4.3. Устройство Вселенной

4.3.1. Звезды

Звезды – это огромные раскаленные космические объекты, мощнейшие источники энергии. Основное вещество звезды – ионизированный газ. В недрах звезд протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате которых выделяется колоссальная энергия. В звездах сосредоточено от 97% до 99,9% вещества галактик. Современные технические средства позволяют наблюдать около 2 млрд. звезд. Предполагается, что общее количество звезд в нашей Вселенной около 10²². Звезды имеют разную величину. Существуют большие звезды – сверхгиганты, масса которых равна 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз, и маленькие звезды – карлики, размеры которых сравнимы или даже меньше размеров Земли. Наше Солнце – звезда со средними параметрами.

Звезды могут образовывать звездные системы – две, три и т.д. звезды, вращающиеся вокруг общего центра; звездные скопления – от нескольких сотен до миллионов звезд; и галактики – миллиарды звезд.

В зависимости от того, меняет звезда свои физические характеристики или нет, различают стационарные и нестационарные (переменные) звезды. Стационарность состояния обеспечивается за счет равновесия между внутренним давлением газа в звезде и силами тяготения. Большинство звезд стационарны. К нестационарным звездам относят новые и сверхновые звезды, на которых с различной периодичностью происходят вспышки.

Звезды имеют разный возраст – от 15 млрд. до сотен тысяч лет. В наблюдаемой Вселенной существуют также протозвезды, которые пока не преобразовались в настоящие звезды. В отличие от звезд протозвезды имеют низкую температуру и представляют собой слабосветящиеся газовые шары. Процесс звездообразования происходит постоянно. Однако его темп в настоящее время гораздо ниже, чем миллиарды лет назад.

Рождением звезды считается формирование равновесного объекта, который излучает собственную энергию. Смерть звезды – нарушение равновесия, ведущее к катастрофическому сжатию. Звезды образуются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил.

Молодые звезды (около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры порядка 10-15 млн. К и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная энергия является источником собственного свечения звезд. На той стадии, когда ядерные реакции уже не могут поддерживать устойчивость звезды, ее гелиевое ядро начинает сжиматься. При этом внутренняя температура звезды увеличивается (свыше 150 млн. К), а периферийная зона, или внешняя оболочка, сначала расширяется, а затем выбрасывается в космическое пространство. Звезда превращается в красный гигант.

В процессе дальнейшего охлаждения, если звезда имела небольшую массу (менее 1,4 массы Солнца), она превращается в белого карлика – стационарный космический объект с очень высокой плотностью. Белые карлики представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд, в которых весь водород «выгорает», а ядерные реакции прекращаются. Свечение белого карлика происходит за счет его остывания.

Тепловая энергия белого карлика продолжает иссякать, вследствие чего звезда меняет свой цвет сначала на желтый, а затем на красный. Постепенно она превращается в небольшое холодное темное тело, становится черным карликом. Размеры таких мертвых звезд сравнимы с размерами Земли, масса – с массой Солнца. Солнце превратится в красного гиганта примерно через 8 млрд. лет, затем станет белым и черным карликом.

В 1968 г. американским физиком Дж. Уилером был введен Термин «черная дыра». К образованию черной дыры или сверхплотного тела приводит гравитационное сжатие. Черная дыра – область пространства, в которой сосредоточены огромные массы вещества, вызывающие сильное поле тяготения. Как считает С. Хокинг, это область бесконечной плотности, где кончается время. Речь идет о том, что внутри черной дыры пространство сильно искривлено, а время бесконечно замедлено. Сила тяготения в этой области настолько велика, что не позволяет никаким материальным частицам или излучению вылететь за пределы черной дыры.

Для того чтобы преодолеть тяготение сверхплотного тела, необходимо развить скорость большую, чем скорость света. Черная дыра «захватывает» в себя все материальные объекты, прилетающие из космоса. В зависимости от скорости тела этот процесс может занять более или менее длительное время. Границу той области, которую не может преодолеть свет, называют горизонтом черной дыры. Однако, несмотря на то что черная дыра не выпускает из себя никакого излучения, ее можно обнаружить. Гравитационное поле черной дыры вызывает быстрое вращение газа, находящегося на орбите вблизи ее границы. Газ закручивается вокруг сверхплотного тела и образует диск, огромная кинетическая энергия частиц газа может частично переходить в рентгеновское излучение, по которому и обнаруживается черная дыра. Впервые гипотеза о наличии черных дыр появилась в 1939 г., современная наука использует в их поисках гамма-телескопы. Теоретически ничто не мешает их существованию в нашей Галактике и даже в пределах Солнечной системы. Предполагается также, что черные дыры находятся в ядрах галактик и являются мощнейшими источниками энергии.

Для того чтобы превратиться в черную дыру, звезда должна сжаться до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса, определяемого формулой

r = 2GM/c²,

где G – гравитационная постоянная, с – скорость света, М – масса звезды. Гравитационный радиус очень мал, например, для Солнца он составляет всего 3 км. Черные дыры могут иметь разные размеры: от песчинки до галактики.

Время жизни черной дыры конечно. В 1974 г. С. Хокинг показал, что в силу законов квантовой механики черная дыра может отдать всю свою энергию. Дело в том, что в поле тяготения черной дыры вакуум неустойчив, поэтому в пространстве, которое находится перед горизонтом черной дыры, из вакуума могут рождаться различные частицы. Улетая в межзвездное пространство, они уносят энергию черной дыры. Вследствие этого уменьшаются ее масса и размеры. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Однако время жизни черных дыр все же велико, например, черные дыры, которые образовались на ранних стадиях эволюции нашей Вселенной, существуют до сих пор. Иногда говорят, что черные дыры являются дверью в иные миры.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде нейтронной звезды, или пульсара. На данный момент наблюдается около 700 пульсаров. Радиопульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда, рентгеновский пульсар – двойная звезда, состоящая из нейтронной и обычной. Нейтронные звезды имеют более высокую плотность, чем плотность атомных ядер и представляют собой сгустки нейтронов. Температура пульсара около 1 млрд. градусов. Нейтронные звезды быстро остывают и теряют светимость, для них характерно интенсивное радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Первые пульсары были открыты в 1967 г., теперь их известны сотни.

Те звезды, чья масса составляет от 10 до 40 солнечных масс, превращаются в нейтронные звезды, а те, чья масса больше, – в черные дыры.