ЕНКМ_4 часть

тимость она имеет. Кроме главной выделяются также последовательности белых карликов, красных гигантов и сверхгигантов. На рисунке обозначены яркие звезды земного неба, принадлежащие разным последовательностям диаграммы (особым значком показано положение Солнца).

Рис. 5.3: Схематическое изображение диаграммы ГерцшпрунгаРассела, на котором приведены положения некоторых ярких звезд неба.

На основе построенной диаграммы Рассел предложил идею об эволюции звезд, согласно которой основным источником энергии звезды является еѐ гравитационное сжатие. Ход эволюции определялся непрерывным изменением плотности звезды: от красных гигантов по ветви гигантов к звездам спектральных классов А и В (разогрев), затем по ветви карликов через звезды типа Солнца к красным карликам (остывание). Но по этой теории жизнь Солнца за счет сжатия продолжалась бы всего несколько тысяч лет, а уже тогда было из-

71

вестно, что Солнце существует 5 млрд. лет. Также эта теория не могла объяснить всего разнообразия характеристик звезд.

В начале 40-х гг. 20 в. английский ученый Артур Эддингтон в качестве основного источника звездной энергии предложил термоядерные реакции в центрах звезд. У большинства звѐзд в недрах четыре протона через ряд промежуточных этапов соединяются в одну α-частицу (ядро атома гелия). Это превращение может идти двумя основными путями, называемыми протон-протонным и углеродноазотным циклами. В маломассивных звѐздах (подобных Солнцу) энерговыделение в основном обеспечивается первым циклом, в массивных – вторым. Процесс термоядерного синтеза, выделяющий энергию и изменяющий состав вещества звезды, в сочетании с гравитацией, стремящейся сжать звезду и тоже высвобождающей энергию, а также с излучением с поверхности, уносящим выделяемую энергию, являются основными движущими силами звѐздной эволюции. К настоящему времени теория звездной эволюции разработана очень детально, и имеет многочисленные наблюдательные подтверждения.

Основные этапы эволюции звезды:

– гравитационное сжатие (протозвезда),

– термоядерное «горение» водорода (звезда главной последовательности),

–потеря устойчивости после исчерпания запасов водорода в центре звезды (стадия красного гиганта и сброс внешних слоѐв, гравитационный коллапс, вспышка Сверхновой),

–конечные стадии эволюции звѐзд: белые карлики, нейтронные звѐзды, чѐрные дыры.

Звезды образуются в огромных газовых облаках, где в определенный момент в результате действия гравитации, магнитных полей, ударных волн возникают неоднородности и неустойчивости, и тяготение преодолевает газовое давление, в результате чего облако распадается на некоторое количество сгущений, которые начинают неудержимо сжиматься. В результате гравитационного сжатия образуется целая группа будущих звезд, которые представляют собой про-

72

тозвезды – большие несветящиеся газовые шары. Протозвѐзды обычно обладают пылевыми оболочками, благодаря которым они являются мощными источниками инфракрасного излучения. Когда температура в центре этих объектов достигает миллионов градусов, начинаются реакции превращения водорода в гелий, выделяющие тепло и свет – протозвезды «выходят» на диаграмму Герцшпрунга-Рассела и становятся видны на небе как обычные звезды, обычно в составе молодого рассеянного скопления звезд.

Процесс эволюции любой звезды всецело определяется ее начальной массой и содержанием химических элементов. Маленькие, холодные карлики медленно сжигают запасы водорода и должны оставаться на главной последовательности десятки и сотни миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты уходят с нее уже через несколько миллионов лет после формирования. Звѐзды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет, то есть примерно 90% всего времени их жизни.

Рис.5.4: Общая схема основных этапов эволюции звезд разных масс.

После выгорания водорода в ядре звезды некоторое время продолжается горение водорода в узком слое вокруг ядра, а также начинаются реакции горения гелия и превращения его в углерод. Сама звезда становится холодной, раздувается до колоссальных размеров и переходит в новую стадию развития – красного гиганта. Когда наше

73

Солнце станет красным гигантом (примерно через 5 млрд. лет), то его поверхность достигнет орбиты Марса. В состоянии красного гиганта звезды находятся до миллиарда лет (также, в зависимости от массы). Примерами таких объектов являются яркие звезды Альдебаран в созвездии Тельца, Антарес в созвездии Скорпиона и многие другие.

