Эволюция звезд и звездных систем

Возникнув из разреженной материи (это преимущественно водород и гелий), звезды, под действием гравитации, сжимаются и входят в полосу Главной последовательности, когда в их недрах возникнут условия для сгорания водорода путем протон-протонных реакций и углерод-азотного цикла. Длительность пребывания звезд в Главной последовательности связана с тем, что в течение большей части своей жизни звезда находится в стационарном состоянии – состоянии равновесия. В любой точке объема звезды, от внешних слоев до центра, гравитационные силы точно уравновешиваются силами газового давления и излучения.

Когда впервые происходит конденсация звезды из межзвездного газа, который состоит в основном из водорода и гелия в пропорции ~7:3, она выглядит очень протяженным объектом. Звезда начинает светить и представляет собой красный гигант. Постепенно она сжимается, становится более горячей и начинает излучать на более коротких волнах, а относительный темп интенсивности излучения существенно уменьшается. Если звезда достаточно массивна, например около 10 солнечных масс, то она быстро исчерпает запас ядерного топлива. Таким образом, жизнь звезды – это очень зыбкое равновесие между силами гравитационного притяжения, направленными к центру, и направленным наружу давлением, которое создается горячим газом, заключенным во внутренних областях звезды, который стремится расшириться и постепенно остывает. Количество и разнообразие элементов, создающихся в недрах, зависит от массы звезд, которая определяет возможность гравитационного сжатия с последующим повышением центральных температур и, как следствие, возбуждением различных типов ядерных реакций.

В процессе своей эволюции при охлаждении звезда начинает сжиматься. Если ее масса меньше 1,5 массы Солнца, сжатие останавливается противодействием электронов, образующих электронный газ. В итоге звезда заканчивает свое существование очень плотным белым карликом. При массе более 1,5 солнечной под действием гравитационных сил электроны “вталкиваются” в протоны, происходит b-захват, протоны становятся нейтронами, и звезда превращается в намагниченную вращающуюся нейтронную звезду – пульсар. Их существование предполагалось еще в 1934 г., однако первая нейтронная звезда была обнаружена в 1967-1968 гг. Сейчас их известно несколько сотен. Вещество таких звезд находится под действием сверхсильного магнитного поля.

В начале 70-х гг. были открыты рентгеновские пульсары, расположенные в двойных звездных системах. В такой системе вещество “обыкновенной” звезды перетекает на нейтронную. Наблюдение таких двойных пульсаров дает возможность проследить эволюцию звезд, включая рождение Сверхновых.

На уровне современных представлений звезда, сжатая до величины гравитационного радиуса (зона Шварцшильда), превращается в т.н. “черную дыру”. В ней вещество находится в состоянии сингулярности (плотность выше 10⁷⁴ г/см³). Ничто не может покинуть черную дыру и вырваться из нее[64]. Это происходит со звездами, имеющими массу больше нескольких солнечных масс, где гравитационное сжатие продолжается и после образования плотной нейтронной материи. Для Земли величина гравитационного радиуса равна 1 см, а для Солнца – 3 км.

Имеются кандидаты на роль нейтронных звезд, например, объект в созвездии Лебедя (Лебедь-Х в миллионе световых лет от нас), где одна из двойных звезд с темной компонентой испускает рентгеновские лучи, однако для объяснения этого существуют альтернативные варианты.

Существование “черных дыр” существенно усложняет геометрию пространства Вселенной, означая наличие “туннелей”, по которым энергия может как уходить из нашей Вселенной, так и приходить в нее.

Итак, у эволюционирующих звезд есть следующие варианты развития:

– звезды массой от 1 до 1,2^¤ – эволюционируют к белому карлику, который, остывая, превращается в черного карлика;

– звезды с массой 2,0^¤ – эволюционируют к нейтронной звезде; последняя, если сможет захватывать межзвездный газ или вещество двойной звезды, превращается в черную дыру;

– звезды с массой более 2,0^¤ – эволюционируют напрямую к черной дыре через коллапс звезды.

