Чорні діри. Нейтронні зорі

Наприкінці XVІІ ст. видатний французький математик і астроном П. Лаплас ( 1749 - 1827 ) передбачав існування екзотичних об’єктів - чорних дір. Така назва пов’язана з тим, що з чорної діри на зовні не може вирватись ні частинка, ні випромінювання.

Щоб покинути назавжди деяке небесне тіло, потрібно рухатися з другою космічною швидкістю:

де G - гравітаційна стала, R - радіус об’єкта, М - маса об’єкта.

Якщо друга космічна швидкість перевищує швидкість світла у вакуумі, то, зрозуміло, що навіть випромінювання не «вирветься» з такого об’єкта. Радіус небесного тіла, за якого воно перетворюється в чорну діру, називається гравітаційним радіусом: , де G - гравітаційна стала, М - маса об’єкта, с - швидкість світла у вакуумі.

Гравітаційний радіус для Сонця близько 2,95 км, а для Землі - близько 9 мм.

Сфера, яка описується гравітаційним радіусом, називається сферою Шварцшильда ( К. Шварцширльд ( 1873 - 1916) - німецький астроном ), або горизонтом подій.

Чорними дірами стають деякі зорі на завершальних етапах свого розвитку. Це означає, що у Всесвіті та й у нашій Галактиці чорних дір доволі багато. Але як знайти об’єкт, від якого жоден сигнал не може йти безпосередньо? Вчені вказують кілька способів виявлення чорних дір.

По - перше, чорна діра своїм гравітаційним полем суттєво змінює траєкторії близьких зір. Зафіксовані «безпідставні» відхилення в русі видимих об’єктів астрономи пояснюють існуванням «невидимої» причини - чорної діри. По - друге , ці об’єкти, наче пилососи, вбирають речовину. У середньому у Галактиці в кожному кубічному сантиметрі є один атом. Чорна діра притягує ці частинки, і вони, розганяючись, падають на неї. Міжзоряна речовина завжди має деяку швидкість, напрям якої не обов’язково збігається з напрямом на чорну діру. Тому, рухаючись за інерцією, під дією гравітації газ починає обертатися навколо чорної діри і поступово провалюється в неї. Приблизно так рухається легка кулька по плівці, прогнутій важкою кулею.

 

 

Навколо чорної діри утворюється так званий акрецій ний диск. Частинки диска сильно розганяються й інтенсивно випромінюють. Таким чином, речовина зникає в чорній дірі, залишаючи « на згадку » електромагнітні хвилі, які вона випромінювала до того. Якщо чорна діра і звичайна зоря утворюють тісну пару, то акрецій ний диск особливо потужний, адже поповнюється речовиною, що витікає зі звичайної зорі. Рентгенівське випромінювання такого диска дуже інтенсивне. Аналіз випромінювання багатьох рентгенівських джерел, що є компонентами тісних пар ( а це можуть бути не тільки чорні діри але й нейтронні ), засвідчив, що чорною дірою, є імовірно, об’єкти у сузір’ї Лебедя ( назвали Лебідь Х - 1 ). Якщо це так, то маса цієї чорної діри 10 , радіус 30 км, а основна частина випромінювання диска належить області радіусом 200 км.

Розділ астрономії, що вивчає походження об’єктів космосу, називається космогонією. Наукові основи космогонії закладені І. Ньютоном, який довів, що рівномірний розподіл речовини у просторі є нестійким і під дією власної гравітації утворюються ущільнення газу. Цю теорію у 1902 році розвинув англійський астрофізик Дж. Джинс ( 1877 - 1946 ). Утворені з газопилового середовища Галактики згустки, які стискаються свої гравітаційним полем, називають протозорями. При зменшені об’єму температура протозорі зростає і вона інтенсивно випромінює в інфрачервоному діапазоні спектра. Тривалість цієї стадії залежить від маси - від сотень тисяч років ( для масивних протозір) до сотень мільйонів років ( для протозір, легших за Сонце ). Коли температура в надрах протозорі сягає кількох мільйонів кельвінів, розпочинаються термоядерні реакції синтезу гелію, виділяється величезна енергія, значно зростає тиск в надрах і стискання припиняється. Проти зоря перетворюється у звичайну зорю і займає місце на головній послідовності діаграми Герцшпрунга - Рассела. Масивніші зорі випромінюють сильніше і належать до ранніх спектральних класів, а зорі малої маси, відповідно, розташовуються нижче від Сонця і належать до пізніх спектральних класів. Тривалість перебування зорі на головній послідовності залежить від водню ( термоядерного палива ) у ядрі та інтенсивності його використання. Для зір типу Сонця цей процес триває приблизно 10 млрд років, а для зорі масою М ( у масах Сонця ) років. Що легша зоря, то триваліший час вона перебуває на головній послідовності. Наприклад, блакитний гігант ( ) використовує свій запас енергії за 1,25 млн років, а червоний карлик () - за 80 млрд років.

Після вигорання водню в надрах зорі утворюється гелієве ядро, а термоядерні реакції відбуваються в тонкому шарі на його межі. При цьому оболонка зорі розбухає. Енергія, яка поступає з надр тепер розподіляється на більшу площу і тому температура фотосфери падає. Зоря сходить з головної послідовності поступово перетворюючись в надгігант чи гігант.

Якщо маса зорі незначна, то її ядро не спроможне втримати роздуту оболонку і та поступово віддаляється, утворюючи планетарну туманність. Після остаточного розсіювання оболонки залишається лише гаряче ядро зорі - білий карлик. Ядерних джерел енергії в зорі нема і вона ще дуже довго світить, повільно охолоджуючись. Такий шлях розвитку буде в Сонця: через 6 - 7 млрд. років пройшовши стадію чергового гіганта, воно стане білим карликом.

Еволюція масивних зір проходить бурхливіше. У кінці свого існування така зоря може вибухнути надновою, а її ядро, різко стиснувши, стане нейтронною зорею або чорною дірою.

 

 

Скинута під час вибуху наднової, оболонка стає матеріалом для утворення зір наступного покоління. Під час розвитку зорі внаслідок ядерних реакцій у її надрах можуть утворитись усі хімічні елементи таблиці Менделєєва до заліза включно Важкі елементи синтезуються лише при вибуху наднових. Тому є всі підстави вважати, що

Сонце - зоря другого покоління, у якій є домішки речовини, яка в свій час побувала в надрах зірок першого покоління.

 

& Домашнє завдання:

1. І. А. Климишин;, І. П. Крячко;, « Астрономія - 11 клас »; - К.: Знання України, 2003. - 192 с.

Опрацювати § 23, § 24.