2.Общая характеристика звезд

Звезды – это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их свет кажется нам относительно тусклым.

В ночном небе невооруженным глазом можно видеть около 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталога все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10²².

Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др.

Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в сотни и тысячи раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше (около 10 км). Предельная максимальная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам, а минимальная примерно 0,03 солнечной массы.

Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет.

Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы:

• кратные звезды (двойные, тройные и т.д.);

• звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов);

• галактики — грандиозные звездные системы, в которых содержатся миллиарды и сотни миллиардов звезд.

Большинство звезд находятся в стационарном состоянии, однако существуют звезды, свойства которых меняются – переменные звезды и нестационарные звезды. Переменные звезды изменяют свое состояние (блеск, излучение электромагнитных волн, магнитное поле и др.) регулярным или нерегулярным образом. Нестационарность может быть вызвана взаимодействием с другими звездами, перетеканием вещества от одной близкой соседки к другой.

В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды – мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца.

Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в ином состоянии, чем вещество в земных условиях.

Плазма – это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.

Звезда – это изменяющаяся плазменная система. В ходе жизни звезды ее химический состав и распределение химических элементов значительно изменяются. На поздних стадиях развития звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары – нейтронные звезды, барстеры – источники рентгеновского излучения и др.).

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии – гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов, и выделяется большое количество энергии.

Энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет. Из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд.

С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет от 12 до 15 млн. К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная среда.

Между звездами и межзвездной средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда —> звезды —> межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами. Около 85% всех химических элементов тяжелее гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд. лет назад. В то время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10—13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд. лет.

Хотя даже в мощные оптические телескопы мы видим в нашем галактическом пространстве лишь звезды и разделяющую их темную «бездну», на самом деле межзвездное галактическое пространство заполнено материей, веществом и полем.

Межзвездная среда состоит:

• на 90% из межзвездного газа, который довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1 % массы межзвездной среды),

• космических лучей,

• пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного излучения.

Межзвездный газ состоит:

• из атомов водорода (около 90% всех атомов)

• гелия (около 8%);

• другие химические элементы (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.) - 2%.

Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд. масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд!

Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (наиболее плотные и холодные части молекулярного газа). При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью (которая представляет собой твердые тугоплавкие мельчайшие частицы, содержащие водород, кислород, азот, силикаты, железо), образуя газопылевые образования, облака.

Эволюция звезд. Звезды - грандиозные плазменные системы физические характеристики, внутреннее строение и химический состав которых изменяются со временем. Время звездной эволюции очень велико. Каждая из множества звезд на небе проходит некоторый этап эволюции.

Основные фазы в эволюции звезды:

• рождение (звездообразование);

• длительный период (обычно стабильного) существования звезды как целостной системы, находящейся в гидродинамическом и тепловом равновесии;

• период ее «смерти», т.е. необратимое нарушение равновесия, которое ведет к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава, который, зависит от времени образования звезды и ее положения в Галактике в момент образования. Чем больше масса звезды, тем быстрее идет ее эволюция и тем короче ее «жизнь». Для звезд с массой, превышающей солнечную массу в 15 раз, время стабильного существования – около 10 млн. лет (время, отведенное для нашего Солнца — около 10 млрд. лет).

Каждое поколение звезд имеет особые закономерности формирования и эволюции. Звезды первого поколения образовались из вещества, состав которого сложился в начальный период существования Вселенной - почти 75% водорода и 25% гелия с ничтожной примесью дейтерия и лития. В ходе быстрой эволюции массивных звезд первого поколения образовались более тяжелые химические элементы (в основном вплоть до железа), которые впоследствии были выброшены в межзвездное пространство в результате истечения вещества из звезд или их взрывов.

Звезды последующих поколений формировались из вещества, содержащего 3—4% тяжелых элементов. Поэтому в звездной эволюции различают: эволюцию отдельной звезды, эволюцию отдельных типов (поколений) звезд и эволюцию звездной материи как таковой.

1. Звездообразование – это процесс рождения звезд из межзвездного газа, газопылевых образований, облаков. Процесс звездообразования продолжается непрерывно.

