Т а б л и ц а 2

Фазы эволюции протозвезды

 

Характеристика	Фаза 1- формирование	Фаза 2- быстрое сжатие	Фаза 3- медленное сжатие
Размер, м Плотность, кг/м3 Температура в центре, К Длительность, лет Наблюдение	1018 - 1015 10-19 - 10-16     107 Радиодиапазон	1015 - 1010 10-16 - 1   10 - 106   105 Инфракрасный диапазон	1010 – 109 1 – 103   106 – 107   5×107 Оптический диапазон

 

Астрофизические исследования установили, что молекулярные облака- это «фабрики по производству звезд» в галактиках с массой от сотых долей, до сотен солнечных масс. Сжимаясь из обширного вращающегося облака молекулярного газа в небольшой по сравнению с исходным состоянием объем, звезда освобождается от избытка энергии и момента количества движения самым эффективным способом. В окрестностях формирующейся молодой звезды образуются быстрые потоки газа, несущиеся в двух противоположных направлениях от звезды подобно струям, вырывающимся из сопла реактивного двигателя. Именно так теряют звезды как минимум 99,99% исходного момента количества движения. Именно так наше Солнце потеряло почти всю энергию вращения.

Звезды рождаются и умирают. Конец жизненного пути звезды зависит от её массы и приводит к одному из трех состояний: белому карлику,нейтронной звездеили черной дыре.

Жизненный путь одиночной звезды довольно сложен. Звезды, в 100 раз больше солнечной, живут несколько миллионов лет. Если масса звезды составляет 2-3 солнечных массы, срок жизни звезды увеличивается до миллиарда лет. В маленьких, по сравнению с Солнцем, звездах, выгорание водорода происходит очень медленно, и они практически не изменяются в течение многих миллиардов лет. Когда водород выгорает, они очень медленно сжимаются и за счет выделяющейся при сжатии энергии могут существовать еще очень длительное время.

Такая звезда, как наше Солнце, занимает промежуточное положение. Солнце существует уже 4,5-5 млрд. лет. Постепенно по мере исчерпания запасов ядерного горючего (водорода) Солнце вырастет до размеров красного гиганта, сбросит чрезмерно увеличившуюся оболочку и закончит свою жизнь, превратившись в белый карлик. Но это случится не ранее, чем через 5 млрд. лет.

По своему строению звезды различаются существенно. Раскаленный газовый звездный шар стремится расшириться и занять весь предоставленный ему объем, но гравитационные силы препятствуют этому. Давление газа внутри звезды определяется его температурой и плотностью. Наружная оболочка, обладающая громадной массой, стремится сжать звезду

 

Р, давление

 

Рис. 35. Равновесное состояние звезды

(гравитационные силы уравновешены давлением газа)

 

Сила расширения уравновешена гравитационной силой сжатия до тех пор, пока вырабатывается ядерная энергия в её недрах (рис. 35).

Температура в ядре звезд достигает 10 млн. градусов для звезд легче Солнца и 30 млн. градусов в ядрах звезд-гигантов. В центре Солнца температура составляет 15 млн. градусов. При таких температурах вещество внутри звездных недр почти полностью ионизировано. Газ состоит из атомных ядер и электронов. Расстояния между ядрами и электронами такие, что плотность ядерного вещества в звезде, подобной Солнцу, в 100 раз превышает плотность воды и более плотное, чем любой твердый материал на Земле. Тем не менее звездный газ обладает всеми свойствами идеального газа.

Белый карлик в современной теории звездной эволюции рассматривается как конечный этап жизни звезд средней и малой массы, т.е. меньше 3-4 масс Солнца. Ядро звезды начинает сжиматься, когда в её недрах выгорает весь водород и давление газа уже не способно противостоять силам гравитационного сжатия. При сжатии ядра температура резко возрастает и нагревает внешний слой звезды. Происходят два одновременных процесса: катастрофическое сжатие ядра при возрастающей температуре и расширение внешнего слоя звездного газа в результате нагревания его раскаленным ядром. Но расширение внешнего слоя газа не позволяет ему интенсивно разогреваться. Более того, при удалении от ядра внешнего газового облака его температура понижается. Звезда становится красным гигантом. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров, превосходящих размеры такой звезды, как Солнце, в сотни раз. Гигантская разреженная оболочка звезды слабо связана с ядром и в конце концов рассеивается в космическом пространстве за время порядка 10-100 тыс. лет. Оставшееся компактное горячее ядро представляет собой звезду, состоящую в основном из ядер атомов гелия и свободных электронов. Это и есть белый карлик. В нем силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, чем обеспечивается устойчивость звезды. При массе, равной массе Солнца, размеры белого карлика не превышают несколько тысяч километров. Плотность вещества в белых карликах может достигать величин порядка 10⁹-10¹⁰кг/м³. Законы идеальных газов к такому объекту уже не применимы.

В середине 20-х годов ХХ века была разработана теория, которая описывает свойства газов с плотностями, характерными для белых карликов. Давление такого газа не определяется его температурой. Оно остается высоким, даже если вещество остынет до абсолютного нуля. Такой газ получил название вырожденного газа.Наше Солнце ждет судьба белого карлика. Ядерные реакции в недрах белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Основной запас энергии содержится в колебательных движениях ионов гелия и хаотическом движении электронов. По структуре поверхность белого карлика напоминает гигантский горячий кристалл с ионной кристаллической решеткой.

