Народження зірок і цілих Галактик відбувається перманентно, як і їх смерть. Зникнення однієї зірки компенсує появу іншої, тому нам здається, що на небі постійно одні й самі світила.
Своєму народженню зірки зобов'язані процесу стиснення міжзоряної хмари, на яку впливає сильне падіння тиску газу. Залежно від маси стискається газу змінюється кількість зірок, що народжуються: якщо вона маленька, то народжується одне світило, якщо велика, то можливе утворення цілого скупчення.
Етапи виникнення зірки
Тут потрібно виділити два основні етапи – швидке стиснення протозірки та повільне. У першому випадку відмінною рисою є гравітація: речовина протозірки робить практично вільне падіння до її центру. На цьому етапі температура газу залишається незмінною, його тривалість становить близько 100 тисяч років, і за цей час розмір протозірки скорочується дуже суттєво.
І якщо на першому етапі надлишок тепла постійно йшов постійно, то потім протозірка стає щільнішою. Відведення тепла відбувається вже не такими високими темпами, газ продовжує стискатися та швидко нагріватися. Повільне стиснення протозірки триває ще довше – понад десять мільйонів років. По досягненню надвисокої температури (понад мільйон градусів) своє слово беруть термоядерні реакції, що ведуть до припинення стиснення. Після чого утворюється нова зірка із протозірки.
Життєвий цикл зірки
Зірки подібно до живого організму: вони народжуються, досягають свого піку розвитку, а потім вмирають. Великі зміни починаються, коли у центральній частині зірки закінчується водень. Він починає перегоряти вже в оболонці, поступово збільшуючи її розміри, і зірка може перетворитися на червоного гіганта або навіть надгіганта.
Усі зірки мають абсолютно різний життєвий цикл, все залежить від маси. Ті, що мають велику вагу, живуть довше і, зрештою, вибухають. Наше сонце не відноситься до масивних зірок, тому небесні тіла подібного типу чекають на інший кінець: вони поступово згасають, перетворюються на щільну структуру, іменовану білим карликом.
Червоний гігант
Зірки, що витратили запас водню, можуть придбати колосальні розміри. Такі світила називають червоним гігантом. Їхньою відмінністю, крім розміру, є протяжна атмосфера і дуже низька температураповерхні. Дослідження показали, що не всі зірки проходять такий етап розвитку. Червоними гігантами стають ті світила, що мають солідну масу.
Найбільш яскраві представники – Арктур та Антаре, видимі шари яких мають відносно невисоку температуру, а розряджена оболонка має солідну довжину. Усередині тіл відбувається процес підпалювання гелію, який відрізняється відсутністю різких коливань світності.
Білий карлик
Невеликі за розміром та масою зірки перетворюються на білого карлика. Їх щільність дуже висока (приблизно в мільйон разів вище щільності води), через що речовина світила перетворюється на стан, назване «виродженим газом». Усередині білого карлика немає ніяких термоядерних реакцій, а світло йому дає лише факт охолодження. Розмір зірки у такому стані вкрай малий. Наприклад, багато білі карлики мають подібний до Землі розмір.
Розглянемо коротко основні етапи еволюції зірок.
Зміна фізичних характеристик, внутрішньої будовита хімічного складу зірки з часом.
Фрагментація речовини. .
Передбачається, що зірки утворюються при гравітаційному стисканні фрагментів газопилової хмари. Так, місцями зіркоутворення можуть бути звані глобули.
Глобула - щільна непрозора молекулярно-пилова (газопилова) міжзоряна хмара, яка спостерігається на тлі хмар газу, що світяться, і пилу у вигляді темного круглого утворення. Складається переважно з молекулярного водню (H 2) та гелію ( He ) з домішкою молекул інших газів і твердих міжзоряних порошин. Температура газу в глобулі (в основному температура молекулярного водню) T≈ 10 ÷ 50К, середня щільність n~ 10 5 частинок/см 3 , що на кілька порядків більше, ніж у найщільніших звичайних газопилових хмарах, діаметр D~ 0,1 ÷ 1 . Маса глобул М≤ 10 2 × M ⊙ . У деяких глобулах спостерігаються молоді типи T Тільця.
Хмара стискається під дією власної гравітації через гравітаційну нестійкість, яка може виникнути або мимоволі, або як результат взаємодії хмари з ударною хвилею від надзвукового потоку зоряного вітру від іншого джерела зіркоутворення, що знаходиться неподалік. Можливі інші причини виникнення гравітаційної нестійкості.
Теоретичні дослідження показують, що в умовах, що існують у звичайних молекулярних хмарах (T≈ 10 ÷ 30К і n ~ 10 2 частинок/см 3), початкове може відбуватися в обсягах хмари з масою М≥ 10 3 × M ⊙ . У такій хмарі, що стискається, можливий подальший розпад на менш масивні фрагменти, кожен з яких буде також стискатися під дією власної гравітації. Спостереження показують, що в Галактиці в процесі зіркоутворення народжується не одна група, а група зірок з різними масами, наприклад, розсіяне зоряне скупчення.
При стисканні в центральних районах хмари щільність зростає, внаслідок чого настає момент, коли речовина цієї частини хмари стає непрозорою до власного випромінювання. У надрах хмари виникає стійке щільне згущення, яке астрономи називають ой.
Фрагментація речовини - розпад молекулярно-пилової хмари на більш мі ї частини, подальше яких призводить до появи.
- астрономічний об'єкт, що знаходиться в стадії, з якого через деякий час (для сонячної маси цей час T ~ 10 8 років) утворюється нормальна.
При подальшому падінні речовини з газової оболонки на ядро (акреція) маса останнього, а отже, температура і збільшуються настільки, що газовий та променистий тиск порівнюються з силами. Стиснення ядра зупиняється. Формується оточена непрозорою для оптичного випромінювання газопилової оболонкою, що пропускає назовні лише інфрачервоне і більш довгохвильове випромінювання. Такий об'єкт (-кокон) спостерігається як потужне джерело радіо та інфрачервоного випромінювань.
При подальшому зростанні маси та температури ядра світловий тиск зупиняє акрецію, а залишки оболонки розсіюються у космічному просторі. З'являється молода, фізичні характеристики якої залежать від її маси та початкового хімічного складу.
Основним джерелом енергії зірки, що народжується, є, мабуть, енергія, що вивільняється при гравітаційному стиску. Це припущення випливає з теореми віріалу: у стаціонарній системі сума потенційної енергії E п всіх членів системи та подвоєної кінетичної енергії 2 E до цих членів дорівнює нулю:
E п + 2 E к = 0. (39)
Теорема справедлива для систем частинок, що рухаються в обмеженій області простору під дією сил, величина яких обернено пропорційна квадрату відстані між частинками. Звідси випливає, що теплова (кінетична) енергія дорівнює половині гравітаційної (потенційної) енергії. При стисканні зірки повна енергія зірки зменшується, при цьому зменшується гравітаційна енергія: половина зміни гравітаційної енергії уникає зірки через випромінювання, за рахунок другої половини збільшується теплова енергіязірки.
Молоді зірки малої маси(До трьох мас Сонця), що знаходяться на підході до головної послідовності, повністю конвективні; процес конвекції охоплює всі області світила. Це ще по суті протозірки, в центрі яких тільки-но починаються ядерні реакції, і все випромінювання відбувається, в основному, через . Поки не встановлено, зірки зменшується за постійної ефективної температурі. На діаграмі Герцшпрунга-Рассела такі зірки формують майже вертикальний трек, який називають треком Хаяші. У міру уповільнення стиску молода наближається до головної послідовності.
У міру стиснення зірки починає збільшуватися тиск виродженого електронного газу і при досягненні певного радіусу зірки стиск зупиняється, що призводить до зупинки подальшого зростання центральної температури, що викликається стисненням, а потім і її зниження. Для зірок менше 0,0767 мас Сонця цього не відбувається: енергії, що виділяється в ході ядерних реакцій, ніколи не вистачить, щоб врівноважити внутрішній тиск і . Такі «недозірки» випромінюють енергії більше, ніж утворюється в ході ядерних реакцій, і належать до так званих ; їхня доля - це постійне стиснення, поки тиск виродженого газу не зупинить його, і, потім, поступове охолодження з припиненням всіх ядерних реакцій, що почалися..
