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.
Рождение звезд и целых Галактик происходит перманентно, равно как и их смерть. Исчезновение одной звезды компенсирует появление другой, посему нам кажется, что на небе постоянно одни и те же светила.
Своему рождению звезды обязаны процессу сжатия межзвездного облака, на которое влияет сильное падение давления газа. В зависимости от массы сжимающегося газа меняется количество рождающихся звезд: если она маленькая, то рождается одно светило, если большая, то возможно образование целого скопления.
Этапы возникновения звезды
Здесь нужно выделить два основных этапа – быстрое сжатие протозвезды и медленное. В первом случае отличительной чертой является гравитация: вещество протозвезды совершает практически свободное падение к ее центру. На этом этапе температура газа остается неизменной, его длительность составляет порядка 100 тысяч лет, и за это время размер протозвезды сокращается очень существенно.
И если на первом этапе избыток тепла постоянно уходил постоянно, то затем протозвезда становится более плотной. Отвод тепла происходит уже не такими высокими темпами, газ продолжает сжиматься и быстро нагреваться. Медленное сжатие протозвезды длиться еще дольше – более десяти миллионов лет. По достижению сверхвысокой температуры (более миллиона градусов) свое слово берут термоядерные реакции, ведущие к прекращению сжатия. После чего образуется новая звезда из протозвезды.
Жизненный цикл звезды
Звезды подобно живому организму: они рождаются, достигают своего пика развития, а затем умирают. Крупные перемены начинаются, когда в центральной части звезды заканчивается водород. Он начинает перегорать уже в оболочке, постепенно увеличивая ее размеры, и звезда может превратиться в красного гиганта или даже в сверхгиганта.
Все звезды имеют совершенно разный жизненный цикл, все зависит от массы. Те, что имеют большой вес, живут дольше и, в конце концов, взрываются. Наше солнце не относится к массивным звездам, посему небесные тела подобного типа ожидает другой конец: они постепенно угасают, превращаются плотную структуру, именуемую белым карликом.
Красный гигант
Израсходовавшие запас водорода звезды могут приобрести колоссальные размеры. Такие светила называют красным гигантом. Их отличительной чертой, помимо размера, является протяженная атмосфера и очень низкая температура поверхности. Исследования показали, что отнюдь не все звезды проходят такой этап развития. Красными гигантами становятся только те светила, имеющие солидную массу.
Наиболее яркие представители – Арктур и Антаре, видимые слоя которых имеют относительно невысокую температуру, а разряженная оболочка обладает солидной протяженностью. Внутри тел происходит процесс поджигания гелия, отличающийся отсутствием резких колебаний светимости.
Белый карлик
Небольшие по размеру и массе звезды превращаются в белого карлика. Их плотность чрезвычайно высока (примерно в миллион раз выше плотности воды), из-за чего вещество светила переходит в состояние, именуемое «вырожденным газом». Внутри белого карлика не наблюдается никаких термоядерных реакций, а свет ему дает только факт остывания. Размер звезды в таком состоянии крайне мал. Например, многие белые карлики имеют схожий Земле размер.
Рассмотрим кратко основные этапы эволюции звезд.
Изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезды со временем.
Фрагментация вещества. .
Предполагается, что звезды образуются при гравитационном сжатии фрагментов газопылевого облака. Так, местами звездообразования могут являться так называемые глобулы.
Глобула - плотное непрозрачное молекулярно-пылевое (газопылевое) межзвездное облако, которое наблюдается на фоне светящихся облаков газа и пыли в виде темного круглого образования. Состоит преимущественно из молекулярного водорода (H 2) и гелия (He ) с примесью молекул других газов и твердых межзвездных пылинок. Температура газа в глобуле (в основном, температура молекулярного водорода) T ≈ 10 ÷ 50К, средняя плотность n ~ 10 5 частиц/см 3 , что на несколько порядков больше, нежели в самых плотных обычных газопылевых облаках, диаметр D ~ 0,1 ÷ 1 . Масса глобул М ≤ 10 2 × M ⊙ . В некоторых глобулах наблюдаются молодые типа T Тельца.
