22.2 Эволюция звёзд.

В настоящее время наиболее популярна идея о том, что образование звёзд происходит путём конденсации газово-пылевого межзвёздного вещества. Под действием сил тяготения протозвёздное газово-пылевое облако принимает сферическую форму и начинает сжиматься. За счёт уменьшения потенциальной энергии происходит разогревание протозвезды. Эта фаза развития звезды называется контракционной.

В начале контракционной стадии единственным источником разогрева протозвезды является гравитационная энергия. Перенос энергии внутри звезды происходит только путём конвекции.

После того, как звезда достигает достаточно высокой светимости, она быстро продвигается по диаграмме Г-Р почти вертикально вниз, что вызывается быстрым уменьшением её радиуса и повышением внутренней температуры. Во внешней оболочке звезды протекают недолгие реакции сгорания тяжёлых элементов. В центре звезды возникает область лучистого равновесия. С ростом этой области гравитационное сжатие замедляется, падение светимости прекращается. Радиус продолжает уменьшаться, температура поверхности начинает рости и звезда поворачивает на диаграмме Г-Р влево, приближаясь к главной последовательности. На этой стадии начинается сгорание водорода и скорость эволюции сильно снижается. С этого времени для достижения главной последовательности звёздам с солнечной массой нужны десятки миллионов лет, а с 0,1 - 0,2 солнечной массы - сотни миллионов лет.

К состоянию с высокой светимостью из фазы холодного и слабо светящегося объекта звезда приходит очень быстро. Для постороннего наблюдателя складывается впечатление рождения звезды, ранее не существовавшей. Подобное явление наблюдалось в районе туманности Ориона в виде звездообразных узелков, выявляющихся при сопоставлении фотографий, разделённых десятками лет.

Примером тому может служить и звезда FU Ориона, связанная с глобулой, кометообразной туманностью и яркой водородной туманностью. Эта звезда испытывала очень быстрые изменения блеска на 6^m в год.

Вступив на главную последовательность, не очень массивная звезда изменяется очень медленно. Солнце вступило на главную последовательность 3 млрд. лет назад. За это время оно стало излучать на 20% больше энергии. На Земле в это время уже существовали водоросли (докембрийский период) и средняя годовая температура было около 0⁰С.

Не только массивные, но и звёзды умеренной массы на контракционной стадии развития некоторое время находятся в области диаграммы Г-Р, занятой гигантами субгигантами. Однако, их внутреннее строение совершенно отлично от внутреннего строения старых звёзд с вырожденным ядром.

Подавляющее большинство звёзд меняет свои основные характеристики (светимость и радиус) очень медленно. Но всё равно звезда постепенно изменяется, эволюционирует. В процессе эволюции меняется её химический состав. Постепенно уменьшается содержание водорода, увеличивается количество гелия. Химический состав перестаёт быть однородным. В центре водород уменьшается, а на периферии остаётся его прежнее количество. По мере эволюции меняется модель звезды, её структура. Изменяется светимость, радиус, поверхностная температура. Звезда постепенно меняет своё положение на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Она опишет на диаграмме определённый трек.

Протозвезда сжимается до тех пор, пока температура и давление в её недрах не достигнут значения, при котором возможна протон-протонная реакция. С этого времени рождается молодая звезда, которая занимает определённое место на главной последовательности. Точное её место определяется значением первичной массы. Массивные протозвёзды располагаются в верхней части, звёзды с массой меньшей, чем у Солнца - располагаются в нижней части. Таким образом протозвёзды появляются вдоль всей главной последовательности. Массивные звёзды проходят стадию протозвезды за несколько сот тысяч лет. Поэтому их число в Галактике мало. С тех пор, как звезда вступает на главную последовательность, она долгое время там остаётся без существенного изменения своих свойств.

Характер изменения состояния звезды зависит от того, перемешивается вещество в её недрах или нет. Если вещество интенсивно перемешивается, то по мере эволюции звезда уходит с главной последовательности влево. В обратном случае, при отсутствии полного перемешивания - вправо. Практически наблюдается много звёзд, находящихся в правой части от главной последовательности и не наблюдается слева. Значит, по мере эволюции, звёзды главной последовательности превращаются в красных гигантов. Сама эволюция не сопровождается полным перемешиванием вещества в недрах. Расчёты показывают, что по мере эволюции звезды размеры и масса её конвективного ядра уменьшаются.

Массивные звёзды по мере выгорания водорода перемещаются поперёк главной последовательности, не выходя за пределы её ширины. При содержании водорода около 1% темпы эволюции ускоряются. Для поддержании энерговыделения на необходимом уровне при резко уменьшившемся содержании водородного топлива необходимо увеличение температуры ядра. Это достигается путём сжатия звезды как целого. В это время лучеиспускание звезды поддерживается ядерными реакциями в тонком слое, примыкающем к ядру и сжатием ядра, состоящего из чистого гелия. Эволюционные треки резко поворачивают влево, т.к. температура поверхности возрастает. Скоро сжатие прекращается, так как весь водород выгорает. При сжатии и разогреве гелиевого ядра наружные слои быстро и сильно разбухают. Это означает, что при мало изменяющемся потоке поверхностная температура значительно уменьшается. Её эволюционный трек круто поворачивает направо и звезда приобретает признаки сверхгиганта. При разогреве ядра до сотни миллионов К и плотности свыше 4000 г/см³, включается гелиевая реакция. Энергия излучения остановит дальнейшее сжатие ядра.