Эволюция галактики может закончиться гигантской черной дырой. Положение этих ядерных частей Галактик совпадает с положением объектов, которые принято считать квазарами. Они необычайно мощно излучают энергию, и их светимость иногда в сотни раз превышает светимость галактик, но эта энергия излучается из весьма компактного пространства. Квазары имеют сравнительно небольшое, но колоссальное по массе ядро – 10⁸ – 10⁹ масс Солнца при размерах около 10¹⁶ – 10¹⁷ см. Гравитационное сжатие сопровождается выделением огромной гравитационной энергии порядка 10⁶¹ эрг (для сравнения: наше Солнце, стабильно излучая более 4 млрд лет, выделило в 10¹⁰ раз меньше энергии). Какова природа “сердцевины” (керна) квазаров? Это может быть либо массивная черная дыра, либо магнитоид (магнитоплазменная вращающаяся масса).

Ядерные реакции в звездах различных масс (по Р.Тейлеру)

Отношение масс М/Мс	Ядерные реакции
0,08	Отсутствуют
0,3	Сгорание водорода
0,7	Сгорание Н и Не
5,0	Сгорание Н, Не, С
	Все реакции синтеза, освобождающие энергию

В ходе своего развития эволюционная стадия сменяется явлениями взрывного характера, связанными с ядерными реакциями особого рода. Звезды больших масс являются неустойчивыми образованиями и стремятся избавиться от нее путем истечения вещества (планетарные туманности), пульсаций, вспышек и взрывов, видимо, связанных с явлениями новых и “сверхновых” звезд. По заключению Я.Б.Зельдовича и И.Д.Новикова (1971), критическое значение массы, больше которой звезды неустойчивы, равно 60 М^¤, а звезды с массами выше 100 М^¤ являются пульсационно-неустойчивыми. Эволюция достаточно массивной звезды кончается катастрофическим взрывом, который выражается как вспышка Сверхновой.

Образование тяжелых элементов происходит в центральных частях Сверхновых. При вспышках Сверхновых межзвездная среда обогащается тяжелыми элементами и эти элементы входят в гигантский круговорот вещества в пределах Галактики с последующим образованием звезд с иным, все усложняющимся, химическим составом: это единственно удовлетворительный ответ, и в количественном, и в качественном отношении, на вопрос о происхождении практически всех элементов таблицы Менделеева, кроме водорода, основной материи Вселенной, рожденной в чудовищной вспышке Большого Взрыва. Наши тела состоят из пепла давно угасших звезд, ‑ заметил Дж. Джинс.

Когда в массивной звезде исчерпывается ядерное топливо, исчезает и то лучевое давление, которое дотоле противодействовало гравитационной силе и удерживало звезду от сжатия. В ядре звезды происходит катастрофический коллапс, приводящий к взрыву сверхновой; этот взрыв сопровождается выбросом газа из внешних слоев звезды и ослепительной вспышкой света.

Коллапс и взрыв массивной звезды – одно из удивительных явлений природы. Ничто в современной Вселенной не может сравниться с ним по абсолютной мощности. В течение первых 10 секунд, когда ядро звезды сжимается, становится нейтронной звездой, ее центральная область поперечником всего около 30^-32 км излучает столько энергии, сколько все остальные звезды и галактики в наблюдаемой Вселенной, вместе взятые. Другое сравнение: энергия 10-секундной вспышки сверхновой в 100 раз больше, чем излучало бы Солнце за все 10 миллиардов лет своей жизни.

Немногие из сверхновых наблюдаются вблизи нас, нашей Солнечной системы. И все же они обнаруживаются человеком. Например, сверхновая 1604 года появилась незадолго до появления телескопа. Немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630), наблюдая ее, смог зарегистрировать только яркость и продолжительность свечения.

С помощью телескопов каждый год удается открывать около десятка таких событий в далеких галактиках. Но ни одна из них до сих пор не взрывалась так близко, чтобы современный арсенал наземных и космических инструментов смог создать подробную хронику этого явления.

Первая такая грандиозная Сверхновая была зафиксирована 23 февраля 1987 года. Взорвавшаяся звезда отстояла от нас на расстоянии всего в 16 тыс. световых лет и располагалась в спутнике нашей Галактики – Большом Магеллановом облаке. Она была видна в южном полушарии и зарегистрирована путем обычного фотографирования ночного неба Р.Макнаутом из обсерватории Сайдинг-Спринг (Австралия). Через 20 часов после снимка Р.Макнаута, этот район сфотографировал И.Шелтон из обсерватории Лас Кампанас (Чили). В последующие месяцы на Сверхновую (она получила обозначение СН 1987А) было наведено множество инструментов, включая телескопы, датчики на борту воздушных шаров, ракет, спутников и самолетов, а также наземные телескопы всех видов. Таким образом, сверхновая исследована на всех длинах волн электромагнитного спектра. Она оказалась наиболее мощным источником нейтрино.