Облако сжимается под действием собственной гравитации из-за гравитационной неустойчивости, которая может возникнуть либо самопроизвольно, либо как результат взаимодействия облака с ударной волной от сверхзвукового потока звездного ветра от находящегося неподалеку другого источника звездообразования. Возможны и другие причины возникновения гравитационной неустойчивости.
Теоретические исследования показывают, что в условиях, которые существуют в обычных молекулярных облаках (T ≈ 10 ÷ 30К и n ~ 10 2 частиц/см 3), первоначальное может происходить в объемах облака с массой М ≥ 10 3 × M ⊙ . В таком сжимающемся облаке возможен дальнейший распад на менее массивные фрагменты, каждый из которых будет также сжиматься под действием собственной гравитации. Наблюдения показывают, что в Галактике в процессе звездообразования рождается не одна , а группа звезд с разными массами, например, рассеянное звездное скопление.
При сжатии в центральных районах облака плотность возрастает, в результате чего наступает момент, когда вещество этой части облака становится непрозрачным к собственному излучению. В недрах облака возникает устойчивое плотное сгущение, которое астрономы называют ой.
Фрагментация вещества – распад молекулярно-пылевого облака на более ме ие части, дальнейшее которых приводит к появлению .
– астрономический объект, находящийся в стадии , из которого спустя некоторое время (для солнечной массы это время T ~ 10 8 лет) образуется нормальная .
При дальнейшем падении вещества из газовой оболочки на ядро (аккреция) масса последнего, а следовательно, температура и увеличиваются настолько, что газовое и лучистое давление сравниваются с силами . Сжатие ядра останавливается. Формирующаяся окружена непрозрачной для оптического излучения газопылевой оболочкой, пропускающей наружу лишь инфракрасное и более длинноволновое излучение. Такой объект ( -кокон) наблюдается как мощный источник радио и инфракрасного излучений.
При дальнейшем росте массы и температуры ядра световое давление останавливает аккрецию, а остатки оболочки рассеиваются в космическом пространстве. Появляется молодая , физические характеристики которой зависят от ее массы и начального химического состава.
Основным источником энергии рождающейся звезды является, по-видимому, энергия, высвобождающаяся при гравитационном сжатии. Это предположение следует из теоремы вириала: в стационарной системе сумма потенциальной энергии E п всех членов системы и удвоенной кинетической энергии 2 E к этих членов равна нулю:
E п + 2 E к = 0. (39)
Теорема справедлива для систем частиц, движущихся в ограниченной области пространства под действием сил, величина которых обратно пропорциональна квадрату расстояния между частицами. Отсюда следует, что тепловая (кинетическая) энергия равна половине гравитационной (потенциальной) энергии. При сжатии звезды полная энергия звезды уменьшается, при этом уменьшается гравитационная энергия: половина изменения гравитационной энергии уходит от звезды через излучение, за счет второй половины увеличивается тепловая энергия звезды.
Молодые звёзды малой массы (до трёх масс Солнца), находящиеся на подходе к главной последовательности, полностью конвективны; процесс конвекции охватывает все области светила. Это ещё по сути протозвёзды, в центре которых только-только начинаются ядерные реакции, и всё излучение происходит, в основном, из-за . Пока ещё не установлено, звезды убывает при неизменной эффективной температуре. На диаграмме Герцшпрунга-Рассела такие звёзды формируют почти вертикальный трек, называемый треком Хаяши. По мере замедления сжатия молодая приближается к главной последовательности.
По мере сжатия звезды начинает увеличиваться давление вырожденного электронного газа и при достижении определённого радиуса звезды сжатие останавливается, что приводит к остановке дальнейшего роста центральной температуры, вызываемого сжатием, а затем и к её понижению. Для звёзд меньше 0,0767 масс Солнца этого не происходит: выделяющейся в ходе ядерных реакций энергии никогда не хватит, чтобы уравновесить внутреннее давление и . Такие «недозвёзды» излучают энергии больше, чем образуется в ходе ядерных реакций, и относятся к так называемым ; их судьба - это постоянное сжатие, пока давление вырожденного газа не остановит его, и, затем, постепенное остывание с прекращением всех начавшихся ядерных реакций .
