Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Звезды и их эволюция
|
|
Мы состоим из пепла погасших звезд
А.Эддингтон.
Звезды – основные поставщики вещества во Вселенной. Общее количество звезд во Вселенной оценивается как 1022, звезды содержат порядка 99% видимого вещества. Каждая звезда, видимая на небе, представляет собой огромный самосветящийся газовый шар. Во внутренней области звезды протекают различные ядерные реакции, главным образом «перегорание водорода в гелий». Под этим перегоранием понимают реакцию ядерного синтеза ядер водорода с образованием ядер гелия. Такая реакция возможна только при температуре порядка 15 млн. градусов К0. Наружные слои звезды много холоднее. Под действием гравитации любая звезда стремится сжаться, однако давление излучения, идущее от зоны ядерных реакций препятствует такому сжатию. Образующееся динамическое равновесие способно длиться достаточно долго, однако не бесконечно.
Механизм эволюции звезд и их структура сравнительно хорошо изучены. Одним из пионеров, «заглянувших во внутренний мир звезды» стал Артур Эддингтон[80]. Приняв во внимание уравнение Эйнштейна (Е=mc2 ) и зная что звезды состоят из водорода и гелия, он пришел к справедливому выводу, что именно объединение четырех ядер водорода в ядро гелия служит источником энергетики звезд[81]. Эддингтон вычислил внутреннюю температуру звезды и рассмотрел звезду как плазменный шар, находящийся в динамическом равновесии, что открыло дорогу к пониманию эволюции звезд.
По современным представлениям эволюция звезды начинается с уплотнения и, вызываемого этим, разогрева газового облака. Когда температура в центральной части сгущающегося облака достигает пороговой величины, вспыхивают ядерные реакции. Мощная взрывная волна рассеивает остатки газа – молодая звезда вступает в жизнь. Приблизительно так зажглось и наше Солнце. Вспыхнув Солнце долго еще будет находиться в равновесии: по современным оценкам оно продлится порядка 10 млрд. лет. В настоящий момент возраст Солнца оценивается в 5 млрд. лет, это обозначает, что Солнце прожило половину отведенного ему равновесного состояния. По мере выгорания водорода будет расширяться гелиевое ядро Солнца, температура в нем будет увеличиваться, общая температура будет возрастать. Наружные слои Солнца будут расширяться и, постепенно увеличиваясь в размерах, Солнце расширится почти до орбиты Земли[82].
Когда температура гелиевого ядра Солнца достигнет 100 млн. градусов начнется цепная ядерная реакция «перегорания гелия в азот». Это приведет к гигантскому взрыву. Равновесие Солнца нарушится: ядерные реакции прекратятся. К этому моменту Солнце будет так велико, что катастрофа в его ядре не сразу скажется на его поверхности. Без притока ядерной энергии оболочка Солнца начнет остывать и сжиматься. Это приведет к новому разогреву и новым ядреным реакциям с участием гелия и водорода. Оболочка Солнца расширится и постепенно, оторвавшись от звезды, улетит в пространство. Температура поверхности Солнца резко возрастет, составив приблизительно 50 тыс. С0. Массы Солнца не хватит на разогрев углерода и кислорода до температуры их ядерного горения. Поэтому Солнце постепенно остынет, превратившись в белый карлик, – звезду с высокой плотностью (несколько тонн на см3.), малой светимостью, достаточно высокой температурой. Структура белых карликов удивительна: из-за большого давления электроны срываются со своих атомных оболочек и образуют нечто вроде электронного супа, в котором плавают ядра атомов. В таком состоянии Солнце будет находиться достаточно долго, постепенно остывая.
Эволюция звезд существенным образом зависит от их массы. Если масса звезды больше 1, 4 солнечных масс, то белый карлик не будет являться конечным пунктом их эволюции. Индийский ученый Субраманьян Чандрасекар установил, что в этом случае сжатие звезды продолжится.
Для простоты можно рассмотреть эволюцию звезды с массой в 10 раз больше солнечной. Такая звезды не переживет гелиевой вспышки, а внутри нее будут образовываться все более горячие слои горящих элементов: углерод, неон, магний, кремний, сера, никель до железа. Когда в сердце такой звезды образуется железное ядро, горение в нем прекращается. Однако температура и давление таковы, что электроны оказываются вдавленными в протоны, в результате образуются нейтроны. Сжатие ядра стремительно продолжается, а наружу выбрасывается колоссальное количество тепловой энергии и нейтрино. За считанные доли секунды развивается мощнейший взрыв. Это явление – самое грандиозное из всех космических катаклизмов, когда-либо наблюдавшихся человечеством. Оно получило название взрыв сверхновой [83]. В ходе взрыва вещество звезды рассеивается, так Вселенная обогащается химическими элементами. Предполагается, что вещества тяжелее железа рождаются непосредственно в ходе взрыва сверхновых. На месте бывшей звезды образуется планетарная туманность.