Вот как описывает сценарий развития сверхновой 1987 года Стен Вусли и Том Уивер (1989), опираясь на данные компьютерного моделирования эволюции гипотетической звезды.

История образования предшественницы сверхновой относится ко времени 11 миллионов лет назад в богатой газом области Большого Магелланового Облака, известной как Туманность Тарантул, или 30 Золотой Рыбы, где родилась звезда массой примерно в 18 раз больше солнечной, то есть она представляла собой красный гигант. В течение 10 миллионов лет эта звезда вырабатывала свою энергию в ходе превращения водорода в гелий. Из-за большой массы в ядре звезды поддерживались высокие температура и плотность, что обеспечивало возможность избежать коллапса; звезда была почти в 40 тыс. раз ярче Солнца и очень расточительно расходовала свое ядерное горючее.

Когда во внутренней области, составляющей 30 % массы звезды, закончилось превращение водорода в гелий, центральные слои начали постепенно сжиматься. Ядро сжималось в течение десятков тысяч лет от плотности около 6 до 1100 г/см³. При этом оно нагрелось от 40 до 190 миллионов кельвинов (°К). Повышение температуры и давления в ядре привело к загоранию нового, более тяжелого ядерного горючего – гелия, которого хватило только на 1 миллион лет. Внешние оболочки звезды (состоящие в основном из несгоревшего водорода), отреагировали на дополнительное излучение от горячего ядра расширением до радиуса около 300 млн. километров (это в 2 раза больше расстояния от Земли до Солнца!). Звезда превратилась в красного сверхгиганта.

После исчерпания запаса гелия источником энергии звезды стал углерод при температуре ядра 740 млн. кельвинов и плотности 240 г/см³. Углерод выгорает уже за интервал времени 12 000 лет. В результате сгорания углерода образуется смесь неона, магния и натрия. Ядерным горючим после выгорания углерода становится неон при температуре уже 1,5 миллиардов кельвинов и плотности 7,4 млн. г/см³. Неон выгорает за 12 лет, и далее источником энергии становится кислород, который сгорает за 4 года, формируя температуру в 2,1 миллиарда кельвинов при плотности внутри ядра в 16 млн. г/см³. Наконец, образовавшиеся в результате ядерного превращения кислорода кремний и сера запускают механизм горения кремния, формирующего температуру среды 3,4 миллиарда кельвинов при плотности вещества в 50 млн. г/см³. Последний выгорает уже за неделю.

Огромные потери энергии при излучении нейтрино звездой не уменьшались из-за высокой температуры ядра, но став, наконец, железным, ядро больше не обладает запасом ядерной энергии, чтобы поддержать равновесие ядра, противостоя гравитации. Поэтому ядро начало стремительно “падать” само в себя. За доли секунды железное ядро с массой в 1,4 солнечных и радиусом в половину радиуса Земли сжалось в шар ядерного вещества с радиусом примерно 100 км, превратившись, в определенном смысле, в единый блок ядерного вещества, чудовищное атомное ядро, почти нацело состоящее из нейтронов[65]. Когда плотность вещества внутри этой нейтронной звезды достигла 270 миллиардов г/см³ и нейтроны начали “вдавливаться” друг в друга, процесс дальнейшего сжатия резко остановился[66]. Внешняя часть ядра, еще падающая со скоростью, близкой к четверти скорости света, столкнулась с “остановившимся” внутренним ядром; родилась ударная волна, устремившаяся сквозь падающее вещество к внешней поверхности ядра.

