Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Эволюция звезд. 12

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

НОУ ВПО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ИНСТИТУТА

ВНЕШНЕЭКОНОМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ, ЭКОНОМИКИ И ПРАВА

Гуманитарный факультет

Кафедра гуманитарных дисциплин и связей с общественностью

РЕФЕРАТ

Дисциплина: Концепции современного естествознания

Тема: Эволюция звезд

По специальности 030602 Связи с общественностью

Выполнил:

Студентка 2 курса

Кузнечикова Олеся

Проверил:

Водолеев Анатолий Сергеевич

Новокузнецк

2009

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………1
Понятие звездной эволюции…………………………………………………3
Звездные модели……………………………………………………………...5
Эволюция звезд…………………………………………………………….....8

Процесс звездообразования……………………………………………..8
Звезда как динамическая саморегулирующаяся система……………..11

Нуклеосинтез: происхождение химических элементов………....13

Поздние стадии эволюции звезды: от красного гиганта до белого карлика и далее…………………………………………………………..15

Сверхновые и нейтронные звезды, черные дыры………………………....17
Заключение………………………………………………………..................20
Приложение………………………………………………………………….21
Список литературы………………………………………………………….25

Введение.

97% вещества в нашей Галактике сосредоточенно в звездах. У многих, если не у большинства, других Галактик «звездная субстанция» составляет больше чем 99,9% их массы. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. Это означает, что большая часть вещества Вселенной «скрыта» в недрах звезд и имеет температуру порядка десяти миллионов градусов при очень высокой плотности и физических условиях, мало отличающихся от термодинамического равновесия. Основная эволюция вещества Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Наличие звезд подчеркивает необратимость процессов эволюции вещества во Вселенной. Ведь звезды в основном излучают за счет необратимого процесса превращения водорода в более тяжелые элементы, прежде всего в гелий. Постоянно накапливающиеся во Вселенной «инертные» (т.е. «мертвые») конечные продукты эволюции звезд – белые карлики, нейтронные звезды и, по-видимому, черные дыры также подчеркивают необратимый характер эволюции Вселенной.

В мире звезд мы встречаем огромное разнообразие явлений, проявляющих себя на всех диапазонах длин волн. Рентгеновские звезды, космические мазеры, пульсары и вспыхивающие карликовые звезды, планетарные туманности с их удивительными ядрами и цефеиды, наконец просто «обыкновенные», ничем, казалось бы, не примечательные звезды – это ли не чудо природы! Чтобы в какой-то степени понять, что собой представляет Вселенная, надо прежде всего знать, что такое звезды и как они эволюционируют.

Итак, цель нашей работы состоит в рассмотрении эволюции звезд: от «рождения» до «смерти».

Для выполнения этой цели, следует выполнить следующие задачи:

Дать определение звезды и звездной эволюции;
Разобрать звездные модели;
Выделить основные фазы эволюции звезд и рассмотреть их все по отдельности;

Понятие звездной эволюции.

Звезды – грандиозные плазменные системы, в которых физические характеристики, внутреннее строение и химический состав изменяются со временем. Время звездной эволюции, разумеется, очень велико, и мы не можем непосредственно проследить эволюции той или иной конкретной звезды. Это компенсируется тем, что каждая из множества звезд на небе проходит некоторый этап эволюции. Суммируя наблюдения, можно восстановить общую направленность звездной эволюции (по диаграмме Герцшпрунга – Рессела она отображается главной последовательностью и отступлением от нее вверх и вниз). Современная теория строения и эволюции звезд объясняет общих ход развития звезд в хорошем согласии с данными наблюдениями.

Основные фазы в эволюции звезды – ее рождение (звездообразование); длительный период (обычно стабильного) существования звезды как целостной системы, находящейся в гидродинамическом и тепловом равновесии; и, наконец, период ее «смерти», т.е. необратимое нарушение равновесия, которое ведет к нарушению звезды или ее катастрофическому сжатию.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава, который, в свою очередь, 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 оказывается всего около 10млн. лет. Это крайне незначительное время по космическим меркам, ведь время, отведенное для нашего Солнца, на 3 порядка выше – около 10 млрд. лет.

