутствие конвекции во внутренних слоях, т.е. вещества, входящие в состав звезды, не смешиваются, как это происходит у звезд, обладающих большой массой.
Это означает, что, когда водород в ядре заканчивается, новых запасов этого элемента во внешних слоях нет. Водород, сгорая, превращается в гелий. Понемногу ядро разогревается, поверхностные слои дестабилизируют собственную структуру, и звезда, как можно видеть по диаграмме Г-Р, медленно выходит из фазы Главной последовательности. В новой фазе плотность материи внутри звезды повышается, состав ядра “дегенерирует”, в результате появляется особая консистенция. Она отличается от нормальной материи.
Видоизменение материи
Когда материя видоизменяется, давление зависит только от плотности газов, а не от температуры.
На диаграмме Герцшпрунга – Ресселла звезда сдвигается вправо, а затем вверх, приближаясь к области красных гигантов. Ее размеры значительно увеличиваются, и из-за этого температура внешних слоев падает. Диаметр красного гиганта может достигать сотни миллионов километров. Когда наше войдёт в эту фазу, оно “проглотит” или и Венеру, а если не сможет захватить и Землю, то разогреет её до такой степени, что жизнь на нашей планете перестанет существовать.
За время эволюции звезды температура ее ядра повышается. Сначала происходят ядерные реакции, затем по достижении оптимальной температуры начинается плавление гелия. Когда это происходит, внезапное повышение температуры ядра вызывает вспышку, и звезда быстро перемещается в левую часть диаграммы Г-Р. Это так называемый “helium flash”. В это время ядро, содержащее гелий, сгорает вместе с водородом, который входит в состав оболочки, окружающей ядро. На диаграмме Г-Р эта стадия фиксируется продвижением вправо по горизонтальной линии.
Последние фазы эволюции
При трансформации гелия в углерод ядро видоизменяется. Его температура повышается до тех пор (если звезда крупная), пока углерод не начнет гореть. Происходит новая вспышка. В любом случае во время последних фаз эволюции звезды отмечается значительная потеря ее массы. Это может происходить постепенно или резко, во время вспышки, когда внешние слои звезды лопаются, как большой пузырь. В последнем случае образуется планетарная туманность – оболочка сферической формы, распространяющаяся в космическом пространстве со скоростью в несколько десятков или даже сотен км/сек.
Конечная судьба звезды зависит от массы, оставшейся после всего происходящего в ней. Если она во время всех превращений и вспышек выбросила много материи и ее масса не превышает 1,44 солнечной массы, звезда превращается в белого карлика. Эта цифра носит название “лимит Чандра - секара” в честь пакистанского астрофизика Субрахманьяна Чандрасекара. Это максимальная масса звезды, при которой катастрофический конец может не состоятся из-за давления электронов в ядре.
После вспышки внешних слоев ядро звезды остается, и его поверхностная температура очень высока – порядка 100 000 °К. Звезда двигается к левому краю диаграммы Г-Р и спускается вниз. Ее светимость уменьшается, так как уменьшаются размеры.
Звезда медленно доходит до зоны белых карликов. Это звезды небольшого диаметра (как наша ), но отличающиеся очень высокой плотностью, в полтора миллиона раз больше плотности воды. Кубический сантиметр вещества, из которого состоит белый карлик, на Земле весил бы около одной тонны!
Белый карлик представляет собой конечную стадию эволюции звезды, без вспышек. Она понемногу остывает.
Ученые полагают, что конец белого карлика проходит очень медленно, во всяком случае, с начала существования Вселенной, похоже, ни один белый карлик не пострадал от “термической смерти”.
Если же звезда крупная, и ее масса больше Солнца, она вспыхнет, как сверхновая. Во время вспышки звезда может разрушиться полностью или частично. В первом случае от нее останется облако газа с остаточными веществами звезды. Во втором – остается небесное тело высочайшей плотности – нейтронная звезда или черная дыра.
