Рождение и эволюция звезд. 2

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕНАЯ  АКАДЕМИЯ» 

ФАКУЛЬТЕТ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬГО ОБРАЗОВАНИЯ 
 
 
 
 

Рождение  и эволюция звезд

Контрольная работа по дисциплине:

«Концепции  современного естествознания» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ижевск  2009

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….. 3 
1.Рождение звёзд …………………………………………………………………....4 
2.Основные звездные характеристики ……………………………………………..5

  2.1. Светимость и расстояние до звезд……………………………………………5

  2.2. Спектры звезд и их химический состав………………………………………5

  2.3.  Температура и масса звезд………………………………………………...….6 
3. Как устроена звезда и как она живёт …………………………………………....6 
4. Срок жизни звезд………………………………………………………………….9

5. Белые карлики, или будущее Солнца ………………………………………….11 
6. Нейтронные звёзды …………………………………………………………  …12 
7. Чёрные дыры…………………………………………………………………..…13 
Заключение………………………………………………………………………….14 
Литература………………………………………………………………………  …15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Звёзды… Они восходили над динозаврами, над Великим Оледенением, над строящимися египетскими пирамидами. Одни и те же звёзды указывали путь финикийским мореплавателям и каравеллам Колумба, созерцали с высоты Столетнюю войну и взрыв ядерной бомбы в Хиросиме. Одним людям виделись в них глаза богов и сами боги, другими - серебряные гвозди, вбитые в хрустальный купол небес, третьим - отверстия, через которые струится небесный свет.

Постоянство и непознаваемость звёзд наши предки считали непременными условиями существования мира. Древние египтяне полагали, что, когда люди разгадают природу звёзд, наступит конец света. Другие народы верили, что жизнь на Земле прекратится, как только созвездие Гончих Псов догонит Большую Медведицу. Наверное, для них очень важно было сознавать, что в этом неверном и изменчивом мире остаётся что-то неподвластное времени.

Не удивительно, что любые изменения в мире звёзд издавна считались предвестниками значительных событий. Согласно Библии, внезапно вспыхнувшая звезда возвестила миру о рождении Иисуса Христа, а другая звезда - Полынь - будет знаком конца света.

В течение  многих тысячелетий астрологи сверяли  по звёздам жизни отдельных людей  и целых государств, хотя и предупреждали при этом, что роль звёзд в предначертании судьбы велика, но не абсолютна. Звёзды советуют, а не приказывают, говорили они.

Но шло  время, и люди стали всё чаще смотреть на звезды с другой, менее романтической  точки зрения. Антуан де Сент-Экзюпери сказал об этом: «Вы проинтегрировали орбиту звезды, о жалкий род исследователей, и звезда перестала быть для вас живым светилом». Действительно, звёзды стали рассматриваться как физические объекты, для описания которых вполне достаточно известных законов природы.

Астрономы не в состоянии проследит жизнь  одной звезды от начала и до конца. Даже самые короткоживущие звёзды существуют миллионы лет - дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Однако учёные могут наблюдать много  звёзд, находящихся на самых разных стадиях своего развития, - только что родившиеся и умирающие. По многочисленным звездным портретам они стараются восстановить эволюционный путь каждой звезды и написать её биографию.

      Рождение звезд

Рождение  звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах тёмных облаков, так что этот процесс практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики пытаются исследовать его теоретически, с помощью компьютерного моделирования. Превращение фрагмента облака в звезду сопровождается гигантским изменением физических условий: температура вещества возрастает примерно в 10⁶ раз, а плотность - в 10²⁰ раз. Колоссальные изменения всех характеристик формирующейся звезды составляют главную трудность теоретического рассмотрения её эволюции. На стадии подобных изменений исходный объект уже не облако, но ещё и не звезда. Поэтому его называют протозвездой (от греч. «протос» - «первый»).

В общих  чертах эволюцию протозвезды можно  разделить на три этапа, или фазы. Первый этап - обособление фрагмента облака и его уплотнение. Вслед за ним наступает этап быстрого сжатия. В его начале радиус протозвезды примерно в миллион раз больше солнечного. Она совершенно непрозрачна для видимого света, но прозрачна для инфракрасного излучения с длиной волны больше 10 мкм. Излучение уносит излишки тепла, выделяющегося при сжатии, так что температура не повышается и давление газа не препятствует коллапсу. Происходит быстрое сжатие, практически свободное падение вещества к центру облака.

