Эволюция галактик и звезд

Введение

Звезда́ — небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции. Солнце — типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно и то, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость.

Звёздная эволюция в астрономии — последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени изменения оказываются весьма значительными.

Изучение звёздной эволюции невозможно наблюдением лишь за одной звездой — многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, чтобы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Поэтому учёные изучают множество звёзд, каждая из которой находится на определённой стадии жизненного цикла. За последние несколько десятилетий широкое распространение в астрофизике получило моделирование структуры звёзд с использованием вычислительной техники

Галактиками наз. гигантские (до ~10¹³ звёзд) звёздные системы, расположенные вне нашей Галактики. Их наз. ещё внегалактич. туманностями, т. к. при визуальном наблюдении в телескоп они выглядят туманными пятнышками, как и обычные газовые туманности. Сведения о Г. приводятся в спец. астрономич. каталогах. Из них наиболее известны первый каталог туманностей и звёздных скоплений, составленный в конце 18 в. франц. астрономом Ш. Мессье , и "Новый общий каталог" (1888 г.) англ. астронома Й. Дрейера.

Возникновение галактик — появление крупных гравитационно-связанных скоплений материи, имевшее место в далёком прошлом Вселенной. На данный момент удовлетворительной теории возникновения и эволюции галактик не существует. Есть несколько конкурирующих теорий, объясняющих это явление, но каждая имеет свои серьезные проблемы.

      Современные представления о происхождении планет.

Проблема происхождения планет – очень сложная и далеко еще не решенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и других естественных наук (прежде всего наук о Земле). Дело в том, что пока можно исследовать только единственную планетарную систему, окружающую наше Солнце. Как выглядят более молодые и более старые системы, вероятно существующие вокруг других звезд, неизвестно. Чтобы правильно объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовалось Солнце и другие звезды, потому что планетарные системы возникают вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи.

Наиболее важные выводы планетной  космогонии сводятся к следующему:

а) планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел  и частиц, входивших в состав туманности, которая когда -то окружала Солнце. Эту туманность часто называют “допланетным” или “протопланетным” облаком. Считается, что солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неизвестно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от “протосолнца”.

б) формирование планет происходило  под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов  стало сжатие (уплощение) вращающейся  туманности, ее удаление от “протосолнца”, столкновение частиц, их укрупнение и т.д. Изменялась температура вещества, туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с “протосолнцем”. Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца (там, где сейчас планеты-гиганты).

в) спутники планет (а значит, и наша Луна) возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, то есть тоже из вещества протопланетной туманности. Пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты.

Основная идея современной планетной  космогонии – это то, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.

Звезды рождаются

 

Межзвездный газ. Для того чтобы  лучше понять процесс рождения звезд, нужно

вначале изучить пространство между  звездами. Потребовалось, однако,

тысячелетнее развитие науки, чтобы человечество осознало. Простой и вместе с

тем величественный факт, что звезды   это объекты, более или менее  похожие на

солнце, но только стоящие от нас  на несравненно большие расстояния. Ньютон был

первым, кто правильно оценил расстояния до звезд. Два столетия после великого

английского ученного почти всеми  молчаливо принималось, что чудовищно  больших

размеров пространство, в котором  находятся звезды, есть абсолютная пустота.

Лишь отдельные астрономы время  от времени поднимали вопрос о возможном

поглощении света в межзвездной  среде. Только в самом начале ХХ столетия

немецкий астроном Гартман убедительно  доказал, что пространство между  звездами

представляет собой отнюдь не мифическую пустоту. Оно заполнено газом, правда с

очень малой, но вполне определенной плотностью. Это выдающееся открытие, так же

как и многие другие, было сделано  с помощью спектрального анализа.

