III этап – Первичный ядерный синтез

После Б. Взрыва начался нуклеосинтез – процесс соединения p и n в ядра.

Следующие 500-700 тыс. лет Вселенная постепенно расширялась дальше и остывала.

При t = 3000 K стало возможным взаимодействие р и ē с образованием атомов Н и Не. Исчезновение свободных ē вызвало излучение, которое свободно распространялось в виде фотонов. Т. о., при остывании Вселенной вещество (атомы) и излучение (фотоны) разделились.

Атомы с тех пор претерпели множество превращений, а излучение так и осталось во Вселенной, но остыло до 3К (-270˚С) – реликтовое излучение. Реликтовое излучение свидетельствует, что вещество во Вселенной первоначально распределялось однородно.

IV этап – формирование галактик

Каким же образом из однородного вещества образовалось многообразие структур Вселенной (галактики, звездные скопления, планеты)?

Объясняет этот процесс теория гравитационной неустойчивости (Дж. Джинс). Ее сущность:

М атерия не может быть распределена с постоянной плотностью в сколь угодно большом объеме по причине всемирного тяготения.

Предполагается, что в однородной Вселенной возникли вихревые движения потоков вещества, что привело к его уплотнению в некоторых частях Вселенной. В таких уплотнениях силы тяготения проявляются заметнее, чем вне их, поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, расширение вещества в уплотнениях притормаживается и плотность уплотнений нарастает.

Предполагается, что эти плоские уплотнения, имевшие форму блинов, и дали начало крупномасштабным структурам во Вселенной – скоплениям галактик → Происходило сжатие «блина» → повышение его t_в-ва → неустойчивое состояние системы → распад «блина» на подсистемы (зародыши галактик) → они также были неустойчивы → дальнейший распад на еще более мелкие уплотнения – зародыши звезд I поколения.

V этап – звездный нуклеосинтез - образование хим. элементов в недрах сформировавшихся звезд.

Эволюция звезды:

1. Образование протозвезды в результате распада галактики. Протозвезда – холодный слабосветящийся гигантский газовый шар, состоящий из Н и Не.

2. Гравитационное сжатие протозвезды (V – несколько км/с) → образование ядра звезды.

3. Остановка сжатия (под действием давления излучения) и разогрев ядра звезды (за счет кинетической энергии сближающихся частиц) → начало термоядерных реакций (непосредственный нуклеосинтез). Все элементы Вселенной образовались в результате термоядерных реакций.

Суть термоядерной реакции: при высоких температурах ядра атомов Н и Не соединяются с образованием более тяжелых хим. элементов:

Н + Не → Ве; Ве + Не → С; С + Не → О; О + Не → Ne и т.д.

Т.о. звезды – это «фабрики» по производству хим. элементов.

Термоядерные реакции происходят с выделением энергии (→ свечение, тепловое излучение и т.д.).

4. Переход в стабильное состояние: с началом термоядерных реакций звезда на очень продолжительный период стабилизируется и проводит в этом состоянии около 90% своей жизни, при этом звезда приобретает характерные для нее размеры и светимость.

Вся жизнь звезды проходит под воздействием двух сил: гравитации, пытающейся заставить звезду коллапсировать (погибнуть) под действием собственной массы, и энергии, возникающей во время протекающей в центре звезды термоядерной реакции.

Продолжительность жизни звезды зависит от ее массы (наиболее долгоживущие – звезды типа Солнца, более крупные – живут меньше).

5. Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы:

   • если m_зв = от 0,1 до 1,4 m_Солнца (в т.ч. само Солнце!) – термоядерная реакция (превращение Н в Не) идет только в ядре (не распространяется в наружные слои, т.к. нет конвекции) очень медленно. Возраст таких звезд практически равен возрасту Вселенной.

Ежегодно Солнце расходует на «освещение» ~ 4,5 млн. тонн вещества (m_{пирамиды Хеопса}).

Когда выгорает весь Н, звезда сжимается, ее ядро нагревается, Не → С.

Затем, в ходе сложных реакций, звезда излучает намного больше энергии и сильно расширяется - становится красным гигантом (R_Солнца достигнет Венеры или Земли ~ через 1 млрд. лет).

Затем внешние слои звезды постепенно отделяются и превращаются в планетарную туманность, а ядро превращается в белый карлик.

Белый карлик - звезда, имеющая малые размеры, но очень большую плотность (человек ростом ~ 180 см при такой плотности должен весить 4 000 т), т.к. элементарные частицы в веществе очень плотно упакованы (в обычном состоянии атомы состоят в основном из пустоты).

Масса белых карликов сопоставима с массой Солнца, но их радиус равен радиусу Земли.