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.
Звезды с массой больше 8 солнечных масс уже обладают характеристиками нормальных звезд, поскольку прошли все промежуточные стадии и смогли достичь такой скорости ядерных реакций, чтобы они компенсировали потери энергии на излучение, пока накапливалась масса ядра. У этих звёзд истечение массы и настолько велики, что не просто останавливают коллапсирование ещё не ставших частью звезды внешних областей молекулярного облака, но, наоборот, отта ивает их прочь. Таким образом, масса образовавшейся звезды заметно меньше массы протозвёздного облака.
Главная
последовательность
Температура звезды растет, пока в центральных областях не достигнет значений, достаточных для включения термоядерных реакций, которые затем становятся главным источником энергии звезды. Для массивных звезд (M > 1 ÷ 2 × M ⊙ ) – это «сгорание» водорода в углеродном цикле; для звезд с массой, равной или меньшей массы Солнца, энергия выделяется в протон-протонной реакции. переходит в стадию равновесия и занимает свое место на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела: у звезды большой массы температура в ядре очень высокая (T ≥ 3 × 10 7 K ), выработка энергии весьма интенсивна, – на главной последовательности занимает место выше Солнца в области ранних (O … A , (F )); у звезды небольшой массы температура в ядре сравнительно невысока (T ≤ 1,5 × 10 7 K ), выработка энергии не столь интенсивна, – на главной последовательности занимает место рядом или ниже Солнца в области поздних ((F ), G , K , M ).
На главной последовательности проводит до 90% времени, отпущенного природой на ее существование. Время нахождения звезды на стадии главной последовательности также зависит от массы. Так, с массой M ≈ 10 ÷ 20 × M ⊙ O или B находится в стадии главной последовательности около 10 7 лет, в то время как красный карлик K 5 с массой M ≈ 0,5 × M ⊙ находится в стадии главной последовательности около 10 11 лет, то есть время, сравнимое с возрастом Галактики. Массивные горячие звезды быстро переходят в следующие этапы эволюции, холодные карлики находятся в стадии главной последовательности все время существования Галактики. Можно предположить, что красные карлики являются основным типом населения Галактики.
Красный
гигант (сверхгигант).
Быстрое выгорание водорода в центральных районах массивных звезд приводит к появлению у них гелиевого ядра. При доле массы водорода в несколько процентов в ядре практически полностью прекращается углеродная реакция превращения водорода в гелий. Ядро сжимается, что приводит к увеличению его температуры. В результате разогрева, вызванного гравитационным сжатием гелиевого ядра, «загорается» водород и начинается энерговыделение в тонком слое, расположенном между ядром и протяженной оболочкой звезды. Оболочка расширяется, радиус звезды увеличивается, эффективная температура уменьшается, растет. «уходит» с главной последовательности и переходит в следующую стадию эволюции – в стадию красного гиганта или, если масса звезды M > 10 × M ⊙ , в стадию красного сверхгиганта.
С ростом температуры и плотности в ядре начинает «гореть» гелий. При T ~ 2 × 10 8 K и r ~ 10 3 ¸ 10 4 г/см 3 начинается термоядерная реакция, которая называется тройным a -процессом: из трех a -частиц (ядер гелия 4 He ) образуется одно устойчивое ядро углерода 12 C . При массе ядра звезды M < 1,4 × M ⊙ тройной a -процесс приводит к взрывному характеру энерговыделения - гелиевой вспышке, которая для конкретной звезды может повторяться неоднократно.