Почти половину столетия межзвездный  газ исследовался главным образом  путем

анализа образующихся в нем линий  поглощения. Выяснилось, например, что довольно

часто эти линии имеют сложную  структуру, то есть состоят из нескольких близко

расположенных друг к другу компонентов. Каждая такая компонента возникает  при

поглощении света звезды в каком-нибудь определенном облаке межзвездной среды,

причем облака движутся относительно друг друга со скоростью, близкой  к

10км/сек. Это и приводит благодаря  эффекту Доплера к незначительному  смещению

длин волн линий поглощения.

Химический состав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно

близким к химическому составу  Солнца и звезд. Преобладающими элементами

являются водород и гелий, между  тем как остальные элементы мы можем

рассматривать как  примеси.

Межзвездная пыль. В межзвездной  среде есть и другая компонента. Речь идет о

межзвездной пыли. Еще в прошлом столетии дебатировался вопрос о прозрачности

межзвездного пространства. Только 1930 года с несомненностью было доказано, что

межзвездное пространство действительно  не совсем прозрачно. Поглощающая свет

субстанция сосредоточенно в довольно тонком слое около галактической плоскости.

Сильнее всего поглощаются синие  и фиолетовые лучи, между тем как  поглощение в

красных лучах сравнительно невелико.

Что же это за субстанция? Сейчас уже  представляется доказанным, что поглощение

света обусловлено межзвездной пылью, то есть твердыми микроскопическими

частицами вещества, размерами меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный

химический состав. Установлено, что  пылинки имеют довольно вытянутую  форму и в

какой-то степени  ориентируются , то есть направления их вытянутости имеют

тенденцию  выстраиваться  в  данном облаке более или менее  параллельно. По этой

причине проходящий через тонкую среду  звездный свет становится частично

поляризованным.

Почему должны рождаться новые звезды?

 

Значение газово-пылевых комплексов в современной астрофизике очень велико. Дело

в том, что уже давно астрономы, в значительной степени интуитивно, связывали

образования конденсации в межзвездной  среде с важнейшим процессом  образования

звезд из  диффузной  сравнительно разряженной газово-пылевой среды. Какие же

основания существуют для предположения  о связи между газово-пылевыми

комплексами и процессом звездообразования? Прежде всего следует подчеркнуть,

что уже по крайней мере с сороковых  годов нашего столетия астрономам ясно, что

звезды в Галактике должны непрерывно (то есть буквально  на наших глазах )

образовываться из какой-то качественно  другой субстанции. Дело в том что  к 1939

году было установлено, что источником звездной энергии является происходящий в

недрах звезд термоядерный синтез. Грубо говоря, подавляющее большинство звезд

излучают потому, что в их недрах четыре протона соединяются через  ряд

промежуточных этапов в одну альфа- частицу. Так как масса одного протона (в

атомных единицах ) равна 4,0039, то избыток массы, равный 0,007 атомной единицы

на протон, должен выделиться как  энергия. Тем самым определяется запас ядерной

энергии в звезде, которая постоянно  тратиться на излучение. В самом

благоприятном случае чисто водородной звезды запаса ядерной энергии хватит не

более, чем на 100 миллионов лет, в  то время как реальных условиях эволюции

время жизни звезды оказывается  на порядок меньше этой явно завышенной оценки.

Но десяток миллионов лет   ничтожный срок для эволюции нашей  Галактики, возраст

который никак не меньше чем 10 миллиардов лет. Возраст массивных звезд уже

соизмерим с возрастом человека на земле! Значит звезды ( по крайней  мере,

массивные с высокой светимостью) никак не могут быть в Галактике  изначально ,

то есть с момента ее образования. Оказывается, что ежегодно в Галактике

 умирает  по меньшей мере  одна звезда. Значит, для того, чтобы   звездное пламя 

не  выродилось , необходимо, чтобы  столько же звезд в среднем  образовывалось в

нашей Галактике каждый год. Для  того, чтобы в течении длительного  времени

(исчисляемого миллиардами лет)  Галактика сохраняла бы неизменными  свои основные

особенности (например, распределение  звезд по классам, или, что практически

одно и тоже, по спектральным классам), необходимо, чтобы в ней автоматически

поддерживалось динамическое равновесие межу рождающимися и  гибнущими

звездами. В этом отношение Галактика  похожа на первобытный лес, состоящий  из

деревьев различных видов и  возрастов, причем возраст деревьев меньше возраста

леса. Имеется, правда, одно важное различие между Галактикой и лесом. В

Галактике время жизни звезды с  массой меньше солнечной превышает  ее возраст.