Пример белого карлика – спутник Сириуса – Щенок.

Постепенно свет и тепло расходуются, и белый карлик становится холодным мертвым черным карликом (это теоретически, т.к. пока ни одна звезда во Вселенной не остыла до такой степени).

• если m_зв от 1,4 до 5 m_Солнца (красный гигант),

ядерные реакции в ней идут очень быстро, фазы сжатия чередуются с фазами расширения (переменные звезды), ядро постепенно выгорает, а t повышается. Ядерные реакции с выделением теплоты идут до образования Fe (№ 26; далее реакция прекращается, т.к. она не может идти одновременно с плавлением Fe). Образование других химических элементов требует затрат внешней энергии.

После завершения в звезде всех возможных ядерных процессов в ней внезапно начинает доминировать гравитационная сила, и звезда начинает быстро сжиматься. Следующий за этим внезапный разогрев вызывает новую ядерную реакцию, которую сопровождает сильный взрыв. Взрыв приводит к гибели звезды – происходит вспышка сверхновой звезды (яркость вспышки ≈ 5 млрд. Солнц).

Предполагается, что наиболее тяжелые элементы таблицы Менделеева образуются за счет энергии взрывающейся звезды.

После взрыва от нее остается облако, обогащенное тяжелыми элементами (из него в дальнейшем образуются новые звезды). Ядро взорвавшейся звезды, наоборот, уплотняется и превращается в нейтронную звезду.

В нейтронной звезде составные части атомов сливаются воедино: р⁺ + е^- → n^o , она состоит из нейтронов. 1 см³ материи нейтронной звезды весил бы на Земле около 1 млрд. т., булавочная головка из вещества такой звезды будет весить > океанского лайнера. Масса нейтронной звезды в 1,5-2,5 раза превышает Солнечную, а ее радиус всего около 10 км.

Солнце не сможет превратиться в нейтронную звезду, т.к. недостаточно массы (должна быть в 3 раза >).

Некоторые нейтронные звезды быстро вращаются вокруг своей оси и излучают магнитные поля и рентгеновские лучи – пульсары. Со временем скорость вращения пульсара уменьшается.

Пульсар может быть в составе двойной системы с красным гигантом.

Пульсар есть в центре Крабовидной туманности - это остатки сверхновой, вспыхнувшей в 1054 г – наблюдали в Древнем Китае и Корее: была яркой, как Венера, и видимой при свете дня несколько месяцев.

За последнюю 1000 лет в нашей Галактике достоверно зарегистрировано 5 сверхновых (в 1006, 1054, 1572, 1604, 1987).

Нейтронная звезда в конце концов рассеивается.

• если m_зв > 5 m_Солнца,

по мере выгорания ядерного топлива (Н) гравитационное сжатие преобладает над всеми другими силами → гравитационный коллапс – сжатие звезды до размеров гравитационного радиуса (у Земли – 1 см, у Солнца – 3 км, но самопроизвольно не сожмутся, т.к. недостаточно внешнего давления - мелковаты) → звезда превращается в черную дыру.

Черная дыра – это звезда большой массы на конечной стадии жизни, которая создает столь сильное гравитационное поле, что абсолютно не может испускать и отражать свет, поэтому для наблюдателя она кажется черной.

Черные дыры выявляются по рентгеновскому излучению и гравитационному влиянию на окружающую среду.

Обычно черные дыры обнаруживают в двойных звездных системах: сейчас обнаружено 11 таких объектов.

Существует гипотеза, что наряду с черными дырами звездного типа, образовавшимися вследствие гравитационного коллапса крупной звезды, есть черные дыры гораздо больших размеров, образующиеся в ядрах галактик. Массы этих гигантских черных дыр составляют сотни миллионов солнечных масс, что равно ~ 1% общей массы Галактики (сверхкрупные черные дыры).

В последние годы появились предположения, что черные дыры являются областями перехода от одного пространства к другому, в другую Вселенную, с отличной от первой размерностью и, следовательно, с другими физическими свойствами. То, что выглядит в «нашем» трехмерном пространстве как черная дыра, в другом - является «белой дырой», через которую захваченная материя выходит в это другое пространство.

Одна из гипотез объяснения Тунгусского метеорита: он представлял собой микрочерную дыру (по космическим масштабам), «вошедшую» в Землю в Сибири в районе р. Подкаменная Тунгуска и «вышедшую» из нее в районе Бермудских островов («Бермудский треугольник»).

Таким образом, процессы эволюции звезд до конца не выяснены. Но можно определенно сказать: никакая звезда не будет сиять вечно, каждой отпущен свой срок (миллиарды лет) – из холодного газа она превратится либо в белый карлик, либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру.