Эволюция звезд

Эволюция звезд

Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и, наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы  уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к  появлению ярких звёзд на нашем  ночном небосводе.

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных  газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области  неба, входящей в состав Большой  Туманности Ориона, где в течение  нескольких лет появилось небольшое  скопление звёзд. На снимках 1947г. в  этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые  из них стали продолговатыми, а  к 1959г. эти продолговатые образования  распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально  на глазах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут  рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными  рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или  звёздных скоплениях, оказались справедливыми.

Каков же механизм их возникновения? Почему за многие годы астрономических  визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось  увидеть "материализацию" звёзд? Рождение звезды не может быть исключительным событием : во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления  этих тел.

В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие  чёрные пятнышки неправильной формы, или  глобулы, представляющие собой массивные  скопления пыли и газа. Они выглядят чёрными, так как не испускают  собственного света и находятся  между нами и яркими звёздами, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд. Размеры глобул огромны - до нескольких световых лет в поперечнике. Несмотря на то, что вещество в этих скоплениях очень разрежено, общий объём их настолько велик, что его вполне хватает для формирования небольших скоплений звёзд, по массе близких к Солнцу. Для того чтобы представить себе, как из глобул возникают звёзды, вспомним, что все звёзды излучают и их излучение оказывает давление. Разработаны чувствительные инструменты, которые реагируют на давление солнечного света, проникающего сквозь толщу земной атмосферы. В чёрной глобуле под действием давления излучения, испускаемого окружающими звёздами, происходит сжатие и уплотнение вещества. Внутри глобулы гуляет "ветер", разметающий по всем направлениям газ и пылевые частицы, так что вещество глобулы пребывает в непрерывном турбулентном движении.

Глобулу можно рассматривать как  турбулентную газово-пылевую массу, на которую со всех сторон давит  излучение. Под действием этого  давления объём, заполняемый газом  и пылью, будет сжиматься, становясь, всё меньше и меньше. Такое сжатие протекает в течение некоторого времени, зависящего от окружающих глобулу  источников излучения и интенсивности  последнего. Гравитационные силы, возникающие  из-за концентрации массы в центре глобулы, тоже стремятся сжать глобулу, заставляя вещество падать к её центру. Падая, частицы вещества приобретают  кинетическую энергию и разогревают  газово-пылевое облако.

Падение вещества может длиться  сотни лет. Вначале оно происходит медленно, неторопливо, поскольку гравитационные силы, притягивающие частицы к  центру, ещё очень слабы. Через  некоторое время, когда глобула  становится меньше, а поле тяготения  усиливается, падение начинает происходить  быстрее. Но, как мы уже знаем, глобула  огромна, не менее светового года в диаметре. Это значит, что расстояние от её внешней границы до центра может превышать 10 триллионов километров. Если частица от края глобулы начнёт падать к центру со скоростью немногим менее 2км/с, то центра она достигнет только через 200 000 лет. Наблюдения показывают, что скорости движения газа и пылевых частиц на самом деле гораздо больше, а потому гравитационное сжатие происходит значительно быстрее.

Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии  в тепловую. В результате температура  глобулы возрастает. Глобула становится протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц перешла в тепло, нагрела пыль и газ.

В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения  приходится на далёкую инфракрасную область. Звезда ещё не родилась, но зародыш её уже появился. Астрономам пока неизвестно, сколько времени  требуется протозвезде, чтобы достигнуть той стадии, когда она начинает светиться как тусклый красный  шар и становится видимой. По различным  оценкам, это время колеблется от тысяч до нескольких миллионов лет. Однако, помня о появлении звёзд  в Большой Туманности Ориона, стоит, пожалуй, считать, что наиболее близка к реальности оценка, которая даёт минимальное значение времени.

Здесь мы должны сделать небольшое  отступление, с тем, чтобы тщательно  рассмотреть некоторые детали, связанные  с рождением звезды, и оценить  их воздействие на её дальнейшую судьбу. Звёзды рождаются с самыми различными массами. Кроме того, они могут  обладать самым разным химическим составом. Оба эти фактора оказывают  влияние на дальнейшее поведение  звезды, на всю её судьбу. Чтобы лучше  в этом разобраться, выйдем из дома и взглянем на ночное небо.

