Эволюция Вселенной

В среднем в  Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около 5 масс Солнца.

Молекулярные  облака - это "фабрики по производству звезд". Диапазон масс только что произведенных звезд простирается от сотых долей до сотни масс Солнца, причем маленькие звезды образуются значительно чаще, чем крупные. Примерно половина звезд образуются одиночными; остальные образуют двойные, тройные и более сложные системы (чем больше компонентов, тем реже встречаются такие системы). Известны звезды, содержащие до 7 компонентов, более сложные пока не обнаружены.

Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах темных облаков, поэтому данных процесс практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики исследуют рождение звезды теоретически, применяя методы компьютерного моделирования.

Астрономы не могут  наблюдать жизнь одной звезды от начала до конца, потому что даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет - дольше жизни всего человечества. Изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд, т.е. звездную эволюцию, астрономы изучают на основе сопоставления характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции.

Физические  закономерности, связывающие наблюдаемые  характеристики звезд, отражаются на диаграмме цвет-светимость - диаграмме Герцшпрунга - Ресселла, на которой звезды образуют отдельные группировки - последовательности: главную последовательность звезд, последовательности сверхгигантов, ярких и слабых гигантов, субгигантов, субкарликов и белых карликов.

Большую часть  своей жизни любая звезда находится  на так называемой главной последовательности диаграммы цвет-светимость. Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Главная последовательность включает в себя около 90% всех наблюдаемых звезд.

Срок жизни  звезды и то, во что она превращается в конце жизненного пути, полностью  определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд - всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни - около 15 млрд. лет. После того как звезда исчерпает свои источники энергии она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.

Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний:

-белые карлики,

-нейтронные звезды,

-черные дыры.

Если масса  звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика.

Если масса  превышает критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой  плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается - образуется нейтронная звезда.

Если же масса  звезды будет настолько велика, что  даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет  черная дыра.

Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы. Они представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения - это так называемый предел Чандрасекара, равны примерно 1,4 массы Солнца.

Солнце в  будущем - это белый карлик. Грандиозное, но чрезвычайно редкое небесное явление, которое запечатлено во многих исторических летописях разных народов - это вспышка сверхновой звезды, которую иногда было видно даже днем.

Установлено, что  в среднем в каждой галактике  вспышка сверхновой происходит раз  в несколько десятилетий. В максимуме  своего блеска она может быть столь же яркой, как остальные сотни миллиардов звезд галактики вместе взятые.

Как впервые  предположили в 30-е годы XX века Вальтер  Бааде и Фриц Цвикки, в результате взрыва сверхновой образуется сверхплотная нейтронная звезда. Эта гипотеза подтвердилась после открытия в 60-х годах пульсара - быстровращающейся нейтронной звезды в центре Крабовидной туманности в созвездии Тельца; он возник на месте вспышки сверхновой 1054 года.

Нейтронная  звезда - это конечное состояние эволюции звезд массой более десяти солнечных. Она представляет собой очень экзотический космический объект. Ее радиус - всего 10-20 км, а масса в 1,5-2 раза больше солнечной. Максимально возможная масса нейтронной звезды носит название предела Оппенгеймера-Волкова, который в любом случае не больше трех масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это предельное значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется черная дыра.

Черная дыра - космический объект, который образуется при неограниченном гравитационном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных космических тел. Существование этих объектов предсказывает общая теория относительности. Сам термин "черная дыра" введен в науку американским физиком Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды.

Черные дыры образуются в результате коллапса гигантских нейтронных звезд массой более 3 масс Солнца. При сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения. Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в черную дыру, называется гравитационным радиусом. Для массивных звезд он составляет несколько десятков километров.

Поскольку черные дыры не светят, то единственный путь судить о них - это наблюдать воздействие  их гравитационного поля на другие тела.

Имеются косвенные  доказательства существования черных дыр более чем в 10 тесных двойных  рентгеновских звездах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твердой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера, и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше 3 масс Солнца). Один из наиболее вероятных кандидатов в черные дыры - это ярчайший источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя - Лебедь Х-1.

 

 

 

4.4 Острова Вселенной: галактики

Вскоре после  изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, так и названные туманностями, видимые в разных созвездиях неизменно в одних и тех же местах. С помощью сильных телескопов В. Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого века было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Но долго оставалось загадкой, что представляют собой эти туманности. Только в 20-е гг. XX в. с помощью крупнейших в то время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что туманности – это не облака пыли, светящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы, в которых звезд несравненно больше, чем в близких к Солнцу шаровых скоплениях. Галактики – это гигантские звездные системы (примерно до 10¹³ звезд).

Наша Галактика - звездная система, в которую погружена  Солнечная система, называется Млечный  Путь.

Млечный Путь - грандиозное скопление звезд, видимое на небе как светлая туманная полоса. На древнегреческом языке слово "глактикос" означает "молочный", "млечный", поэтому Млечный Путь и похожие на него звездные системы называют галактиками.

В нашей Галактике - Млечном Пути - более 200 млрд. звезд  самой разной светимости и цвета.