Молоді зірки проміжної маси (від 2 до 8 маси Сонця) якісно еволюціонують так само, як і їх менші сестри, за винятком, що в них немає конвективних зон аж до головної послідовності.
Зірки з масою більше 8 сонячних масвже мають характеристики нормальних зірок, оскільки пройшли всі проміжні стадії і змогли досягти такої швидкості ядерних реакцій, щоб вони компенсували втрати енергії на випромінювання, поки накопичувалася маса ядра. У цих зірок закінчення маси і настільки великі, що не просто зупиняють колапсування зовнішніх областей молекулярної хмари, що ще не стали частиною зірки, але, навпаки, відтає їх геть. Таким чином, маса зірки помітно менше маси протозіркового хмари.
Головна послідовність
Температура зірки зростає, поки в центральних областях не досягне значень, достатніх для включення термоядерних реакцій, які потім стають основним джерелом енергії зірки. Для масивних зірок ( M > 1 ÷ 2 × M ⊙ ) – це «згоряння» водню у вуглецевому циклі; для зірок з масою, що дорівнює або меншій масі Сонця, енергія виділяється в протон-протонній реакції. переходить у стадію рівноваги і займає своє місце на головній послідовності діаграми Герцшпрунга-Рессела: у зірки великої маси температура в ядрі дуже висока ( T ≥ 3 × 10 7 K ), Вироблення енергії дуже інтенсивна, - на головній послідовності займає місце вище Сонця в області ранніх ( O … A , (F )); у зірки невеликої маси температура в ядрі порівняно невисока ( T ≤ 1,5 × 10 7 K ), Вироблення енергії не настільки інтенсивна, - на головній послідовності займає місце поруч або нижче Сонця в області пізніх (( F), G, K, M).
На головній послідовності проводить до 90% часу, відпущеного природою її існування. Час знаходження зірки на стадії головної послідовності залежить від маси. Так, з масою M ≈ 10 ÷ 20 × M ⊙ O або B знаходиться в стадії головної послідовності близько 10 7 років, тоді як червоний карлик K 5 з масою M ≈ 0,5 × M ⊙ знаходиться в стадії головної послідовності близько 10 11 років, тобто час, який можна порівняти з віком Галактики. Масивні гарячі зірки швидко переходять у наступні етапи еволюції, холодні карлики перебувають у стадії головної послідовності постійно існування Галактики. Можна припустити, що червоні карлики є основним типом населення Галактики.
Червоний гігант (надгігант).
Швидке вигоряння водню в центральних районах масивних зірок призводить до появи у них гелієвого ядра. При частці маси водню в кілька відсотків у ядрі практично повністю припиняється вуглецева реакція перетворення водню на гелій. Ядро стискається, що призводить до підвищення його температури. В результаті розігріву, викликаного гравітаційним стиском гелієвого ядра, «загоряється» водень і починається енерговиділення в тонкому шарі, розташованому між ядром і протяжною оболонкою зірки. Оболонка розширюється, радіус зірки зростає, ефективна температура зменшується, зростає. «іде» з головної послідовності і переходить у наступну стадію еволюції – в стадію червоного гіганта або, якщо маса зірки M > 10 × M ⊙ у стадію червоного надгіганта.
Зі зростанням температури та щільності в ядрі починає «горіти» гелій. При T ~ 2 × 10 8 K та r ~ 10 3 ¸ 10 4 г/см 3 починається термоядерна реакція, яка називається потрійним a -процесом: із трьох a -часток (ядер гелію 4 He ) утворюється одне стійке ядро вуглецю 12 C . При масі ядра зірки M< 1,4 × M ⊙ тройной a -процес призводить до вибухового характеру енерговиділення - гелієвому спалаху, який для конкретної зірки може повторюватися неодноразово.
У центральних областях масивних зірок, що знаходяться в стадії гіганта або надгіганта, збільшення температури призводить до послідовного утворення вуглецевого, вуглецево-кисневого та кисневого ядер. Після вигоряння вуглецю настають реакції, у яких утворюються більш важкі хімічні елементи, можливо і ядра заліза. Подальша еволюція масивної зірки може призвести до скидання оболонки, спалаху зірки як Нової або з наступним утворенням об'єктів, які є заключною стадією еволюції зірок: білого карлика, нейтронної зірки або чорної діри.
Завершальна стадія еволюції – стадія еволюції всіх нормальних зірок після вичерпання цими термоядерного пального; припинення термоядерних реакцій як джерела енергії зірки; перехід зірки залежно від її маси до стадії білого карлика, або чорної дірки.
Білі карлики - остання стадія еволюції всіх нормальних зірок із масою M< 3 ÷ 5 × M ⊙ після вичерпання цими ми термоядерного пального. Пройшовши стадію червоного гіганта (або субгіганта), така скидає оболонку і оголює ядро, яке, остигаючи, стає білим карликом. Невеликий радіус (Rб.к ~ 10 -2 × R ⊙ ) та білий або біло-блакитний колір (Tб.к ~ 10 4 К) визначили назву цього класу астрономічних об'єктів. Маса білого карлика завжди менше 1,4× M ⊙ - Доведено, що білі карлики з великими масами існувати не можуть. При масі, порівнянної з масою Сонця, і розмірах, порівнянних з розмірами великих планет Сонячної системи, білі карлики мають величезну середню щільність: ρб.к ~ 10 6 г/см 3 тобто гирка об'ємом 1 см 3 речовини білого карлика важить тонну! Прискорення вільного падіння на поверхні gб.к ~ 10 8 см/с 2 (порівняй із прискоренням на поверхні Землі - g з ≈980 см/с 2). При такому гравітаційному навантаженні на внутрішні області зірки рівноважний стан білого карлика підтримується тиском виродженого газу (в основному виродженого електронного газу, оскільки внесок іонної компоненти малий). Нагадаємо, що виродженим називається газ, у якому відсутній максвелівський розподіл часток за швидкостями. У такому газі за певних значень температури і щільності число частинок (електронів), що мають будь-яку швидкість в межах від v = 0 до v = v max , буде однаковим. v max визначається щільністю та температурою газу. При масі білого карлика Mб.к > 1,4 × M ⊙ максимальна швидкість електронів у газі можна порівняти зі швидкістю світла, вироджений газ стає релятивістським і його тиск вже не здатний протистояти гравітаційному стиску. Радіус карлика прагне нуля - “сплескується” в крапку.
Тонкі гарячі атмосфери білих карликів складаються або з водню, причому інших елементів у атмосфері мало виявляється; або з гелію, причому водню в атмосфері в сотні тисяч разів менше, ніж в атмосферах нормальних зірок. По виду спектру білі карлики ставляться до спектральним класам O, B, A, F. Щоб “відрізнити” білі карлики від нормальних зірок, перед позначенням ставиться буква D (DOVII, DBVII тощо. D - перша буква в англійському слові Degenerate – вироджений). Джерелом випромінювання білого карлика є запас теплової енергії, який білий карлик отримав, будучи ядром зірки-батьки. Багато білі карлики отримали у спадок від батьків і сильне магнітне поле, напруженість якого H ~ 10 8 е. вважають, що кількість білих карликів становить близько 10% від загальної кількостізірок галактики.
На рис. 15 наведено фотографію Сіріуса - найяскравішу зірку неба (α Великого пса; m v = -1 m, 46; клас A1V). Диск, що видно на знімку, є наслідком фотографічної іррадіації та дифракції світла на об'єктиві телескопа, тобто диск самої зірки на фотографії не дозволяється. Промені, що йдуть від фотографічного диска Сіріуса, – сліди спотворення хвильового фронту світлового потоку на елементах телескопової оптики. Сіріус знаходиться на відстані 2,64 від Сонця, світло від Сіріуса йде до Землі 8,6 років - таким чином, це одна з найближчих до Сонця зірок. Сіріус в 2,2 рази масивніший за Сонце; його M v = +1 m ,43, тобто наш сусід випромінює енергії в 23 рази більше, ніж Сонце.