Часть первая АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ
4. Эволюция звезд Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу утверждения, что звезды образуются путем конденсации облаков газопылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд из этой среды продолжается и в настоящее время. Выяснение этого обстоятельства является одним из крупнейших достижений современной астрономии. Еще сравнительно недавно считали, что все звезды образовались почти одновременно много миллиардов лет назад. Крушению этих метафизических представлений способствовал, прежде всего, прогресс наблюдательной астрономии и развитие теории строения и эволюции звезд. В результате стало ясно, что многие наблюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли тогда, когда на Земле уже был человек. Важным аргументом в пользу вывода о том, что звезды образуются из межзвездной газопылевой среды, служит расположение групп заведомо молодых звезд (так называемых "ассоциаций") в спиральных ветвях Галактики. Дело в том, что согласно радиоастрономическим наблюдениям межзвездный газ концентрируется преимущественно в спиральных рукавах галактик. В частности, это имеет место и в нашей Галактике. Более того, из детальных "радиоизображений" некоторых близких к нам галактик следует, что наибольшая плотность межзвездного газа наблюдается на внутренних (по отношению к центру соответствующей галактики) краях спирали, что находит естественное объяснение, на деталях которого мы здесь останавливаться не можем. Но именно в этих частях спиралей наблюдаются методами оптической астрономии "зоны HII", т. е. облака ионизованного межзвездного газа. В гл. 3 уже говорилось, что причиной ионизации таких облаков может быть только ультрафиолетовое излучение массивных горячих звезд - объектов заведомо молодых (см. ниже). Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. В самом деле, откуда, например, берется огромное количество энергии, необходимой для поддержания излучения Солнца примерно на наблюдаемом уровне в течение нескольких миллиардов лет? Ежесекундно Солнце излучает 4х10 33 эрг, а за 3 млрд лет оно излучило 4х10 50 эрг. Несомненно, что возраст Солнца около 5 млрд лет. Это следует хотя бы из современных оценок возраста Земли различными радиоактивными методами. Вряд ли Солнце "моложе" Земли. В прошлом веке и в начале этого века предлагались различные гипотезы о природе источников энергии Солнца и звезд. Некоторые ученые, например, считали, что источником солнечной энергии является непрерывное выпадение на его поверхность метеорных тел, другие искали источник в непрерывном сжатии Солнца. Освобождающаяся при таком процессе потенциальная энергия могла бы, при некоторых условиях, перейти в излучение. Как мы увидим ниже, этот источник на раннем этапе эволюции звезды может быть довольно эффективным, но он никак не может обеспечить излучение Солнца в течение требуемого времени. Успехи ядерной физики позволили решить проблему источников звездной энергии еще в конце тридцатых годов нашего столетия. Таким источником являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при господствующей там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов Кельвинов). В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры, протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно "просачивается" сквозь недра звезд и в конце концов, значительно трансформированная, излучается в мировое пространство. Это исключительно мощный источник. Если предположить, что первоначально Солнце состояло только из водорода, который в результате термоядерных реакций целиком превратился в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 10 52 эрг. Таким образом, для поддержания излучения на наблюдаемом уровне в течение миллиардов лет достаточно, чтобы Солнце "израсходовало" не свыше 10% своего первоначального запаса водорода. Теперь мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газопылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Строго говоря, этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься. Некоторые астрономы раньше считали, что такие "протозвезды" наблюдаются в отдельных Туманностях в виде очень темных компактных образований, так называемых глобул (рис. 12). Успехи радиоастрономии, однако, заставили отказаться от такой довольно наивной точки зрения (см. ниже). Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам. Весьма вероятно, что на этом самом раннем этапе эволюции звезды вокруг нее образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты (см. гл. 9).Рис. 12. Глобулы в диффузионной туманности