В центральных областях массивных звезд, находящихся в стадии гиганта или сверхгиганта, увеличение температуры приводит к последовательному образованию углеродного, углеродно-кислородного и кислородного ядер. После выгорания углерода наступают реакции, в результате которых образуются более тяжелые химические элементы, возможно и ядра железа. Дальнейшая эволюция массивной звезды может привести к сбросу оболочки, вспышке звезды как Новой или , с последующим образованием объектов, которые являются заключительной стадией эволюции звезд: белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры.
Завершающая стадия эволюции – стадия эволюции всех нормальных звезд после исчерпания этими ми термоядерного горючего; прекращение термоядерных реакций как источника энергии звезды; переход звезды в зависимости от ее массы в стадию белого карлика, или черной дыры.
Белые карлики - последняя стадия эволюции всех нормальных звезд с массой M < 3 ÷ 5 × M ⊙ после исчерпания этими ми термоядерного горючего. Пройдя стадию красного гиганта (или субгиганта), такая сбрасывает оболочку и оголяет ядро, которое, остывая, и становится белым карликом. Небольшой радиус (R б.к ~ 10 -2 × R ⊙ ) и белый или бело-голубой цвет (T б.к ~ 10 4 К) определили название этого класса астрономических объектов. Масса белого карлика всегда меньше 1,4 × M ⊙ - доказано, что белые карлики с большими массами существовать не могут. При массе, сравнимой с массой Солнца, и размерах, сравнимых с размерами больших планет Солнечной системы, белые карлики обладают огромной средней плотностью: ρ б.к ~ 10 6 г/см 3 , то есть гирька объемом 1 см 3 вещества белого карлика весит тонну! Ускорение свободного падения на поверхности g б.к ~ 10 8 см/с 2 (сравни с ускорением на поверхности Земли - g з ≈ 980 см/с 2). При такой гравитационной нагрузке на внутренние области звезды равновесное состояние белого карлика поддерживается давлением вырожденного газа (в основном, вырожденного электронного газа, так как вклад ионной компоненты мал). Напомним, что вырожденным называется газ, в котором отсутствует максвелловское распределение частиц по скоростям. В таком газе при определенных значениях температуры и плотности число частиц (электронов), имеющих любую скорость в пределах от v = 0 до v = v max , будет одинаковым. v max определяется плотностью и температурой газа. При массе белого карлика M б.к > 1,4 × M ⊙ максимальная скорость электронов в газе сравнима со скоростью света, вырожденный газ становится релятивистским и его давление уже неспособно противостоять гравитационному сжатию. Радиус карлика стремится к нулю - “схлопывается” в точку.
Тонкие горячие атмосферы белых карликов состоят либо из водорода, при этом других элементов в атмосфере практически не обнаруживается; либо из гелия, при этом водорода в атмосфере в сотни тысяч раз меньше, нежели в атмосферах нормальных звезд. По виду спектра белые карлики относятся к спектральным классам O, B, A, F. Чтобы “отличить” белые карлики от нормальных звезд, перед обозначением ставится буква D (DOVII, DBVII и т.д. D - первая буква в английском слове Degenerate - вырожденный). Источником излучения белого карлика является запас тепловой энергии, который белый карлик получил, будучи ядром звезды-родительницы. Многие белые карлики получили в наследство от родительницы и сильное магнитное поле, напряженность которого H ~ 10 8 Э. Полагают, что число белых карликов составляет около 10% от общего числа звезд Галактики.
На рис. 15 приведена фотография Сириуса - ярчайшей звезды неба (α Большого Пса; m v = -1 m ,46; класс A1V). Видимый на снимке диск является следствием фотографической иррадиации и дифракции света на объективе телескопа, то есть диск самой звезды на фотографии не разрешается. Лучи, идущие от фотографического диска Сириуса, - следы искажения волнового фронта светового потока на элементах оптики телескопа. Сириус находится на расстоянии 2,64 от Солнца, свет от Сириуса идет до Земли 8,6 лет - таким образом, это одна из самых близких к Солнцу звезд. Сириус в 2,2 раза массивнее Солнца; его M v = +1 m ,43, то есть наш сосед излучает энергии в 23 раза больше, нежели Солнце.