Однако  по мере сжатия протозвезда делается всё менее прозрачной, что затрудняет выход излучения и приводит к росту температуры газа. В определённый момент протозвезда становится практически непрозрачной для собственного теплового излучения. Температура, а вместе с ней и давление газа быстро возрастают, сжатие замедляется.

Когда температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции. Выделяющееся при этом тепло полностью компенсирует охлаждение протозвезды с поверхности. Сжатие прекращается. Протозвезда становится звездой.

Основные  звездные характеристики

Чтобы любоваться звёздным небосводом, совсем не обязательно описывать все  звёзды и выяснять их физические характеристики - они красивы сами по себе. Но если рассматривать звёзды как природные  объекты, естественный путь к их познанию лежит через измерения и сопоставление свойств.

Светимость  и расстояние до звезд

Светимость звезд определяется, если известны видимая величина и расстояние до звезды. Если для определения видимой величины астрономия располагает вполне надежными методами, то расстояние до звезд определить не так просто. Расстояние определяется известным еще с начала прошлого столетия тригонометрическим методом, заключающимся в измерении ничтожно малых угловых смещений звезд при их наблюдении с разных точек земной орбиты, то есть в разное время года.

Спектры звезд и их химический состав

Спектры подавляющего большинства звезд разделены на классы. Последовательность спектральных классов обозначается буквами O, B, A, F, G, K, M. Существующая система классификации звездных спектров настолько точна, что позволяет определить спектр с точностью до одной десятой класса. Химический состав наружных слоев звезд, откуда к нам "непосредственно" приходит их излучение, характеризуется полным преобладанием водорода. На втором месте находится гелий, а обилие остальных элементов достаточно невелико. Приблизительно на каждые десять тысяч атомов водорода приходиться тысячи атомов гелия, около 10 атомов кислорода, немного меньше углерода и азота и всего лишь один атом железа. Обилие остальных элементов совершенно ничтожно. Без преувеличения можно сказать, что наружные слои звезд - это гигантские водородно-гелиевые плазмы с небольшой примесью более тяжелых элементов.

Хорошим индикатором температуры наружных слоев звезды является ее цвет. Горячие звезды спектральных классов О и В имеют голубой цвет; звезды, сходные с нашим Солнцем (спектральный класс которого G2), представляются желтыми, звезды же спектральных классов К и М - красные.

Температура и масса звезд

Знание спектрального класса или цвета звезды сразу же дает температуру ее поверхности.

Для определения радиуса звезды надо знать ее светимость и температуру поверхности.

Нам остается определить еще одну, едва ли не самую  важную характеристику звезды - ее массу. В сущности, астрономия не располагала и не располагает в настоящее время методом прямого и независимого определения массы  изолированной звезды. И это достаточно серьезный недостаток нашей науки о Вселенной. Если бы такой метод существовал, прогресс наших знаний был бы значительно более быстрым. В такой ситуации астрономы молчаливо принимаю, что звезды с одинаковой светимостью и цветом имеют одинаковые массы. Утверждение, что одиночная звезда с той же светимостью и цветом имеет такую же массу, как и ее "сестра", входящая в состав двойной системы, всегда следует принимать с некоторой осторожностью. 

Как устроена звезда и  как она живёт

Звёзды  не останутся вечно такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной  постоянно рождаются новые звёзды, а старые умирают. Чтобы понять, как эволюционирует звезда, как меняются с течением времени её внешние параметры - размер, светимость, масса, необходимо проанализировать процессы, протекающие в недрах звезды. А для этого надо знать, как устроены эти недра, каковы их химический состав, температура, плотность, давление. Но наблюдениям доступны лишь внешние слои звёзд - их атмосферы. Проникнуть в глубь даже ближайшей звезды - Солнца - мы не можем. Приходится прибегать к косвенным методам: расчётам, компьютерному моделированию. При этом пользуются данными о внешних слоях, известными законами физики и механики, общими как для Земли, так и для звёздного мира.