С вершины горы, вдали от мешающего  нам городского света, мы увидим на небе, по крайней мере, 3000 звёзд. Наблюдатель  с очень острым зрением при  идеальных атмосферных условиях увидит в полтора раза больше звёзд. Одни из них удалены от нас на тысячу, другие - всего на несколько  световых лет. Попытаемся теперь разместить все эти звёзды на диаграмме, на которой каждая звезда характеризуется двумя физическими величинами: температурой и светимостью. Разместив все 3000 звёзд, мы обнаружим, что самые яркие из них одновременно оказываются и самыми горячими, а самые слабые - самыми холодными. При этом заметим, что подавляющее большинство звёзд располагается вдоль наклонной линии, которая тянется из верхнего левого угла графика в нижний правый (если, как это традиционно принято, ось температур направить влево, а ось светимостей - вверх.) Это нормальные звёзды, и их распределение называют "главной последовательностью". Полученная диаграмма называется диаграммой Герцшпрунга - Рассела, в честь двух выдающихся астрономов, впервые установивших эту замечательную зависимость. В ней важную роль играет масса звезды. Если масса звезды велика, последняя при рождении попадает на верхнюю часть главной последовательности, если масса мала, то звезда оказывается в нижней её части.

Продолжительность жизни звезды зависит  от её массы. Звёзды с массой меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного "топлива" и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд, подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,2 масс Солнца, постепенно расширяются  и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остаётся маленький и горячий белый  карлик.

Белые карлики.

Белые карлики - одна из увлекательнейших тем в истории астрономии: впервые  были открыты небесные тела, обладающие свойствами, весьма далёкими от тех, с  которыми мы имеем дело в земных условиях. И, по всей вероятности, разрешение загадки белых карликов положило начало исследованиям таинственной природы вещества, запрятанного где-то в разных уголках Вселенной.

Во Вселенной много белых  карликов. Одно время они считались  редкостью, но внимательное изучение фотопластинок, полученных в обсерватории Маунт-Паломар (США), показало, что их количество превышает 1500. Удалось оценить пространственную плотность белых карликов: оказывается, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких  звёзд. История открытия белых карликов восходит к началу 19в, когда Фридрих  Вильгельм Бессель, прослеживая  движение наиболее яркой звезды Сириус, открыл, что её путь является не прямой линией, а имеет волнообразный  характер. Собственное движение звезды происходило не по прямой линии; казалось, что она едва заметно смещалась  из стороны в сторону. К 1844г., спустя примерно десять лет после первых наблюдений Сириуса, Бессель пришёл к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, которая, будучи невидимой, оказывает на Сириус гравитационное воздействие; оно обнаруживается по колебаниям в движении Сириуса. Ещё  более интересным оказалось то обстоятельство, что если тёмный компонент действительно  существует, то период обращения обеих  звёзд относительно их общего центра тяжести равен приблизительно 50 годам.

Перенесёмся в 1862г. и из Германии в  Кембридж, штат Массачусетс (США). Алвану Кларку, крупнейшему строителю телескопов в США, Университетам штата Миссисипи  было поручено сконструировать телескоп с объективом диаметром 18,5 дюйма (46 см), который должен был стать  самым большим телескопом в мире. После того как Кларк закончил обработку линзы телескопа, нужно  было проверить, обеспечена ли необходимая  точность формы её поверхности. С  этой целью линзу установили в  подвижной трубе и направили  на Сириус - самую яркую звезду, являющуюся лучшим объектом для проверки линз и выявления их дефектов. Зафиксировав положение трубы телескопа, Алван  Кларк увидел слабый “призрак”, который  появился на восточном краю поля зрения телескопа в отблеске Сириуса. Затем, по мере движения небосвода, в поле зрения попал и сам Сириус. Его  изображение было искажено - казалось, что “призрак” представляет собой дефект линзы, который следовало бы устранить, прежде чем сдать линзу в эксплуатацию. Однако эта возникшая в поле зрения телескопа слабая звёздочка оказалась компонентом Сириуса, предсказанным Бесселем. В заключение следует добавить, что из-за начавшейся первой мировой войны телескоп Кларка так никогда и не был отправлен в Миссисипи - его установили в Дирбоновской обсерватории, вблизи Чикаго, а линзу используют, по сей день, но на другой установке.