Рисунок 15.Уникальность фотографии заключается в том, что вместе с изображением Сириуса удалось получить изображение его спутника – спутник яркой точкой “светится” слева от Сириуса. Сириус – телескопически : сам Сириус обозначается буквой А, а его спутник буквой В. Видимая звездная величина Сириуса В m v = +8 m ,43, то есть он почти в 10 000 раз слабее Сириуса А. Масса Сириуса В почти точно равна массе Солнца, радиус около 0,01 радиуса Солнца, температура поверхности около 12000К, однако излучает Сириус В в 400 раз меньше Солнца. Сириус В - типичный белый карлик. Более того, это первый белый карлик, обнаруженный, кстати, Альвеном Кларком в 1862 г при визуальном наблюдении в телескоп.
Сириус А и Сириус В обращаются вокруг общего с периодом 50 лет; расстояние между компонентами А и В всего 20 а.е.
По меткому замечанию В.М.Липунова, ““вызревают” внутри массивных звезд (с массой более 10 × M ⊙ )”. Ядра звезд, эволюционирующих в нейтронную звезду, имеют 1,4 × M ⊙ ≤ M ≤ 3 × M ⊙ ; после того, как иссякнут источники термоядерных реакций и -родительница вспышкой сбросит значительную часть вещества, эти ядра станут самостоятельными объектами звездного мира, обладающими весьма специфическими характеристиками. Сжатие ядра звезды-родительницы останавливается при плотности, сравнимой с ядерной (ρ н . з ~ 10 14 ÷ 10 15 г/см 3). При таких массе и плотности радиус родившейся всего 10 состоит из трех слоев. Наружный слой (или внешняя кора) образован кристаллической решеткой из атомных ядер железа (Fe ) с возможной небольшой примесью атомных ядер других металлов; толщина внешней коры всего около 600 м при радиусе 10 км. Под внешней корой находится еще одна внутренняя твердая кора, состоящая из атомов железа (Fe ), но эти атомы переобогащены нейтронами. Толщина этой коры ≈ 2 км. Внутренняя кора граничит с жидким нейтронным ядром, физические процессы в котором определяются замечательными свойствами нейтронной жидкости - сверхтекучестью и, при наличии в ней свободных электронов и протонов, сверхпроводимостью. Возможно, что в самом центре вещество может содержать мезоны и гипероны.
Быстро вращаются вокруг оси - от одного до сотен оборотов в секунду. Такое вращение при наличии магнитного поля (H ~ 10 13 ÷ 10 15 Э) часто приводит к наблюдаемому эффекту пульсации излучения звезды в разных диапазонах электромагнитных волн. Один из таких пульсаров мы видели внутри Крабовидной туманности.
Общее число скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая не может быть радиопульсаром. Однако она всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду не может упасть, то есть аккреция вещества не происходи.
Аккретор (рентгеновский пульсар). Скорость вращения снижается до такой степени, что веществу теперь ничего не мешает падать на такую нейтронную звезду. Плазма, падая, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твёрдую поверхность в районе полюсов , разогреваясь до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, светится в рентгеновском диапазоне. Область, в которой происходит сто новение падающего вещества с поверхностью звезды, очень мала - всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически пропадает из вида, что наблюдатель воспринимает как пульсации. Такие объекты называются рентгеновскими пульсарами.
Георотатор. Скорость вращения таких нейтронных звёзд мала и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией.
Если является компонентой тесной двойной системы, то происходит “перекачка” вещества от нормальной звезды (второй компоненты) на нейтронную. Масса может превысить критическую (M > 3 × M ⊙ ), тогда нарушается гравитационная устойчивость звезды, уже ничто не может противостоять гравитационному сжатию, и “уходит” под свой гравитационный радиус
r g = 2 × G × M/c 2 , (40)
превращаясь в “черную дыру“. В приведенной формуле для r g: M - масса звезды, c - скорость света, G - гравитационная постоянная.
