Внутрішня будова зір

Аналізуючи найважливіші характеристики зір, зіставляючи їх одна з одною, вчені змогли встановити і те, що недоступно прямим спостереженнями: як влаштовані зорі, як вони утворюються і змі­нюються протягом життя, на що перетворюються, витративши за­паси своєї енергії.

У Всесвіті постійно народжуються нові зорі, а старі вмирають. Щоб зрозуміти, як еволюціонує зоря, як міняються з плином часу її зовнішні параметри — розмір, світність, маса, необхідно про­аналізувати процеси, що відбуваються в надрах зорі. А для цього треба знати, як влаштовані ці надра, які їх хімічний склад, тем­пература, густина, тиск. Але для спостережень доступні лише зовнішні шари зір — їхні атмосфери. Проникнути в глиб навіть найближчої зорі — Сонця — ми не можемо. Доводиться вдавати­ся до непрямих методів: обчислень, комп’ютерного моделювання. При цьому користуються даними про зовнішні шари, відомими законами фізики і механіки, спільними як для Землі, так і для зоряного світу.

Умови в надрах зір значно відрізняються від умов в земних ла­бораторіях, але елементарні частинки — електрони, протони, ней­трони — там ті самі, що і на Землі. Зорі складаються з тих самих хімічних елементів, що і наша планета. Тому до них можна засто­совувати знання, отримані в лабораторіях.

Спостереження показують, що більшість зір стійкі, тобто вони помітно не розширюються і не стискаються протягом тривалих проміжків часу. Як стійке тіло зоря може існувати тільки в тому випадку, якщо всі внутрішні сили, що діють на її речовину, врів­новажуються.

Зоря являє собою розпечену газову кулю, а основною власти­вістю газу є прагнення розширитися і зайняти будь-який наданий йому обсяг. Це прагнення спричинене тиском газу і обумовлено його температурою і густиною. У кожній точці всередині зорі діє сила тиску газу, яка намагається розширити зорю. Але в кожній точці їй протидіє інша сила — сила тяжіння верхніх шарів, що на­магається стиснути зорю. Однак ні розширення, ні стиснення не відбувається, зоря стійка. Це означає, що обидві сили врівноважу­ють одна одну. А оскільки з глибиною вага верхніх шарів збільшу­ється, то тиск, а значить, і температура зростають до центра зорі.

Зоря випромінює енергію, яку виробляють її надра. Температура зорі розподілена так, що в будь-якому шарі в кожний момент часу енергія, що йде від нижчого шару, дорівнює енергії, що віддається шару вищому. Скільки енергії утвориться в центрі зорі, стільки ж має випромінювати її поверхня, інакше рівновагу буде порушено. Таким чином, до тиску газу додається ще й тиск випромінювання.

Промені, що випускає зоря, отримують свою енергію в над­рах, де розміщено її джерело, і просуваються через всю товщу зорі назовні, здійснюючи тиск на зовнішні шари. Температура всере­дині зорі тим нижче, чим більше концентрація частинок у газі, тобто чим менше його середня молекулярна маса. Чим більше водню і гелію порівняно з більш важкими елементами, тим нижче температура в центрі зорі. Суто водневе Сонце, наприклад, мало

б у центрі температуру 10 млн. градусів, гелієве — 26 млн. граду­сів, а те, яке повністю складається з більш важких елементів, — 40 млн. градусів.

Задля отримання уявлення про структуру зорі використову­ють метод послідовних наближень. Задаючи деяке співвідношення водню, гелію і більш важких елементів і знаючи масу зорі, обчис­люють її світність. Цю процедуру повторюють до тих пір, поки для певної суміші обчислена й отримана зі спостережень світність не збігатиметься. Такий склад і вважається близьким до реального. Виявилося, що для більшості зір на частку водню і гелію припадає не менше 98 %.

Після тривалих пошуків було встановлено, що зорі більшу час­тину свого життя світять за рахунок перетворень чотирьох ядер Гідрогену (протонів) в одне ядро Гелію. Маса чотирьох протонів більша від маси ядра Гелію, цей надлишок маси і перетворюється в енергію в термоядерних реакціях. Така реакція відбувається по­вільно і підтримує світіння зорі протягом мільярдів років.

Будова зір залежить від маси. Якщо зоря в кілька разів масив­ніша від Сонця, то глибоко в її надрах відбувається інтенсивне пере­мішування речовини (конвенція), подібно до киплячої води. Таку область називають конвективною ядром зорі. Чим більше зоря, тим більшу її частину займає конвективне ядро. Інша частина зорі збе­рігає при цьому рівновагу. Джерело енергії міститься в конвектив­ному ядрі. У міру перетворення водню в гелій молекулярна маса речовини ядра зростає, а його обсяг зменшується. Зовнішні ж об­ласті зорі при цьому розширюються, вона збільшується в розмірах, а температура П поверхні знижується. Гаряча зоря — блакитний гігант — поступово перетворюється в червоний гігант.

Будова червоного гіганта інша. Коли в процесі стиснення конвек­тивного ядра весь водень перетвориться на гелій, температура в цен­трі підвищиться до 50-100 млн градусів і почнеться горіння гелію. Він у результаті ядерних реакцій перетворюється на вуглець. Ядре палаючого гелію оточене тонким шаром палаючого водню, який над­ходить із зовнішньої оболонки зорі. Отже, у червоного гіганта два джерела енергії. Над палаючим ядром розміщена протяжна оболонка.

Разом з оболонкою у міжзоряне середовище несуться різні хі­мічні елементи, що утворилися в надрах зорі упродовж її життя. Нове покоління зір, які народжуються з міжзоряного газу, буде містити вже більше важких хімічних елементів.