Звезды и их образование

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА –  ИСТОЧНИК РОЖДЕНИЯ ЗВЕЗД

 

Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная среда, тесно  связанная со звездами: в межзвездной  среде они рождаются, а «умирая», отдают ей свое вещество. Таким образом, между звездами и межзвездной средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда —> звезды —> межзвездная среда. В ходе такого кругооборота межзвездная среда обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами. Около 85% всех химических элементов тяжелее гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд лет назад. В то время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким.

Хотя даже в мощные оптические телескопы мы видим в  нашем галактическом пространстве лишь звезды и разделяющую их темную «бездну», на самом деле межзвездное  галактическое пространство не является абсолютной пустотой, оно заполнено  материей, веществом и полем.

Межзвездная среда состоит  на 90% из межзвездного газа, который  довольно равномерно перемешан с  межзвездной пылью (около 1% массы  межзвездной среды), а также космических  лучей, пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного излучения. Проявляет себя межзвездная среда в ослаблении, рассеянии, поляризации света, поглощении света в отдельных линиях спектра, радиоизлучении, инфракрасном, рентгеновском и гамма-излучениях, через оптическое свечение некоторых туманностей и др.

Плотность межзвездной  газовой среды ничтожна. Химический состав межзвездного газа довольно хорошо исследован. Он сходен с химическим составом наружных слоев звезд.  Межзвездный газ состоит главным образом из атомов водорода (около 90% всех атомов) и гелия (около 8%); 2% представлены остальными химическими элементами (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.). Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд! В других звездных системах относительное содержание межзвездного газа меняется в довольно широких пределах.

Другая компонента межзвездной  среды – межзвездная пыль - представляет собой твердые микроскопические частицы вещества размерами меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав, они содержат водород, кислород, азот, графит, силикаты, железо, «загрязненные» льдинки и прочее. Полагают, что в малой доле космическая пыль образуется от столкновения и разрушения мелких твердых тел, но в своей основной массе она возникает, вероятно, вследствие сгущения межзвездного газа. Межзвездная пыль является причиной поглощения света в межзвездном пространстве.

Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в  молекулярном состоянии. При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью, образуя газопылевые образования, облака. Революционное значение для космохимии имело открытие в газопылевых облаках различных органических соединений — углеводородов, спиртов, эфиров, даже аминокислот и других соединений, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода. К настоящему времени в межзвездном газе открыто свыше 40 органических молекул. Чаще всего они встречаются в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества. Естественно возникает предположение, что органические молекулы из межзвездных газопылевых облаков могли способствовать возникновению простейших форм жизни на Земле.

Установлено, что пылинки  межзвездной пыли имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени «ориентируются», т.е. направления их вытянутости имеют тенденцию «выстраиваться» в газопылевом облаке более или менее параллельно. Причиной, вызывающей  ориентацию пылинок, является наличие в межзвездном пространстве очень слабых магнитных полей. 

Газопылевые облака находятся  под воздействием различных сил (гравитационных, электромагнитных, ударных  волн, турбулентности и др.), которые  либо замедляют, либо ускоряют неизбежный процесс их гравитационного сжатия и постепенного превращения в протозвезды.

Эти газопылевые облака сосредоточены преимущественно  в спиральных ветвях Галактики и  участвуют в галактическом вращении. Наиболее плотные из таких облаков  наблюдаются как темные или светлые  туманности.

Сравнительно недавно  астрономы получили ряд косвенных  доказательств наличия межзвездных  магнитных полей, связанных с  облаками межзвездного газа и движущихся вместе с ними. Межзвездные магнитные  поля играют решающую роль при образовании  плотных газопылевых облаков межзвездной среды, из которых конденсируются звезды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЕ

 

Основные фазы в эволюции звезды — ее рождение (звездообразование); длительный период (обычно стабильного) существования звезды как целостной  системы, находящейся в гидродинамическом и тепловом равновесии; и, наконец, период ее «смерти», т.е. необратимое нарушение равновесия, которое ведет к разрушению звезды или к ее катастрофическому cжатию.

Ход эволюции звезды зависит  от ее массы и исходного химического состава. Чем больше масса звезды, тем быстрее идет ее эволюция и тем короче ее «жизнь». Для звезд с массой, превышающей солнечную массу в 15 раз, время стабильного существования оказывается всего около 10 млн лет. Это крайне незначительное время по космическим меркам, ведь время, отведенное для нашего Солнца, на 3 порядка выше — около 10 млрд лет.

