Понятие рождения и эволюции звёзд

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………...………………………………………………….……………………..3

Глава 1. Понятие рождения и эволюции звёзд.............................................................................................5

1.1. Понятие звездной эволюции……………………………………………………………….…………..7

1.2. Процесс звездообразования………………………………………………….…………………………8

Глава 2. Процессы развития и  рождения галактик……………….………………………………….11

2.1. Современные представления о процессах развития и происхождения галактик…………………………………………………………………………………………………………………………..………..11

2.2. Рождение галактик……………………………………………………………………….……………………..12

Заключение…………………………………………………………………………………………………………………..…………15

Список используемой литературы…………………………………………………………………………………16

ВВЕДЕНИЕ

К началу нашего века границы  разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие, если не все, думали тогда, что  эта огромная звездная система и  есть вся Вселенная в целом.

Но вот в 20-е годы были построены новые крупные телескопы, и перед астрономами открылись  совершенно неожиданные горизонты. Оказалось, что за пределами Галактики  мир не кончается. Миллиарды звездных систем, галактик, похожих на нашу и  отличающихся от нее, рассеяны тут и  там по просторам Вселенной.

Фотографии галактик, сделанные  с помощью самых больших телескопов, поражают красотой и разнообразием  форм: это и могучие вихри звездных облаков, и правильные шары, а иные звездные системы вообще не обнаруживают никаких определенных форм, они клочковаты и бесформенны. Все эти типы галактик спиральные, эллиптические, неправильные, - получившие названия по своему виду на фотографиях.

Если бы мы могли увидеть  нашу Галактику издалека, то она  предстала бы перед нами совсем не такой, как на схематическом рисунке. Мы не увидели бы ни диска, ни гало, ни, естественно, короны. С больших расстояний были бы видны лишь самые яркие  звезды. А все они, как выяснилось, собраны в широкие полосы, которые  дугами выходят из центральной области  Галактики. Ярчайшие звезды образуют ее спиральный узор. Только этот узор и  был бы различим издалека. Наша Галактика  на снимке, сделанном астрономом из какого - то звездного мира, выглядела  бы очень похожей на туманность Андромеды.

Исследования последних  лет показали, что многие крупные  спиральные галактики обладают как  и наша Галактика протяженными и  массивными невидимыми коронами. Это очень важно: ведь если так, то, значит, и вообще чуть ли не вся масса Вселенной (или, во всяком случае, подавляющая ее часть) это загадочная, невидимая, но тяготеющая скрытая масса

Многие, а может быть, и  почти все галактики собраны  в различные коллективы, которые  называют группами, скоплениями и  сверхскоплениями, смотря по тому, сколько  их там, В группу может входить  всего три или четыре галактики, а в сверхскопление до тысячи или  даже нескольких десятков тысяч. Наша Галактика, туманность Андромеды и  еще более  тысяч таких же объектов в так называемое Местное сверхскоплениях. Оно не имеет четко очерченной формы.

Небесные тела находятся  в непрерывном движении и изменении. Когда и как именно они произошли, наука стремится выяснить, изучая небесные тела и их системы. Раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел, называется космогонией.

Современные научные космогонические  гипотезы результат физического, математического  и философского обобщения многочисленных наблюдательных данных. В космогонических  гипотезах, присущих данной эпохе, в  значительной мере находит свое отражение  общий уровень развития естествознания. Дальнейшее развитие науки, обязательно  включающее в себя астрономические  наблюдения, подтверждает или опровергает  эти гипотезы.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ РОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ЗВЁЗД

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  каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. А всего  нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. 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.

Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких  звездных систем идет до нас сотни  миллионов световых лет. Самая близкая  к нам звезда – Проксима Центавра – маленькая звезда, ее масса  в 7 раз меньше, чем масса нашего солнца, а поверхностная температура (3000°) в два раза меньше, чем температура  на поверхности Солнца. Поэтому она  светит на небе очень тускло и не видна невооруженным глазом, хотя и является самой близкой к  нам звездой. Она отстоит от Земли  на расстоянии всего 4,2 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью  100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов 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. Обычно в галактиках звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра.

Большинство звезд находятся  в стационарном состоянии, т.е. не наблюдается  изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым  образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. Переменность и нестационарность – проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды изменяют свое состояние (блеск, излучение в различных  диапазонах электромагнитных волн, магнитное  поле и др.) регулярным и нерегулярным образом. В некоторых случаях  нестационарность может быть вызвана  взаимодействием с другими звездами, перетеканием вещества от одной близкой  соседки к другой. Следует отметить также и новые звезды, в которых  непрерывно или время от времени  происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд  в некоторых случаях может  быть полностью рассеяно в пространстве.

Основные эмпирические знания о свойствах звезд получены из анализа их спектров, которые несут  информацию о состоянии внешних  слоев звезд. Они позволяют определить химический состав, температуру поверхности, магнитные поля, скорость движения и вращения, расстояние до звезды. Эти  данные соотносятся с теоретическими моделями, расчетами. В настоящее  время разработана детальная  и убедительная теория строения и  эволюции звезд, предсказавшая ряд  фундаментальных закономерностей, присущих звездной материи (например, существование нейтронных звезд).

1.1. 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 эволюцию 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 общий  ход развития звезд в хорошем  согласии с данными наблюдения.

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 разрушению звезды или к ее катастрофическому  сжатию.

