4.3. Современное состояние Вселенной, эволюция звезд. Нуклеосинтез

Чтобы представить космические масштабы, приведем значения некоторых расстояний, определяя их через время, за которое свет проходит эти расстояния. От Земли до Луны свет идет 1.28 с, от Солнца до Земли – 8.3 мин, от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системы - Плутона – 5.6 часа. Расстояние от Солнца до ближайшей звезды -Центавра - 4 световых года, диаметр нашей Галактики ~100 000 световых лет, а Солнечная система расположена примерно в 25 000 световых лет от ее центра. В 120 000 световых лет от нашей Галактики расположены два спутника - меньшие галактики (Магеллановы Облака). Примерно в 1,5 млн. световых лет в созвездиях Андромеды и Треугольника находятся галактики одного с нашей масштаба со своими спутниками. Все эти галактики образуют Местное скопление галактик, входящее в состав Сверхгалактики, ядро которой - сотни галактик - лежит в созвездии Девы. Диаметр Сверхгалактики ~100 млн. световых лет.

Наиболее далекие наблюдаемые астрономические объекты удалены примерно на 4 млрд. световых лет.

Наша Галактика содержит порядка 100 млрд. звезд, газовые и пылевые туманности.

Основные характеристики звезд: масса M, радиус R, светимость L, то есть отношение мощности излучения звезды к мощности излучения Солнца, спектральный состав излучения, определяемый температурой внешней части звезды и наличием на ней различных химических элементов.

У нашего Солнца (желтого карлика) =2·10³⁰ кг, =7·10⁸ м, мощность излучения 4·10²⁶ Вт, температура поверхности =6000 К.

Параметры звезд лежат в пределах: M=(0.03÷60)·,R от ~10 км (нейтронная звезда) до 100·(сверхгигант), светимость стационарных звездL=10^-4÷10⁵, температура поверхности от сотен тысяч кельвинов (голубые) до ~3000 К (красные).

По современным представлениям, звезды возникают в результате гравитационного сжатия (первичного гравитационного коллапса) межзвездных газопылевых облаков. В ходе сжатия за счет уменьшения расстояния между частицами уменьшается потенциальная энергия их гравитационного взаимодействия, но возрастает кинетическая энергия их хаотического теплового движения, то есть повышается температура.

При невысокой степени сжатия зарождающаяся звезда (протозвезда) имеет еще невысокую температуру и ее излучение должно лежать не в видимом, а в более длинноволновом диапазоне - инфракрасном. Наблюдаемые в областях повышенной концентрации газа и пыли мощные источники инфракрасного излучения с малыми угловыми размерами являются, по-видимому, такими протозвездами. Их открытие свидетельствует о продолжении во Вселенной процесса звездообразования. В 1947 г. В.А. Амбарцумян (сов.) открыл звездные ассоциации - целые группы молодых звезд.

При дальнейшем сжатии звезды ее температура повышается настолько (до десятков и сотен миллионов градусов), что начинает протекать реакция термоядерного синтеза, то есть слияния легких ядер (в первую очередь - ядер водорода) в более тяжелые ядра, сопровождающаяся выделением энергии.

Большинство наблюдаемых звезд (обычные звезды, называемые также звездами главной последовательности), в том числе - Солнце, находятся на стадии водородного синтеза, являющегося основным этапом их эволюции. Для звезд главной последовательности теория предсказывает, и астрономические данные подтверждают, что при увеличении массы звезды увеличивается, но не столь же быстро, и ее радиус (R~M^0.75), но очень резко возрастает светимость вследствие увеличения температуры в ее недрах и скорости «сжигания» водорода. То есть при увеличении массы обычной звезды ее температура повышается, чему соответствует изменение цвета от красного до голубого, а длительность «выгорания» водорода сокращается от ~10 млрд. лет для нашего Солнца до 1-10 млн. лет для голубых гигантов (современный возраст Солнца оценивается в ~6 млрд. лет).

В обычных звездах, как правило, гравитационное сжатие уравновешивается давлением плазмы и параметры звезды (R, L) поддерживаются стабильными.