Поэтому следует ожидать постепенного увеличения звезд со сравнительно небольшой

массой, так как они пока еще  не успели умереть, а рождаться продолжают. Но для

более массивных звезд упомянутое выше динамическое равновесие неизбежно  должно

выполняться.

Эволюция звезд. Современная астрономия располагает большим количеством

аргументов в пользу утверждения, что звезды образуются путем конденсации

облаков газово-пылевой межзвездной среды.

Важным аргументом в пользу вывода, о том, что звезды образуются из межзвездной

газово-пылевой среды, служит расположение групп заведомо молодых звезд  в

спиральных ветвях Галактики. Наибольшая плотность межзвездного газа наблюдаются

на внутренних краях спирали.

Центральным в проблеме эволюции звезд  является вопрос об источниках их энергии.

Успехи ядерной физики позволили  решить эту проблему. Таким источником является

термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при  господствующей

там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов градусов).

В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры,

протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно

 просачивается  сквозь недра  звезд и излучается в мировое пространство. Это

исключительно мощный источник. Если предположить, что изначально солнце

состояло только из водорода, который  в результате термоядерных реакций  целиком

превратился в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 1052

эрг.

Теперь мы можем представить  картину эволюции какой-нибудь звезды следующим

образом. По некоторым причинам начало конденсироваться облако межзвездной

газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим

масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется

сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Давление газа внутри шара не в

состоянии пока уравновесить сил протяжения отдельных его частей, поэтому  он

( протозвезды ) будет непрерывно  сжиматься. Ее размеры становятся меньше, а

поверхностная температура растет, вследствие чего спектр становится более

 ранним .

Таким образом, двигаясь по диаграмме  спектр   светимость , протозвезда

довольно быстро  сядет  на главную  последовательность. В этот период

температура звездных недр уже оказывается  достаточной для того, чтобы начались

термоядерные реакции. При этом давление газа будущей звезды уравновешивает

притяжение и газовый шар  перестает сжиматься. Протозвезда  становится звездой.

Чтобы пройти эту самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно

сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды  больше

солнечной, нужно всего лишь несколько  миллионов лет, меньше   несколько  сот

миллионов лет. Так как время  эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту

самую раннюю фазу развития звезд  обнаружить трудно.

Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда длительно

излучает практически не меняя  своего положения на диаграмме   спектр 

светимость . Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в

центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет

собой как бы геометрическое место  точек на диаграмме  спектр   светимость , где

звезда может длительно и  устойчиво излучать. Место звезды на главной

последовательности определяется ее массой

Время пребывания звезды на главной  последовательности определяется ее

первоначальной массой. Если масса  велика, излучение звезды имеет огромную

мощность и она довольно быстро расходует запасы своего водородного   горючего .

 Выгорание  водорода происходит  только в центральных областях  звезды. Так как

количество водорода в центральных  областях звезды ограничено, рано или  поздно

он там практически весь   выгорит . Масса и радиус центральной  ее области, в

которой идут ядерные реакции, постепенно уменьшаются, при этом звезда медленно

перемещаются на диаграмме  спектр   светимость  вправо. Это процесс  происходит

значительно быстрее у сравнительно массивных звезд. Далее ядро звезды начнет

сжиматься, а температура его будет повышаться, образуется очень плотная горячая

область, состоящая из гелия с  небольшой примесью более тяжелых  элементов. В

этой плотной горячей области  ядерные реакции происходить  не будут, но они будут

довольно интенсивно протекать  на периферии ядра, в сравнительно тонком слое.

