Эволюция звезд

 

Тема: «Эволюция звезд»

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………………………… Рождение звезд из газопылевых облаков межзвездной среды..…. Жизнь звезд и процессы термоядерного синтеза в их недрах…. Звездные «останки»: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры ..………….…..……………………………………..…………… Заключение…………………………………………………………….…….. Литература…………………………………………………….…….……….

3 5 8   14 20 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Развитие науки привело к  тому, что зародилось учение о том, что звезды – это далекие солнца. Но природа и этих далеких солнц  и нашего более близкого светила  была не известной. Сократ сказал: «все это навсегда останется тайной для  смертного и самим богам жалко  смотреть на старания человека разгадать  то, что они навсегда скрыли от человека…». Через две тысячи лет то же твердил  и французский философ Огюст  Конт: «мы ничего не можем узнать о звездах. Кроме того, что они  существуют. Даже их температура навсегда останется неизвестной…». Но наука, как и наш мир, развивается  и через сто лет все изменилось…

За последние сто лет, несмотря на пессимистические прогнозы Конта, удалось выяснить основные проблемы, что касаются природы звезд и  физики процессов, которые происходят в их недрах. Астрономы шаг за шагом, постепенно, вторгаются в ту область, которая за Сократом навсегда должна быть тайной для смертного.

Атмосферы звезд состоят из газов, содержащих атомы самых различных элементов, а иногда и молекулярные соединения. На некоторых звездах имеются условия для формирования даже твердых частиц пыли.

Звезда — динамическая, направленным образом изменяющаяся плазменная система. В ходе жизни  звезды ее химический состав и распределение  химических элементов значительно  изменяются. На поздних стадиях развития звездное вещество переходит в состояние  вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного  вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры — источники рентгеновского излучения и др.).

Звезды – это огромные шары из гелия и водорода, а также  других газов. Гравитация тянет эти вещи внутрь, а давление раскаленного газа выталкивает их наружу, создавая равновесие. Энергия звезды содержится в ее ядре, где ежесекундно гелий взаимодействует с водородом.

Целью работы стало рассмотрение тех физических процессов, которые являются источниками энергии звезд, а так же рассмотрение процессов термоядерного синтеза и их видов, которые  проходят в недрах звезд на разных этапах ее развития. Для решения данной цели в работе были поставлены следующие задачи: - рассмотреть процессы термоядерного синтеза в звездах; - познакомиться с рождением звезд из газопылевых облаков межзвездной среды; рассмотреть так называемые звездные «останки»: белых карликов, нейтронные звезды, черные дыры.

С эволюцией звезд связано  образование химических элементов  в природе. Поэтому изучение звезд на сегодняшний день очень актуально. Звезды представляют интерес не только как объекты, являющиеся важным элементом структуры Вселенной, но и как определенное звено всей эволюции материи: большинство атомов, из которых построен окружающий нас мир, включая и нас самих, когда-то возникли в звездах или хотя бы один раз побывали в их недрах.

Все это говорит о том, что в звездах происходит необходимый  и важный этап эволюции вещества во Вселенной, предшествующий развитию многих других форм материи, включая и высшие.

Звезды вечны с точки  зрения человека, но они не вечны  с точки зрения самих звезд. Звезды рождаются и стареют, время жизни  человека мизерно по сравнению с  временем жизни самой звезды. Но при помощи математического аппарата и наблюдений вселенной астрономы  смогли рассчитать модели развития звезд  в зависимости от ее массы, радиуса  и т.п. Жизненный путь звезд,  представляет собой законченный цикл – рождение, рост, период относительно спокойной активности, агония, смерть, напоминающий жизненный путь отдельного организма. В некоторых случаях можно говорить об оставленном звездами «потомстве», о последовательных поколениях звезд. Путь этот не гладок. Он естественным образом разбивается на стадии и подстадии, часто не менее резко разграниченные, чем этапы, переживаемые животным или человеком в течение жизни.