В результате гравитационного сжатия потерявших динамическую устойчивость звезд могут образовываться так называемые нейтронные звезды. Если масса коллапсирующей[84] звезды превосходит массу Солнц более чем в 1, 4 раза, но не превышает 3, 5 солнечных масс в результате взрыва может образоваться нейтронная звезда. В 1933 году американский ученый Франц Цвики предположил существование таких звезд, некоторые аспекты их существования были уточнены российским академиком Львом Ландау и видным американским ученым Робертом Опенгеймером. Существование нейтронных звезд было подтверждено только в 1968 году в результате работы Джослин Белл, зафиксировавшей периодические всплески радиоизлучения. Анализ радиоимпульсов показал, что они могут принадлежать пульсарам – быстро вращающимся нейтронным звездам. Размеры нейтронных звезд невелики – от 15 до 30 км в диаметре, но плотность их огромна – 1015г/см3. Температура достигает 1млрд. С0. Вследствие громадного давления электроны оказываются втиснутыми в протоны ядер, образующееся нейтронное вещество характеризуется громадной плотностью, недостижимой для нормальных атомных состояний[85].
Если масса уцелевшей от коллапса звезды превысит солнечную более чем в 3, 2 раза, то ее гравитационное сжатие продолжится бесконечно, что приведет к образованию одного из самых странных космологических объектов – черной дыры. Свое образное название черные дыры получили вследствие полного замыкания вокруг них пространства. Гигантские силы тяготения не позволяют ни одному материальному телу покинуть область черных дыр, даже свет не в состоянии преодолеть гравитационное притяжение. Идея существования черных дыр насчитывает уже более 200 лет. Впервые предположение об их существовании в 1784 г высказал английский астроном Джон Митчелл. Существование черных дыр непосредственно вытекает из ОТО А.Эйнштейна: пространство образует замкнутую (отделенную от всей остальной Вселенной) область при большом, но конечном, значении тяготеющей массы. Если всю массу Солнца втиснуть в диаметр 3 км, то в рамках этого радиуса образуется черная дыра, то же самое произойдет и с Землей, если ее массу сконцентрировать в области с диаметром 0, 8 см.
Начав коллапс, звезда значительной массы продолжит свое собственное сжатие до бесконечности, при этом она пройдет то, что называется горизонтом событий. Горизонт событий – это граница, где пространство черной дыры отделено от остальной Вселенной. Такое сжатие произойдет практически мгновенно. Если смоделировать такое событие, растянув его во времени, то можно увидеть, как, начав сжиматься, звезда постепенно покраснеет и вскоре вообще исчезнет из поля нашего наблюдения.
Схема образования черной дыры
Сжатие звезды продолжиться и за горизонтом событий, пока звезда не сожмется до нулевого объема. Согласно общей теории относительности за горизонтом событий пространство и время меняются ролями: в нашем мире мы можем перемещаться в пространстве в любом направлении, но не во времени. За горизонтом событий любое тело будет сжиматься в сингулярность, однако можно будет управлять временем. Область за горизонтом событий оказывается отгороженной от остальной Вселенной; связанное с сильнейшим тяготением черной дыры искривленное пространство, должно напоминать «кротовую нору» выход из которой возможен в другие Вселенные или в отдаленные области нашей Вселенной. Некоторые исследователи высказывают предположение о том, что колоссальная энергия квазаров связана с черными дырами.
Черные дыры – одни из самых удивительных объектов современной космологии. Размеры черных дыр могут быть различными: от массы целой галактики 1044г до 10-5г. Время жизни черной дыры пропорционально кубу ее радиуса, откуда следует, что массивные черные дыры, образовавшиеся на заре эволюции Вселенной, могут существовать и в настоящее время. Как показывает квантовая теория, черные дыры могут испаряться. Это испарение связано с рождением из вакуума пар частиц под действием гравитации черной дыры на границе горизонта событий. Время испарения черной дыры колоссально: для массивных черных дыр 1096лет, что выглядит как вечность даже в масштабах времени космологической эволюции.
В принципе черные дыры могут быть обнаружены, невзирая на то, что ни один физический процесс внутренней области черной дыры не может оказать влияние на процессы во Вселенной. Обнаружение возможно по поведению движущихся тел, оказавшихся в непосредственной близости от черной дыры. В некоторых случаях произойдет так называемый гравитационный захват. Это обозначает, что тело сделает несколько витков вокруг дыры, прежде чем сможет продолжить свое движение в пространстве. Гравитационный захват может сопровождаться и гравитационным удержанием: в этом случае тело останется на орбите вокруг дыры и будет постепенно втянуто в нее. Если втягиваемым веществом является межзвездный газ, то молекулы последнего будут сильно разгоняться при падении в черную дыру, соответственно излучая электромагнитную энергию в радио и рентгеновском диапазонах. Это свойство позволяет предположительно видеть в рентгеновском источнике Лебедь Х-1 – черную дыру.
|
|