Звездообразование —  это процесс рождения звезд из межзвездного газа, газопылевых образований, облаков.

Звездообразование продолжается непрерывно, оно происходит и в настоящее время. Процесс звездообразования является одним из основных предметов изучения современной астрофизики.

В межзвездном облаке идет непрерывная борьба двух тенденций  — сжатия и расширения. Сжатию облака способствуют его собственная гравитация и внешние силы (например, взрывы соседних звезд), а расширению — давление газа и магнитных полей внутри облака. Обычно эта борьба заканчивается победой сил сжатия. Дело в том, что звездный свет не проникает снаружи в непрозрачное облако и не нагревает его, а инфракрасное излучение молекул и пыли легко выходит из облака и уносит тепло. В результате этого «антипарникового» эффекта в наиболее плотной части облака температура опускается почти до –270°C, и давление газа падает настолько, что равновесие сил неминуемо нарушается, и эта область начинает безудержно сжиматься. Если масса сжимающегося газа невелика, то образуется одна звезда, а если газа много, то в ходе его сжатия и фрагментации рождается группа тел — звездное скопление.

В процессе формирования каждая звезда проходит через два характерных этапа — быстрого и медленного сжатия протозвезды.

Быстрое сжатие — это  практически свободное падение  вещества протозвезды к ее центру. На этом этапе безраздельно царствует  гравитация. И хотя при сжатии газ  должен был бы нагреваться, его температура почти не меняется: избыток тепла уходит в виде инфракрасного излучения, для которого рыхлая протозвезда совершенно прозрачна. Так проходит около 100 тысяч лет, в ходе которых размер протозвезды сокращается в 100 тысяч раз, а плотность вещества возрастает в миллионы миллиардов раз — от почти полного вакуума до плотности комнатного воздуха.

Звездообразование начинается со сжатия и последующей фрагментации (под действием гравитационных сил) протяженных холодных облаков молекулярного межзвездного газа. Масса газа должна быть такой, чтобы действие сил гравитации преобладало над действием сил газового давления. При современных температурах межзвездного газа (10—30 К) его минимальная масса, которая может конденсироваться, коллапсировать, составляет не менее тысячи масс нашего Солнца. Каждый из образовавшихся фрагментов может в свою очередь разделяться на отдельные фрагменты (так называемая каскадная фрагментация). Последняя серия фрагментов и представляет собой материал, из которого непосредственно формируются звезды.

По мере сжатия в таком  фрагменте постепенно выделяются ядро и оболочка. Ядро — это центральная, более плотная и компактная часть, достигшая гидростатического равновесия. Оболочка — это внешняя, протяженная, продолжающая коллапсировать часть газопылевого фрагмента. (Из материала оболочки впоследствии при ее преобразовании в газопылевой диск могут образовываться окружающие звезду планеты.) Процесс конденсации сопровождается возрастанием магнитного поля, ростом давления газа. Долгое время оболочка остается плотной и непрозрачной, что делает рождающуюся звезду невидимой в оптическом диапазоне. (Зато ее можно зафиксировать средствами радио- и инфракрасной астрономии.) Так постепенно формируются протозвезды — грандиозные непрозрачные массы межзвездного газа со сформировавшимся ядром, в которых гравитация уравновешивается силами внутреннего давления.

И вот наступает момент, когда уплотнившаяся протозвезда  становится непрозрачной для собственного инфракрасного излучения. Отвод тепла резко снижается, а продолжающееся сжатие газа приводит к его быстрому нагреву, давление возрастает и уравновешивает силу тяжести. Теперь протозвезда может сжиматься не быстрее, чем позволяет медленное охлаждение с поверхности. Эта фаза медленного сжатия длится несколько десятков миллионов лет, но за это время размер будущей звезды уменьшается только раз в десять, а вещество сжимается примерно до плотности воды.

С образованием протозвезды  рост массы ее ядра не прекращается. Масса ядра продолжает увеличиваться за счет выпадения газа на ядро из оболочки (аккреция). Силы гравитации растут и разогревают ядро, которое претерпевает качественные изменения, в том числе возрастают его светимость и давление излучения. Затем рост ядра и конденсация газа из оболочки прекращаются. Оболочка постепенно «сдувается» излучением и рассеивается. А ядро со стороны приобретает вид звездного объекта. Этот процесс гравитационного сжатия длится относительно недолго (от сотен тысяч до нескольких десятков млн лет) и заканчивается тогда, когда температура в центре достигает тех значений (10-15 млн градусов), при которых включается другой источник энергии - термоядерные реакции: водород превращается в гелий с выделением тепла, которое компенсирует его потерю с поверхности. Сжатие при этом прекращается и процесс звездообразования завершается: протозвезда окончательно превращается в звезду.