Черная дыра - объект, поле тяготения которого настолько велико, что ни частица, ни фотон, ни любое материальное тело не могут достигнуть второй космической скорости и вырваться во внешнее пространство.
Черная дыра является сингулярным объектом в том смысле, что характер протекания физических процессов внутри ее пока недоступен теоретическому описанию. Существование черных дыр следует из теоретических соображений, реально они могут находиться в центральных районах шаровых скоплений, квазаров, гигантских галактик, в том числе, и в центре Нашей галактики.
Как и любые тела в природе, звезды тоже не могут оставаться неизменными. Они рождаются, развиваются и, наконец, «умирают». Эволюция звезд занимает миллиарды лет, а вот по поводу времени их образования ведутся споры. Раньше астрономы считали, что процесс их «рождения» из звездной пыли требует миллионы лет, но не так давно были получены фотографии области неба из состава Большой Туманности Ориона. За несколько лет там возникло небольшое
На снимках 1947 года в этом месте была зафиксирована небольшая группа звездоподобных объектов. К 1954 году некоторые из них уже стали продолговатыми, а еще через пять лет эти объекты распались на отдельные. Так впервые процесс рождения звезд проходил буквально на глазах у астрономов.
Давайте подробно разберем, как проходит строение и эволюция звезд, с чего начинается и чем заканчивается их бесконечная, по людским меркам, жизнь.
Традиционно ученые предполагают, что звезды образуются в результате конденсации облаков газо-пылевой среды. Под действием гравитационных сил из образовавшихся облаков формируется непрозрачный газовый шар, плотный по своей структуре. Его внутреннее давление не может уравновесить сжимающие его гравитационные силы. Постепенно шар сжимается настолько, что температура звездных недр повышается, и давление горячего газа внутри шара уравновешивает внешние силы. После этого сжатие прекращается. Длительность этого процесса зависит от массы звезды и обычно составляет от двух до нескольких сотен миллионов лет.
Строение звезд предполагает очень высокую температуру в их недрах, что способствует беспрерывным термоядерным процессам (водород, который их образует, превращается в гелий). Именно эти процессы являются причиной интенсивного излучения звезд. Время, за которое они расходуют имеющийся запас водорода, определяется их массой. От этого же зависит и длительность излучения.
Когда запасы водорода истощаются, эволюция звезд подходит к этапу образования Это происходит следующим образом. После прекращения выделения энергии гравитационные силы начинают сжимать ядро. При этом звезда значительно увеличивается в размерах. Светимость также возрастает, поскольку процесс продолжается, но только в тонком слое на границе ядра.
Этот процесс сопровождается повышением температуры сжимающегося гелиевого ядра и превращением ядер гелия в ядра углерода.
По прогнозам, наше Солнце может превратиться в красного гиганта через восемь миллиардов лет. Радиус его при этом увеличится в несколько десятков раз, а светимость вырастет в сотни раз по сравнению с нынешними показателями.
Продолжительность жизни звезды, как уже отмечалось, зависит от ее массы. Объекты с массой, которая меньше солнечной, очень экономно «расходуют» запасы своего поэтому могут светить десятки миллиардов лет.
Эволюция звезд заканчивается образованием Это происходит с теми из них, чья масса близка к массе Солнца, т.е. не превышает 1,2 от нее.
Гигантские звезды, как правило, быстро истощают свой запас ядерного горючего. Это сопровождается значительной потерей массы, в частности, за счет сброса внешних оболочек. В результате остается только постепенно остывающая центральная часть, в которой ядерные реакции полностью прекратились. Со временем такие звезды прекращают свое излучение и становятся невидимыми.
Но иногда нормальная эволюция и строение звезд нарушается. Чаще всего это касается массивных объектов, исчерпавших все виды термоядерного горючего. Тогда они могут преобразовываться в нейтронные, или И чем больше ученые узнают об этих объектах, тем больше возникает новых вопросов.
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.
