Эволюция звезд

 
Рис. 1. Шкала электромагнитных волн и "окна прозрачности" земной атмосферы.

Разлагают свет в спектр спектральные приборы, важнейшая деталь которых-стеклянная призма или дифракционная  решетка. Свет в призме преломляется, причем лучи с большей длиной волн отклоняются от первоначального  направления меньше, чем лучи с короткой длиной волны. Разделившиеся лучи попадают в зрительную трубу или фотокамеру.

Спектральные исследования небесных тел основаны на законах  излучения. При разогревании тел  повышается их температура. У твердых  тел она представляет собой меру колебательной энергии их атомов, а у жидких и газообразных - меру кинетической энергии свободных атомов и молекул. У нагретых твердых и жидких тел излучение имеет плавный, непрерывный по длинам волн спектр. Яркость того или иного участка спектра характеризует количество излучаемой телом энергии на этой длине волны. Например, у тел, нагретых до 4000 К, наиболее ярким будет красный участок спектра, а по мере дальнейшего повышения температуры ярче его становятся последовательно другие участки спектра. У тел, нагретых выше 7000 К, излучение всего ярче в ультрафиолетовых лучах. Глаз не различает эти лучи, зато их чувствуют фотоэлементы и фотоэмульсии. Например, обычные фотопластинки воспринимают излучения с длинами волн от 2000 . Но имеются специальные сорта фотопластинок и так называемые фотосопротивления, которые воспринимают инфракрасные излучения, а еще более длинноволновые излучения измеряются термоэлементами и радиоприемными аппаратами.

Сплошные спектры излучают только твердые и жидкие накаленные тела. У газообразных тел спектры  совсем иного характера. Дело в том, что нагретой газ излучает свет в  узких участках спектра, имеющих вид ярких линий, называемых спектральными. Это очень важное свойство спектров газов, позволившее разносторонне исследовать газообразные небесные тела - звезды, туманности и атмосферы планет.

Почему газы излучают спектральные линии, объяснила квантовая теория излучения. Атомы поглощают и отдают (излучают) энергию строго определенными порциями (квантами). Чем больше порция, тем в более возбужденном состоянии оказывается атом, поглотивший энергию. Сам атом, как известно из физики, представляет собой систему, состоящую из ядра и облака электронов. Процесс поглощения порции энергии состоит в том, что ее получает один самый удаленный от ядра электрон. Чем больше квант энергии, тем независимее ведет себя этот электрон по отношению к атому. Тот и другой находятся, как говорят, в возбужденном состоянии. Если квант, захваченный электроном, достаточно велик, то электрон может совсем оторваться от атома: происходит ионизация. Атом, потеряв электрон, становится положительно заряженным ионом (один раз ионизованным), а электрон - свободным. В остальных случаях энергии кванта на ионизацию атома не хватает и через считанные доли секунды атом (его электрон) отдает порцию энергии в виде излучения. Энергия может отдаваться одной большой порцией или несколькими малыми, которым соответствуют определенные длины волн, т. е. спектральные линии. Эти линии мы и исследуем в спектрах газообразных тел.

Распределение энергии излучения по непрерывному спектру и его зависимость от температуры излучающего тела устанавливаются законом Планка. График выражаемой им зависимости для нескольких температур и график распределения энергии в спектре Солнца приведены рис. 2. С законом Планка тесно связан закон Стефана, определяющий соотношение между температурой источника и полным количеством энергии, проходящим через квадратный сантиметр его излучающей поверхности (эта величина носит название полного потока излучения). Полный поток излучения согласно закону Стефана пропорционален четвертой степени температуры излучающего тела.

 
Рис. 2. Ход интенсивности планковского (теплового) излучения по спектру для четырех температур и для излучения по спектру Солнца. Стрелками обозначены максимумы интенсивности (по вертикали - относительная интенсивность).

Но действительные закономерности излучения небесных светил более сложны, чем закон Планка. Во внутренних слоях звезд этот закон соблюдается неуклонно, но излучение оттуда к нам прямо не приходит, а поглощается атомами наружных слоев звезды. Величина же этого поглощения в сильной степени зависит от химического состава и температуры излучающих слоев звезды. И хотя распределение по спектру выходящей из звезды энергии отличается от закона Планка, мы можем по нему найти значение полного потока излучения и с помощью закона Стефана вычислить соответствующую этому потоку температуру. Эта температура носит название эффективной температуры и характеризует нагрев излучающей звездной поверхности.