Светимость звезды и ее размеры  начнут расти. Звезда как бы  разбухает  и начнет

  сходить  с главной последовательности, переходя в области красных  гигантов.

При переходе звезды в стадию красного гиганта скорость ее эволюции значительно

увеличивается.

После того как температура сжимающегося плотного гелиевого ядра звезды 

красного гиганта   достигнет 100  150 млн. К, там начнет идти новая  ядерная

реакция. Эта реакция состоит  в образовании ядра углерода из трех ядер гели, как

только начнется эта реакция, сжатия ядра прекратится. В дальнейшем

поверхностные слои звезды увеличивают  свою температуру. Какая стадия эволюции

наступит вслед за стадией красного гиганта?

На этом этапе эволюции звезды, масса которых меньше, чем 1,2 массы Солнца,

существенную часть своей массы,  образующую их наружную оболочку  сбрасывают .

Такой процесс называется образованием  планетарных туманностей . Когда

отделится наружная оболочка,  обнажается  ее внутренние, очень горячие слои.

При этом отделившаяся оболочка будет расширятся, все дальше и дальше отходя от

звезды.

Мощное ультрафиолетовое излучение  звезды-ядра планетарной туманности   будет

ионизировать атомы в оболочке, возбуждения их свечение. Через несколько

десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень

горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится

в белый карлик.

Таким образом белые карлики  как бы  вызревают  внутри звезд   красных гигантов

   и появляются на свет  после отделения наружных слоев гигантских звезд. В

других случаях сбрасывание  наружных слоев может происходить  не путем

образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения  атомов. Так

или иначе белые карлики, в которых  весь водород  выгорел  и ядерные  реакции

прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции

большинства звезд. Белые карлики  постепенно все меньше и меньше излучая

переходят в невидимые  черные  карлики. Это мертвые, холодные звезды очень

большой плотности, в миллионы раз  плотнее воды. Их размеры меньше размеров

земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания  белых карликов

длится много сотен миллионов  лет. Так кончает свое существование  большинство

звезд.

Процесс образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды происходил в

нашей Галактике непрерывно. Он происходит и сейчас.

Все же в процессе эволюции звезда  возвращает  в межзвездное пространство

значительную часть всей массы. Из этого газа будет образовываться более молодые

звезды, которые в свою очередь  так же будут эволюционировать описанным  образом.

Взгляды различных ученых на процессы рождения и развития галактик.

 

К проблеме эволюции галактик ученые начали серьезно подходить в середине 40х

годов. Эти годы ознаменовались рядом важных открытий в звездной астрономии.

Удалось выяснить, что среди звездных скоплений, рассеянных и шаровых, имеются

молодые и старые, и даже оценить  их возраст.

Поэтому путь к раскрытию хода эволюции галактик, казалась, намечен сам  собой.

Нужно было произвести своеобразную  перепись населения  в галактиках разных

типов и сравнить результаты. В  каких галактиках: эллиптических  или спиральных,

в каких классах галактик преобладают  более молодые или более старые звезды 

такое исследование дало бы ясное указание на направление эволюции галактик,

позволило бы выяснить эволюционный смысл классификации Хаббла.

Но прежде надо было выяснить численное  соотношение между разными типами

галактик. Непосредственное изучение фотографий полученные на обсерватории Маунт

Вилсон, позволило Хабблу получить следующие результаты эллиптические - 23%,

спиральные   59%, спиральные с  перемычкой   15%, неправильные   3%.