Излучение нейтрино сыграло важную роль в замедлении ударной волны. Ядро, сжавшись до 100 км в поперечнике, достигло ядерной плотности только в центре. Оно стало бы нейтронной звездой, если бы сжалось до размеров 10 км. Однако дальнейшее развитие звезды пошло по сценарию сверхновой. Нагревая и расширяя звезду, вызывая новые ядерные реакции в ее внутренних слоях, возрожденная ударная волна обуславливает оптическое проявление сверхновой. Эффект задерживается примерно на 2 часа: ударная волна движется в 50 раз медленнее света и должна пройти через всю звезду, чтобы началось свечение. Нейтрино от коллапсирующего ядра легко обгоняет ударную волну. Пройдя через оставшуюся часть звезды со скоростью света, они были первым сигналом, покинувшим сверхновую. Затем ударная волна сорвала со звезды все наружные оболочки, которые и сейчас летят от нее в пространство с релятивистскими скоростями.

Примерно через 160 тыс. лет, за несколько часов до периода светового фронта, эти нейтрино промчалось сквозь Землю и были обнаружены в подземных лабораториях, настроенных на их обнаружение задолго до их прихода. Так теория моделирования сверхновых получила подтверждение на основе экспериментов, предусмотренных самой теорией.

23 февраля в 7 час 36 минут по Всемирному времени детектор нейтрино Камиоканде II в свинцовом руднике Камиока (Япония), детектор IMB в соляной шахте Мортон-Тиокол около Кливленда (штат Огайо) и детектор Баксанской нейтринной обсерватории в СССР одновременно зарегистрировали серии событий, которые позднее были интерпретированы как захват нейтрино.

Исследования потока нейтрино позволило получить важную информацию о количестве скрытой массы (“черного” вещества) во Вселенной. То, что скорость нейтрино оказалась так близка к скорости света, накладывает строгие ограничения на их массу, которая по расчетам должна составлять всего 0,00004 массы электрона. Это меньше ожидавшейся массы, что позволяет отвергнуть нейтрино как носителя скрытой массы вещества во Вселенной.

Таким образом, эволюция звезд через их расширение, коллапс и формирование сверхновых за счет последовательной смены ядерного горючего путем превращения одних ядер атомов в другие дает возможность проследить эволюцию вещества в галактиках. Перемешивание вещества в звездных окрестностях позволяет включать новообразованные тяжелые ядра атомов в новые процессы синтеза вещества в новых поколениях звезд, которые должны отличаться наличием сверхтяжелых элементов в более молодых образованиях (население-I) по отношению к более примитивным, ранним поколением звезд населения-II, отличающимися от первых отсутствием или ничтожно малым количеством тяжелых элементов в своих спектрах. В этом смысле Сверхновая 1987 года относится к звездам населения-II.

Примечание: Следовало бы дать рисунки стр. 17 и 18 об этапах развития сверхновой из журнала[67].

Мы только приоткрыли занавес, скрывающий первые события, отделяющие нас от начальных этапов образования Вселенной до формирования галактик, звездных и планетарных систем, жизни, последовательное и кропотливое исследование вещества в структуре Метагалактики, Солнечной системы и ее планет позволило сделать важный вывод о материальном единстве мира посредством новейших достижений физики, химии, сравнительной планетологии, геологии, геохимии, биологии.

Современный уровень наших представлений позволяет считать, что начальные стадии развития расширяющейся Вселенной в условиях фантастических температур, плотности и давлений привели к формированию излучения (реликтовый фон которого мы обнаруживаем в космическом пространстве), затем вещества в форме частиц, наконец, ядер и первых легких атомов. Они, в форме водорода и гелия, и сейчас являются преобладающими атомами во Вселенной. Последующий термоядерный синтез в результате превращения водорода в гелий привел к образованию галактик, в которых также преобладающими атомами является водород и гелий. Последующее объединение атомов водорода и гелия в первых возникших галактиках привело к образованию бесчисленного количества звезд первых поколений, внутри которых “вспыхнули” термоядерные реакции и начали осуществляться другие процессы нуклеосинтеза. Преобразование водородно-гелиевого вещества привело к рождению всех известных атомов периодической системы Д.И.Менделеева. Но до сих пор распространенность этих атомов в обозримых просторах Вселенной являются крайне ограниченной. Происхождение более тяжелых элементов можно рассматривать как последовательный процесс накопления и эволюции вещества динамически развивающейся Метагалактики.

Рождение, жизнь и смерть звезд, звездных систем, скоплений, населений галактик порождает гигантский круговорот (перемешивание и эволюцию) вещества во Вселенной, что и определяет единство ее состава и процессов, происходящих в ней в интервале 12-20 миллиардов лет.