Условия в недрах звёзд значительно отличаются от условий в земных лабораториях, но элементарные частицы - электроны, протоны, нейтроны - там те же, что и на Земле. Звёзды состоят из тех же химических элементов, что и наша планета. Поэтому к ним можно применять значения, полученные в лабораториях.

Наблюдения  показывают, что большинство звёзд  устойчивы, т.е. они заметно не расширяются и не сжимаются в течение длительных промежутков времени. Как устойчивое тело звезда может существовать только в том случае, если все действующие на её вещество внутренние силы уравновешиваются. Какие же это силы?

Звезда - раскалённый газовой шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объём. Это стремление вызвано давление газа и определяется его температурой и плотностью. В каждой точке внутри звезды действует сила давления газа, которая старается расширить звезду. Но в каждой точке ей противодействует другая сила - сила тяжести вышележащих слоев, пытающаяся сжать звезду. Однако ни расширения, ни сжатия не происходит, звезда устойчива. Это означает, что обе силы уравновешивают друг друга. А так как с глубиной вес вышележащих слоёв увеличивается, то давление, а, следовательно, и температура возрастают к центру звезды.

Звезда  излучает энергию, вырабатываемую в  её недрах. Температура в звезде распределена так, что в любом  слое в каждый момент времени энергия, получаемая от нижележащего слоя, равняется энергии, отдаваемой слою вышележащему. Сколько энергии образуется в центре звезды, столько же должно излучаться её поверхностью, иначе равновесие нарушится. Таким образом, к давлению газа добавляется ещё и давление излучения.

Излучение, покидающее поверхность звезды, качественно (но не количественно) отличается от излучения, рождающегося в источнике звёздной энергии. По мере движения наружу длина  волны света увеличивается. Поверхность  Солнца, например, излучает в основном световые и инфракрасные лучи, а в его недрах возникает коротковолновое рентгеновское и гамма-излучение. Давление излучения для Солнца и подобных ему звёзд составляет лишь очень малую долю от давления газа, но для гигантских звёзд оно значительно.

Оценки  температуры и плотности в  недрах звёзд получают теоретическим  путём, исходя из известной массы  звезды и мощности её излучения, на основании газовых законов физики и закона всемирного тяготения. Определённые таким образом температуры в  центральных областях звёзд составляют от 10 млн. градусов для звёзд легче Солнца, до 30 млн. градусов для гигантских звёзд. Температура в центре Солнца - около 15 млн. градусов.

Строение  звёзд зависит от массы. Если звезда в несколько раз массивнее  Солнца, то глубоко в её недрах происходит интенсивное перемешивание веществ (конвекция), подобно кипящей воде. Такую область называют конвективным ядром звезды. Чем больше звезда, тем большую её часть составляет конвективное ядро. Остальная часть звезды сохраняет при этом равновесие. Источник энергии находится в конвективном ядре. По мере превращения водорода в гелий молекулярная масса вещества ядра возрастает, а его объём уменьшается. Внешние же области звезды при этом расширяются, она увеличивается в размерах, а температура её поверхности падаёт. Горячая звезда - голубой гигант - постепенно превращается в красный гигант.

Строение  красного гиганта уже иное. Когда  в процессе сжатия конвективного  ядра весь водород превращается в  гелий, температура в центре повысится  до 50-100 млн. градусов и начнется горение  гелия. Он в результате ядерных реакций  превращается в углерод. Ядро горящего гелия окружено тонким слоем горящего водорода, который поступает из внешней оболочки звезды. Следовательно, у красного гиганта два источника энергии. Над горящим ядром находится протяженная оболочка.

В дальнейшем ядерные реакции создают в  центре массивной звезды всё более тяжелые элементы, вплоть до железа. Синтез элементов тяжелее железа уже не приводит к выделению энергии. Лишенное источников энергии, ядро звезды быстро сжимается. Это может повлечь за собой взрыв - вспышку сверхновой. Иногда при взрыве звезда полностью распадается, но чаще всего, остается компактный объект - нейтронная звезда или черная дыра.

Вместе  с оболочкой взрыв уносит в  межзвездную среду различные  химические элементы, образовавшиеся в недрах звезды за время её жизни. Новое поколение звезд, рождающихся из межзвездного газа, будет содержать уже больше тяжелых химических элементов. 