Малюнок 15.Унікальність фотографії полягає в тому, що разом із зображенням Сіріуса вдалося отримати зображення його супутника – супутник яскравою точкою світиться зліва від Сіріуса. Сіріус – телескопічно: сам Сіріус позначається літерою А, яке супутник літерою У. Видима зіркова величина Сиріуса В m v = +8 m ,43, тобто він майже в 10 000 разів слабший за Сіріус А. Маса Сіріуса В майже точно дорівнює масі Сонця, радіус близько 0,01 радіуса Сонця, температура поверхні близько 12000К, проте випромінює Сиріус В в 400 разів менше Сонця . Сіріус В – типовий білий карлик. Більше того, це перший білий карлик, виявлений, до речі, Альвеном Кларком у 1862 р. при візуальному спостереженні в телескоп.
Сиріус А та Сиріус В звертаються навколо спільного з періодом 50 років; відстань між компонентами А і всього 20 а.е.
За влучним зауваженням В.М.Ліпунова, ““визріють” усередині масивних зірок (з масою понад 10× M ⊙ )”. Ядра зірок, що еволюціонують у нейтронну зірку, мають 1,4× M ⊙ ≤ M ≤ 3 × M ⊙ ; після того, як вичерпаються джерела термоядерних реакцій і -батьківщина спалахом скине значну частину речовини, ці ядра стануть самостійними об'єктами зоряного світу, що володіють вельми специфічними характеристиками. Стиснення ядра зірки-батьки зупиняється при щільності, порівнянної з ядерною (ρ н. з ~ 10 14 ÷ 10 15 г/см 3). За таких мас і щільності радіус народилася всього 10 складається з трьох шарів. Зовнішній шар (або зовнішня кора) утворений кристалічною решіткою з атомних ядер заліза ( Fe ) з можливою невеликою домішкою атомних ядер інших металів; товщина зовнішньої кори лише близько 600 м при радіусі 10 км. Під зовнішньою корою знаходиться ще одна внутрішня тверда кора, що складається з атомів заліза ( Fe ), але ці атоми перезбагачені нейтронами. Товщина цієї кори≈ 2 км. Внутрішня кора межує з рідким нейтронним ядром, фізичні процеси в якому визначаються чудовими властивостями нейтронної рідини - надплинністю та, за наявності в ній вільних електронів та протонів, надпровідністю. Можливо, що в самому центрі речовина може містити мезони та гіперони.
Швидко обертаються навколо осі - від одного до сотень обертів на секунду. Таке обертання за наявності магнітного поля ( H ~ 10 13 ÷ 10 15 Е) часто призводить до ефекту пульсації випромінювання зірки в різних діапазонах електромагнітних хвиль. Один з таких пульсарів ми бачили всередині крабовидної туманності.
Загальне число швидкість обертання вже недостатня для ежекції частинок, тому така може бути радіопульсаром. Однак вона все ще велика, і захоплена магнітним полем, що оточує нейтронну зірку, не може впасти, тобто акреція речовини не відбувайся.
Акретор (рентгенівський пульсар). Швидкість обертання знижується настільки, що речовині тепер нічого не заважає падати на таку нейтронну зірку. Плазма, падаючи, рухається лініями магнітного поля і вдаряється об тверду поверхню в районі полюсів, розігріваючись до десятків мільйонів градусів. Речовина, нагріта до таких високих температур, світиться в рентгенівському діапазоні. Область, в якій відбувається стан падаючої речовини з поверхнею зірки, дуже мала - всього близько 100 метрів. Ця гаряча пляма через обертання зірки періодично втрачається на увазі, що спостерігач сприймає як пульсації. Такі об'єкти називають рентгенівськими пульсарами.
Георотатор. Швидкість обертання таких нейтронних зірок мала і не перешкоджає акреції. Але розміри магнітосфери такі, що плазма зупиняється магнітним полем раніше, ніж буде захоплена гравітацією.
Якщо є компонентом тісної подвійної системи, відбувається “перекачування” речовини від нормальної зірки (другий компоненти) на нейтронну. Маса може перевищити критичну (M>3× M ⊙ ), тоді порушується гравітаційна стійкість зірки, що вже ніщо не може протистояти гравітаційному стиску, і “іде” під свій гравітаційний радіус
r g = 2 × G × M/c 2 , (40)
перетворюючись на "чорну діру". У наведеній формулі для rg: M – маса зірки, c – швидкість світла, G – гравітаційна стала.
Чорна діра - об'єкт, поле тяжіння якого настільки велике, що ні частка, ні фотон, ні будь-яке матеріальне тіло не можуть досягти другої космічної швидкості та вирватися у зовнішній простір.
Чорна діра є сингулярним об'єктом у тому сенсі, що характер перебігу фізичних процесів усередині її поки що недоступний теоретичному опису. Існування чорних дірок випливає з теоретичних міркувань, реально вони можуть перебувати в центральних районах кульових скупчень, квазарів, гігантських галактик, у тому числі й у центрі Нашої галактики.
Частина перша АСТРОНОМІЧНИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМИ
4. Еволюція зірок Сучасна астрономія має у своєму розпорядженні велику кількість аргументів на користь твердження, що зірки утворюються шляхом конденсації хмар газопилового міжзоряного середовища. Процес утворення зірок із цього середовища продовжується і в даний час. З'ясування цієї обставини одна із найбільших досягнень сучасної астрономії. Ще порівняно недавно вважали, що всі зірки утворилися майже одночасно багато мільярдів років тому. Аварію цих метафізичних уявлень сприяв, перш за все, прогрес спостережної астрономії та розвиток теорії будови та еволюції зірок. У результаті стало ясно, що багато зірок, що спостерігаються, є порівняно молодими об'єктами, а деякі з них виникли тоді, коли на Землі вже була людина. Важливим аргументом на користь висновку про те, що зірки утворюються з міжзоряного газопилового середовища, є розташування груп свідомо молодих зірок (так званих "асоціацій") у спіральних гілках Галактики. Справа в тому, що згідно з радіоастрономічними спостереженнями міжзоряний газ концентрується переважно в спіральних рукавах галактик. Зокрема це має місце і в нашій Галактиці. Більше того, з детальних "радіозображень" деяких близьких до нас галактик випливає, що найбільша щільність міжзоряного газу спостерігається на внутрішніх (стосовно центру відповідної галактики) краях спіралі, що знаходить природне пояснення, на деталях якого ми тут зупинятися не можемо. Але саме у цих частинах спіралей спостерігаються методами оптичної астрономії "зони HII", тобто хмари іонізованого міжзоряного газу. У гол. 3 вже говорилося, що причиною іонізації таких хмар може бути тільки ультрафіолетове випромінювання масивних гарячих зірок - об'єктів свідомо молодих (див. нижче). Центральним у проблемі еволюції зірок є питання про джерела їхньої енергії. Справді, звідки, наприклад, береться величезна кількість енергії, необхідної для підтримки випромінювання Сонця приблизно на рівні протягом кількох мільярдів років? Щомиті Сонце випромінює 4х10 33 ерг, а за 3 млрд років воно випромінювало 4х10 50 ерг. Безперечно, що вік Сонця близько 5 млрд років. Це випливає хоча б із сучасних оцінок віку Землі різними радіоактивними методами. Навряд чи Сонце "молодше" Землі. У минулому столітті та на початку цього століття пропонувалися різні гіпотези про природу джерел енергії Сонця та зірок. Деякі вчені, наприклад, вважали, що джерелом сонячної енергії є безперервне випадання на його поверхню метеорних тіл, інші шукали джерело безперервного стиснення Сонця. Потенційна енергія, що