Еще один важный закон  связывает излучение и поглощение света газами. Если газ поместить  перед более горячим источником с непрерывным спектром излучения, то на фоне яркого сплошного спектра появятся темные спектральные линии поглощения нашего газа - те же самые, что ранее были видны в спектре газа как яркие спектральные линии (закон Кирхгофа). Поэтому обнаружение тех или иных линий поглощения в спектре звезды указывает на присутствие в ней химических элементов, которым они принадлежат. Правда, отсутствие спектральных линий того или иного элемента еще не означает, что его нет в звездной оболочке. Просто в звезде могут быть такие условия, что линии элемента весьма слабы и поэтому незаметны.

С помощью закона Кирхгофа астрономы анализируют строение звездных оболочек и их химический состав.

Интенсивность спектральных линий поглощения зависит не только от числа атомов данного элемента, но и от температуры и плотности  слоев звездной атмосферы, где они  образуются. По интенсивности линий  можно установить, поэтому температуру, плотность и другие характеристики звездных атмосфер.

Очень важную роль в спектральном анализе играет эффект Доплера. Он заключается  в том, что если источник излучения  движется к нам, то длины волн спектральных линий в его спектре уменьшаются, а если удаляется, то увеличиваются. Смещение спектральных линий, таким образом, характеризует скорость движения источника по направлению луча зрения. Эту скорость называют лучевой скоростью светила . Выраженная в километрах в секунду, она пропорциональна смещению длины волны наблюдаемой линии по сравнению с ее длиной волны в неподвижном источнике:

 
где с - скорость света.

Используя эффект Доплера, астрономы измерили тысячи лучевых  скоростей звезд, газовых туманностей  н их деталей, внегалактических объектов, выяснили закономерности движений звезд  и вращения звездных систем, нашли  массы звездных скоплений и галактик. Кроме того, исследование лучевых скоростей далеких галактик играет важную роль в изучении общих закономерностей Вселенной в целом.

По характеру спектров звезды делятся на спектральные классы (рис. 3), которые различаются между  собой интенсивностями важнейших спектральных линий поглощения. Каждый класс подразделяется на десять подклассов, и все вместе они образуют сплошную последовательность от класса 05 до класса М9, вдоль которой вместе с изменением интенсивности линий изменяются также и эффективные температуры, цвет и ряд других физических характеристик звезд.

 

Рис. 3. Спектры звезд основных спектральных классов. 
Отмечены характерные спектральные линии водорода (

, , ), не ионизованного и ионизованного кальция (СаI и СаII) и полосы окиси титана (ТiO). Резкие линии СаII в спектре горячей звезды класса O6 имеют межзвездное происхождение и не относятся к атмосфере звезд>.

Звезды классов O, B и A называют горячими, F и G-звездами класса Солнца, а K и M-холодными.

Линии многих ионизованных элементов в спектрах звезд оказываются  чувствительными к степени разреженности  звездных атмосфер, поэтому они интенсивнее  в разреженных атмосферах звезд, являющихся по размерам сверхгигантами. На этом основано определение размеров и мощности излучения звезд по их спектрам.

В табл. 1 даны характеристики спектров звезд основных классов, знакомство с которыми мы продолжим далее.

 

Таблица 1. Характеристики звезд главных спектральных классов
Спектральный класс	Цвет звезды	Температура поверхности, K	Наиболее заметные детали в спектре звезды
O	Голубой	45000	Линии ионизованного  гелия
B	Голубовато-белый	30000	Линии нейтрального гелия
A	Белый	11000	Линии водорода
F	Светло-желтый	7500	Линии водорода и ионизованного кальция
O	Желтый	6000	Те же
K	Оранжевый	5000	Линии ионизованного  кальция
M	Красный	3600	Полосы окиси титана

 

 

Планетообразование

 

За свою жизнь звезда обязательно будет несколько  раз взрываться. Это закономерные эволюционные взрывы. Каков механизм, проводящий звезду к этой нестабильности (взрыву), пока не ясно. Но будем пока временно считать, что звезда взрывается при переходе из одного спектрального класса в другой. Хотя это и не так. Взрывов за время существования звезды (пока не остынет поверхность) будет несколько. Астрономы принимают эти взрывы за кончину звезды и называют это явление вспышка сверхновой. Частота вспышек сверхновых в нашей галактике 20 в год.

Можно только предположить, что количество взрывов у звезды более, чем количество спектральных классов, однако эта связь не просматривается. С каждым взрывом в космическое пространство выбрасывается материя. Она остывает, и из нее формируются кометы (первый взрыв) и планеты (все последующие взрывы). Первый взрыв самый мощный. Сила взрывов, последующих ха первым, убывает. Материя каждый раз выбрасывается все на меньшее расстояние. Орбиты формирующихся планет оказываются внутри предыдущих.