Срок  жизни звезд

Срок  жизни звезды напрямую зависит от её массы. Звезды с массой в 100 раз  больше солнечной живут всего  несколько миллионов лет. Если масса составляет две - три солнечных, срок жизни увеличивается до миллиарда лет.

В звездах - карликах, массы которых меньше массы Солнца, конвективное ядро отсутствует. Водород в них горит, превращаясь  в гелий, в центральной области, не выделяющейся из остальной части звезды наличием конвективных движений. В карликах этот процесс протекает очень медленно, и они практически не изменяются в течение миллиардов лет. Когда водород полностью сгорает, они медленно сжимаются и за счет энергии сжатия могут существовать ещё очень длительное время.

Солнце  и подобные ему звезды представляют собой промежуточный случай. У  Солнца имеется маленькое конвективное ядро, но не очень чётко отделённое от остальной части. Ядерные реакции  горения водорода протекают как  в ядре, так и в его окрестностях. Возраст Солнца примерно 4,5-5 млрд. лет. И за это время оно почти не изменило своего размера и яркости. После исчерпания водорода Солнце может постепенно вырасти в красный гигант, сбросить чрезмерно расширившуюся оболочку и закончить свою жизнь, превратившись в белый карлик. Но это случится не раньше, чем через 5 млрд. лет.

Большую часть своей жизни звезда находится  на так называемой главной последовательности диаграммы цвет - светимость (диаграммы  Герцшпрунга-Ресселла). Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Дальнейшая судьба звезды полностью определяется её массой.

Каков же будет срок жизни звезды? Ответить на этот вопрос не представляет труда, если знать механизм выделения энергии  в звезде. Для звезд главной  последовательности это термоядерные реакции превращения водорода в  гелий. Как известно из ядерной физики, освобождаемая при этом энергия равна примерно 0,1% от энергии покоя вещества Е=mс². Здесь m- масса вещества, с- скорость света. Соотношение Е=mс² было установлено Альбертом Эйнштейном в 1917 г. Таким образом, полный запас термоядерной энергии в звезде составляет 0,001М_яс², где М_я - масса ядра звезды, в котором и происходят термоядерные реакции.

Учитывая, что масса ядра звезды пропорциональна  её полной массе (М), путём расчётов получаем приблизительное соотношение: продолжительность превращения водорода в гелий равна 10 М/L млрд. лет, где масса М и светимость L звезды выражены в массах и светимостях Солнца. Для звезд с массой, близкой к солнечной, L=М⁴ (это следует из наблюдений). Отсюда находим, что время их жизни 10/М³ млрд. лет.

Теперь ясно, что звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд составляет «всего» несколько миллионов лет! Для подавляющего же большинства звезд время жизни сравнимо или даже превышает возраст Вселенной (около 15 млрд. лет).

Теперь  мы подошли к основному вопросу: во что превращаются звезды в конце  жизни и как проявляют себя их остатки? Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или  черные дыры.

Белые карлики, или будущее Солнца

После «выгорания» термоядерного топлива  в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной  её части (ядре) плотность вещества становится настолько высокой, что  свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды, из него состоящие вырожденными звездами.

После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике  вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит  в область красных гигантов. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров - в сотни радиусов Солнца - и за это время порядка 10-100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 10⁹ кг\м³ (тонну на кубический сантиметр!).

Ядерные реакции внутри белого карлика не идут. А свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас  тепловой энергии белого карлика  содержится в колебательных движениях  ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. Кельвинов образуют кристаллическую решетку. Образно говоря, белые карлики - это гигантские горячие кристаллы. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается, и звезда перестаёт быть белой (по цвету) - это скорее уже бурый или коричневый карлик.

Масса белых карликов не может превышать  некоторого значения - это так называемый предел Чандрасекара (по имени американского астрофизика, индийца по происхождению, Субрахманьяна Чандрасекара), он равен примерно 1,4 массы Солнца. Если масса звезды больше, давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды происходит катастрофическое сжатие белого карлика - коллапс. В ходе коллапса плотность резко растёт, протоны объединяются с вырожденными электронами и образуют нейтроны (это называется нейтронизацией вещества), а освобождаемую гравитационную энергию уносят в основном нейтроны. Чем же заканчивается этот процесс? По современным представлениям, коллапс может либо остановиться при достижении плотностей порядка 10¹⁷ кг\м³, когда нейтроны сами становятся вырожденными, - и тогда образуется нейтронная звезда; либо выделяемая энергия полностью разрушает белый карлик - и коллапс по сути дела превращается во взрыв.