При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы егo поверхности будет незначительным. Коль скоро поток излучения с единицы поверхности пропорционален четвертой степени температуры (закон Стефана - Больцмана), температура поверхностных слоев звезды сравнительно низка, между тем как ее светимость почти такая же, как у обычной звезды с той же массой. Поэтому на диаграмме "спектр - светимость" такие звезды расположатся вправо от главной последовательности, т. е. попадут в область красных гигантов или красных карликов, в зависимости от значений их первоначальных масс. В дальнейшем протозвезда продолжает сжиматься. Ее размеры становятся меньше, а поверхностная температура растет, вследствие чего спектр становится все более "ранним". Таким образом, двигаясь по диаграмме "спектр - светимость", протозвезда довольно быстро "сядет" на главную последовательность. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давление газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение и газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше - несколько сот миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезды обнаружить трудно. Все же звезды в такой стадии, по-видимому, наблюдаются. Мы имеем в виду очень интересные звезды типа Т Тельца, обычно погруженные в темные туманности. В 1966 г. совершенно неожиданно выявилась возможность наблюдать протозвезды на ранних стадиях их эволюции. Мы уже упоминали в третьей главе этой книги об открытии методом радиоастрономии ряда молекул в межзвездной среде, прежде всего гидроксила ОН и паров воды Н2О. Велико же было удивление радиоастрономов, когда при обзоре неба на волне 18 см, соответствующей радиолинии ОН, были обнаружены яркие, чрезвычайно компактные (т. е. имеющие малые угловые размеры) источники. Это было настолько неожиданно, что первое время отказывались даже верить, что столь яркие радиолинии могут принадлежать молекуле гидроксила. Была высказана гипотеза, что эти линии принадлежат какой-то неизвестной субстанции, которой сразу же дали "подходящее" имя "мистериум". Однако "мистериум" очень скоро разделил судьбу своих оптических "братьев" - "небулия" и "корония". Дело в том, что многие десятилетия яркие линии туманностей и солнечной короны не поддавались отождествлению с какими бы то ни было известными спектральными линиями. Поэтому их приписывали неким, неизвестным на земле, гипотетическим элементам - "небулию" и "коронию". Не будем снисходительно улыбаться над невежеством астрономов начала нашего века: ведь теории атома тогда еще не было! Развитие физики не оставило в периодической системе Менделеева места для экзотических "небожителей": в 1927 г. был развенчан "небулий", линии которого с полной надежностью были отождествлены с "запрещенными" линиями ионизованных кислорода и азота, а в 1939 -1941 гг. было убедительно показано, что загадочные линии "корония" принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция. Если для "развенчания" "небулия" и "кодония" потребовались десятилетия, то уже через несколько недель после открытия стало ясно, что линии "мистериума" принадлежат обыкновенному гидроксилу, но только находящемуся в необыкновенных условиях. Дальнейшие наблюдения, прежде всего, выявили, что источники "мистериума" имеют исключительно малые угловые размеры. Это было показано с помощью тогда еще нового, весьма эффективного метода исследовании, получившего название "радиоинтерферометрия на сверхдлинных базах". Суть метода сводится к одновременным наблюдениям источников на двух радиотелескопах, удаленных друг от друга на расстояния в несколько тысяч км. Как оказывается, угловое разрешение при этом определяется отношением длины волны к расстоянию между радиотелескопами. В нашем случае эта величина может быть ~3х10 -8 рад или несколько тысячных секунды дуги! Заметим, что в оптической астрономии такое угловое разрешение пока совершенно недостижимо. Такие наблюдения показали, что существуют по крайней мере три класса источников "мистериума". Нас здесь будут интересовать источники 1 класса. Всё они находятся внутри газовых ионизованных туманностей, например в знаменитой туманности Ориона. Как уже говорилось, их размеры чрезвычайно малы, во много тысяч раз меньше размеров туманности. Всего интереснее, что они обладают сложной пространственной структурой. Рассмотрим, например, источник, находящийся в туманности, получившей название W3.
Рис. 13. Профили четырех компонент линии гидроксила
На рис. 13 приведен профиль линии ОН, излучаемый этим источником. Как видим, он состоит из большого количества узких ярких линий. Каждой линии соответствует определенная скорость движения по лучу зрения излучающего эту линию облака. Величина этой скорости определяется эффектом Доплера. Различие скоростей (по лучу зрения) между различными облаками достигает ~10 км/с. Упомянутые выше интерферометрические наблюдения показали, что облака, излучающие каждую линию, пространственно не совпадают. Картина получается такая: внутри области размером приблизительно 1,5 секунды дуги движутся с разными скоростями около 10 компактных облаков. Каждое облако излучает одну определенную (по частоте) линию. Угловые размеры облаков очень малы, порядка нескольких тысячных секунды дуги. Так как расстояние до туманности W3 известно (около 2000 пк), то угловые размеры легко могут быть переведены в линейные. Оказывается, что линейные размеры области, в которой движутся облака, порядка 10 -2 пк, а размеры каждого облака всего лишь на порядок величины больше расстояния от Земли до Солнца. Возникают вопросы: что это за облака