Когда в центре звезды выгорают легкие элементы, начинаются процессы нарушения равновесия звезды, которые приводят к катастрофическому сжатию ядра красного гиганта, тогда как внешняя оболочка разлетается в окружающее пространство, образуя газовую планетарную туманность, из вещества которой в дальнейшем могут образоваться звезды следующего поколения.

Дальнейшая эволюция звезды также зависит от массы (рис. 5.4). Если масса звезды меньше 1,5 массы Солнца, то красный гигант плавно сбрасывает свою внешнюю оболочку, образуется газовая планетарная туманность, а центральное ядро красного гиганта превращается в звезду – белый карлик. Размеры таких звезд равны 6 ÷ 20 тыс. км, температура достигает 70 тыс. градусов, а состоят они из необычного «вырожденного» вещества с оболочкой из углерода и кислорода. Их массы, сравнимы с массой Солнца, но радиусы в ~ 100 раз и светимость в ~10 000 раз меньше солнечной. Плотность белых карликов составляет 1011 кг/м³, что почти в миллион раз выше плотности обычных звѐзд. Белые карлики светят за счет тепловой энергии и гравитационного сжатия и через десятки тысяч лет угасают, превращаясь в несветящее тело (черный карлик). Белые карлики составляют 10% звезд нашей Галактики.

Если масса звезды больше 1,5 массы Солнца, то гелий в ядре полностью превращается в углерод, который затем начинает превращаться в кислород, лишь в небольшом слое вокруг этого ядра «догорает» гелий. Температура в центре звезды становится настолько высокой, что возможны более редкие термоядерные реакции превращения углерода и кислорода и образуются магний, неон, сера, кремний и более тяжелые элементы (вплоть до железа). В результате, самые массивные красные сверхгиганты по строению напоминают лукови-

74

цу: снаружи находится обширная водородная оболочка, а в центре находится тяжелое железное ядро, окруженное слоями, где продолжаются термоядерные реакции горения водорода, гелия, углерода, кислорода и т. д. Таким образом, именно в звездах происходит синтез практически всех элементов (кроме водорода), составляющих все химическое разнообразие материального мира.

В какой-то момент железное ядро массивной звезды может потерять устойчивость и происходит взрыв звезды чудовищной силы, при этом внешняя оболочка разлетается во все стороны с большой скоростью (тысячи км/с), и образуется волокнистая газовая туманность. В ходе этого процесса высокоскоростные нейтроны сталкиваются с ядрами железа и образуются более тяжелые элементы, в том числе и радиоактивные. Именно взрывами массивных звезд объясняется существование в природе химических элементов тяжелее железа. Также в это время выделяется огромная энергия в виде излучения, которая в миллионы и миллиарды раз превышает энергию свечения обычной звезды, поэтому этот объект вспыхивает на небе как сверхновая звезда. За счет такой энергии вспышки сверхновых звезд наблюдаются со значительных расстояний, например, в далеких галактиках, в которых невозможно различить отдельные звезды.

Выделяют сверхновые звезды I типа – это белые карлики, которые потеряли свою устойчивость из-за избыточного вещества, попадающего на них из окружающей среды (обычно в двойных системах) и сверхновые звезды II типа – это массивные звезды, при взрыве которых происходят термоядерные реакции синтеза тяжелых элементов. Вспышки сверхновых достаточно редкие события (в каждой галактике происходит 1-2 вспышки за сто лет), яркие вспышки сверхновых звезд (видимые невооруженным глазом) происходили в нашей Галактике в 1006, 1054, 1572, 1604 гг.

При взрыве сверхновой происходит гравитационный коллапс – катастрофически быстрое сжатие ядра звезды под действием сил тяготения, при этом оно сжимается до размеров 10-20 км, но имеет массу от 1,5 до 2,5 масс Солнца, поэтому средняя плотность вещества

75

такой звезды в несколько раз превышает плотность ядра атома (~1018 кг/м³). Такой объект должен полностью состоять из нейтронов, так как при коллапсе электроны «вдавливаются» внутрь протонов образуя нейтроны, поэтому такие звезды получили название нейтронных звезд. В 30-е гг. XX в. советский физик Лев Ландау и американские астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки теоретически предположили существование таких звезд. Эта гипотеза подтвердилась после обнаружения в 60-х гг. пульсаров – быстровращающихся нейтронных звезд, испускающих излучение в рентгеновском и радиодиапазоне. В частности, нейтронная звезда – пульсар была открыта в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца, которая является остатком вспышки сверхновой 1054 г. Нейтронные звезды обладают магнитными полями исключительной силы (в сотни миллиардов раз больше, чем у обычных звезд) и температурами около 1 миллиона градусов.