Таким образом, Сириус стал предметом  всеобщего интереса и многих исследований, ибо физические характеристики двойной  системы заинтриговали астрономов. С учётом особенностей движения Сириуса, его расстояние до Земли и амплитуды  отклонений от прямолинейного движения астрономам удалось определить характеристики обеих звёзд системы, названых Сириус А и Сириус В. Суммарная масса  обеих звёзд оказалась в 3,4 раза больше массы Солнца. Было найдено, что расстояние между звёздами почти  в 20 раз превышает расстояние между  Солнцем и Землёй, то есть примерно равно расстоянию между Солнцем  и Ураном; полученная на основании  измерения параметров орбиты масса  Сириуса А оказалась в 2,5 раза больше массы Солнца, а масса Сириуса  В составила 95% массы Солнца. После  того как были определены светимости обеих звёзд, обнаружилось, что Сириус А почти в 10 000 раз ярче, чем  Сириус В. По абсолютной величине Сириуса  А мы знаем, что он примерно в 35,5 раза светит сильнее Солнца. Отсюда следует, что светимость Солнца в 300 раз превышает  светимость Сириуса В.

Светимость любой звезды зависит  от температуры поверхности звезды и её размеров, то есть диаметра. Близость второго компонента к более яркому Сириусу А чрезвычайно осложняет  определение его спектра, что  необходимо для установки температуры  звезды. В 1915г. с использованием всех технических средств, которыми располагала  крупнейшая обсерватория того времени  Маунт-Вилсон (США), были получены удачные  фотографии спектра Сириуса. Это привело к неожиданному открытию: температура спутника составляла 8000 К, тогда как Солнце имеет температуру 5700 К. Таким образом, спутник в действительности оказался горячее Солнца, а это означало, что светимость единицы его поверхности также больше.

В самом деле, простой расчёт показывает, что каждый сантиметр этой звезды излучает в четыре раза больше энергии, чем квадратный сантиметр поверхности  Солнца. Отсюда следует, что поверхность  спутника должна быть в 300´4 раз меньше, чем поверхность Солнца, и Сириус В должен иметь диаметр около 40 000 км. Однако масса этой звезды составляет 95% от массы Солнца. Этот значит, что  огромное количество вещества должно быть упаковано в чрезвычайно  малом объёме, иначе говоря, звезда должна быть плотной. В результате несложных  арифметических действий получаем, что  плотность спутника почти в 100 000 раз превышает плотность воды. Кубический сантиметр этого вещества на Земле весил бы 100 кг, а 0,5 л такого вещества - около 50 т.

Такова история открытия первого  белого карлика. А теперь зададимся  вопросом, каким образом вещество можно сжать так, чтобы один кубический сантиметр его весил 100 кг?

Когда в результате высокого давления вещество сжато до больших плотностей, как в белых карликах, то вступает в действие другой тип давления, так называемое “вырожденное давление”. Оно появляется при сильнейшем сжатии вещества в недрах звезды. Именно сжатие, а не высокие температуры является причиной вырожденного давления. Вследствие сильного сжатия атомы оказываются  настолько плотно упакованными, что  электронные оболочки начинают проникать  одна в другую.

Гравитационное сжатие белого карлика  происходит в течение длительного  времени, и электронные оболочки продолжают проникать друг в друга  до тех пор, пока расстояние между  ядрами не станет порядка радиуса  наименьшей электронной оболочки. Внутренние электронные оболочки представляют собой непроницаемый барьер, препятствующий дальнейшему сжатию. При максимальном сжатии электроны уже не  связаны с отдельными ядрами, а свободно движутся относительно них. Процесс отделения электронов от ядер происходит в результате ионизации давлением. Когда ионизация становится полной, облако электронов движется относительно решётки из более тяжёлых ядер, так что вещество белого карлика приобретает определённые физические свойства, характерные для металлов. В таком веществе энергия переносится к поверхности электронами, подобно тому, как тепло распространяется по железному пруту, нагреваемому с одного конца.

Но электронный газ проявляет  и необычные свойства. По мере сжатия электронов их скорость всё больше возрастает, потому что, как мы знаем, согласно фундаментальному физическому  принципу, два электрона, находящиеся  в одном элементе фазового объёма, не могут иметь одинаковые энергии. Следовательно, чтобы не занимать один и тот же элемент объёма, они  должны двигаться с огромными  скоростями. Наименьший размер допустимого  объёма зависит от диапазона скоростей  электронов. Однако в среднем, чем  ниже скорость электронов, тем больше тот минимальный объём, который  они могут занимать. Иными словами, самые быстрые электроны занимают наименьший объём. Хотя отдельные электроны  носятся со скоростями, соответствующими внутренней температуре порядка  миллионов градусов, температура  полного ансамбля электронов в целом  остаётся низкой.