звільняється при такому процесі, могла б, за деяких умов, перейти в випромінювання. Як ми побачимо нижче, це джерело на ранньому етапі еволюції зірки може бути досить ефективним, але воно ніяк не може забезпечити випромінювання Сонця протягом необхідного часу. Успіхи ядерної фізики дозволили вирішити проблему джерел зіркової енергії ще наприкінці 30-х років нашого століття. Таким джерелом є термоядерні реакції синтезу, що відбуваються в надрах зірок за панівної там дуже високої температури (близько десяти мільйонів Кельвінів). В результаті цих реакцій, швидкість яких сильно залежить від температури, протони перетворюються на ядра гелію, а енергія, що звільняється, повільно "просочується" крізь надра зірок і врешті-решт, значно трансформована, випромінюється у світовий простір. Це винятково потужне джерело. Якщо припустити, що спочатку Сонце складалося тільки з водню, який в результаті термоядерних реакцій повністю перетворився на гелій, то кількість енергії, що виділилася, складе приблизно 10 52 ерг. Таким чином, для підтримки випромінювання на рівні, що спостерігається, протягом мільярдів років достатньо, щоб Сонце "витратило" не понад 10% свого первісного запасу водню. Тепер ми можемо уявити картину еволюції якоїсь зірки в такий спосіб. З деяких причин (їх можна вказати кілька) почала конденсуватися хмара міжзоряного газопилового середовища. Досить скоро (зрозуміло, за астрономічними масштабами!) під впливом сил всесвітнього тяжіння з цієї хмари утворюється порівняно щільна непрозора газова куля. Строго кажучи, цю кулю ще не можна назвати зіркою, тому що в її центральних областях температура недостатня для того, щоб почалися термоядерні реакції. Тиск газу всередині кулі не в змозі поки що врівноважити сили тяжіння окремих його частин, тому він безперервно стискатиметься. Деякі астрономи раніше вважали, що такі "протозірки" спостерігаються в окремих туманностях у вигляді дуже темних компактних утворень, так званих глобул (рис. 12). Успіхи радіоастрономії, однак, змусили відмовитися від такої досить наївної точки зору (див. нижче). Зазвичай одночасно утворюється не одна протозірка, а більш менш численна група їх. Надалі ці групи стають зірковими асоціаціями та скупченнями, добре відомими астрономам. Цілком ймовірно, що на цьому ранньому етапі еволюції зірки навколо неї утворюються згустки з меншою масою, які потім поступово перетворюються на планети (див. гол. 9).Мал. 12. Глобули у дифузійній туманності
При стисканні протозірки температура її підвищується і значна частина потенційної енергії, що звільняється, випромінюється в навколишній простір. Оскільки розміри газової кулі, що стискається, дуже великі, то випромінювання з одиниці його поверхні буде незначним. Якщо потік випромінювання з одиниці поверхні пропорційний четвертого ступеня температури (закон Стефана - Больцмана), температура поверхневих шарів зірки порівняно низька, тим часом як її світність майже така ж, як у звичайної зірки з тією ж масою. Тому на діаграмі "спектр - світність" такі зірки розташуються праворуч від головної послідовності, тобто потраплять в область червоних гігантів або червоних карликів, залежно від значень їх первісних мас. Надалі протозірка продовжує стискатися. Її розміри стають меншими, а поверхнева температура зростає, внаслідок чого спектр стає все більш "раннім". Таким чином, рухаючись діаграмою "спектр - світність", протозірка досить швидко "сяде" на головну послідовність. В цей період температура зоряних надр вже виявляється достатньою для того, щоб там почалися термоядерні реакції. При цьому тиск газу всередині майбутньої зірки врівноважує тяжіння та газова куля перестає стискатися. Протозірка стає зіркою. Щоб пройти цю ранню стадію своєї еволюції, протозіркам потрібно порівняно небагато часу. Якщо, наприклад, маса протозірки більша за сонячну, потрібно лише кілька мільйонів років, якщо менше - кілька сотень мільйонів років. Так як час еволюції протозірок порівняно невеликий, цю ранню фазу розвитку зірки виявити важко. Все ж таки зірки в такій стадії, мабуть, спостерігаються. Ми маємо на увазі дуже цікаві зірки типу Т-Тільця, зазвичай занурені в темні туманності. У 1966 р. несподівано виявилася можливість спостерігати протозірки на ранніх стадіях їх еволюції. Ми вже згадували у третій главі цієї книги про відкриття методом радіоастрономії низки молекул у міжзоряному середовищі, насамперед гідроксилу ВІН та пари води Н2О. Велике ж було здивування радіоастрономів, коли при огляді неба на хвилі 18 см, що відповідає радіолінії ВІН, було виявлено яскраві, надзвичайно компактні (тобто мають малі кутові розміри) джерела. Це було настільки несподівано, що спочатку відмовлялися навіть вірити, що такі яскраві радіолінії можуть належати молекулі гідроксилу. Була висловлена гіпотеза, що ці лінії належать до якоїсь невідомої субстанції, якій одразу ж дали "відповідне" ім'я "містеріум". Однак "містеріум" дуже скоро розділив долю своїх оптичних "братів" - "небулія" та "коронія". Справа в тому, що багато десятиліть яскраві лінії туманностей і сонячної корони не піддавалися ототожнення з будь-якими відомими спектральними лініями. Тому їх приписували якимсь, невідомим землі, гіпотетичним елементам - " небулію " і " коронію " . Не поблажливо посміхатимемося над невіглаством астрономів початку нашого століття: адже теорії атома тоді ще не було! Розвиток фізики не залишив у періодичній системі Менделєєва місця для екзотичних "небожителів": у 1927 р. був розвінчаний "небулій", лінії якого з повною надійністю були ототожнені з "забороненими" лініями іонізованих кисню та азоту, а в 1939 -1941 рр. було переконливо показано, що загадкові лінії "коронія" належать багаторазово іонізованим атомам заліза, нікелю та кальцію. Якщо для "розвінчання" "небулія" і "кодонія" були потрібні десятиліття, то вже через кілька тижнів після відкриття стало ясно, що лінії "містеріуму" належать звичайному гідроксилу, але тільки в незвичайних умовах. Подальші спостереження насамперед виявили, що джерела "містеріуму" мають виключно малі кутові розміри. Це було показано за допомогою тоді ще нового, дуже ефективного методудослідженні, що отримало назву "радіоінтерферометрія на наддовгих базах". Суть методу зводиться до одночасним спостереженням джерел двох радіотелескопах, віддалених друг від друга з відривом кілька тисяч кілометрів. Як виявляється, кутова роздільна здатність при цьому визначається ставленням довжини хвилі до відстані між радіотелескопами. У нашому випадку ця величина може бути ~3х10 -8 рад або кілька тисячних секунд дуги! Зауважимо, що в оптичній астрономії такий кутовий дозвіл поки що зовсім недосяжний. Такі спостереження показали, що є принаймні три класи джерел "містеріуму". Нас тут цікавитимуть джерела 1 класу. Всі вони знаходяться всередині газових іонізованих туманностей, наприклад, у знаменитій туманності Оріона. Як уже говорилося, їх розміри надзвичайно малі, у багато тисяч разів менше розмірівтуманності. Усього цікавіше, що вони мають складну просторову структуру. Розглянемо, наприклад, джерело, що знаходиться в туманності, що отримала назву W3.
