Внутреннее строение звезд

Внутреннее строение звезд. Мы рассматриваем звезду как тело, подверженное действию разных сил. Сила тяготения стремится стягивать вещество звезды к центру, газовое же и световое давления, направленные изнутри, стремятся оттолкнуть его от центра.

Так как звезда существует как устойчивое тело, то, следовательно, между борющимися силами есть какое-то равновесие. Для этого температура разных слоев в звезде должна устанавливаться такая, чтобы в каждом слое поток энергии наружу уводил к поверхности всю энергию, возникшую под ним. Энергия образуется в небольшом центральном ядре. Для начального периода жизни звезды ее сжатие является источником энергии.

Но лишь до тех пор пока температура не поднимется настолько, что начнутся ядерные реакции. Формирование звезд и галактик Материя во Вселенной находится в непрерывном развитии, в самых разнообразных формах и состояниях. Раз меняются формы существования материи, то, следовательно, различные и разнообразные объекты не могли возникнуть все одновременно, а формировались в разные эпохи и поэтому имеют свой определенный возраст, отсчитываемый от начала их зарождения.

Научные основы космогонии были заложены еще Ньютоном, который показал, что вещество в пространстве под действием собственной гравитации разделяется на сжимающиеся куски. Теория образования сгустков вещества, из которых формируются звезды, была развита в 1902 г. английским астрофизиком Дж. Джинсом. Эта теория объясняет и происхождение Галактик. В первоначально однородной среде с постоянной температурой и плотностью может возникнуть уплотнение. Если сила взаимного тяготения в нем превысит силу газового давления, то среда станет сжиматься, а если превалирует газовое давление, то вещество рассеется в пространстве.

Считают, что возраст Метагалактики - 13-15 млрд. лет. Этот возраст не противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд и шаровых звездных скоплений в нашей Галактике. Эволюция звезд Возникшие в газопылевой среде Галактики сгущения, продолжающие сжиматься под действием собственного тяготения, получили названия протозвезд. По мере сжатия плотность и температура протозвезды повышается, и она начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра.

Длительность сжатия протозвезд различна при массе меньше солнечной - сотни миллионов лет, а у массивных - всего лишь сотни тысяч лет. Когда температура в недрах протозвезды повысится до нескольких миллионов Кельвинов, в них начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. При этом выделяется огромная энергия, препятствующая дальнейшему сжатию и разогревающая вещество до самосвечения - протозвезда превращается в обычную звезду.

Итак, стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постепенным выгоранием водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности спектр-светимость. Время пребывания звезды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего.

Когда весь водород в центральной области превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород будет превращаться в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постоянно сжиматься и при этом еще более разогреваться. Сжатие ядра приводит к более бурному выделению ядерной энергии в тонком слое у границы ядра. У более массивных звезд температура ядра при сжатии становится выше 80 млн. Кельвинов, и в нем начинаются термоядерные реакции превращения гелия в углерод, а потом и в другие более тяжелые химические элементы.

Выходящая из ядра и его окрестностей энергия вызывает повышение газового давления, под действием которого фотосфера расширяется. Энергия, приходящая к фотосфере из недр звезды, распространяется теперь на большую площадь, чем раньше. В связи с этим температура фотосферы понижается. Звезда сходит с главной последовательности, постепенно превращаясь в красного гиганта или сверхгиганта в зависимости от массы, и становится старой звездой. Проходя стадию желтого сверхгиганта, звезда может оказаться пульсирующей, то есть физической переменной звездой, и остаться такой в стадии красного гиганта.

Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ядром и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность. После окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды - белый карлик.

Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, а затем катастрофически сжаться до размеров шаров радиусом в несколько километров, то есть превратиться в нейтронные звезды. Звезда, масса которой более чем вдвое превышает массу Солнца, потеряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достигнуть устойчивого состояния.

В процессе неограниченного сжатия она, вероятно, способна превратиться в черную дыру. Белые карлики Белые карлики - необычные, очень маленькие плотные звезды с высокими поверхностными температурами. Главная отличительная черта внутреннего строения белых карликов - гигантские по сравнению с нормальными звездами плотности. Из-за громадной плотности газ в недрах белых карликов находится в необычном состоянии - вырожденном.

Свойства такого вырожденного газа совсем не похожи на свойства обычных газов. Его давление, например, практически не завит от температуры. Устойчивость белого карлика поддерживается тем, что сжимающей его громадной силе тяготения противостоит давление вырожденного газа в его недрах. Белые карлики находятся на конечной стадии эволюции звезд не очень больших масс. Ядерных источников в звезде уже нет, и она еще очень долго светит, медленно остывая. Белые карлики устойчивы, если их масса не превышает примерно 1,4 массы Солнца.