и почему они так сильно излучают в радиолиниях гидроксила? На второй вопрос ответ был получен довольно скоро. Оказалось, что механизм излучения вполне подобен тому, который наблюдался в лабораторных мазерах и лазерах. Итак, источники "мистериума" - это гигантские, природные космические мазеры, работающие на волне линии гидроксила, длина которой 18 см. Именно в мазерах (а на оптических и инфракрасных частотах - в лазерах) достигается огромная яркость в линии, причем спектральная ширина ее мала. Как известно, усиление излучения в линиях благодаря такому эффекту возможно тогда, когда среда, в которой распространяется излучение, каким-либо способом "активирована". Это означает, что некоторый "сторонний" источник энергии (так называемая "накачка") делает концентрацию атомов или молекул на исходном (верхнем) уровне аномально высокой. Без постоянно действующей "накачки" мазер или лазер невозможны. Вопрос о природе механизма "накачки" космических мазеров пока еще окончательно не решен. Однако скорее всего "накачкой" служит достаточно мощное инфракрасное излучение. Другим возможным механизмом "накачки" могут быть некоторые химические реакции. Стоит прервать наш рассказ о космических мазерах для того, чтобы подумать, с какими удивительными явлениями сталкиваются астрономы в космосе. Одно из величайших технических изобретений нашего бурного века, играющее немалую роль в переживаемой нами теперь научно-технической революции, запросто реализуется в естественных условиях и притом - в громадном масштабе! Поток радиоизлучения от некоторых космических мазеров настолько велик, что мог бы быть обнаружен даже при техническом уровне радиоастрономии лет 35 тому назад, т. е. еще до изобретения мазеров и лазеров! Для этого надо было "только" знать точную длину волны радиолинии ОН и заинтересоваться проблемой. Кстати, это не первый случай, когда в естественных условиях реализуются важнейшие научно-технические проблемы, стоящие перед человечеством. Термоядерные реакции, поддерживающие излучение Солнца и звезд (см. ниже), стимулировали разработку и осуществление проектов получения на Земле ядерного "горючего", которое в будущем должно решить все наши энергетические проблемы. Увы, мы пока еще далеки от решения этой важнейшей задачи, которую природа решила "запросто". Полтора века тому назад основатель волновой теории света Френель заметил (по другому поводу, конечно): "Природа смеется над нашими трудностями". Как видим, замечание Френеля еще более справедливо в наши дни. Вернемся, однако, к космическим мазерам. Хотя механизм "накачки" этих мазеров пока еще не совсем ясен, все же можно составить себе грубое представление о физических условиях в облаках, излучающих мазерным механизмом линию 18 см. Прежде всего, оказывается, что эти облака довольно плотны: в кубическом сантиметре там имеется по крайней мере 10 8 -10 9 частиц, причем существенная (а может быть и большая) часть их - молекулы. Температура вряд ли превышает две тысячи кельвинов, скорее всего она порядка 1000 Кельвинов. Эти свойства резко отличны от свойств даже самых плотных облаков межзвездного газа. Учитывая еще сравнительно небольшие размеры облаков, мы невольно приходим к выводу, что они скорее напоминают протяженные, довольно холодные атмосферы звезд - сверхгигантов. Очень похоже, что эти облака есть не что иное, как ранняя стадия развития протозвезд, следующая сразу за их конденсацией из межзвездной среды. В пользу этого утверждения (которое автор этой книги высказал еще в 1966 г.) говорят и другие факты. В туманностях, где наблюдаются космические мазеры, видны молодые горячие звезды (см. ниже). Следовательно, там недавно закончился и, скорее всего, продолжается и в настоящее время, процесс звездообразования. Пожалуй, самое любопытное это то, что, как показывают радиоастрономические наблюдения, космические мазеры этого типа как бы "погружены" в небольшие, очень плотные облака ионизованного водорода. В этих облаках имеется много космической пыли, что делает их ненаблюдаемыми в оптическом диапазоне. Такие "коконы" ионизуются молодой, горячей звездой, находящейся внутри них. При исследовании процессов звездообразования весьма полезной оказалась инфракрасная астрономия. Ведь для инфракрасных лучей межзвездное поглощение света не так существенно. Мы можем теперь представить следующую картину: из облака межзвездной среды, путем его конденсации, образуется несколько сгустков разной массы, эволюционирующих в протозвезды. Скорость эволюции -различна: для более массивных сгустков она будет больше (см. дальше табл. 2). Поэтому раньше всего превратится в горячую звезду наиболее массивной сгусток, между тем как остальные будут более или менее долго задерживаться на стадии протозвезды. Их-то мы и наблюдаем как источники мазерного излучения в непосредственной близости от "новорожденной" горячей звезды, ионизующей не сконденсировавший в сгустки водород "кокона". Разумеется, эта грубая схема будет в дальнейшем уточняться, причем, конечно, в нее будут внесены существенные изменения. Но факт остается фактом: неожиданно оказалось, что