Как устроена звезда и как она живт. Звзды не останутся вечно такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной постоянно рождаются новые звзды, а старые умирают. Чтобы понять, как эволюционирует звезда, как меняются с течением времени е 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 звзд их атмосферы. Проникнуть в глубь даже ближайшей звезды Солнца мы не можем. Приходится прибегать к косвенным методам расчтам, компьютерному моделированию. При этом пользуются данными о внешних слоях, известными законами физики и механики, общими как для Земли, так и для звздного мира. Условия в недрах звзд значительно отличаются от условий в земных лабораториях, но элементарные частицы электроны, протоны, нейтроны там те же, что и на Земле. Звзды состоят из тех же химических элементов, что и наша планета.
Поэтому к ним можно применять значения, полученные в лабораториях. Наблюдения показывают, что большинство звзд 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 е вещество внутренние силы уравновешиваются. Какие же это силы Звезда раскалнный газовой шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объм. 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 слов увеличивается, то давление, а, следовательно, и температура возрастают к центру звезды. Звезда излучает энергию, вырабатываемую в е 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 е поверхностью, иначе равновесие нарушится.
Таким образом, к давлению газа добавляется ещ и давление излучения. Лучи, испускаемые звездой, получают свою в недрах, где располагается е источник, и продвигаются через всю толщу звезды наружу, оказывая давление на внешние слои. Если бы звздное вещество было прозрачным, то продвижение это осуществлялось бы почти мгновенно, со скоростью света. Но оно непрозрачно и тормозит прохождение излучения.
Световые лучи поглощаются атомами и вновь испускаются уже в других направлениях. Путь каждого луча сложен и напоминает запутанную зигзагообразную кривую. Иногда он блуждает многие тысячи лет, прежде чем выйдет на поверхность и покинет звезду. Излучение, покидающее поверхность звезды, качественно но не количественно отличается от излучения, рождающегося в источнике звздной 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 звзд составляет лишь очень малую долю от давления газа, но для гигантских звзд оно значительно. Оценки температуры и плотности в недрах звзд получают теоретическим путм, исходя из известной массы звезды и мощности е излучения, на основании газовых законов физики и закона всемирного тяготения. Определнные таким образом температуры в центральных областях звзд составляют от 10 млн. градусов для звзд легче Солнца до 30 млн. градусов для гигантских звзд. Температура в центре Солнца около 15 млн. градусов.
При таких температурах вещество в звздных недрах почти полностью ионизировано. Атомы химических элементов теряют свои электронные оболочки, вещество состоит только из атомных ядер и отдельных электронов. Поскольку поперечник атомного ядра в десятки тысяч раз меньше поперечника целого атома, то в объме, вмещающем всего десяток целых атомов, могут свободно уместиться многие миллиарды атомных ядер и отдельных электронов.
При этом расстояния между частицами вопреки высокой плотности будут вс ещ велики по сравнению с их размерами. Вот почему вещество, плотность которого в центре Солнца в 100 раз превышает плотность воды более плотное, чем любое тврдое тело на Земле тем не менее обладает всеми свойствами идеального газа. Строение звзд зависит от массы. Если звезда в несколько раз массивнее Солнца, то глубоко в е недрах происходит интенсивное перемешивание вещества конвекция, подобно кипящей воде. Такую область называют конвективным ядром звезды. Чем больше звезда, тем большую е 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 объм уменьшается. Внешние же области звезды при этом расширяются, она увеличивается в размерах, а температура е поверхности падат. 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 вс 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, по-видимому, 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 е жизни.
Новое поколение звезд, рождающихся из межзвездного газа, будет содержать уже больше тяжелых химических элементов. Срок жизни звезды напрямую зависит от е 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 ещ очень длительное время. Солнце и подобные ему звезды представляют собой промежуточный случай.
У Солнца имеется маленькое конвективное ядро, но не очень чтко отделнное 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.