Нейтронные звезды Нейтронные звезды - очень маленькие, сверхплотные небесные тела. Их диаметр в среднем не больше нескольких десятков километров. Нейтронные звезды образуются после исчерпания источников термоядерной энергии в недрах обычной звезды, если ее масса к этому моменту превышает 1,4 массы Солнца. Поскольку источник термоядерной энергии отсутствует, устойчивое равновесие звезды становится невозможным и начинается катастрофическое сжатие звезды к центру - гравитационный коллапс.

Если исходная масса звезды не превышает некоторой критической величины, то коллапс в центральных частях останавливается и образуется горячая нейтронная звезда. Процесс коллапса занимает доли секунды. За ним может последовать либо натекание оставшейся оболочки звезды на горячую нейтронную звезду с испусканием нейтрино, либо сброс оболочки за счет термоядерной энергии непрогоревшего вещества или энергии вращения. Такой выброс происходит очень быстро и с Земли он выглядит как вспышка сверхновой звезды.

Наблюдаемые нейтронные звезды - пульсары часто связаны с остатками сверхновых звезд. Если масса нейтронной звезды превышает 3-5 массы Солнца, равновесие ее станет невозможным, и такая звезда будет представлять собой черную дыру. Очень важные характеристики нейтронных звезд - вращение и магнитное поле. Магнитное поле может быть в миллиарды и триллионы раз сильнее магнитного поля Земли. Пульсары Пульсары - источники электромагнитного излучения, изменяющегося строго периодически от долей секунды до нескольких минут.

Первые пульсары были открыты в 1968г. как слабые источники импульсного радиоизлучения. Позже были открыты периодические источники рентгеновского излучения - так называемые рентгеновские пульсары, свойства излучения которых существенно отличаются от свойств радиопульсаров. Природа пульсаров полностью пока не раскрыта. Ученые считают, что пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем.

Из-за магнитного поля излучение пульсара подобно лучу прожектора. Когда из-за вращения нейтронной звезды луч попадает на антенну радиотелескопа, мы видим всплески излучения. Наблюдаемые у некоторых пульсаров сбои периодов подтверждают предсказания о наличии твердой коры и сверхтекучего ядра у нейтронных звезд сбои периода происходят при разломе твердой коры - звездотрясениях. Большая часть пульсаров образуется при взрывах сверхновых звезд. Это доказано, по крайней мере, для пульсара в центре Крабовидной туманности, у которого наблюдается импульсивное излучение также и в оптическом диапазоне.

Черные дыры Одни из самых интересных и загадочных объектов во Вселенной - черные дыры. Ученые установили, что черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет, ни какое-либо другое излучение, сигналы или тела. Для того чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры, потребовалась бы вторая космическая скорость, большая световой.

Согласно теории относительности, никакое тело не может развить скорость, большую чем скорость света. Вот почему из черной дыры ничто не может вылететь, не может поступать наружу никакая информация. После того как любые тела, любое вещество или излучение упадут под действием тяготения в черную дыру, наблюдатель никогда не узнает, что произошло с ними в дальнейшем. Вблизи черных дыр, как утверждают ученые, должны резко изменяться свойства пространства и времени.

Ученые считают, что черные дыры могут возникать в конце эволюции достаточно массивных звезд. Наиболее сильно эффекты, возникающие при падении в поле черной дыры окружающего вещества, проявляются тогда, когда черная дыра входит в состав двойной звездной системы, в которой одна звезда - яркий гигант, а второй компонент - черная дыра. В этом случае газ из оболочки звезды-гиганта течет к черной дыре, закручивается вокруг нее, образуя диск. Слои газа в диске трутся друг о друга, по спиральным орбитам медленно приближаются к черной дыре и в конце концов падают в нее. Но еще до этого падения у границы черной дыры газ разогревается трением до температуры в миллионы градусов и излучает в рентгеновском диапазоне.

По этому излучению астрономы пытаются обнаружить черные дыры в двойных звездных системах. Возможно, что очень массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений, в центрах галактик и квазарах.

Не исключено также, что черные дыры могли возникнуть в далеком прошлом, в самом начале расширения Вселенной. В этом случае возможно образование и очень маленьких черных дыр с массой гораздо меньшей, чем масса небесных тел. Этот вывод особенно интересен потому, что вблизи таких маленьких черных дыр поле тяготения может вызывать специфические квантовые процессы рождения частиц из вакуума. С помощью потока этих рождающихся частиц можно обнаружить маленькие черные дыры во Вселенной.

Квантовые процессы рождения частиц приводят к медленному уменьшению массы черных дыр, к их испарению. Приложение Диаграмма масса - светимость М L -10 106-8105-6104-4103-210201021410-1610-281 0-31010-41210-51410-61610-71810-82010-90 ,10,20,512510203050Масса звезд в массах Солнца