некоторое время (скорее всего - сравнительно короткое) новорожденные протозвезды, образно выражаясь, "кричат" о своем появлении на свет, пользуясь новейшими методами квантовой радиофизики (т. е. мазерами)... Спустя 2 года после открытия космических мазеров на гидроксиле (линия 18 см) - было установлено, что те же источники одновременно излучают (также мазерным механизмом) линию водяных паров, длина волны которой 1,35 см. Интенсивность "водяного" мазера даже больше, чем "гидроксильного". Облака, излучающие линию Н2О, хотя и находятся в том же малом объеме, что и "гидроксильные" облака, движутся с другими скоростями и значительно более компактны. Нельзя исключать, что в близком будущем будут обнаружены и другие мазерные линии * . Таким образом, совершенно неожиданно радиоастрономия превратила классическую проблему звездообразования в ветвь наблюдательной астрономии ** . Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда длительно излучает практически не меняя своего положения на диаграмме "спектр - светимость". Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет собой как бы геометрическое место точек на диаграмме "спектр - светимость", где звезда (в зависимости от ее массы) может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям. Место звезды на главной последовательности определяется ее массой. Следует заметить, что имеется еще один параметр, определяющий положение равновесной излучающей звезды на диаграмме "спектр-светимость". Таким параметром является первоначальный химический состав звезды. Если относительное содержание тяжелых элементов уменьшится, звезда "ляжет" на диаграмме ниже. Именно этим обстоятельством объясняется наличие последовательности субкарликов. Как уже говорилось выше, относительное содержание тяжелых элементов у этих звезд в десятки раз меньше, чем у звезд главной последовательности. Время пребывания звезды на главной последовательности определяется ее первоначальной массой. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность и она довольно быстро расходует запасы своего водородного "горючего". Так, например, звезды главной последовательности с массой, превышающей солнечную в несколько десятков раз (это горячие голубые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на этой последовательности всего лишь несколько миллионов лет, в то время как звезды с массой, близкой к солнечной, находятся на главной последовательности 10-15 млрд лет. Ниже приводится табл. 2, дающая вычисленную продолжительность гравитационного сжатия и пребывания на главной последовательности для звезд разных спектральных классов. В этой же таблице приведены значения масс, радиусов и светимостей звезд в солнечных единицах.
Таблица 2
| лет | |||||
|
Спектральный класс |
Светимость |
гравитационного сжатия |
пребывания на главной после-довательности | ||
|
G2 (Солнце) |
|||||
Рис. 14. Эволюционные треки для звезд разной массы на диаграмме "светимость-температура"
Рис. 15. Диаграмма Герцшпрунга - Рессела для звездного скопления NGC 2254
Рис. 16. Диаграмма Герцшпрунга - Рессела для шарового скопления М 3. По вертикальной оси - относительная звездная величина
На соответствующей диаграмме отчетливо видна вся главная последовательность, в том числе ее верхняя левая часть, где расположены горячие массивные звезды (показателю-цвета - 0,2 соответствует температура 20 тыс. К, т.е. спектр класса В). Шаровое скопление М 3 - "старый" объект. Ясно видно, что в верхней части главной последовательности диаграммы, построенной для этого скопления, звезд почти нет. Зато ветвь красных гигантов у М 3 представлена весьма богато, в то время как у NGC 2254 красных гигантов очень мало. Это и понятно: у старого скопления М 3 большое число звезд уже успело "сойти" с главной последовательности, в то время как у молодого скопления NGC 2254 это произошло только с небольшим числом сравнительно массивных, быстро эволюционирующих звезд. Обращает на себя внимание, что ветвь гигантов для М 3 идет довольно круто вверх, а у NGC 2254 она - почти горизонтальна. С точки зрения теории это можно объяснить значительно более низким содержанием тяжелых элементов у М 3. И действительно, у звезд шаровых скоплений (так же как и у других звезд, концентрирующихся не столько к галактической плоскости, сколько к галактическому центру) относительное содержание тяжелых элементов незначительно. На диаграмме "показатель цвета - светимость" для М 3 видна еще одна почти горизонтальная ветвь. Аналогичной ветви на диаграмме, построенной для NGC 2254, нет. Теория объясняет появление этой ветви следующим образом. После того как температура сжимающегося плотного гелиевого ядра звезды - красного гиганта - достигнет 100-150 млн К, там начнет идти новая ядерная реакция. Эта реакция состоит в образовании ядра углерода из трех ядер гелия. Как только начнется эта реакция, сжатие ядра прекратится. В дальнейшем поверхностные слои
звезды увеличивают свою температуру и звезда на диаграмме "спектр - светимость" будет перемещаться влево. Именно из таких звезд образуется третья горизонтальная ветвь диаграммы для М 3.