 

Рождение звезд  из газопылевых облаков межзвездной  среды

 

В начале XX века в астрономии было сделано выдающееся открытие, суть которого состояла в том, что  межзвездное пространство отнюдь не является абсолютной пустотой, как  это молчаливо предполагалось еще  со времен Ньютона. Удалось установить, что межзвездное пространство заполнено  газом очень малой плотности. В 1972 году 90 сантиметровый телескоп специального спутника «Коперник» принес новую информацию о составе межзвездной среды. Там удалось обнаружить углерод, кислород, магний, кремний, серу, марганец и другие элементы. Было также установлено, что химический состав облаков существенно отличается от солнечного. Разумеется, в межзвездных облаках был обнаружен и самый обильный элемент Вселенной - водород. Причем очень важно, что водород может присутствовать в форме нейтрального атома (HI) и в ионизированной форме (НИ). Отношение ионизированного и нейтрального водорода в различных облаках колеблется от нескольких десятых до значений менее чем 10 7.

В межзвездной среде есть еще один важный компонент - межзвездная пыль. Давно в Млечном Пути известны получившие название «угольных мешков» области, которые сильно поглощают излучение звезд, причем поглощающая материя распределена в Галактике весьма неравномерно.

Звезды являются самыми распространенными  объектами Вселенной, в них сосредоточено до 97 % видимого вещества. Именно в звездах находится тот «плавильный котел», в котором создаются химические элементы.

Первые звезды начали образовываться после того, как произошла рекомбинация ядер водорода и гелия с электронами и вещество «отделилось» от излучения. Поэтому исходным материалом, из которого рождались первые звезды, была смесь газов водорода и гелия в соотношении 70% : 30%. В процессе эволюции звезд, в их недрах синтезировались все более тяжелые химические элементы, а при взрывах звезд эти элементы рассеивались в космическом пространстве. Так образовались гигантские газопылевые облака, заполняющие межзвездную среду и состоящие из различных газов, в первую очередь, конечно, из водорода и гелия, а также из атомов других элементов и твердых микроскопических частиц силикатов, графитов и т.п.

Такие облака могут находиться в равновесии, когда гравитационные силы, стремящиеся сжать вещество этих облаков, в точности уравновешиваются давлением газопылевой смеси. Однако при достаточно больших плотностях может начаться самопроизвольное сжатие (гравитационная конденсация) облаков, условием которого является отрицательный знак их полной энергии W. Эта энергия складывается из отрицательной гравитационной энергии

Wg = - G M2 / r                                                       (1)

и положительной тепловой энергии:

Wт = (М /µ) RT ,                                                     (2)

где М - масса облака, µ - молекулярная масса вещества, Т - температура, r - радиус, R - универсальная газовая постоянная, G – гравитационная постоянная.

 Приравняв абсолютные  значения (1) и (2), получим критическое значение радиуса облака r _кр, такое что при r < r _кр облако начнет сжиматься под действием собственной гравитации

r = µGM/RT

Легко убедиться, что «обычные»  облака межзвездного газа с массой порядка массы нашего Солнца и радиусом порядка одного парсека не будут сжиматься собственной гравитацией, в то время как газо-пылевые комплексы с массами, превышающими массу Солнца в десятки тысяч раз, и радиусами порядка десятков парсек будут сжиматься (при Т ~ 50 К).

Первоначально такое сжатие не приводит к увеличению температуры облака (изотермическое сжатие), так как на начальной, самой важной стадии сжатия имеет место достаточно эффективное охлаждение среды: высвобождающаяся энергия гравитации идет на возбуждение атомов водорода, которые затем излучают кванты инфракрасного диапазона, уходящие в космическое пространство. При увеличении плотности облака оно становится непрозрачным для излучения, и с этого момента начинается повышение температуры внутренних областей (адиабатическое сжатие). Это уже не облако, а протозвезда.

В конце концов температур а в недрах протозвезды достигает порога термоядерных реакций синтеза. За счет этого температура звезды становится достаточно большой, чтобы соответствующее давление газа уравновесило силу гравитации и сжатие на какое-то время прекратилось.

С этого момента начинается «жизнь» звезды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жизнь звезд и  процессы термоядерного синтеза  в их недрах

Звезды - это раскаленные  газовые шары, которые «цементируются» силой всемирного тяготения. Если бы не было этой силы, газ бы рассеялся в космическом пространстве. Причем это рассеяние произошло бы достаточно быстро (несколько суток!). С другой стороны, если бы на газ, образующий звезду, действовала только сила гравитации, то звезда катастрофически сжалась бы за несколько минут!