Теория звездообразования  не только описывает его общий  ход, но и позволяет выделить факторы, которые могут замедлять или  стимулировать звездообразование. К замедляющим факторам относятся: незначительная масса протозвезды, высокая скорость вращения газопылевого облака, сильное магнитное поле и др. Стимулирующими звездообразование процессами являются: ударные волны, порожденные вспышками сверхновых звезд; ионизационные фронты; столкновение облаков; звездный ветер (поток плазмы от горячих звезд) и др. Например, если масса протозвезды очень мала (менее 0,08 массы Солнца), то ее гравитационное сжатие происходит очень медленно, а температура в ядре никогда не достигает значений, необходимых для начала термоядерной реакции. Такие протозвезды будут сжиматься очень и очень долго (время их гравитационного сжатия превышает время жизни Галактики), постепенно превращаясь в так называемые черные карлики.

Каждое поколение звёзд хранит следы тех условий, которые имели место в период их рождения. Возрасты звёзд теснейшим образом связаны с их химическим составом. В период, когда рождались первые звёзды, протогалактическое газовое облако состояло из водорода (около 75%) и гелия (около 25% по массе) и занимало, как считается, примерно сферический объём. В конце эволюции звёзды первого поколения обогащают межзвёздный газ элементами более тяжёлыми, чем водород и гелий. Поэтому звёзды, родившиеся позже, относительно богаче тяжёлыми химическими элементами.

Старые звезды (первые поколения звезд) образовывались в  основном в области галактического центра, во всем его объеме. В дальнейшем, в связи с тем, что межзвездный  газ все больше концентрировался в плоскости Галактики, звездообразование происходило и происходит сейчас в этой галактической плоскости. Плоскость Галактики - это плоскость, в которой расположен диск Млечного Пути. Самые молодые объекты Галактики располагаются в непосредственной близости к галактической плоскости. Звёзды в Галактике имеют возраст приблизительно от 15 млрд. лет (самые старые) до 100 тыс. лет и меньше. Иными словами, звездообразование происходит в Галактике и сейчас. Об этом свидетельствует присутствие массивных и горячих (молодых) звёзд спектральных классов

Звезды образуются не в одиночку, а группами, скоплениями, что является результатом гравитационной конденсации, сжатия (коллапса) громадных  объемов межзвездного газа, газопылевых  облаков. Этот процесс хорошо описывается  теорией. Кроме того, имеются многочисленные наблюдательные данные рождения звезд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

На современном этапе  эволюции Вселенной вещество в ней  находится преимущественно в  звездном состоянии. Это означает, что  большая часть вещества Вселенной  «скрыта» в недрах звезд и имеет температуру порядка десятка миллионов градусов при очень высокой плотности и физических условиях, мало отличающихся от термодинамического равновесия. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд.

Наличие звезд подчеркивает необратимость процессов эволюции вещества во Вселенной. Ведь звезды в  основном излучают за счет необратимого процесса превращения водорода в  более тяжелые элементы, прежде всего  в гелий. Постоянно накапливающиеся  во Вселенной «инертные» конечные продукты эволюции звезд – белые карлики, нейтронные звезды и, по-видимому, черные дыры, также подчеркивают необратимый характер эволюции Вселенной.

Огромное значение имеет  исследование взаимосвязи между  звездами и межзвездной средой, включающее проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся межзвездной среды.

Современная астрономия располагает большим количеством  аргументов в пользу утверждения, что  звезды образуются путем конденсации  облаков газо-пылевой межзвездной  срезы. Процесс образования звезд происходит и в настоящее время. Выяснение этого обстоятельства является одним из крупнейших достижений современной астрономии. Еще сравнительно недавно считалось, что все звезды образовались почти одновременно много миллиардов лет назад. Крушению этих метафизических представлений способствовали, прежде всего, развитие теории строения и эволюции звезд и накопленные факты наблюдательной астрономии. В результате стало ясно, что многие наблюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли уже при существовании человека на Земле.