Рис. 17. Сводная диаграмма Герцшпрунга - Рессела для 11 звездных скоплений
На рис. 17 схематически приведена сводная диаграмма "цвет - светимость" для 11 скоплений, из которых два (М 3 и М 92) шаровые. Ясно видно, как "загибаются" вправо и вверх главные последовательности у разных скоплений в полном согласии с теоретическими представлениями, о которых уже шла речь. Из рис. 17 можно сразу определить, какие скопления являются молодыми и какие старыми. Например, "двойное" скопление Х и h Персея молодое. Оно "сохранило" значительную часть главной последовательности. Скопление М 41 старше, еще старше скопление Гиады и совсем старым является скопление М 67, диаграмма "цвет - светимость" для которого очень похожа на аналогичную диаграмму для шаровых скоплений М 3 и М 92. Только ветвь гигантов у шаровых скоплений находится выше в согласии с различиями в химическом составе, о которых говорилось раньше. Таким образом, данные наблюдений полностью подтверждают и обосновывают выводы теории. Казалось бы, трудно ожидать наблюдательной проверки теории процессов в звездных недрах, которые закрыты от нас огромной толщей звездного вещества. И все же теория и здесь постоянно контролируется практикой астрономических наблюдений. Нужно отметить, что составление большого количества диаграмм "цвет - светимость" потребовало огромного труда астрономов-наблюдателей и коренного усовершенствования методов наблюдений. С другой стороны, успехи теории внутреннего строения и эволюции звезд были бы невозможны без современной вычислительной техники, основанной на применении быстродействующих электронных счетных машин. Неоценимую услугу теории оказали также исследования в области ядерной физики, позволившие получить количественные характеристики тех ядерных реакций, которые протекают в звездных недрах. Без преувеличения можно сказать, что разработка теории строения и эволюции звезд является одним из крупнейших достижений астрономии второй половины XX столетия. Развитие современной физики открывает возможность прямой наблюдательной проверки теории внутреннего строения звезд, и в частности Солнца. Речь идет о возможности обнаружения мощного потока нейтрино, который должно испускать Солнце, если в его недрах имеют место ядерные реакции. Хорошо известно, что нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействует с другими элементарными частицами. Так, например, нейтрино может почти без поглощения пролететь через всю толщу Солнца, в то время как рентгеновское излучение может пройти без поглощения только через несколько миллиметров вещества солнечных недр. Если представить себе, что через Солнце проходит мощный пучок нейтрино с энергией каждой частицы в
ТЕМА № 5. ВСЕЛЕННАЯ
Понятия
Плазма, звезда, красный гигант, белый карлик, нейтронная звезда, «черная дыра», галактика, Метагалактика, «красное спектральное смещение», парсек, квазар.
Ученые
Уильям Гершель, Роберт Джулиус Трюмплер, Эдвин Хаббл, Альберт Эйнштейн, Весто Слайфер, Христиан Доплер, Георгий Антонович Гамов, Арно Пензиас, Роберт Вилсон.
Вопросы
1. Рождение и эволюция звезд.
2. Галактики.
3. Модель расширяющейся Вселенной.
4. Теория Большого взрыва.
РОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Звезда ‒ плазменный шар
Кажется, что звезд на небе – невообразимое количество. На самом деле, невооруженным глазом при самом остром зрении в самую темную ночь можно разглядеть не более 3 000 звезд, а в обоих полушариях – не более 6 000. За сотни лет наблюдений астрономы занесли в каталоги около миллиона звезд.
Чтобы понять, что такое звезда, надо вспомнить, какие существуют состояния вещества. Кроме широко известных твердого, жидкого и газообразного, вещество может находиться еще и в плазменном состоянии, когда существует множество ионов. Ион – заряженный атом. Если на внешней оболочке атома оказывается избыток или недостаток электронов, он становится ионом, соответственно, положительным или отрицательным. Итак, ион ‒ электрически заряженный атом. Если в газе содержится значительная доля ионов, он называется плазмой.
Плазма ‒ ионизированный газ, т.е. газ, в котором положительные ионы и электроны в среднем нейтрализуют друг друга.
Звезда ‒ это плазменный шар.
Источники звездной энергии
Звезды миллиарды лет выделяют в окружающее космическое пространство огромное количество энергии. Современная физика называет два возможных ее источника – гравитационное сжатие и термоядерные реакции.
Для того чтобы понять, каким образом гравитация питает звезды энергией, представим себе, например, свинцовый шарик, который мы держим на высоте H над поверхностью свинцовой плиты. На него со стороны Земли действует гравитационная сила. Шарик обладает энергией, которая в физике называется потенциальной, иными словами, запасенной. По формуле, известной из школьного курса физики, она равна
где E p – потенциальная энергия, m – масса шарика, g – ускорение свободного падения. Точнее, она выражает значение взаимной энергии двух тел – шарика и Земли. Если мы выпустим шарик из рук, он начнет падать, расстояние до плиты будет уменьшаться и, следовательно, будет уменьшаться его потенциальная энергия. Зато он будет набирать скорость, а значит, наращивать свою кинетическую энергию, иными словами, энергию движения. При этом сумма потенциальной и кинетической энергии – полная механическая энергия системы «Земля-шарик» ‒ будет сохраняться. Об этом говорит важнейший закон механики – закон сохранения полной механической энергии.