Для каждого поколения звезд характерны конкретные условия звездообразования. Первые поколения звезд образовывались в основном в области галактического центра, во всем его объеме. В дальнейшем, в связи с тем, что межзвездный газ все больше концентрировался в плоскости Галактики, звездообразование происходило и происходит сейчас в этой галактической плоскости.

Звезды образуются не в одиночку, а группами, скоплениями, что является результатом гравитационной конденсации, сжатия (коллапса) громадных объемов межзвездного газа, газопылевых облаков.

Звездообразование начинается со сжатия и последующей фрагментации (под действием гравитационных сил) протяженных холодных облаков молекулярного межзвездного газа. Масса газа должна быть такой, чтобы действие сил гравитации преобладало над действием сил газового давления. При современных температурах межзвездного газа (10-30 К) его минимальная масса, которая может конденсироваться, составляет не менее тысяч масс нашего Солнца. Каждый из образовавшихся фрагментов может в свою очередь разделяться на отдельные фрагменты (так называемая каскадная фрагментация). Последняя серия фрагментов и представляет собой материал, из которого непосредственно формируются звезды.

По мере сжатия в таком фрагменте постепенно выделяются ядро и оболочка. Ядро – это центральная, более плотная и компактная часть, достигшая гидростатического равновесия. Оболочка – это внешняя, протяженная часть газопылевого фрагмента. (Из материала оболочки впоследствии при ее преобразовании в газопылевой диск могут образовываться окружающие звезду планеты). Процесс конденсации сопровождается возрастанием магнитного поля, ростом давления газа. Долгое время оболочка остается плотной и непрозрачной, что делает рождающуюся звезду невидимой в оптическом диапазоне. Так постепенно формируются протозвезды – грандиозные непрозрачные массы межзвездного газа со сформировавшимся ядром, в которых гравитация уравновешивается силами внутреннего давления.

С образованием протозвезды рост массы ее ядра не прекращается. Масса ядра продолжает увеличиваться за счет выпадения газа на ядро из оболочки (аккреция). Силы гравитации растут и разогревают ядро, которое претерпевает качественные изменения, в том числе возрастают его светимость и давление излучения. Затем рост ядра и конденсация газа из оболочки прекращаются. Оболочка постепенно «сдувается» излучением и рассеивается. А ядро приобретает вид звездного объекта. Этот процесс гравитационного сжатия длится недолго (от сотен тысяч до нескольких десятков млн. лет) и заканчивается тогда, когда температура в центре достигает 10-15 млн. градусов и включается другой источник энергии – термоядерные реакции. Сжатие прекращается, и процесс звездообразования завершается: протозвезда окончательно превращается в звезду.

2. В ходе водородных термоядерных реакций в центральной зоне водород превращается в гелий, выделяя громадное количество энергии.

Водород – главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. До тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.

В недрах звезд, при температурах более 10 млн.К и огромных плотностях, газ обладает давлением в миллиарды атмосфер. В этих условиях звезда может находиться в стационарном состоянии лишь благодаря тому, что в каждом ее слое внутреннее давление газа уравновешивается действием сил тяготения. Если внутри звезды температура повысится, то звезда должна раздуться, так как возрастает давление в ее недрах. Если же температура внутри звезды, а значит и давление, понизится, то радиус звезды уменьшается. Такое состояние называется гидростатическим равновесием.

Стационарное состояние звезды характеризуется еще и тепловым равновесием. Процессы выделения энергии в недрах звезд, процессы теплоотвода энергии из недр к поверхности и процессы излучения энергии с поверхности должны быть сбалансированы. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться. Это приведет к ускорению ядерных реакций, и тепловой баланс будет вновь восстановлен. Таким образом, звезда представляет собой тонко сбалансированный «организм», она оказывается саморегулирующейся системой. Причем чем звезда больше, тем быстрее она исчерпывает свой запас энергии.

После выгорания водорода в центральной зоне звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Постепенно они перемещаются на периферию звезды. Звезда принимает гетерогенную структуру. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка – расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

3. Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. На этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций осуществляется синтез более тяжелых, чем гелий, химических элементов (нуклеосинтез).