Но иногда наблюдаются автоколебания - пульсации размеров, температуры и светимости звезд. Такие звезды называются цефеидами, а также «маяками Вселенной», так как, во-первых, они являются гигантами и сверхгигантами и видны издалека. Во-вторых, установлена четкая связь между периодом пульсаций цефеид и их средней светимостью, что позволяет установить их светимость, а, сопоставляя светимость с наблюдаемой с Земли яркостью, - расстояние до цефеид.

Завершается эволюция звезд по-разному. Как правило, когда термоядерное горючее исчерпывается, ядро сжимается и нагревается, а оболочка расширяется и остывает - возникает красный гигант. В ядре возможно протекание реакций и с более тяжелыми ядрами. Если масса исходной звезды , то возможен отрыв (сброс) оболочки с образованием газовой туманности и остатка звезды - обнаженного очень горячего ядра - белого карлика (). Белые карлики составляют 3-10% всех звезд. Температура поверхности белых карликов лежит в пределах от ~70 000 К до ~5 000 К у старых, остывших («красных») белых карликов. Основной источник энергии их свечения - запасенная на стадии термоядерного синтеза энергия движения частиц.

Некоторые звезды в конце эволюции вспыхивают, увеличивая свою светимость за несколько часов во много раз: от сотен тысяч (Новые звезды) до 10¹⁰ (Сверхновые звезды). Последний раз Сверхновая звезда в нашей Галактике наблюдалась в 1604 г. И. Кеплером. Появление Новых и Сверхновых звезд объясняется взрывом ранее существовавшей звезды с полным ее уничтожением или резким сбросом значительной части оболочки.

Взрыв Сверхновой возможен в звездах с массой , где в основном выгорелиH и He, и образовалось углеродно-кислородное ядро (CO-ядро) массой M_CO Если M_CO(масса исходной звезды больше), то спокойное протекание реакции с участиемC и O ведет к образованию железного ядра массой M_Feс дальнейшим вторичным гравитационным коллапсом и возникновением нейтронной звезды или черной дыры.

Если же M_COи имеется водородно-гелиевая оболочка, то возможно развитие процесса, при котором произойдет либо очень быстрая термоядерная реакция на основеC (взрыв) с уничтожением звезды, либо быстрый коллапс с взрывным сбросом оболочки и образованием нейтронной звезды.

Упоминающиеся нейтронные звезды возникают, если масса звезды превышает критическое значение (масса Чандрасекара), но меньше. В условиях высокой плотности и большой энергии электронов происходит нейтронизация вещества () – превращение протонов в нейтроны, и возникающая звезда состоит в основном из нейтронов, а ее плотность примерно равна плотности атомного ядра ~10¹⁷ кг/м³. При такой плотности Солнце имело бы радиус 17 км. Первая нейтронная звезда была открыта в 1967 г. в центре Крабовидной туманности, возникшей на месте взрыва в 1054 г. Сверхновой звезды, в виде пульсара - мощного импульсного источника радио- и рентгеновского излучения. Считается, что период пульсаций излучения пульсаров (от 0.033 с до 4.3 с) есть период вращения нейтронной звезды. Все известные пульсары расположены в нашей Галактике.

В 1960 г. были обнаружены внегалактические чрезвычайно мощные источники электромагнитного излучения - квазары (от англ. quasi-stellar radiosource - квазизвездный радиоисточник). Мощность их радиоизлучения ~10³⁶ 0Вт, инфракрасного ~10⁴⁰ Вт, видимого ~10³⁹ Вт, что в 10³÷10⁴ раз превышает суммарную мощность излучения всех звезд крупной галактики, причем размеры квазаров не превышают размеров Солнечной системы. Возможно, квазары - ядра некоторых галактик, где в компактном звездном скоплении с массой ~10⁸·происходят столкновения звезд, вспышки Сверхновых. Возможно, квазары возникают в результате перетягивания (акреции) вещества из двойной или тройной звездной системы на черную дыру.

Акрецией материи в системе двойных звезд (одна - красный гигант, другая - белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра) объясняют и появление Новых звезд. Так, если водород из оболочки красного гиганта будет перетекать на белый карлик, где водород уже выгорел, то он будет накапливаться в течение некоторого времени, а затем произойдет термоядерный водородный взрыв - вспышка Новой звезды.