Когда шарик упадет на плиту, он не подлетит вверх, а несколько расплющится. Но куда делась полная механическая энергия? Она не исчезла, а перешла в другой вид энергии – во внутреннюю (иногда ее неточно называют тепловой). И шарик, и то место свинцовой плиты, куда он попал, несколько нагреются. Таким образом, гравитация привела к сближению шарика и плиты и к их нагреванию.
Рождение звезд
Представим себе в просторах космического пространства огромное облако пыли и газа, допустим, по размерам во много раз превышающее Солнечную систему. Под действием гравитационных сил частицы пыли и газа будут сгущаться и нагреваться. Подобный процесс описывал Кант в своей небулярной гипотезе. Облако может сгущаться и нагреваться миллионы лет. Когда же внутри него температура достигнет величины порядка 10 млн. К, начнутся реакции термоядерного синтеза. Наиболее распространенная из них, вероятно, ‒ реакция слияния ядер атома водорода с образованием ядер атома гелия. Ее начало будет означать рождение новой звезды. Такова одна из моделей происхождения звезд. Таким образом, гравитационное сжатие «включает» термоядерную реакцию.
Эволюция звезд
Гравитационное сжатие ‒ первый этап эволюции звезды. В его результате центральная часть звезды разогревается до температуры приблизительно 10 ‒ 15 млн. К – до начала реакции термоядерного синтеза. Ее сопровождает выделение большого количества энергии.
Молодые звезды находятся на стадии первоначального гравитационного сжатия. Они светятся за счет превращения потенциальной энергии взаимодействия частиц во внутреннюю.
Процесс эволюции звезды представляет собой противоборство двух могучих сил. Гравитационные силы взаимодействия между различными областями звезды стремятся ее сжать, поскольку это силы притяжения. Внутреннее давление препятствует этому сжатию. Оно состоит, по крайней мере, из трех компонентов. Во-первых, это давление газа. Если, например, сжимать руками резиновый мячик, то можно почувствовать давление воздуха, находящегося внутри. Во-вторых, давление света. (Вспомним давление солнечных лучей на хвост кометы). В-третьих, давление, возникающее от разлетающихся осколков термоядерных реакций. Во время слияния ядер из них вылетают нейтроны. Их потоки также оказывают давление. (Вспомним, что такое давление газа. Его молекулы соударяются со стенками сосуда. Их совокупное воздействие и есть давление газа). Взрыв термоядерной бомбы вызывает волну, которая обладает огромной разрушительной силой. Внутри звезды каждую секунду взрываются термоядерные бомбы. Но их действие сдерживают могучие гравитационные силы. Поразительно, но поединок двух равновеликих сил – совокупного внутреннего давления и гравитации – длится миллиарды лет.
Красные гиганты
Поскольку реакция термоядерного синтеза протекает в центральной области Солнца, то по мере превращения водорода в гелий в ней формируется все более возрастающее гелиевое ядро. Термоядерные реакции продолжаются, но в тонком слое вблизи поверхности этого ядра и постепенно перемещаются на периферию звезды. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта ‒выходит на завершающий этап своей жизни. Вещество звезды теряется, выбрасывается в межзвездное пространство. Всего за десять ‒ сто тысяч лет от красного гиганта остается лишь центральное гелиевое ядро.
Завершающий этап эволюции звезды
Ничто не вечно в материальном мире. Как ни велик запас водорода внутри звезды, но и он не бесконечен. Через несколько миллиардов лет весь водород превращается в гелий в результате реакции термоядерного синтеза.
Наконец, все остатки водорода превращаются в гелий, и термоядерные реакции прекращаются. Тогда значительно ослабляется внутреннее давление звезды, поскольку в него уже не входит мощная компонента ‒ воздействие частиц, которые освобождаются в ходе термоядерной реакции, прежде всего, нейтронов. Иными словами, внутри звезды прекращаются взрывы термоядерных бомб. Разумеется, это приводит к снижению внутреннего давления.
Тогда нарушается прежний баланс противодействующих сил. Гравитационные силы получают перевес над силами внутреннего давления, и этот процесс нарастает, как снежный ком. Чтобы это было проще понять, обратимся к закону всемирного тяготения:
Для нашего конкретного случая F – сила взаимодействия между противоположными областями звезды, которые ее сжимают, G ‒ гравитационная постоянная (она неизменна), m – масса вещества в этих областях, R – расстояние между этими областями, и оно не превышает диаметр звезды. Поскольку силы гравитации звезду сжимают, это приводит к уменьшению величины R. Эта величина находится в знаменателе, а с уменьшением знаменателя дробь возрастает, причем, R находится во второй степени. Возрастание дроби, т.е. силы F, еще больше сжимает звезду, что приводит к уменьшению ее размеров R и, соответственно, к увеличению силы F. И т.д. В течение нескольких десятков секунд ядро звезды сжимается. Этот процесс называется гравитационным коллáпсом, что означает ‒ гравитационная катастрофа.