Формирование планетных систем

Следующая стадия включает образования планетных систем вокруг ограниченного круга звездных систем. Она характеризуется еще более разнообразным ходом эволюции вещества как внутри планетных систем, так и на самих планетах. Одним из вариантов такой эволюции служит наша Солнечная планетная система.

Образование наиболее тяжелых трансурановых элементов было последним событием ядерной эволюции в той ограниченной системе вещества, из которого непосредственно возникла Солнечная система. Первичное Солнце (Протосолнце) около 5 миллиардов лет назад оказалось, по стечению обычных обстоятельств, которые возникают в звездных системах, планетарных туманностях, окутанным газово-пылевым диском.

Охлаждение туманности привело к конденсации ее вещества в жидкие и твердые тела. Химические элементы и их всевозможные соединения конденсировались в определенной последовательности – в порядке, обратном их летучести, в порядке изменения плотности. Среди первых конденсатов были: металлическое железо, никель, кобальт (элементы группы железа), обычные силикаты, некоторые окислы, карбиды. Затем при температурах 1000-4000°К конденсировались менее распространенные элементы, металлы и их соединения, металлы и их соединения с серой, кислородом. На заключительных этапах конденсации, при взаимодействии паров воды с ранее выделившимися силикатами, возникли новые минералы – гидратированные силикаты (типа серпентина – алюмосиликата магния, кальция, железа) и первые признаки глинистых минералов, обладающих уникальными каталитическими свойствами, ускоряющими течение многих химических реакций, в том числе реакций синтеза первых органических соединений преджизненных форм.

Дальнейшее остывание протопланетной туманности вдали от Солнца и медленное вблизи него привели к возникновению и усилению химических неоднородностей, что определило зональную картину формирования вещества планет. В связи с этим, расположенные ближе к Солнцу планеты земной группы, характеризующиеся близким химическим составом современных их каменных оболочек, возникли путем конденсации более высокотемпературных фракций, обогащенных металлическим железом. По-видимому, аккумуляция планет из пылеватых частиц – продуктов конденсации в солнечной туманности – могла начаться тогда, когда еще полностью конденсация в ней не завершилась[68].

По мере сжатия вращающейся звезды ее вещество может истекать с экватора, как следствие роста центробежных сил, рассеиваясь в пространстве и образуя газовый диск. Согласно О.Струве, быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов и формировать вокруг себя газовые кольца и оболочки, теряя при этом массу и момент количества движения. По Я.Б.Зельдовичу и И.Д.Новикову, если при этом сохраняется достаточно эффективная вязкость, благодаря которой истекающее вещество связано со звездой (например, посредством магнитного поля), истекающее вещество заберет на себя основную долю момента количества движения и позволит коллапсировать центральному сгущению. Рассеянное вдоль плоскости экватора вещество образует газовый диск, который при последующем охлаждении и конденсации может служить естественным источником протопланетного материала.

Из недифференцированного вещества внешних слоев Сверхновой возникли гигантские внешние планеты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), сохранившие в своем составе газы с ведущим значением водорода.

Из внутренних слоев звезды сформировались планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Поле Астероидов.

Итак, согласно ныне существующим представлениям, формирование химического состава планет происходило в два этапа.

Первый. Связан с охлаждением диска газовой туманности вокруг звезды. Затем происходит конденсация вещества в жидкие капли и уж потом в твердые частицы. Таким образом возникла газово-пылевая туманность, которая была неустойчивой вследствие разной скорости остывания на различных участках удаленности от Солнца. Возникли химические неоднородности, которые дополнительно возрастали за счет лучевого давления Солнца.

Второй. Выразился в сгущении конденсированных частиц – пылевой составляющей протопланетного диска в отдельные сгустки – протопланеты. Образование кратерированных поверхностей на планетах свидетельствует в пользу того, что эти два этапа сосуществовали. Так сформировалась планетная система вокруг Солнца, насчитывающая девять планет (по степени удаленности от Солнца): Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Близкие к Солнцу планеты объединены в земную группу (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Пояс астероидов) и в группу внешних планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон), отличающиеся как по размерам, составу, так и по плотности (рис. 8, 9).