Мал. 13. Профілі чотирьох компонент лінії гідроксилу
На рис. 13 наведено профіль лінії ВІН, що випромінюється цим джерелом. Як бачимо, він складається із великої кількості вузьких яскравих ліній. Кожній лінії відповідає певна швидкість руху з променю зору хмари, що випромінює цю лінію. Розмір цієї швидкості визначається ефектом Доплера. Відмінність швидкостей (променю зору) між різними хмарами досягає ~10 км/с. Згадані вище інтерферометричні спостереження показали, що хмари, що випромінюють кожну лінію, просторово не збігаються. Картина виходить така: усередині області розміром приблизно 1,5 секунд дуги рухаються з різними швидкостями близько 10 компактних хмар. Кожна хмара випромінює одну певну (за частотою) лінію. Кутові розміри хмар дуже малі, близько кількох тисячних секунд дуги. Так як відстань до туманності W3 відома (близько 2000 пк), кутові розміри легко можуть бути переведені в лінійні. Виявляється, що лінійні розміри області, в якій рухаються хмари, близько 10 -2 пк, а розміри кожної хмари лише на порядок величини більше відстані від Землі до Сонця. Постають питання: що це за хмари і чому вони так сильно випромінюють у радіолініях гідроксилу? На друге запитання відповідь була отримана незабаром. Виявилося, що механізм випромінювання цілком подібний до того, що спостерігався в лабораторних мазерах і лазерах. Отже, джерела "містеріуму" - це гігантські, природні космічні мазери, що працюють на хвилі лінії гідроксилу, довжина якої 18 см. Саме в мазерах (а на оптичних та інфрачервоних частотах - в лазерах) досягається величезна яскравість у лінії, причому спектральна ширина її мала . Як відомо, посилення випромінювання в лініях завдяки такому ефекту можливе тоді, коли середовище, в якому поширюється випромінювання, у будь-який спосіб "активована". Це означає, що деяке "стороннє" джерело енергії (так звана "накачування") робить концентрацію атомів або молекул на початковому (верхньому) рівні аномально високою. Без постійно діючої "накачування" мазер або лазер неможливі. Питання про природу механізму "накачування" космічних мазерів поки що остаточно не вирішено. Однак швидше за все "накачуванням" служить досить потужне інфрачервоне випромінювання. Іншим можливим механізмом "накачування" можуть бути деякі хімічні реакції. Варто перервати нашу розповідь про космічні мазери для того, щоб подумати, з якими дивними явищами стикаються астрономи в космосі. Одне з найбільших технічних винаходів нашого бурхливого століття, що відіграє чималу роль науково-технічної революції, що переживається нами, запросто реалізується в природних умовах і до того ж - у величезному масштабі! Потік радіовипромінювання від деяких космічних мазер настільки великий, що міг би бути виявлений навіть при технічному рівні радіоастрономії років 35 тому, тобто ще до винаходу мазер і лазерів! Для цього треба було "тільки" знати точну довжину хвилі радіолінії ВІН та зацікавитись проблемою. До речі, це перший випадок, як у природних умовах реалізуються найважливіші науково-технічні проблеми, які стоять перед людством. Термоядерні реакції, що підтримують випромінювання Сонця та зірок (див. нижче), стимулювали розробку та здійснення проектів отримання на Землі ядерного "пального", яке в майбутньому має вирішити всі наші енергетичні проблеми. На жаль, ми поки що далекі від вирішення цього найважливішого завдання, яке природа вирішила "просто". Півтора століття тому засновник хвильової теорії світла Френель зауважив (з іншого приводу, звісно): "Природа сміється з наших труднощів". Як бачимо, зауваження Френеля ще справедливіше у наші дні. Повернемося, однак, до космічних мазер. Хоча механізм "накачування" цих мазерів поки ще не зовсім зрозумілий, все ж таки можна скласти собі грубе уявлення про фізичні умови в хмарах, що випромінюють мазерним механізмом лінію 18 см. Насамперед, виявляється, що ці хмари досить щільні: у кубічному сантиметрі там є по принаймні 10 8 -10 9 частинок, причому істотна (а може бути і більша) частина їх молекули. Температура навряд чи перевищує дві тисячі кельвінів, швидше за все, вона близько 1000 Кельвінів. Ці властивості різко відмінні від властивостей навіть найщільніших хмар міжзоряного газу. Враховуючи ще порівняно невеликі розміри хмар, ми мимоволі приходимо до висновку, що вони нагадують протяжні, досить холодні атмосфери зірок - надгігантів. Дуже схоже, що ці хмари є не що інше, як рання стадія розвитку протозірок, яка прямує відразу за їх конденсацією з міжзоряного середовища. На користь цього твердження (яке автор цієї книги висловив ще 1966 р.) свідчать і інші факти. У туманностях, де спостерігаються космічні мазери, видно молоді гарячі зірки (див. нижче). Отже, там нещодавно закінчився і, швидше за все, продовжується і нині процес зіркоутворення. Мабуть, найцікавіше те, що, як свідчать радіоастрономічні спостереження, космічні мазери цього як би " занурені " в невеликі, дуже щільні хмари іонізованого водню. У цих хмарах є багато космічного пилу, що робить їх неспостережуваними в оптичному діапазоні. Такі "кокони" іонізуються молодою, гарячою зіркою, яка перебуває всередині них. При дослідженні процесів зіркоутворення дуже корисною виявилася інфрачервона астрономія. Адже для інфрачервоних променів міжзоряне поглинання світла не таке істотне. Ми можемо тепер уявити таку картину: з хмари міжзоряного середовища, шляхом його конденсації, утворюється кілька згустків різної маси, що еволюціонують у протозірки. Швидкість еволюції різна: для більш масивних згустків вона буде більшою (див. далі табл. 2). Тому насамперед перетвориться на гарячу зірку найбільш масивний потік, тим часом як інші більш-менш довго затримуватимуться на стадії протозірки. Їх ми й спостерігаємо як джерела мазерного випромінювання в безпосередній близькості від "новонародженої" гарячої зірки, що іонізує водень "кокона", що не сконденсував у згустки. Зрозуміло, ця груба схема надалі уточнюватиметься, причому, звичайно, до неї будуть внесені суттєві зміни. Але факт залишається фактом: несподівано виявилося, що деякий час (швидше за все - порівняно короткий) новонароджені протозірки, образно висловлюючись, "кричать" про свою появу на світ, користуючись новітніми методами квантової радіофізики (тобто мазерами). року після відкриття космічних мазерів на гідроксилі (лінія 18 см) - було встановлено, що ті ж джерела одночасно випромінюють (також мазерним механізмом) лінію водяної пари, довжина хвилі якої 1,35 см. Інтенсивність "водяного" мазера навіть більша, ніж "гідроксильного" ". Хмари, що випромінюють лінію Н2О, хоч і знаходяться в тому ж малому обсязі, що і "гідроксильні" хмари, рухаються з іншими швидкостями і значно компактніші. Не можна виключати, що в найближчому майбутньому будуть виявлені й інші мазерні лінії * . Таким чином, зовсім несподівано радіоастрономія перетворила класичну проблему зіркоутворення на гілку спостережної астрономії. Опинившись на головній послідовності і переставши стискатися, зірка довго випромінює практично не змінюючи свого положення на діаграмі "спектр - світність". Її випромінювання підтримується термоядерними реакціями, що у центральних областях. Таким чином, головна послідовність є як би геометричним місцем точок на діаграмі "спектр - світність", де зірка (залежно від її маси) може довго і стійко випромінювати завдяки термоядерним реакціям. Місце зірки на головній послідовності визначається її масою. Слід зазначити, що є ще один параметр, що визначає положення рівноважної випромінює зірки на діаграмі "спектр-світність". Таким параметром є первісний хімічний склад зірки. Якщо відносний вміст важких елементів зменшиться, зірка "ляже" на діаграмі нижче. Саме цією обставиною пояснюється наявність послідовності субкарликів. Як уже говорилося вище, відносний зміст важких елементів у цих зірок у десятки разів менше, ніж у зірок головної послідовності. Час перебування зірки на головній послідовності визначається її первісною масою. Якщо маса велика, випромінювання зірки має величезну потужність і досить швидко витрачає запаси свого водневого " пального " . Так, наприклад, зірки головної послідовності з масою, що перевищує сонячну в кілька десятків разів (це гарячі блакитні гіганти спектрального класу О), можуть стійко випромінювати, перебуваючи на цій послідовності лише кілька мільйонів років, у той час як зірки з масою, близькою до сонячної, знаходяться на головній послідовності 10-15 млрд років. Нижче наводиться табл. 2, що дає обчислену тривалість гравітаційного стиску та перебування на головній послідовності для зірок різних спектральних класів. У цій же таблиці наведено значення мас, радіусів та світимостей зірок у сонячних одиницях.