Дальнейшая судьба звезды зависит, прежде всего, от ее массы. Наиболее вероятны три варианта завершающей стадии эволюции звезд ‒ белые карлики, нейтронные звезды и «черные дыры».
Белые карлики
Если масса звезды приблизительно 1,4 массы Солнца и менее этого, она переходит в состояние, которое называется белым карликом. Почему белый? Потому что звезда очень ярко светит. Почему карлик? Потому что звезда резко сжимается, и, следовательно, плотность ее увеличивается. Представим себе Солнце, которое сжалось до величины Земли. Плотность такой звезды будет в миллиарды раз превышать плотность воды. Вещество белого карлика ‒ очень плотный ионизированный газ. Он состоит из ядер атомов и отдельных электронов. Такой газ называется вырожденным.
Белый карлик медленно охлаждается. Его оболочка постепенно выбрасывается в пространство. Молодые белые карлики окружаются остатками оболочки, которое напоминает кольцо вокруг белой точки. Такие образования называются планетарными туманностями.
В недрах белых карликов термоядерные реакции не идут. Они могут протекать только в их атмосфере, куда проникает водород из межзвездной среды. Белые карлики светят за счет огромных запасов внутренней энергии. Они охлаждаются сотни миллионов лет. При остывании белого карлика его цвет меняется от белого к желтому, а затем ‒ к красному. Наконец, он превращается в черный карлик ‒ мертвую холодную звезду.
Судьба Солнца
В настоящее время в недрах нашего Солнца пока еще протекает ядерная реакция превращения водорода в гелий. По оценкам специалистов, его гравитационный коллапс грядет не ранее, чем через 5 млрд. лет. Солнце станет раздуваться и превращаться в красный гигант. Его внешняя оболочка достигнет орбиты Меркурия или, быть может, Венеры. Океаны на Земле испарятся, а от нее самой останутся обугленные камни.
Нейтронные звезды
Если масса звезды, которая достигла состояния гравитационного коллапса, превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то она превращается в нейтронную звезду. Весьма упрощенно можно представить, что гравитационные силы настолько велики, что они как бы «вдавливают» отрицательно заряженные электроны в положительно заряженные протоны, и в результате образуются нейтральные частицы – нейтроны. Итак, нейтронная звезда в основном состоит из нейтронов. Возникает вопрос, а какая звезда является более плотной, более плотно упакованной, белый карлик или нейтронная звезда? Вспомним, что в состав белого карлика входят положительно заряженные протоны. Одноименно заряженные частицы отталкиваются. Поэтому для сжатия белого карлика гравитационным силам приходится преодолевать электрическое отталкивание протонов. Напротив, нейтронная звезда состоит из нейтронов ‒ частиц, не имеющих электрического заряда, между которыми нет электрического отталкивания. Поэтому гравитационные силы способны нейтронную звезду сжать до более плотного состояния, чем белый карлик. Плотность нейтронной звезды даже выше, чем плотность атомных ядер ‒ 10 15 г/см 3 . Ее температура порядка 1 млрд. градусов.
Черные дыры
Если масса коллапсирующей звезды, т.е. звезды в состоянии гравитационного коллапса, превышает 2 ‒ 3 массы Солнца, то она превращается в «черную дыру». Выясним, почему она черная и почему дыра?
На Земле любое тело, подброшенное вверх, падает под действием земного притяжения. Если же какое-то тело достигнет скорости 7,9 км/с, то оно станет искусственным спутником Земли. Эта скорость называется первой космической скоростью. Если же это значение будет превышено, тогда тело покинет пределы притяжения Земли и способно будет от нее удаляться. У «черной дыры» настолько мощная гравитация, что даже скорости света – 300 000 км/с недостаточно, чтобы ее преодолеть. «Черная дыра» не светит, поэтому так называется.
В общей теории относительности гравитация объясняется искривлением пространства. Вспомним аналогию гравитации и листа резины. Чем больше масса тела, например, шара, тем бóльшее углубление в резине он создает. Шар огромной массы создаст такое большое углубление, что оно будет напоминать воронку, или дыру. Образно выражаясь, «черная дыра» создает в пространстве такую глубокую воронку, что в нее поглощается вся материя на огромных от нее расстояниях.