Как по отношению к истории человечества, так и по отношению к истории звезд можно говорить об их поколениях. Каждое поколение звезд имеет особые закономерности формирования и эволюции. Например, 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 достаточно 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 уже формировались из вещества, содержащего 3 – 4% тяжелых элементов. Поэтому, говоря о звездной эволюции, надо различать по крайней мере три значения этого понятия: эволюция отдельной звезды, эволюция отдельных типов (поколений) звезд и эволюцию звездной материи как таковой.

В дальнейшем мы будем рассматривать закономерности эволюции отдельных звезд.

Звездные модели.

Чтобы рассмотреть эволюцию звезды, надо знать, как она устроена. Под «звездной моделью» понимается совокупность таблиц (или графиков), дающих «идеализированное» распределение плотности, температуры, давления, химического состава вещества звезды для разных глубин, выраженных в долях ее радиуса. Хорошо рассчитанная модель, правильно учитывающая основные физические законы, определяющие структуру звезды, может давать в основном верное представление о свойствах вещества звездных недр.

Как же рассчитываются звездные модели? Прежде всего основой таких расчетов являются физические законы, определяющие равновесную конфигурацию звезды. Это во-первых, условия гидростатического равновесия, которое должно выполняться для каждого элемента объема внутри звезды (). Во-вторых, – так называемое «условие лучистого равновесия», описывающее перенос излучение из недр звезды к ее поверхности (, где означает изменение температуры при продвижении на один сантиметр от центра звезды). Далее необходимо учитывать, как меняется непрозрачность звездного вещества в зависимости от изменения температуры и плотности, а также зависимость давления от плотности и температуры. Необходимо учитывать и очень сильную зависимость скорости выделения ядерной энергии от температуры. Кроме того, считаются заданными такие основные параметры «моделируемых» звезд, как их масса, светимость и радиус.

В чем же идея численного метода расчета? Представим себе, что звезда состоит из очень большого числа концентрических сферических слоев. В пределах каждого слоя (если он только выбран достаточно тонким) значения указанных характеристик можно считать постоянными. Зададим значения давления и температуры в центре звезды. Условия гидростатического равновесия позволят тогда найти давление на поверхности первой (самой внутренней) сферы. Далее, путем расчетов определяем, пользуясь формулой Клапейрона, температуру в центре. Затем, зная зависимость скорости ядерного энерговыделения от температуры и используя уравнение для переноса лучистой энергии (, мы получим температуру на поверхности шаровой сферы, а затем, пользуясь формулой Клайперона, –плотность. Такая процедура позволяет по данным температуре, плотности и давлению в центре звезды получить те же основные характеристики на некотором относительно малом расстоянии от центра. После этого тем же методом процедура повторяется и получается значение характеристик звездного вещества, на поверхности второй сферы, радиус которой вдвое больше, чем у первой. Так, шаг за шагом, получается «разрез» всей звезды, т.е. значения основных характеристик ее вещества в зависимости от расстояния от центра. Для того чтобы расчет модели увенчался успехом, толщина воображаемых сфер, на которые разбивается звезда, должна быть достаточно малы. Практически количество таких сфер бывает порядка нескольких сотен, иногда даже нескольких тысяч.

Масса рассчитанной модели получается как результат суммирования «парциальных» масс, заключенных в пределах элементарных сфер. Учитывая «производство» термоядерной энергии в разных слоях, можно по окончании расчета получить теоретическую светимость звездной модели.

Приводя пример, как строится модель звезды, мы рассматривали такое построение идущим от центра к периферии. Можно и даже часто более удобно рассчитывать модель от поверхности к центру. В этом случае задаются радиус и светимость (или температура) звезды. Естественно, что по окончании расчета суммарная масса сферических слоев должна быть равна массе звезды.

В результате большой работы, проделанной астрофизиками-теоретиками, специалистами по внутреннему строению звезд, в настоящее время имеется много моделей звезд. Эти модели охватывают звезды, занимающие различные места на диаграмме Герцшпрунга – Рессела. Сейчас мы рассмотрим основные особенности моделей. На рисунке 1(см.приложения) представлена структура массивной горячей звезды. Эта модель была рассчитана для звезды, масса которой в 10 раз больше солнечной, радиус в 3,6 раза больше, а светимость (болометрическая) в 3000 раз превосходит светимость Солнца. Температура ее поверхности около 25 000 К. в центральной части звезды перенос энергии осуществляется путем конвенции. Радиус конвективной зоны составляет около 25% полной массы звезды. Характерна довольно большая концентрация плотности вещества по направлению к центру. В самом центре плотности примерно в 25 раз превосходит среднюю плотность звезды. Центральная температура довольно высока – около 27 миллионов кельвинов, т.е. примерно в два раза больше, чем у Солнца. У таких звезд основным источником энергии является углеродно-азотовая реакция, скорость этой реакции очень сильно растет с ростом температуры. Поэтому для «отвода» выделяющегося при этой реакции огромного количества энергии уже недостаточно одного лишь лучистого ее переноса. В этом случае транспортировку энергии берет на себя конвекция. Это и объясняет существование у таких звезд более или менее протяженных конвективных ядер в центральных областях.