Наконец, в завершение эволюции звезд с (естественно, что) возможно образование черных дыр. Черная дыра - тело, сжатое до размеров, меньших гравитационного радиуса, формула которого была получена в 1916 г. К. Шварцшильдом (нем.):

. (4.4)

Для тела массой M сфера радиусом называется сферой Шварцшильда (для Солнца3 км).

По общей теории относительности при сжатии тела массой M в сферу радиусом гравитационные силы возрастают до бесконечности, преодолевают любую силу упругости и сжимают материю в точку. Никакие сигналы (свет, частицы), испущенные внутри сферы Шварцшильда, не могут ее покинуть и существование черной дыры проявляется лишь в гравитационном воздействии на окружающие сферу Шварцшильда тела. Причем на достаточном удалении от черной дыры ее гравитационное воздействие описывается обычным законом всемирного тяготения. Если черная дыра образует двойную звезду с обычной, то перетекание вещества от обычной звезды в черную дыру должно сопровождаться разгоном частиц и возникновением рентгеновского излучения. Поэтому черная дыра, вернее - окружающая ее область пространства, должна проявлять себя как источник рентгеновского излучения, идущего от ненаблюдаемого объекта. Такие источники, могущие оказаться черными дырами, уже обнаружены.

Нуклеосинтез - цепочка ядерных реакций слияния легких ядер, ведущих к образованию более тяжелых.

В исследованной части мира 99,9% вещества (по массе) составляют H и He. Из других элементов наиболее распространены C, O, N, Ne, Mg, Si, S, Ar, Fe.

Для звезд главной последовательности, в том числе - Солнца, основными являются реакции водородного и углеродного (углеродно-азотного) циклов. Эти реакции были открыты в 1938-39 гг. Х. Боте (род. во Франции, работал в Герм., Великобр., США, Нобелевская премия 1967 г.).

Водородный цикл протекает при температуре порядка 10 млн. градусов и состоит из следующих реакций (над стрелками указано среднее время, за которое происходит одна такая реакция):

₁D² ,

+ ₁D² ₂He³

₂He³ + ₂He³ ₂He⁴ + 2 ,

где - протон, то есть ядро ₁H¹ обычного водорода, ₁D² - ядро тяжелого водорода, - позитрон, - электронное нейтрино,- гамма-квант (фотон).

Если записать в уравнении слева только израсходованные частицы, а справа - возникшие в конечном итоге и учесть энергию, выделившуюся в виде излучения и кинетической энергии продуктов реакции, то получим:

4 ₂He⁴ МэВ.

При температуре порядка 20 млн. градусов протекает углеродный цикл, в ходе которого сам углерод не расходуется, а является лишь катализатором реакции:

+ ₆C¹² ₇N¹³ ,

₇N¹³ ₆C¹³ ,

+ ₆C¹³ ₇N¹⁴ ,

+ ₇N¹⁴ ₈O¹⁵ ,

₈O¹⁵ ₇N¹⁵ ,

+ ₇N¹⁵ ₆C¹² + ₂He⁴,

или в сокращенном виде:

₂He⁴ МэВ.

При температуре ~200 млн. градусов протекает так называемый -процесс:

3 ₂He⁴ ₆C¹² 7.3 МэВ,

и последующие процессы: ₆C¹² + ₂He⁴ ₈O¹⁶ , ₈O¹⁶ + ₂He⁴ ₁₀Ne²⁰ и так далее вплоть до возникновения ₁₄Si²⁸.

При T~3-10 млрд. градусов протекает e-процесс образования железа и близких к нему элементов.

Более тяжелые ядра возникают за счет захвата нейтронов. При s-процессе - медленном захвате нейтронов, возникают ядра, неустойчивые относительно электронного -распада:

, ,

в результате чего синтезируются ядра с относительно большим числом протонов, вплоть до ₈₃Bi²⁰⁹.

При r-процессе до -распада успевает произойти захват нескольких нейтронов и синтезируются ядра с относительно большим числом нейтронов, вплоть доU, Th. Особенно эффективно r-процесс должен протекать в начальный момент вспышки Сверхновой звезды.