Однако действительное соотношение  численности галактик разных типов  оказалось

иным. В 1948 г. Московский астроном Ю.И.Ефремов обработал данные каталога

галактик Шепли и Эймс и пришел к следующим выводам: эллиптические  галактики в

среднем на 4  звездные величины слабее спиральных по абсолютной величине. Среди

них много галактик   карликов. Если учесть это обстоятельство и сделать

пересчет количества галактик в  единице объема, то окажется, что  эллиптические

галактики примерно в 100 раз больше чем спиральные.

И так, большая часть спиральных галактик оказалась галактики  гиганты,

большинство эллиптических галактик   галактики   карлики. Конечно, среди тех и

других существовал некий разброс  в размещении, имелись и эллиптические

галактики   гиганты, но в среднем  было именно так.

В 1947 году Х.Шепли обратил внимание на то, что количество ярких сверхгигантов

постепенно убывает по мере перехода от неправильных галактик к спиральным, а

затем к эллиптическим. Спиралях класса Sа, замечает Шепли, встречаются лишь

очень мало звезд большой светимости, а в эллиптических галактиках они

практически отсутствуют. Получалось, что молодыми являлись именно неправильные

галактики и спирали класса Sс  сильно разветвленными ветвями, спирали  класса Sа

и эллиптические галактики находились на более поздней стадии развития. Шепли

тогда же высказал мысль, что переход  галактик из одного класса в другой должен

был занять громадные сроки и  совсем не обязательно имел место. Возможно, что

галактики образовались все такими какими мы их наблюдаем, а потом лишь медленно

эволюционировали в направлении  сглаживания и округления их форм.

Х. Шепли обратил внимание еще на одно важное обстоятельство. Уже давно было

известно существование двойных  галактик это не случайные совпадения положений,

не могли они быть и результатом  захвата одной галактики другой. И вот не редко

в этих парах галактики существовали спиральные с эллиптическими. Но

галактические пары, очевидно, вместе и возникли. Можно ли в этом случае

допустить, что они прошли существенно  разный путь развития.

В 1949 году советский астроном профессор  Б. В. Кукаркин опубликовал важную

работу  Исследование строения и развития звездных систем на основе изучения

переменных звезд . В ней были и новые установленные соотношения, и их глубокий

теоретический анализ.

В своей работе Кукаркин обращал  внимание на давно обнаруженные, но часто

забываемые обстоятельства существования не только пары, но и скопления

галактик. Между тем возраст  скопления галактик, судя по данным небесной

механики, не может превышать 1012 лет.

Таким образом, получалось, что практически  одновременно образовались галактики

разных форм. Значит, переход каждой галактики за время ее существования из

одного типа в другой совсем не обязателен.

К концу сороковых и началу пятидесятых  годов в космогонии галактик сложилось

несколько направлений.

Представители одного из них пытались построить новую гипотезу образования

галактик из каких то первичных, до галактических форм материи. Так  Вейзеккер

разработал теорию возникновения  галактик из вращающейся массы, в  которой

значительную роль играла турбулентность. По его теории эллиптические галактики

находились на самой поздней, а неправильные на самой ранней стадии развитии. Но

Вейзеккер ввел существенные уточнение: он показал что в случае турбулентного

развития газовых масс в галактике  шкала времени такого развития пропорциональна

размерам галактик. По этому карликовые эллиптические галактики хотя и находятся

на более поздней стадии развития, но могут быть моложе по возрасту, чем

гигантские спиральные. Это позволяло  устранить возрождение, связанное  с тем,

что в скоплениях встречаются галактики  всех типов. Но тогда должна была

существовать зависимость между  размерами и стадией эволюции галактик в

скоплениях, то есть самые маленькие  галактики там должны быть непременно

эллиптическими, средние   спиральными, а большие   неправильными. И  хотя между

эллиптическими и спиральными галактиками такое соотношение размеров

выполнялось, неправильные галактики, будучи меньше спиральных, явно не

укладывались в схему Вейзеккера.

Наконец, не согласовывался с этой гипотезой тот факт, что в эллиптических

галактиках преобладают старые звезды ( в абсолютной шкале времени). Значит,