Образование и эволюция звезд.

Современные методы изучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода и гелия, причем лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, а большая часть распределена в межзвездном пространстве. В зависимости от первоначального состава межзвездной пыли наблюдаются два типа звездных тел.

Большинство звезд состоит в основном из водорода (60…90%) и гелия (10…40%) и тяжелых элементов (0.1…3%). Такие звезды называются звездами населения 1. Тяжелые элементы образуются при вспышках т.н. новых звезд или при взрывах сверхновых. Наше Солнце с 74% водорода, 24% гелия и 2% тяжелых элементов есть обычная звезда населения 1.

Звезды населения 2 образуются в основном из первичного водорода и гелия и содержат очень мало тяжелых элементов.

В процесс конденсации межзвездной пыли сопровождается освобождением энергия частиц и соответствующим увеличением температуры. При температурах ~10⁷ К и плотности 100 г/см³ начинаются термоядерные реакции. В первой термоядерной реакции участвует лишь водород: происходит слияние двух протонов в результате слабых взаимодействий. После образования дейтерия начинаются еще две дополнительные реакции, конечным результатом которых является слияние четырех ядер атома водорода в ядро атома гелия. При этом выделяется ~27 МэВ.

p + p à d + e⁺ + n

d + p à ₂³He + g

₂³He + ₂³He à₂⁴He + p + p

Эта реакция называется протон-протонной цепочкой. Она является основным источником энергии Солнца. Солнце ежесекундно выделяет ~4 10²⁶ Вт.

Термоядерные реакции, протекающие внутри звезд, сопровождаются испусканием g-квантов. ЭМ излучение обладает импульсом, т.е. оказывает радиационное давление. Когда давление, обусловленное гравитацией, уравновешивается радиационным давление, сжатие звезды прекращается.

Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществляться еще одна цепочка реакций, в результате чего также происходит превращение четырех ядер водорода в гелий, а углерод служит катализатором. Т.к. в этой последовательности участвуют и образуются углерод и азот, то ее и называют углеродно-азотным циклом. Такие звезды более массивные и яркие, примером является Сириус, одна из самых ярких звезд Северного полушария.

За эволюцией звезд позволяют следить две основные характеристики: собственная светимость и цвет. На диаграмме зависимости светимости от цвета звезду можно изобразить точкой, которая движется по мере жизни и угасания звезды. Начальное положение звезды зависит от ее массы: более массивные оказываются более горячими и яркими, а менее массивные – холодными и тусклыми. Для стабильных звезд диаграмма светимость-цвет образует т.н. главную последовательность.

По мере уменьшения количества водорода внутри звезды она сжимается. Это приводит к увеличению температуры и началу выгорания гелия. При превращении гелия в углерод выделяется большое количество энергии, что приводит к увеличению радиационного давления. Внешние слои звезды расширяются. В результате чего температура падает, излучаемый свет становится более красным, и звезда смещается вправо от главной последовательности. Этот процесс расширения идет до тех пор, пока диаметр заезды не увеличится в 200-300 раз, и звезда становится красным гигантом.

Эволюция нашего Солнца к стадии красного гиганта приведет к тому, что оно сначала сожжет Землю из-за огромного количества выделившейся энергии, а затем в результате расширения поглотит ее останки. По расчетам астрономов до этого момента пройдет около 5 млрд лет.

Время пребывания обычной звезды в стадии красного гиганта составляет около 10⁷ лет. Достигнув на этой стадии максимальных размеров, звезда быстро смещается влево на диаграмме светимость-цвет. В этот период у большинства звезд нарушается равновесие, и они начинают пульсировать, изменяя свою светимость. Далее эволюция идет в зависимости от массы звезды. Если она меньше 1.4 солнечной массы («легкая» звезда), то израсходовав ядерное топливо, она охлаждается и в конце концов угасает. При этом она проходит через стадию неустойчивости, во время которой происходит периодическое возрастание светимости. Резкое возрастание светимости фиксируется как рождение новой звезды. Далее стадия «новой» звезды переходит в стадию белого карлика, затем, после дальнейшего охлаждения – в стадию красного карлика, и наконец – в черного карлика.

Эволюция звезды, масса которой больше 1.4 массы Солнца, кончается эффектным взрывом, и это считается рождением сверхновой звезды. После взрыва сверхновой возникают высокие давления и температуры, создаются условия для образования нейтронов. Поскольку для нейтроном электростатическое отталкивание отсутствует, под действием тяготения нейтронное вещество коллапсирует, образуя маленький сверхплотный шар. Плотность в нем столь велика, что распад нейтрона оказывается запрещенным. Такие звездные тела называются нейтронными звездами.

В 1968 г. были обнаружены объекты, являющиеся источником переменного радиоизлучения с частотой пульсации около 1 Гц. Они получили название пульсаров. Голд предложил модель, согласно которой пульсар – это вращающаяся нейтронная звезда. Время жизни пульсара ~10⁸ лет.

В начале 60-х годов были обнаружены радиоисточники, связанные с объектами голубого цвета, напоминающими звезды. Их назвали квазизвездами, или квазарами. Происхождение и строение квазаров в настоящее время неясно. Однако установлено, что для них характерно сильное красное смещение, следовательно можно предположить, что квазары – наиболее удаленные и быстро движущиеся объекты во вселенной.

Согласно современным представлениям до 90% вещества Вселенной находится в неизвестном состоянии, т.е. имеется «скрытая» от наблюдателя масса. Американский физик Уиллер в 1969 г. предложил термин черная дыра для космического объекта со скрытой массой. ЧД возникает в результате сжатия космического объекта, если его масса превышает массу Солнца в три раза. Сжатие такого объекта невозможно предотвратить никакими силами, и звезда превращается в ЧД с радиусом примерно 3 км. На границе ЧД вторая космическая скорость, необходимая для удаления от данного космического тела, равна скорости света. Это означает, что никакое природное явление или взаимодействие не может выйти за предела ЧД. У нее такое большое гравитационное поле, что даже ЭМ излучение не может ее покинуть.

Существование ЧД можно описать в рамках ОТО, позволяющей для любого объекта, имеющего массу рассчитать т.н. гравитационный радиус, или радиус сферы Шврцшильда, первым решившего уравнение Эйнштейна для сферически симметричного распределения масс. Так, гравитационный радиус Солнца равен примерно 3 км, а для Земли – примерно 1 см.

Наличие сильного гравитационного поля у ЧД приводит к тому, что время течет все медленнее и медленнее по мере приближения к ЧД. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя, т.е. ЧД искривляет пространство и тормозит время. В этом смысле ОТО рассматривает ЧД как «кладбище» всего того, что она успела захватить.

В 1975 г. С.Хокинг показал, что гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает из вакуума пары частиц, одна из которых захватывается ЧД, а другая улетает в окружающее пространство, т.е. получается, что ЧД может излучать частицы разных видов, т.е. ЧД постепенно рассеивается в космическом пространстве. Так происходит круговорот материи во Вселенной. Аннигиляция частиц и античастиц приводит к мощному g-излучению, по которому можно обнаружить ЧД. Предполагается, что в центре Галактики находится ЧД массой в 10⁶ масс Солнца.

123

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:

©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.