Ход эволюции звезды зависит  от ее массы и исходного химического  состава, который, в свою очередь, 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 оказывается  всего около 10 млн 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, по-видимому, 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 эволюция звездной материи  как таковой. В дальнейшем мы будем  иметь в виду закономерности эволюции отдельных звезд.

1.2. Процесс звездообразования

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

Как мы уже отмечали, для  каждого поколения звезд характерны конкретные условия звездообразования. Кроме того, 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. 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 (10-30 К) его минимальная масса, которая  может конденсироваться, коллапсировать, составляет не менее тысячи 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, продолжающая коллапсировать 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. (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  а 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 длится относительно недолго (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 никогда  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.

ГЛАВА 2. ПРОЦЕССЫ РАЗВИТИЯ И РОЖДЕНИЯ ГАЛАКТИК

2.1. Современные представления о процессах развития и происхождения галактик

В наше время имеются уже  довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа сначала в протогалактику, а затем  и в гаактику. Начнем с самого начала.

Во время эры излучения  продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей  из фотонов, среди которых встречались  свободные протоны или электроны  и крайне редко альфа частицы. (Не надо забывать, что фотонов было в миллиард раз больше чем протонов и электронов). В период эры излучения  протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась  только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течении эры  излучения гамма фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение  одного ультрафиолетового фотона (или  же нескольких фотонов света) и, таким  образом, возник атом водорода. Это  была первая система частиц во Вселенной. С возникновением атомов водорода начинается звездная эра эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была так же и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много  миллионов световых лет. Масса таких  космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

2.2. Рождение галактик

Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверх галактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр  достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри  протогалактик были всего лишь ничтожной  частью сверхгалактик и по размеру  не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звезд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам  гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь  научным языком, скорость осевого  вращения определяет тип будущей  галактики. Из медленно вращающихся  вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся  родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения  очень медленно вращающийся вихрь  сжимался в шар или несколько  сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне нее. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.

Протогалактика, которая  вообще не вращалась, становилась родоначальницей  шаровой галактики. Сплющенные эллиптические  галактики рождались из медленно вращающихся протогалактик. Из-за недостаточной  центробежной силы преобладала сила гравитационная. Протогалактика сжималась  и плотность водорода в ней  возрастала. Как только плотность  достигала определенного уровня, начали выделятся и сжимается  сгустки водорода. Рождались протозвезды, которые позже эволюционировали в звезды. Рождение всех звезд в  шаровой или слегка приплюснутой галактике происходило почти  одновременно. Этот процесс продолжался  относительно недолго, примерно сто  миллионов лет. Это значит, что  в эллиптических галактиках все  звезды приблизительно одинакового  возраста, т.е. очень старые. В эллиптических  галактиках весь водород был исчерпан сразу же в самом начале, примерно в первую сотую существования  галактики. На протяжении последующих 99 сотых этого периода звезды уже не могли возникать. Таким  образом, в эллиптических галактиках количество межзвездного вещества ничтожно.

Спиральные галактики, в  том числе и наша, состоят из очень старой сферической составляющей ( в этом они похожи на эллиптические  галактики) и из более молодой  плоской составляющей, находящейся  в спиральных рукавах. Между этими  составляющими существует несколько  переходных компонентов разного уровня сплюснутости, разного возраста и скорости вращения. Строение спиральных галактик, таким образом, сложнее и разнообразнее, чем строение эллиптических. Спиральные галактики кроме этого вращаются значительно быстрее, чем галактики эллиптические. Не следует забывать, что они образовались из быстро вращающихся вихрей сверхгалактики. Поэтому в создании спиральных галактик участвовали и гравитационная и центробежная силы.

Если бы из нашей галактики  через сто миллионов лет после  ее возникновения улетучился весь межзвездный  водород, новые звезды не смогли бы рождаться, и наша галактика стала  бы эллиптической.

Но межзвездный газ  в те далекие времена не улетучился, и, таким образом гравитация и  вращение могли продолжать строительство  нашей и других спиральных галактик. На каждый атом межзвездного газа действовали  две силы - гравитация, притягивающая  его к центру галактики и центробежная сила, выталкивающая его по направлению  от оси вращения. В конечном итоге  газ сжимался по направлению к  галактической плоскости. В настоящее  время межзвездный газ сконцентрирован  к галактической плоскости в  весьма тонкий слой. Он сосредоточен прежде всего в спиральных рукавах и  представляет собой плоскую или  промежуточную составляющую, названную  звездным населением второго типа.

На каждом этапе сплющивания  межзвездного газа во все более утончающийся диск рождались звезды. Поэтому в  нашей галактике можно найти, как старые, возникшие примерно десять миллиардов лет назад, так и звезды родившиеся недавно в спиральных рукавах, в так называемых ассоциациях  и рассеянных скоплениях. Можно сказать, что чем более сплющена система, в которой родились звезды, тем  они моложе.

Вселенная развивается и  в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная  продолжает расширятся.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуревич Л.Э., А.Д. Чернин «Происхождение галактик и звезд». Издательство, Наука, 1993;
2. Ефремов Ю.Н. В глубины Вселенной. М.: УРСС, 2003
3. Засов А.В., Э.В. Кононович. Астрономия. Москва, Просвещение, 1993
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. –Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНРА-М, 2005.
5. Ходж П. . Галактики. Москва, Наука, 1992 .