Окрестности Солнца - это объем Галактики, в котором  доступными современной астрономии средствами можно наблюдать и изучать звезды разных типов. Как показывает практика, это "шар", который содержит около 1,5 тысяч звезд. Радиус этого шара - 20 парсек. В настоящее время в окрестностях Солнца исследованы все или почти все звезды за исключением совсем карликовых, излучающих очень мало света.

В непосредственных окрестностях Солнца - шаре радиусом около 5 парсек - исследованы абсолютно  все звезды - их около 100. Большинство среди них (почти две трети) - это очень слабые красные карлики с массой в 3-10 раз меньше, чем у Солнца. Звезды, похожие на Солнце, очень редки, их всего 6 %. Белых и желтоватых звезд массами от 1,5 до 2 солнечных вообще единицы. Более массивных звезд (астрономам известны звезды с массами примерно до 100 солнечных) в непосредственных окрестностях Солнца не найдено, что указывает на их большую редкость. Кроме живых звезд ученые обнаружили в этом объеме еще 7 белых карликов.

Слабый красный  карлик Проксима (от лат. "ближайшая") - компонент тройной системы alpha-Центавра - сейчас считается ближайшей от Солнца звездой.

Расстояние  до Проксимы - 1,31 пк, свет от нее до нас  идет 4, 2 года. Будущие исследования покажут, насколько Проксима достойна своего имени и нет ли звезд, конечно  более слабых, которые еще ближе  к Солнцу.

Наши предки объединили все звезды в группы - созвездия.

Созвездия не являются физическими группировками звезд, связанных между собой общими свойствами. Созвездия - это участки звездного неба. Звезды в созвездиях объединены нашими предками для того, чтобы было легче ориентироваться в звездном небе, т.е. на основании случайного совпадения их положений на небе.

Все небо разделено  на 88 созвездий, которые носят имена  мифических героев (например, Геркулес, Персей), животных (например, Лев, Жираф), предметов (например, Весы, Лира) и др.

Скопления звезд - это их группы с общими физическими свойствами. Этим скопления отличаются от созвездий, которые являются результатом случайного совпадения положений звезд на небе.

Наблюдения  в XIX веке позволили установить, что звездные скопления разделяются на шаровые скопления и рассеянные скопления. Во второй половине XX века к этим классам звездных группировок добавился еще один - ассоциации звезд. Часть из звездных группировок принадлежит нашей Галактике.

Шаровые скопления звезд - старейшие объекты нашей Галактики: они образовались одновременно с ней. Расстояния до этих скоплений очень велики - тысячи парсек. Сейчас известно свыше 150 шаровых скоплений, всего же их в Галактике может быть несколько сот.

Рассеянное скопление состоит из нескольких сот или тысяч звезд. Масса рассеянных скоплений невелика и их гравитационное поле не в состоянии долго противостоять разрушению скоплений. Просуществовав около миллиарда лет, они растворяются в океане Галактики. Ассоциация - это группировка молодых звезд, объединенных общим образованием. Они более разреженные, чем скопления.

Многие детали строения Млечного Пути скрыты от взгляда  земного наблюдателя. Однако их изучают  на примере других галактик, сходных  с нашей, например, туманности Андромеды (как это сделал в 40-е годы XX века немецкий астроном Вальтер Бааде).

В итоге в  структуре Галактики выделяют плоский  линзообразный диск, погруженный  в более разреженный звездное облако сферической формы - гало. В итоге Галактика имеет форму двояковыпуклой линзы, похожа на чечевичное зерно.

Звезды галактического диска называются населением I типа, звезды гало - населением II типа.

Одной из самых  интересных областей Галактики считается  ее центр, или ядро, расположенное  в направлении созвездия Стрельца. Видимое излучение центральных областей Галактики полностью скрыто от нас мощными слоями поглощающей материи. В самом центре Галактики предполагается существование массивного компактного объекта - черной дыры массой около миллиона масс Солнца.

Одним из наиболее заметных образований в дисках галактик, подобных нашей, являются спиральные ветви (или рукава).

Метагалактика - часть Вселенной, доступная современным астрономическим методам исследований - содержит несколько миллиардов галактик - звездных систем, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации.

Существуют  галактики, включающие триллионы звезд. Наша Галактика - Млечный Путь - также достаточно велика (в ней более 200 млрд. звезд). Самые маленькие галактики содержат звезд в миллион раз меньше. Помимо обычных звезд галактики включают в себя межзвездный газ, пыль, а также различные экзотические объекты: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры.

Ближайшими  к нам и самыми яркими на небе галактиками являются Магеллановы облака. Они относятся к самым крупным видимым на небе астрономическим объектам.

Внешний вид  и структура звездных систем весьма различны и в соответствии с этим галактики делятся на морфологические типы:

1) Нерегулярные  галактики (молодые). Вещество находится  в основном в форме газа, космической пыли. Количество звезд измеряется десятками и сотнями.

2) Спиральные (среднего  возраста) – количество звезд  измеряется миллионами и миллиардами,  по форме напоминают шар, из  которого выброшены два или четыре огромных закрученных рукава.