Если первоначальная масса звезды превышала 10 масс Солнца, то происходит неограниченный гравитационный коллапс красного гиганта, и вещество самого ядра «падает» в центр. В результате образуется чѐрная дыра – космический объект, в котором гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть его не могут никакие материальные объекты, даже движущиеся с максимально возможной скоростью движения материальных тел – скоростью света (в том числе и кванты самого света). Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Поскольку черные дыры не светят, то в настоящее время существует единственный способ их обнаружения – по гравитационному воздействию их большой массы на другие тела. В частности, сейчас известно более 20 кандидатов в черные дыры, находящиеся в двойных системах звезд и влияющие на соседние звезды. Также в центрах галактик содержатся сверхмассивные черные дыры, которые образованы слиянием большого количества черных дыр звездных масс.

Подумайте и ответьте:

76

1.Что такое звезды? Каковы их характеристики и внутреннее строение?

2.Что такое спектральный анализ и для чего он используется?

3.Что такое солнечная активность? Ее проявления и влияние на нашу планету?

4.Каковы источники энергии звезд? Какие параметры звезд оказывают наибольшее влияние на звездную эволюцию?

5.Что такое диаграмма Герцшпрунга-Рассела? Какую роль она сыграла в развитии астрономии?

6.Опишите основные этапы эволюции звезд. Какие изменения происходят со звездами в процессе эволюции?

77

6. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

6.1. Планеты Солнечной системы

Солнечная система – большая система (рис. 6.1), состоящая из Солнца, планет, их спутников, астероидов, комет, метеорных тел, большого количества газа и пыли.

Рис. 6.1: Строение Солнечной системы. Чтобы соблюсти масштабы, внутренняя часть системы вынесена в отдельную вкладку. Масштабы указаны в астрономических единицах.

Солнце – звезда, центральный объект Солнечной системы. Представляет собой огромный газовый шар, в центре которого происходят термоядерные реакции, в результате которых в окружающее пространство излучаются тепло и свет. В нем заключено более 99,9 %

78

массы Солнечной системы. Своей силой тяготения оно удерживает и заставляет двигаться вокруг себя по орбитам все остальные объекты Солнечной системы.

Вокруг Солнца двигается 8 больших планет, которые соответствуют современному определению планеты и благодаря большой массе имеют достаточно стабильные орбиты. Орбиты всех планет лежат практически в одной плоскости, совпадающей с плоскостью солнечного экватора. Также все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса), и в том же направлении большинство планет вращается вокруг своих осей (исключения составляют Венера и Уран). По физическим свойствам и химическому составу большие планеты делят на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и газовые планеты-гиганты (Юпитер, Уран, Сатурн, Нептун).

До 2006 г. к большим планетам причисляли Плутон, однако, после открытия нескольких подобных объектов, находящихся за орбитой Нептуна, было решено дать более строгое определение термину «планета». В результате Плутон вместе еще с несколькими телами Солнечной системы был отнесен в особую группу карликовых планет (планетоидов) – это небесные тела, которые имеют близкую к шарообразной форму, обращаются вокруг Солнца по самостоятельным, но нестабильным орбитам и из-за небольшой массы не могут очистить свою орбиту от других крупных тел. Так, у Плутона есть достаточно крупный спутник Харон, который всего в 4 раза меньше планеты. Центр масс системы находится между Плутоном и спутником, а не внутри планеты, как в случае других больших планет. Поэтому они обращаются друг вокруг друга и образуют двойную планету.

Табл. 6.1. Основные характеристики больших и карликовых планет.

79

* Отрицательное значение периода вращения указывает на вращение в сторону, противоположную движению по орбите.

В настоящее время карликовыми планетами признаны следующие объекты: Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида, также около десяти объектов рассматриваются как наиболее вероятные кандидаты для включения в эту категорию. В табл. 6.1 для сравнения приведены основные характеристики землеподобных, газовых и карликовых планет Солнечной системы.

80