Масса белого карлика не может превышать определенного предела. Таким пределом является масса, равная 1,4 массы Солнца. Если масса превышает это предельное значение, белый карлик начнет стремительно сжиматься. Давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации. Происходит нейтронизация белого карлика. Это значит, что протоны поглощают электроны, превращаясь в нейтроны. Такое катастрофическое для звезды сжатие называется коллапсом. Звезда либо взрывается, и вещество рассеивается в межзвездном пространстве, либо останавливается на стадии существования нейтронной звезды.

Нейтронная звезда состоит из нейтронов, которые тесно прижаты друг к другу. Огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаровом объеме радиусом несколько километров. Плотность вещества (достигающая значений 10¹⁶ кг/м³)в нейтронной звезде чудовищно велика даже по сравнению с плотностью белого карлика (10⁹-10¹⁰кг/м³). Образование нейтронных звезд происходит в результате грандиозных космических явлений–взрывов гигантских звезд, когда большая часть их массы разлетается со скоростью до 10 000 км/с, а остаток сжимается в нейтронную звезду или превращается в черную дыру. При взрыве выделяется огромное количество энергии порядка 10⁴⁶ Дж, которая уносится не фотонами, а нейтрино.

Такая судьба ожидает звезды, масса которых в 8-10 раз больше массы Солнца. Астрономические наблюдения говорят, что на разных этапах развития в ядре звезды происходят термоядерные реакции, при которых сначала водород превращается в гелий, затем гелий в углерод и последовательно образуются элементы периодической системы вплоть до железа, кобальта и никеля. Это наиболее устойчивые ядра химических элементов. Удельная энергия связи у них наибольшая.

Достигнув такого состояния, звезда начинает терять устойчивость как только железное ядро станет достаточно массивным (около 1,5 массы Солнца). Во-первых, ядра атомов железа начинают распадаться на a-частицы (ядра гелия) с выделением фотонов (электромагнитное излучение). Во-вторых, протоны захватывают электроны с образованием нейтронов (р⁺ + е^- ® n⁰). Оба процесса начинаются, когда плотность вещества в ядре звезды станет выше 1000кг/см^3.. До этого момента гравитационным силам противостояла «упругость» вещества. Начинается процесс стремительного сжатия ядра звезды, когда равновесие гравитационных сил и давления внутри ядра нарушается. Протоны продолжают захватывать электроны, превращаясь в нейтроны. Громадная масса оболочки звезды взрывается и рассеивается в межзвездном пространстве в виде потока нейтрино.

Возможен и другой сценарий образования нейтронной звезды из устойчивого белого карлика, если последний входит в состав тесной двойной системы белый карлик-звезда. Под действием гравитационных сил газ с соседней звезды перетекает на белый карлик. Масса белого карлика постепенно возрастает, плотность увеличивается, и происходит взрыв, превращающий белый карлик в нейтронную звезду. Как и для белого карлика, для нейтронной звезды существует предельно возможная масса. Она не превышает 3 масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, никакое давление внутри звезды не способно противостоять силам гравитации. Нейтронная звезда становится неустойчивой и быстро сжимается, превращаясь в черную дыру.

 

 

 

Голубой сверхгигант

 

Рис. 36. Модель взаимодействия черной дыры и голубого сверхгиганта.

 

Черная дыра образуется в результате сжатия гигантских звезд. При сжатии их гравитационное поле уплотняется, и звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть её притяжение. Поэтому черную дыру невозможно наблюдать непосредственно. Она не светится. О её существовании можно судить по поведению соседних звезд. Черная дыра может срывать вещество с соседней звезды и поглощать его в своих недрах. Как показано на рис.36, под действием гравитационных сил черной дыры с поверхности соседнего голубого сверхгиганта срывается поток горячего газа. Энергия ускоренного движения газообразной массы при сжатии сопровождается еще большим разогреванием. Газ, мчащийся в черную дыру, сжимается, разогревается при приближении к ней и становится источником жесткого электромагнитного (рентгеновского) излучения. По этому излучению предполагается местонахождение черной дыры. Поверхности в традиционном понимании у черных дыр быть не может. У них нет химического состава. Их строение не связано с какими-то типами взаимодействия вещества, кроме гравитационного. Предполагается, что черные дыры массой более миллиона масс Солнца имеются в центре значительной части галактик. Есть основания считать, что черные дыры существуют в центре нашей Галактики и туманности Андромеды, но их массы сравнительно невелики.

Представленная Вам научная картина Вселенной все время совершенствуется и следовательно меняется. Научное знание обладает поразительной особенностью: предыдущее знание является основой, базисом для последующего и часто входит в него составной частью согласно боровскому принципу соответствия. В последние два десятилетия в физике Вселенной сделаны интересные открытия. Появились такие понятия как «темная материя» и «темный вакуум». Это другая субстанция. Вакуум оказался не пустым. Он буквально пронизан энергией, которая реализуется в гравитационном взаимодействии. «Темная материя» и вакуум – две субстанции во Вселенной, прямо ненаблюдаемые, но, как говорят ученые, конролирующие две трети вещества во Вселенной. Это не та материя, с которой мы привыкли иметь дело (элементарные частицы, атомы, молекулы и т. д.). Природа «темной материи» пока остается неразгаданной.