Рассмотрим конкретно первый взрыв. Звезда, когда в ней начался  термоядерный синтез, состояла на 100% из водорода. К моменту взрыва часть водорода превратилась в гелий, а также в значительно меньших количествах, элементы второго периода таблицы Менделеева. При взрыве вещество звезды выбрасывается в космическое пространство. Со временем вещество остывает. При остывании образуются различные химические соединения. Все элементы и их химические соединения в основном газообразные вещества. При остывании твердыми окажутся только Н2О (лед) и литий. Таким образом, в основании, изо льда будут формироваться кометы. Правда, там будут вкрапления лития и других твердых веществ. Остальные элементы и их химические соединения рассеются в околозвездном пространстве, сохранив свои пропорции. Состав распыленного около звезд вещества следующий; около 75% водорода, около 24% гелия и около 1% других легких элементов и их соединений. Этот состав околозвездного вещества пополняется в основном за счет первого взрыва звезды, а также звездного ветра. Первые взрывы звезд и звездных ветер – основные поставщики вещества в околозвездное пространство – объясняют наличие и происхождение в космическом пространстве водорода, гелия и других легких элементов в данном (существующем) соотношении.

Кометы – это глыбы льда, которые  вращаются вокруг звезды. У Солнца кометная группа (семейство) называется Облако Орта. Считается, что оно находится на расстоянии 10 4 -105 а.е.от Солнца и содержит около 1011 кометных ядер. Размеры ядер от 0,5 до 20 км. Общая масса кометного вещества 1011 – 1016 кг. Иногда кометы изменяют маршрут и подлетают близко к Солнцу. При подлете к самой ближайшей точке (перигелий) к Солнцу лед испаряется. Звездный ветер разворачивает эти испарения в противоположную сторону от Солнца. Это явление мы наблюдаем как хвост кометы. Постепенно массы комет с течением времени убывают. Подсчитано, что период полураспада комет составляет 1 млрд лет.

Кометные группы (семейства) есть у  всех звезд, в том числе и у  ближайших к нам остывших Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Плотность комет около 1 г/см3. До первого взрыва звезды температура поверхности была максимальной от 50000 К до 30000 К, соответственно этой температуре звезда находилась в спектральном классе О. После взрыва звезда перейдет в спектральный класс В с температурой поверхности от 30000 К до 12000К. К моменту второго взрыва в результате термоядерного синтеза внутри звезды помимо гелия и элементов второго периода таблицы Менделеева в незначительных количествах (конечно к массе самой звезды) образовались элементы третьего периода. При втором взрыве звезды элементы третьего периода и их химические соединения будут являться основным строительным материалом для образования планеты. Однако плотность образующейся планеты будет минимальной из всех последующих. Время образования планет и комет из выброшенной материи звезды – не одна сотня миллионов лет. Форма образующейся планеты будет правильной – близкой к эллипсоиду вращения. Поверхность будет твердой, поверхностью могут быть моря или океаны жидкости. В частности, например, воды. Если объект достаточно массивный, у него, возможно, будет атмосфера. После второго взрыва звезда перейдет из спектрального класса В в спектральный класс А с температурой поверхности от 12000 К до 7600К.

В активной зоне звезды в результате термоядерного синтеза уже будут  образовываться как элементы третьего, так и элементы четвертого периодов таблицы Менделеева. Эти элементы и их химические соединения будут являться строительным материалом для образования следующей второй планеты. Так от взрыва к взрыву будет протекать в звезде процесс термоядерного синтеза с увеличением количества все более «тяжелых» элементов. При каждом последующем взрыве вещество, выброшенное звездой, будет все разнообразней и более плотным. Точно сказать из 0за чего и когда наступит очередная нестабильность у звезды и произойдет взрыв, пока не удается.

Все, что описано, это теоретические  предположения, основанные на наблюдениях  и размышлениях. Однако почему мы останавливаемся  именно на них? Они лучше других объясняют  взаимосвязь между всеми явлениями. Рассмотрим, например, описанный нами процесс планетообразования на спутникх Юпитера. Из вещества, выброшенного взрывами Юпитера, образовались следующие объекты:

- от первого взрыва  образовались кометы группы (семейства)  Юпитера, с удельной плотностью  р меньше 1 г/см3,

- от второго взрыва  образовался спутник Каллисто с удельной плотностью р= 1,86 г/см3 и удалением R=1883*103 км,

- от третьего взрыва  образовался спутник Ганимед  с удельной плотностью р=1,94 г/см3 и удалением R= 1070*103 км,