Эволюция звезд.

Процесс звездообразования.

Звездообразование – это процесс рождения звезд из межзвездного газа, газопылевых образований, облаков. Процесс звездообразования продолжается непрерывно, он происходит в настоящее время.

Как мы уже отмечали, для каждого поколения звезд характерны конкретные условия звездообразования. Кроме того, первые поколения звезд образовались 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. Этот процесс хорошо описывается теорией. , кроме того, имеются многочисленные наблюдательные данные рождения звезд. Их число особенно увеличилось с возникновением радио- и инфракрасной астрономии, для диапазонов которых газ и пыль прозрачны. (

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 – 30К) его минимальная масса, которая может конденсироваться, коллапсироваться, составляет не менее тысячи масс нашего Солнца. Каждый из образовавшихся фрагментов и представляет собой материал, из которого непосредственно формируются звезды.

По мере сжатии в таком фрагменте постепенно выделяются ядро и оболочка. Ядро – это центральная, более плотная и компактная часть, достигшая гидростатического равновесия. Оболочка – это внешняя, протяженная, продолжающая коллапсировать часть газопылевого фрагмента. (Из материала оболочки впоследствии при ее преобразовании в газопылевой диск могут образоваться 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. (Зато ее можно зафиксировать средствами радио- и инфракрасной астрономии.) 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 со стороны приобретает вид звездного объекта. Этот процесс гравитационного сжатия длиться относительно не долго (от сотен тысяч до нескольких десятков млн. лет) и заканчивается тогда, когда температура в центре достигает тех значений (10 – 15 млн. градусов), при которых включается другой источник энергии – термоядерные реакции. Сжатие при этом прекращается и процесс звездообразования завершается: протозвезда окончательно превращается в звезду.

Теория звездообразования не только описывает его общий ход, но и позволяет выделить факторы, которые могут замедлять или стимулировать звездообразование. К замедляющим факторам относятся: незначительная масса протозвезды, высокая скорость вращения газопылевого облака, сильное магнитное поле и др. Стимулирующими звездообразование процессами являются: ударные волны, порожденные вспышками сверхновых звезд; ионизационные фронты; столкновение облаков; звездный ветер (поток плазмы от горячих звезд) и др. Например, если масса протозвезды очень мала (менее 0,08 массы Солнца), то ее гравитационное сжатие происходит очень медленно, а температура в ядре не достигает значений, необходимых для начала термоядерной реакции. Такие протозвезды будут сжиматься очень и очень долго (время их гравитационного сжатия превышает время жизни Галактики), постепенно превращаясь в так называемые черные карлики.

Звезда как динамическая саморегулирующаяся система.

Источниками энергии у большинства звезд являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне. В ходе этих реакций водород превращается в гелий, выделяя громадное количество энергии.

Рассмотрим одну из таких реакций. Она начинается столкновением двух ядер водорода (протонов) с образованием ядра дейтерия и испусканием позитрона и нейтрино: ¹H+¹H®²D+e⁺+n. При этом выделяется энергии 1,44 МэВ. Далее дейтерий взаимодействует с протоном, образуя изотоп гелия с испусканием фотонов: ²D+¹H®³He+g. На этой фазе выделяется еще больше энергии – 5,49 МэВ. Заключительная фаза реакции состоит в синтезе двух ядер изотопа гелия с образованием ядра гелия и двух протонов. ³He+³He®⁴4He+2¹H. Выделяемая при этом энергия намного больше, чем на предыдущих фазах – 12,86 МэВ.

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. При этом, 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 действиями сил тяготения. Если внутри звезды температура по какой-либо причине повысится, то звезда должна раздуться, так как возрастает давление в ее недрах. И, наоборот, если температура внутри звезды, а значит и давление, понизиться, то радиус звезды уменьшится. Такое состояние называется гидростатическим равновесием. Следовательно, стационарная звезда представляет собой плазменный шар, находящийся в состоянии гидростатического равновесия.