Нуклеосинтез происходит в недрах звезд.

В период стабильного развития звезд в ходе термоядерных реакций происходит синтез гелия из водорода. А в недрах красных гигантов, при температуре свыше 150 млн. градусов, начинается новый этап ядерных реакций, в ходе которых происходит горение гелия: три ядра гелия образуют ядро углерода. Ядро углерода, взаимодействуя с ядром гелия, дает ядро кислорода, а синтез ядра кислорода с ядром гелия — неон и т.д., вплоть до кремния.

На следующем этапе ядерных реакций начинаются реакции углеродного горения. При этом происходит резкое взрывное повышение температуры еще на 1-2 порядка, т.е. до миллиардов и десятков миллиардов градусов. В этих условиях ядерные реакции, ведут к образованию химических элементов так называемого железного пика (Fе, Ni, Мn и др.). Но для синтеза тяжелых элементов необходимо больше энергии, чем высвобождается в процессе реакции.

На этом этапе подключается механизм нейтронного захвата: нейтрон, проникая в ядро, связывается там. В результате образовывается стабильное ядро изотопа нового химического элемента. Нейтроны и протоны ведут себя устойчиво. Если же ядро оказывается нестабильным, перегруженным нейтронами (их число превышает число протонов), то происходит реакция β-распада, в ходе которой нейтрон превращается в протон с образованием электрона и нейтрино. При таком распаде ядро превращается в изотоп следующего в периодической системе химического элемента. (Обратный процесс может происходить в случае перегруженности ядра нестабильными протонами.)

Различают два вида нейтронного захвата.

1) это медленный захват, когда следующий нейтрон поглощается после того, как завершится β-распад предыдущего (образование в выгоревших ядрах звезд-гигантов элементов вплоть до висмута).

2) это быстрый захват, при котором ядро успеет захватить несколько нейтронов, прежде чем начнется процесс β-распада. Но для такого быстрого захвата необходим поток нейтронов колоссальной мощности, что возможно только в период грандиозных звездных катастроф — вспышки сверхновой звезды

На стадии красного гиганта осуществляются основные реакции. В результате изменения химического состава, роста давления, пульсаций и других процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Динамическое равновесие звезды нарушается, происходит периодический сброс верхних оболочек. В этом случае звезда наблюдается как ядро планетарной туманности. Планетарная туманность — это система, состоящая из звезды (ядра туманности) и симметрично окружающей ее светящейся газовой оболочки (их может быть несколько), расширяющейся в пространстве с достаточно большой скоростью (20—40 км/с). По мере разряжения свечение оболочки ослабевает, и она становится невидимой. Планетарные туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами.

Красный гигант теряет свою массу, исчерпывает термоядерные источники энергии. На завершающем этапе нуклеосинтеза в недрах красного гиганта наступает нейтронизация вещества — электроны под громадным давлением «вдавливаются» в атомные ядра, взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. Красный гигант остывает. Теперь судьба звезды зависит от массы оставшегося ядра.

При массе менее 1,4 массы Солнца звезда, обладая громадной плотностью (сотни тонн на 1 см³), сохраняет свое стационарное, равновесное состояние – белые карлики. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет тогда, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образуя планетарную туманность. Поэтому белые карлики, окруженные остатками оболочки, выглядят обычно как планетарные туманности. Белый карлик не имеет ресурсов для термоядерных реакций, он постепенно охлаждается, причем время охлаждения достаточно велико — примерно 10⁹ лет. Это время сравнимо с возрастом Галактики.

Когда энергия звезды иссякнет, звезда меняет свой цвет с белого на желтый, затем на красный. Она перестает излучать и начинает непрерывное путешествие в необозримом космическом пространстве в виде маленького темного безжизненного объекта. Так белый карлик медленно превращается в мертвую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды в миллиарды раз выше плотности воды. Так заканчивают свое существование большинство звезд.

При массе более 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии становится невозможным, так как давление не может уравновесить силу тяготения. В таких звездах начинается гравитационный коллапс — неограниченное падение вещества к центру. Если внутреннее давление и другие причины останавливают коллапс, происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образованием газовых туманностей.