Нейтронные  звезды

Большинство нейтронных звезд образуются при  коллапсе ядер звезд массой более 10 солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением - вспышкой сверхновой звезды. Зная из наблюдений, что вспышки сверхновых в нормальной галактике происходят примерно раз в 25 лет, легко вычислить, что за время существования нашей Галактики (10-15 млрд. лет) в ней должно было образоваться несколько сот миллионов нейтронных звезд! Как же они должны проявлять себя?

Молодые нейтронные звёзды быстро вращаются (периоды вращения измеряются миллисекундами) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твёрдой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких энергий. Эти частицы излучают радиоволны.

С потерей  энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться  и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн. лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч. В настоящее время наблюдается примерно 700 пульсаров.

Как и  для белых карликов, для нейтронных звезд существует предельно возможная  масса), а носит название предела Оппенгеймера - Волкова). Однако строение материи при столь высоких плотностях известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера - Волкова точно не установлен, его величина зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае он не превышает трёх масс Солнца.

Если  масса нейтронной звезды превосходит  это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам  гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется чёрная дыра. 

Чёрные  дыры

Термин  «чёрная дыра» был весьма удачно введён в науку американским физиком  Джоном Уиллером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. На достаточно больших расстояниях чёрная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у чёрных дыр быть не может. Удивительно, но самые «экзотические» с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты - чёрные дыры - устроены гораздо проще, чем обычные звезды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества - они описываются только уравнениями гравитации Эйнштейна. Кроме массы чёрная дыра может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом.

Но если чёрные дыры не светят, то как же можно  судить о реальности этих объектов во Вселенной? Единственный путь - наблюдать  воздействие их гравитационного  поля на другие тела.

Имеются косвенные доказательства существования чёрных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звёздах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твёрдой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера (например, периодических импульсов в излучении), и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трёх масс Солнца).

Последние достижения рентгеновской астрономии позволяют исследовать рентгеновское  излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности. В оптической астрономии появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Всё это даёт надежду, что в начале ХХI в. будет получено прямое доказательство существования в Галактике чёрных дыр звёздной массы. А возможно обнаружение чёрных дыр будет связано с совершенно новым направлением звёздной науки - гравитационно-волновой астрономией. Уже разрабатываются гравитационно-волновые детекторы, которые позволят регистрировать необычайно слабые гравитационные волны от систем, содержащих чёрные дыры. Скорее всего, первые обнаруженные таким методом объекты окажутся двойными чёрными дырами, сливающимися друг с другом из-за потерь энергии орбитального движения на гравитационное излучение. 

Заключение

За период немногим более двух столетий представление  о звёздах изменилось кардинально. Из непостижимо далёких и равнодушных светящих точек на небе они превратились в предмет всестороннего физического исследования. Как бы отвечая на упрёк де Сент-Экзюпери, взгляд учёных на эту проблему выразил американский физик Ричард Фейнман: «Поэты утверждают, что наука лишает звёзды красоты. Для неё звёзды - просто газовые шары. Совсем не просто. Я тоже любуюсь звёздами и чувствую их красоту. Вот только кто из нас видит больше?».

Благодаря развитию наблюдательных технологий астрономы  получили возможность исследовать не только видимое, но и не видимое глазу излучение звёзд. Сейчас уже многое известно об их строении и эволюции, хотя немало остаётся и непонятного. Ещё впереди то время, когда исполнится мечта создателя современной науки о звёздах Артура Эддингтона и мы, наконец «сможем понять такую простую вещь, как звезда».

Литература

1. М.Д. Аксёнова. Энциклопедия для детей. Т.8. Астрономия. - 2-е изд., испр. Аванта+, 1998.

2. И.С. Шкловский. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. - М.: Наука, 1997.

3. И.С. Шкловский. Вселенная, жизнь, разум. - М.: Наука, 1976.