Стационарное состояние звезды характеризуется еще и тепловым равновесием, которое означает, что 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 саморегулирующей 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, но только в тонком слое в близи 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.

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: происхождение химических элементов.

Долгое время наука не могла раскрыть одну из главных тайн природы – загадку происхождения элементов периодической системы Менделеева. Где во Вселенной расположена та «фабрика», которая производит химические элементы, более тяжелые, чем водород и гелий (на долю которых приходится 98% массы вещества и которые образовались еще на дозвездной стадии развития Вселенной)? Современная астрофизика дает ответ на этот вопрос – такой фабрикой являются недра звезд. Именно в недрах звезд происходит нуклеосинтез – цепочка тех ядерных реакций, в ходе которых тяжелые ядра химических элементов образуются из более легких ядер.

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 уже не водорода, а гелия: три ядра гелия образуют ядро углерода (⁴He+⁴He+⁴He®¹²C+g). Последнее, взаимодействуя с ядром гелия, дает ядро кислорода (¹²C+⁴He®¹⁶O+g), а синтез ядра кислорода с ядром гелия – неон (²⁰Ne) и т.д., вплоть до кремния (²⁸Si). Так постепенно гелиевое ядро преобразуется в углеродно-кислородное ядро.

На следующем этапе ядерных реакция начинаются реакции углеродного горения. При этом происходит резкое взрывное повышение температуры еще на один – два порядка, т.е. до миллиардов и десятков миллиардов градусов. В этих условиях реализуются сложные и многовариантные цепочки ядерных реакций, которые ведут к образованию химических элементов так называемого железного пика (Fe, Ni, Mn и др.). Но более тяжелые элементы не могут образоваться в результате непосредственного взаимодействия заряженных частиц (ядер), так как для их синтеза необходимо больше энергии, чем высвобождается в процессе реакции.

На этом этапе подключается новый «механизм», связанный с ядерными реакциями нейтронов, для которых электростатический барьер значения не имеет. Механизм получил название нейтронного захвата: нейтрон, проникая в ядро, связывается там. В результате может образоваться стабильное ядро изотопа нового химического элемента. В этом случае нейтроны и протоны ведут себя устойчиво. Если же ядро оказывается не стабильным, перегруженным нейтронами (их число превышает число протонов), то происходит реакция бета-распада, в ходе которой нейтрон (n) превращается в протон (p) с образованием электрона (e) и нейтрино (v): n®p+e+v. 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. Первый – это медленный захват, когда следующий нейтрон поглощается после того, как завершится бета-распад предыдущего. За счет этого видна нейтринного захвата объясняется образование в выгоревших ядрах звезд-гигантов элементов вплоть до висмута (²⁰⁹Bi). Второй вид – это быстрый захват, при котором ядро успевает захватить несколько нейтронов, прежде чем начнется процесс бета-распада. Но для такого быстрого захвата необходим поток нейтронов колоссальной мощности: до 10²⁴ – 10³⁰ нейтронов/(см²∙с), что возможно только в период грандиозных звездных катастроф – вспышки сверхновой звезды. Такой вид нейтринного захвата объясняет происхождение богатых нейтронами тяжелых элементов (в том числе урана U, тория Th и др.) с массовым числом до 270.

Поздние стадии эволюции звезды: от красного гиганта до белого карлика и далее.

Именно на стадии красного гиганта осуществляются основные реакции нуклеосинтеза после выгорания водорода. 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, нарастают разрушительные тенденции, 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 становиться невидимой. Планетарные туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами.

Так постепенно красный гигант теряет свою массу, исчерпывает термоядерные источники энергии. На завершающем этапе нуклеосинтеза в недрах красного гиганта наступает нейтронизация вещества – процесс, в ходе которого электроны под громадным давлением как бы «вдавливаются» в атомные ядра, взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. Красный гигант охлаждается, 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), в основном сохраняет свое стационарное, равновесное состояние. Такие звезды называются белыми карликами. 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 10⁹лет. Это время сравнимо с возрастом Галактики.

Когда энергия звезды иссякнет, звезда меняет свой цвет с белого на желтый, затем на красный; наконец, 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.