Массивные звёзды извилистым путём уходят с главной последовательности, образуя ветвь гигантов на диаграмме Герцшпрунга-Рессела.

При этом звёзды с массой близкой к солнечной образуют ветвь субгигантов, а с массой 10 - 15 солнечных - сверхгигантов. Чем менее тяжёлых элементов в звезде, тем более она прозрачна и обладает более высокой температурой.

На заключительной фазе эволюции температура вещества в центральных областях массивной звезды очень велика, порядка нескольких миллиардов кельвинов. При такой температуре водород и гелий уже выгорели. Ядерные реакции идут очень быстро. Равновесной состояние вещества характеризуется преобладанием ядер элементов группы железа. Железное ядро такой звезды окружено мантией из более лёгких элементов (кислород, азот, неон и др.). Эти элементы представляют собой потенциальное горючее, необходимое для взрыва сверхновой звезды. Далее звезду окружает разреженная водородно-гелиевая оболочка.

В процессе эволюции железное ядро начинает катастрофически сжиматься. При этом нарушается механическое равновесие остальной части звезды. Вес выше лежащих слоёв не уравновешивается давлением газа снизу и они начинают падать по направлению к центру. Через 1 секунду кинетическая энергия падающей оболочки превратится в тепловую, что повлечёт за собой её быстрый нагрев. Тем самым создадутся условия для ядерного взрыва находящихся там лёгких элементов. Этот ядерный взрыв приводит к вспышке сверхновой II типа, выбросу наружных слоёв и коллапсу ядра в состояние чёрной дыры.

22.3 Особенности эволюции тесной двойной звездной системы. Механизм вспышки Новой.

Приблизительно половина звёзд главной последовательности входит в состав кратных систем, а массивных горячих звёзд - 70%. Новые и рентгеновские звёзды встречаются только в двойных системах. Поэтому механизм эволюции двойной системы очень важен.

В 1951 году учёные обратили внимание на то, что в двойных системах компонента с наибольшей светимостью обладает меньшей массой. Ситуация выглядит так, что более массивная компонента находится на главной последовательности, а менее массивная обладает избыточной светимостью, т.е. является почти гигантом - звездой, покинувшей главную последовательность в ходе эволюции.

В 1955 году этот парадокс был объяснён тем, что звезда с высокой светимостью в паре обладала большей массой изначально. Исчерпав большую часть своего ядерного топлива, она стала раздуваться. При этом значительная часть её массы перетекла на соседнюю компоненту. Таким образом масса соседки стала превышать массу более быстро эволюционирующей звезды.

Важным процессом, определяющим эволюцию звёзд в двойной системе является обмен массами.

Новые звёзды имеют своеобразный механизм повторяющихся вспышек. Проэволюционировавшая горячая компактная звезда представляет собой объект, сходный с белым карликом и бедный водородом. В то же время от заполняющей свою полость Роша красной компоненты на проэволюционировавшую звезду всё время падает богатый водородом газ. Газ этот, после того, как он накопится в поверхностном слое горячей звезды в течение сотен и тысяч лет, может стать причиной теплового взрыва, носящего локальный характер, т.е. не охватывающего всю структуру звезды как целого. При таком взрыве выбрасывается значительное количество массы - 0,0001 массы Солнца, что следует из спектральных наблюдений новых звёзд. примерно такая же масса перетекает на горячую компактную звезду от соседней компоненты за время между двумя вспышками.

22.4 Гипотезы формирования звёзд из газа и сверхплотного вещества.

2. Гипотеза формирования звёзд из сверхплотного вещества была выдвинута академиком В.А.Амбарцумяном. Она говорит о том, что звёзды образуются из некоего сверхплотного вещества.

Основой этой гипотезы является вывод, что в наблюдаемой Вселенной процессы распада преобладают над процессом соединения. Значит процесс образования звёзд должен быть переходом вещества из более плотного состояния в менее плотное.

Гипотеза требует, чтобы во Вселенной существовал материал - сверхплотное вещество, которого ещё никто не наблюдал и свойства которого остаются неизвестными. Сверхплотная материя, если она существует, должна быть недоступна современным средствам наблюдения, так как она занимает очень малые объёмы пространства и почти не излучает. Основные её свойства - необычайно высокая плотность и огромный запас энергии, которая бурно выделяется при распаде такого вещества.

Пока не существует стройной математической теории, основанной на этой гипотезе. Основной довод её сторонников в том, что она соответствует наблюдательным данным.

23. Млечный Путь и его составляющие