Таблиця 2
| років | |||||
|
Спектральний клас |
Світність |
гравітаційного стиску |
перебування на головній послідовності | ||
|
G2 (Сонце) |
|||||
Мал. 14. Еволюційні треки для зірок різної маси на діаграмі "світність-температура"
Мал. 15. Діаграма Герцшпрунга – Рессела для зоряного скупчення NGC 2254
Мал. 16. Діаграма Герцшпрунга - Рессела для кульового скупчення М 3. По вертикальній осі - відносна зіркова величина
На відповідній діаграмі чітко видно вся головна послідовність, у тому числі її верхня ліва частина, де розташовані гарячі масивні зірки (показнику-кольору - 0,2 відповідає температура 20 тис. К, тобто спектр класу). Кульове скупчення М3 - "старий" об'єкт. Ясно видно, що у верхній частині головної послідовності діаграми, побудованої для цього скупчення, зірок майже немає. Зате галузь червоних гігантів у М 3 представлена дуже багато, тоді як у NGC 2254 червоних гігантів дуже мало. Це і зрозуміло: у старого скупчення М 3 велика кількість зірок вже встигла "зійти" з головної послідовності, у той час як у молодого скупчення NGC 2254 це відбулося тільки з невеликою кількістю порівняно масивних зірок, що швидко еволюціонують. Привертає увагу, що гілка гігантів для М 3 йде досить круто вгору, а в NGC 2254 вона - майже горизонтальна. З погляду теорії це можна пояснити значно нижчим вмістом важких елементів у М 3. І справді, у зірок кульових скупчень (як і в інших зірок, що концентруються не стільки до галактичної площини, скільки до галактичного центру) відносний вміст важких елементів незначно . На діаграмі "показник кольору - світність" для М3 видно ще одну майже горизонтальну гілку. Аналогічної гілки на діаграмі, побудованій для NGC 2254 немає. Теорія пояснює появу цієї гілки в такий спосіб. Після того як температура щільного гелієвого ядра зірки, що стискається, червоного гіганта - досягне 100-150 млн К, там почне йти нова ядерна реакція. Ця реакція полягає у освіті ядра вуглецю з трьох ядер гелію. Як тільки почнеться ця реакція, стиснення ядра припиниться. Надалі поверхневі шари
зірки збільшують свою температуру і зірка на діаграмі "спектр - світність" переміщатиметься вліво. Саме з таких зірок утворюється третя горизонтальна гілка діаграми для М3.
Мал. 17. Зведена діаграма Герцшпрунга - Рессела для 11 зоряних скупчень
На рис. 17 схематично наведена зведена діаграма "колір - світність" для 11 скупчень, з яких два (М 3 і М 92) кульові. Ясно видно, як " загинаються " вправо і вгору головні послідовності в різних скупчень у повній згоді з теоретичними уявленнями, про які вже йшлося. З рис. 17 можна відразу визначити, які скупчення є молодими та які старими. Наприклад, "подвійне" скупчення Х і h Персея молоде. Воно "зберегло" значну частину головної послідовності. Скупчення М 41 старше, ще старше скупчення Гіади і зовсім старим є скупчення М 67, діаграма "колір - світність" для якого дуже схожа на аналогічну діаграму для кульових скупчень М 3 і М 92. Тільки гілка гігантів у кульових скупчень знаходиться вище у згоді з відмінностями в хімічному складі, Про які йшлося раніше. Таким чином, дані спостережень повністю підтверджують та обґрунтовують висновки теорії. Здавалося б, важко очікувати на спостережну перевірку теорії процесів у зоряних надрах, які закриті від нас величезною товщею зіркової речовини. І все-таки теорія і тут постійно контролюється практикою астрономічних спостережень. Слід зазначити, що складання великої кількості діаграм "колір - світність" зажадало величезної праці астрономів-спостерігачів і докорінного вдосконалення методів спостережень. З іншого боку, успіхи теорії внутрішньої будови та еволюції зірок були б неможливі без сучасної обчислювальної техніки, що ґрунтується на застосуванні швидкодіючих електронних рахункових машин. Неоціненну послугу теорії надали також дослідження в галузі ядерної фізики, що дозволили отримати кількісні характеристики ядерних реакцій, які протікають у зоряних надрах. Без перебільшення можна сказати, що розробка теорії будови та еволюції зірок є одним із найбільших досягнень астрономії другої половини XX століття. Розвиток сучасної фізики відкриває можливість прямої спостережної перевірки теорії внутрішньої будови зірок, зокрема Сонця. Йдеться можливості виявлення потужного потоку нейтрино, який має випромінювати Сонце, якщо у його надрах мають місце ядерні реакції. Добре відомо, що нейтрино дуже слабко взаємодіє з іншими елементарними частинками. Так, наприклад, нейтрино може майже без поглинання пролетіти через усю товщу Сонця, тоді як рентгенівське випромінювання може пройти без поглинання лише за кілька міліметрів речовини сонячних надр. Якщо уявити, що через Сонце проходить потужний пучок нейтрино з енергією кожної частки
Вдивляючись у глибини Всесвіту, астрономи досліджують зіткнення різних космічних сил. Смерть зірки відкрила нам завісу меж часу та простору. Сучасна астрономія дозволила побачити зовсім інший Всесвіт: киплячий і неприборканий. Видовище, що супроводжується передсмертною агонією гігантської зірки. Поверхня її схожа на вирує море вогню, покритого сплесками розпеченого газу. Хвилі, що здіймаються, утворюють цунамі висотою в тисячу метрів. В атмосферу злітають величезні газові шлейфи, які більше . У глибинах зірки розпочався процес руйнування. Це призводить до вибуху та народження наднової. На її місці залишаються лише кольорові нитки і хмари газів, що світяться.
Дивно те, що загибель однієї зірки породжує ціле покоління нових зірок. Подібна зміна загибелі та народження визначає всю історію нашої галактики. Чумацького шляхуі мільярди таких же галактик.
Наше уявлення про космос сформоване рідкісними вибухами зірок, досить яскравими, щоби побачити їх неозброєним поглядом.
У 1054 році, зоречети Північної Америки виявили наднову, спостерігаючи за півмісяцем. Цю саму подію спостерігали у Китаї, Кореї, на Близькому Сході.
Астроном Тихо Браги, спостерігав подібне явище 1572 року. Він писав про це: «Я був настільки вражений цим видовищем, що не посоромився поставити під сумнів те, що бачили мої власні очі»
Наступний випадок, 1604 року, описав Йоганн Кеплер. Галілей у цьому зробив обгрунтування нового підходу до , взявши за ідею зміну як фундаментальну складову космосу.
Щоб зрозуміти, як зірки формують Всесвіт, вчені використовують цілий арсенал нових. Від гігантських телескопів, які розташовані високо в горах, до цілої армади супутників у космосі. Дивлячись на зірки у телескопи, ми бачимо . Але це лише невелика частка того, що відомо, як електромагнітний діапазон.
На одному кінці спектру знаходиться коротке високоенергетичне рентгенівське та гамма-випромінювання. На іншому, довгі, низькоенергетичні радіохвилі, ультракороткі хвилі. Для збору сигналів, що випускаються зірками у віддалених куточках галактики, використовується безліч радіотелескопів. Вони допомагають вченим розглянути об'єкти крізь товщу туманностей та газових скупчень.
На іншому кінці спектру розташовуються ультрафіолетові рентгенівські та гамма промені. Короткохвильове рентгенівське випромінювання дозволяє лікарям просвітити наші тіла та побачити переломи кісток. Астрономи ж шукають його в космосі, як свідчення самих бурхливих процесів.
Крабовидна туманність – це оболонка наднової, яку спостерігали у різних місцях 1054 року. Вчені зосередили свою увагу на глибині пульсара. Вони зафіксували сплески радіації, які залишили круглі сліди в навколишній газовій хмарі. Деякі зірки, що гинуть, чекає вкрай дивна доля. Всесвіт народжує монстрів.
Альберт Ейнштейн припустив, що є зірки з такою гравітацією, яка дозволяє прорватися навіть світла. Але він відхилив цю ідею як неможливу. Що колись було за межею розуміння – зараз визначає кордон. Астрономи вважають, що коли вривається велика зірка, у її ядро проникає стільки матерії, що вона може залишити Всесвіт. Але останнє слово за гравітацією.
Користуючись перевагами землі, ми можемо охарактеризувати Всесвіт за відомими нам критеріями, включаючи форми світла електромагнітного спектра. Однак із цим не згодні. Як можна визначити об'єкт, який не дає світла?
Астрономи знайшли відповідь у спалаху гама випромінювання, спрямованого до центру нашої галактики. Радіотелескопи сконцентрувалися на джерела та виявили потоки матерії у двох напрямках. І ось що вони побачили.
Чорна діра, що випромінює потоки газу з зовнішніх шарів зірки. Вони утворюють диск, що обертається. Він формує магнітні поля, які обертаючись, утворюють два високоенергетичні промені, або потоки, що проходять крізь них, матерії.
Астрономи знають, що чорні дірки здатні сконцентрувати в цих потоках величезну кількість енергії миттєво. Одна з них, відома під назвою «GROJ 1655-40», мчить крізь Всесвіт на швидкості 400 тисяч кілометрів на годину. Вчетверо швидше, ніж інші зірки. Це подібно до пострілу з гармати, зробленого однією з Наднових.
Чорні дірки, завдяки здатності мобілізувати величезну кількість енергії, цікавлять нас не лише з цікавості. Є категорія дірок, що існують з незапам'ятних. З того часу, коли перші зірки тільки зароджувалися. Коли ті первородні гіганти гинули, вони народжували чорні дірки.
Гравітація підживлювала чорні дірки космічною речовиною та газом. Речовина перетворилася вперше на галактики, які переросли у великі. Деякі з них досягли маси, що в мільярди разів перевищують масу Сонця.
Випускаючи енергетичні потоки, вони розігрівали оточення галактик. Це зупиняло струмінь газу в центральній галактиці, уповільнюючи його зростання, і, провокуючи зростання периферійних галактик. Але на цьому вплив чорних дірок не закінчувався.
Галактичне скупчення, зване «Гідра А», оточене розжареними западинами, що випромінюють рентгенівське випромінювання. З центральної галактики виривається потік, видимий радіохвильовому спектрі. Газ по краях цього потоку містить велику кількість іонів заліза, та інших металів, народжених вибухом наднової. Виштовхуючи ці метали на краї Всесвіту, чорні дірки насичують віддалені галактики елементами, необхідними для формування зірок та планетарних систем, подібних до нашої.
Великі чорні діри спостерігаються майже у всіх галактиках у Всесвіті. Також відзначається зростання кількості потужних енергетичних потоків.
Нам дісталося роль спостерігачів за тернистим життєвим циклом зірок. Перебуваючи на колосальному віддаленні від них у часі та просторі, нам дуже багато незрозуміло.
Запуск у 1977 році помітно скоротив цю відстань. Після обстеження найдальших планет Сонячної системи та їх супутників ці апарати прямують до зовнішніх меж нашої системи, на десятки мільярдів кілометрів від Землі. Рухаючись зі швидкістю 16 кілометрів на секунду, Вояджер2 покриє відстань у чотири світлові роки і досягне однієї з найближчих до нас зірок – Сіріуса, через 290 тисяч років.
Спостерігаючи з нашого тихого куточка в галактиці, ми зрозуміли, що зірки не тільки висвітлюють Всесвіт, але й насичують його матерією, необхідною для життя. Спостерігаючи за загибеллю зірки у вибуху, ми набуваємо розуміння тієї сили, яка утворює Всесвіт і змінює світи, подібні до нашого власного світу.
ТЕМА № 5. ВСЕСВІТ
Поняття
Плазма, зірка, червоний гігант, білий карлик, нейтронна зірка, «чорна діра», галактика, Метагалактика, «червоне спектральне усунення», парсек, квазар.
Вчені
Вільям Гершель, Роберт Джуліус Трюмплер, Едвін Хаббл, Альберт Ейнштейн, Весто Слайфер, Християн Доплер, Георгій Антонович Гамов, Арно Пензіас, Роберт Вілсон.
Запитання
1. Народження та еволюція зірок.
2. Галактики.
3. Модель Всесвіту, що розширюється.
4. Теорія Великого вибуху.
НАРОДЖЕННЯ І ЕВОЛЮЦІЯ ЗІРОК
Зірка – плазмова куля
Здається, що зірок на небі – неймовірна кількість. Насправді, неозброєним оком при гострому зорі в темну ніч можна розглянути не більше 3 000 зірок, а в обох півкулях – не більше 6 000. За сотні років спостережень астрономи занесли до каталогів близько мільйона зірок.
Щоб зрозуміти, що таке зірка, треба згадати, які є стани речовини. Крім широко відомих твердого, рідкого та газоподібного, речовина може перебувати ще й у плазмовому стані, коли існує безліч іонів. Іон – заряджений атом. Якщо зовнішньої оболонці атома виявляється надлишок чи брак електронів, він стає іоном, відповідно, позитивним чи негативним. Отже, іон – електрично заряджений атом. Якщо у газі міститься значна частка іонів, він називається плазмою.
Плазма – іонізований газ, тобто. газ, у якому позитивні іони та електрони в середньому нейтралізують один одного.
Зірка – це плазмова куля.
Джерела зіркової енергії
Зірки мільярди років виділяють у навколишній космічний простір величезну кількість енергії. Сучасна фізика називає два можливі її джерела – гравітаційне стиск та термоядерні реакції.
Для того щоб зрозуміти, яким чином гравітація живить зірки енергією, уявимо собі, наприклад, свинцеву кульку, яку ми тримаємо на висоті H над поверхнею свинцевої плити. На нього із боку Землі діє гравітаційна сила. Кулька має енергію, яка у фізиці називається потенційною, іншими словами, запасеною. За формулою, відомою зі шкільного курсу фізики, вона дорівнює
де E p – потенційна енергія, m – маса кульки, g – прискорення вільного падіння. Точніше, вона виражає значення взаємної енергії двох тіл – кульки та Землі. Якщо ми випустимо кульку з рук, вона почне падати, відстань до плити зменшуватиметься і, отже, зменшуватиметься її потенційна енергія. Зате він набиратиме швидкість, а отже, нарощуватиме свою кінетичну енергію, іншими словами, енергію руху. При цьому сума потенційної та кінетичної енергії – повна механічна енергія системи «Земля-кулька» – зберігатиметься. Про це свідчить найважливіший закон механіки – закон збереження повної механічної енергії.
Коли кулька впаде на плиту, вона не підлетить вгору, а дещо розплющиться. Але куди поділася повна механічна енергія? Вона не зникла, а перейшла до іншого виду енергії – у внутрішню (іноді її неточно називають тепловою). І кулька, і те місце свинцевої плити, куди вона потрапила, трохи нагріються. Таким чином, гравітація призвела до зближення кульки та плити та їх нагрівання.
Народження зірок
Уявімо собі в просторах космічного простору величезну хмару пилу і газу, припустимо, за розмірами, що у багато разів перевищує Сонячну систему. Під дією гравітаційних сил частки пилу та газу згущуватимуться і нагріватимуться. Подібний процес описував Кант у своїй небулярній гіпотезі. Хмара може згущуватися та нагріватися мільйони років. Коли ж у ньому температура досягне величини близько 10 млн. до, почнуться реакції термоядерного синтезу. Найбільш поширена з них, ймовірно, є реакцією злиття ядер атома водню з утворенням ядер атома гелію. Її початок означатиме народження нової зірки. Такою є одна з моделей походження зірок. Таким чином, гравітаційний стиск «включає» термоядерну реакцію.
Еволюція зірок
Гравітаційне стиск – перший етап еволюції зірки. В результаті центральна частина зірки розігрівається до температури приблизно 10 - 15 млн. К - до початку реакції термоядерного синтезу. Її супроводжує виділення великої кількості енергії.
Молоді зірки перебувають у стадії початкового гравітаційного стиску. Вони світяться за рахунок перетворення потенційної енергії взаємодії частинок на внутрішню.
Процес еволюції зірки є протиборством двох могутніх сил. Гравітаційні сили взаємодії між різними областями зірки прагнуть її стиснути, оскільки це сили тяжіння. Внутрішній тиск перешкоджає цьому стиску. Воно складається принаймні з трьох компонентів. По-перше, це тиск газу. Якщо, наприклад, стискати руками гумовий м'ячик, можна відчути тиск повітря, що усередині. По-друге, тиск світла. (Згадаймо тиск сонячних променів на хвіст комети). По-третє, тиск, що виникає від осколків термоядерних реакцій, що розлітаються. Під час злиття ядер із них вилітають нейтрони. Їхні потоки також чинять тиск. (Згадаймо, що таке тиск газу. Його молекули стикаються зі стінками судини. Їх сукупний вплив і є тиск газу). Вибух термоядерної бомби викликає хвилю, яка має величезну руйнівну силу. Усередині зірки щомиті вибухають термоядерні бомби. Але їхню дію стримують могутні гравітаційні сили. Вражаюче, але поєдинок двох рівновеликих сил – сукупного внутрішнього тиску та гравітації – триває мільярди років.
Червоні гіганти
Оскільки реакція термоядерного синтезу протікає в центральній області Сонця, то в міру перетворення водню на гелій у ній формується дедалі зростаюче гелієве ядро. Термоядерні реакції продовжуються, але в тонкому шарі поблизу поверхні цього ядра і поступово переміщуються на периферію зірки. Оболонка набухає до колосальних розмірів, зовнішня температура стає низькою, і зірка переходить у стадію червоного гіганта – виходить на завершальний етап свого життя. Речовина зірки губиться, викидається у міжзоряний простір. Усього за десять – сто тисяч років від червоного гіганта залишається лише центральне гелієве ядро.
Завершальний етап еволюції зірки
Ніщо не вічне в матеріальному світі. Як не великий запас водню всередині зірки, але і він не безкінечний. Через кілька мільярдів років весь водень перетворюється на гелій внаслідок реакції термоядерного синтезу.
Нарешті, всі залишки водню перетворюються на гелій, і термоядерні реакції припиняються. Тоді значно послаблюється внутрішній тиск зірки, оскільки в нього вже не входить потужний компонент – вплив частинок, які звільняються в ході термоядерної реакції, насамперед, нейтронів. Іншими словами, усередині зірки припиняються вибухи термоядерних бомб. Вочевидь, це призводить до зниження внутрішнього тиску.
Тоді порушується колишній баланс протидіючих сил. Гравітаційні сили отримують перевагу над силами внутрішнього тиску, і цей процес наростає, як снігова куля. Щоб це було простіше зрозуміти, звернемося до закону всесвітнього тяжіння:
Для нашого конкретного випадку F – сила взаємодії між протилежними областями зірки, які її стискають, G – гравітаційна постійна (вона незмінна), m – маса речовини у цих областях, R – відстань між цими областями, і вона не перевищує діаметр зірки. Оскільки сили гравітації зірку стискають, це призводить до зменшення величини R. Ця величина знаходиться в знаменнику, а зі зменшенням знаменника дріб зростає, причому R знаходиться в другому ступені. Зростання дробу, тобто. сили F ще більше стискає зірку, що призводить до зменшення її розмірів R і, відповідно, до збільшення сили F. І т.д. Упродовж кількох десятків секунд ядро зірки стискається. Цей процес називається гравітаційним колапсом, що означає – гравітаційна катастрофа.
Подальша долязірки залежить насамперед від її маси. Найбільш ймовірні три варіанти завершальної стадії еволюції зірок – білі карлики, нейтронні зірки та «чорні дірки».
Білі карлики
Якщо маса зірки приблизно 1,4 маси Сонця і менше, вона перетворюється на стан, яке називається білим карликом. Чому білий? Тому що зірка дуже яскраво світить. Чому карлик? Тому що зірка різко стискається, і, отже, густина її збільшується. Уявімо Сонце, яке стислося до величини Землі. Щільність такої зірки у мільярди разів перевищуватиме щільність води. Речовина білого карлика дуже щільний іонізований газ. Він складається з ядер атомів та окремих електронів. Такий газ називається виродженим.
Білий карлик повільно охолоджується. Його оболонка поступово викидається у простір. Молоді білі карлики оточуються залишками оболонки, що нагадує кільце навколо білої точки. Такі утворення називають планетарними туманностями.
У надрах білих карликів термоядерні реакції не йдуть. Вони можуть протікати лише в їхній атмосфері, куди проникає водень із міжзоряного середовища. Білі карлики світять за рахунок величезних запасів внутрішньої енергії. Вони охолоджуються сотні мільйонів років. При остиганні білого карлика його колір змінюється від білого до жовтого, а потім до червоного. Зрештою, він перетворюється на чорний карлик – мертву холодну зірку.
Доля Сонця
Нині у надрах нашого Сонця поки що протікає ядерна реакція перетворення водню на гелій. За оцінками фахівців, його гравітаційний колапс настає не раніше, ніж через 5 млрд. років. Сонце роздуватиметься і перетворюватиметься на червоний гігант. Його зовнішня оболонка досягне орбіти Меркурія чи, можливо, Венери. Океани на Землі випаруються, а від неї самої залишаться обвуглене каміння.
Нейтронні зірки
Якщо маса зірки, яка досягла стану гравітаційного колапсу, перевищує масу Сонця більш ніж в 1,4 рази, вона перетворюється на нейтронну зірку. Дуже спрощено можна припустити, що гравітаційні сили настільки великі, що вони хіба що «вдавлюють» негативно заряджені електрони в позитивно заряджені протони, й у результаті утворюються нейтральні частки – нейтрони. Отже, нейтронна зірка переважно складається з нейтронів. Виникає питання, а яка зірка є щільнішою, щільніше упакованою, білий карлик чи нейтронна зірка? Згадаймо, що до складу білого карлика входять позитивно заряджені протони. Однойменно заряджені частинки відштовхуються. Тому для стиснення білого карлика гравітаційним силам доводиться долати електричне відштовхування протонів. Навпаки, нейтронна зірка складається з нейтронів - частинок, що не мають електричного заряду, між якими немає електричного відштовхування. Тому гравітаційні сили здатні нейтронну зірку стиснути до щільнішого стану, ніж білий карлик. Щільність нейтронної зірки навіть вище, ніж густина атомних ядер – 10 15 г/см 3 . Її температура близько 1 млрд градусів.
Чорні діри
Якщо маса зірки, що колапсує, тобто. зірки у стані гравітаційного колапсу, що перевищує 2 – 3 маси Сонця, вона перетворюється на «чорну діру». З'ясуємо, чому вона чорна і чому дірка?
На Землі будь-яке тіло, підкинуте нагору, падає під дією земного тяжіння. Якщо якесь тіло досягне швидкості 7,9 км/с, воно стане штучним супутником Землі. Ця швидкість називається першою космічною швидкістю. Якщо ж це значення буде перевищено, тоді тіло залишить межі тяжіння Землі і здатне буде віддалятися від неї. У "чорної дірки" настільки потужна гравітація, що навіть швидкості світла - 300 000 км/с недостатньо, щоб її подолати. "Чорна діра" не світить, тому так називається.
У загальної теоріїВідносність гравітації пояснюється викривленням простору. Згадаймо аналогію гравітації та листа гуми. Чим більше маса тіла, наприклад, кулі, тим більше поглиблення в гумі він створює. Куля величезної маси створить таке велике поглиблення, що воно нагадуватиме лійку, або дірку. Образно висловлюючись, «чорна діра» створює у просторі таку глибоку вирву, що в неї поглинається вся матерія на величезних від неї відстанях.