Таким образом, имеет место  точнейшее равновесие между гравитацией и давлением (на самом деле - между гравитацией и электромагнитными силами, не позволяющими молекулам вещества«сливаться» друг с другом). Многие миллионы и миллиарды лет длится эта титаническая «борьба» между силами гравитации и давлением, в процессе которой в «топку» звезды поступают все новые и новые порции ядерного горючего.

Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении  в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии  — гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов  синтезируются ядра более тяжелых  элементов и выделяется большое  количество энергии.

Понимание того, что в  недрах звезд могут протекать  реакции термоядерного синтеза, пришло не сразу. Более того, вплоть до 20-х годов XX века физики категорически отрицали такую возможность, считая, что звезды недостаточно горячи для того, чтобы протоны могли сливаться друг с другом, образуя ядра гелия. Действительно, чтобы подойти друг к другу на «ядерное» расстояние rn ~ 10-15 м, где начинают действовать мощные ядерные силы притяжения между нуклонами, протоны должны преодолеть кулоновское отталкивание, а для этого им нужно иметь достаточно большую скорость. Чтобы наглядно представить себе эту ситуацию, воспользуемся аналогией с шариком, который стремится преодолеть горку и упасть в ямку (рис. 1). Горка качественно воспроизводит потенциальную энергию кулоновского отталкивания, а ямка - потенциальную энергию ядерных сил притяжения. Очевидно, что преодолеть горку шарик может только в том случае, если его скорость позволит ему подняться на вершину горки. Рис. 1 Туннельный эффект

 

 

Приравняем потенциальную  энергию взаимодействия двух протонов

W_e = e² / 4πε₀r_n,                                                        (3)

где e = 1,6 10-19 Кл - заряд протона,

ε₀ = 8,85 10-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная,

и среднюю кинетическую энергию  их теплового движения

W_т = kТ/2,                                                                    (4)

где Т - температура, k = 1,38 10-23Дж/К - постоянная Больцмана.

Тогда легко получить значение пороговой температуры термоядерного синтеза

Т_пор = e²/2πε₀kr_n ~ 1010 K (!)                                (5)

В то же время было известно, что температура в центральных областях Солнца и других типичных звезд на начальной стадии эволюции составляет всего несколько десятков миллионов градусов, т.е. в сотни раз меньше. Кроме того, совершенно фантастически выглядело одновременное столкновение четырех протонов и двух электронов, из которых образуется ядро гелия ⁴He₂.

Загадка об источнике энергии  звезд была решена в 1929 году Р.Аткинсом и Ф.Хоутермансом, которые воспользовались идеей Г. Гамова о туннелировании микрочастиц через потенциальный барьер. Этот специфический квантовый эффект заключается в том, что преодолеть потенциальный барьер (горку на рис. 1) микрочастица может, не обязательно имея достаточно большую скорость, т.е. не обязательно забираясь на самую вершину горки. Обладая волновыми свойствами, микрочастица может как-бы просочиться через барьер с вероятностью, которая тем больше, чем тоньше и ниже этот барьер (горка).

Таким образом, туннельный эффект является той причиной, которая обусловливает  слияние протонов в ядра гелия  при температурах, значительно меньших  классического порога термоядерных реакций.

Однако вопрос о том, каким  образом происходит эта реакция, был решен только спустя почти десять лет, когда в 1938 году Г. Бете и другие ученые открыли циклы термоядерных превращений, являющихся источниками энергии звезд.

Насколько сложны эти циклы, можно представить,рассмотрев самый  простой из них - так называемый протон-протонныйцикл (рис.2).

Цикл начинается с таких  столкновений между парами протонов (рис. 2,а), в результате которых образуется ядро тяжелого водорода – дейтерия ²D₁

 (рис. 2,б). При этом вылетает позитрон и нейтрино. Даже в условиях звездных недр, где температуры достигают нескольких десятков миллионов градусов, подобные столкновения случаются очень редко. Это связано с тем, что, во-первых, не все протоны имеют достаточно большую скорость даже для того, чтобы «просочиться» через потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием. Во-вторых, необходимо, чтобы за время столкновения, а оно составляет всего ~ 10-21с, один из двух протонов превратился в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Если все это учесть, то окажется, что два протона имеют шанс превратиться в дейтерий один раз за несколько десятков миллиардов лет (!). Но так как самих протонов в недрах звезд тоже достаточно много, то такие реакции в нужном количестве будут иметь место.