Если масса умирающей звезды более чем в 3 раза превышает массу Солнца, то уже ничто не может предотвратить гравитационный коллапс, такая звезда как бы взрывается внутрь, неизбежно превращаясь в черную дыру.

Сверхновые звезды — это такие звезды, блеск которых при вспышке в течение нескольких суток увеличивается настолько, что становится сравнимым с яркостью всех звезд галактики и может даже превосходить ее.

Взрыв сверхновой звезды – гигантский по силе взрыв старой звезды, вызванный коллапсом ее ядра. Под воздействием силы тяготения вещество звезды начинает ускоренно двигаться к ее центру, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. Масса ядра растет, и нарастает гравитационное поле. В результате ядро ускоряется быстрее, чем оболочка. Высокое давление сбрасывает оболочку – звезда взрывается. Взрыв сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее раскидывают наружные слои звезды в космическом пространстве и образуют клочья облаков расширяющегося газа. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия .

Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение для обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для распространения химических элементов во Вселенной, а также для рождения первичных космических лучей.

Дозы космического излучения при взрыве могут превышать нормальные для Земли в 7 тысяч раз!

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела — нейтронной звезды или черной дыры.

Нейтронная звезда — это гидростатически равновесная звезда, состоящая в основном из нейтронов. Она имеет много свойств, общих со свойствами ядра атома, но и много различий. Атомное ядро — это квантово-механическая система, единство которой обеспечивается ядерными силами, сильным взаимодействием. А единство нейтронной звезды обеспечивается балансом между сжимающей ее силой тяготения и давлением, направленным от центра звезды к ее поверхности.

Типичная нейтронная звезда имеет радиус 18-10км. Плотность нейтронной звезды очень высока, соизмерима с плотностью атомных ядер - 10¹⁵ г/см3. Ядро нейтронной звезды состоит из сверхтекучей нейтронной жидкости, сверхпроводящих протонов и вырожденных электронов, а верхний слой – твердая кора из железа. Благодаря сверхтекучей нейтронной жидкости в такой звезде распространяются волны плотности, подобные порывам ветра на поле, покрытом травами. Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет.

Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе в направлении магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами.

Расчеты показывают, что в нашей Галактике должно содержаться около 100 млн. нейтронных звезд и черных дыр.

Черные дыры. Старые массивные звезды, умирая, переходят в состояние гравитационного коллапса. Результатом коллапса является образование области, в которой тяготение настолько велико, что оттуда ничего выйти уже не может. Окружающее звезду пространство-время свертывается, звезда исчезает из Вселенной, а вместо нее остается сильно искривленная область пространства-времени, т.е. та черная дыра, модель котором существует еще с начала XX в. Если масса умирающей звезды в 3 и более раз превышает массу Солнца, то она, завершая свой жизненный путь, неизбежно превращается в черную дыру. Проявлениями гравитационного коллапса являются вспышки новых и сверхновых звезд, нейтронные звезды и др.

Сильное гравитационное поле черной дыры должно вызывать бурное излучение электромагнитных волн при попадании в это поле газа. Газ образует закручивающийся вокруг черной дыры быстро вращающийся уплотняющийся диск. При этом кинетическая энергия его частиц, разгоняемых силой тяготения черной дыры, частично переходит в рентгеновское излучение, по которому черная дыра может быть обнаружена.

Черная дыра – область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.

Звезда с массой, равной массе Солнца за тысячную долю секунды может превратиться из обычной звезды в черную дыру. А если масса равна массе миллиарда звезд (ее горизонт равен 2,8 световых часа), то такой процесс займет несколько дней.

Свойства черной дыры крайне необычны.

1. Черная дыра может гравитационно захватывать тела, прилетающие из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R = 2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос.

Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос.

Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.

2. В черной дыре происходит фундаментальное замедление времени. Она так сильно искривляет пространство, что как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной – либо в другую часть нашей Вселенной, либо внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной, и даже проникновения в другую вселенную.

Размеры черных дыр могут быть различными: от массы галактики (10⁴⁴ г) до песчинки массой 10^-5 г.

Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу ее радиуса. Черная дыра массой в 10 масс Солнца испарится за 10⁶⁹лет.