Завершающий этап эволюции звезды

ТЕМА № 5. ВСЕЛЕННАЯ

ЛЕКЦИЯ

Понятия

Плазма, звезда, красный гигант, белый карлик, нейтронная звезда, «черная дыра», галактика, Метагалактика, «красное спектральное смещение», парсек, квазар.

Ученые

Уильям Гершель, Роберт Джулиус Трюмплер, Эдвин Хаббл, Альберт Эйнштейн, Весто Слайфер, Христиан Доплер, Георгий Антонович Гамов, Арно Пензиас, Роберт Вилсон.

Вопросы

1. Рождение и эволюция звезд.

2. Галактики.

3. Модель расширяющейся Вселенной.

4. Теория Большого взрыва.

РОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Звезда ‒ плазменный шар

Кажется, что звезд на небе – невообразимое количество. На самом деле, невооруженным глазом при самом остром зрении в самую темную ночь можно разглядеть не более 3 000 звезд, а в обоих полушариях – не более 6 000. За сотни лет наблюдений астрономы занесли в каталоги около миллиона звезд.

Чтобы понять, что такое звезда, надо вспомнить, какие существуют состояния вещества. Кроме широко известных твердого, жидкого и газообразного, вещество может находиться еще и в плазменном состоянии, когда существует множество ионов. Ион – заряженный атом. Если на внешней оболочке атома оказывается избыток или недостаток электронов, он становится ионом, соответственно, положительным или отрицательным. Итак, ион ‒ электрически заряженный атом. Если в газе содержится значительная доля ионов, он называется плазмой.

Плазма ‒ ионизированный газ, т.е. газ, в котором положительные ионы и электроны в среднем нейтрализуют друг друга.

Звезда ‒ это плазменный шар.

Источники звездной энергии

Звезды миллиарды лет выделяют в окружающее космическое пространство огромное количество энергии. Современная физика называет два возможных ее источника – гравитационное сжатие и термоядерные реакции.

Для того чтобы понять, каким образом гравитация питает звезды энергией, представим себе, например, свинцовый шарик, который мы держим на высоте H над поверхностью свинцовой плиты. На него со стороны Земли действует гравитационная сила. Шарик обладает энергией, которая в физике называется потенциальной, иными словами, запасенной. По формуле, известной из школьного курса физики, она равна

E_p = mgH,

где E_p – потенциальная энергия, m – масса шарика, g – ускорение свободного падения. Точнее, она выражает значение взаимной энергии двух тел – шарика и Земли. Если мы выпустим шарик из рук, он начнет падать, расстояние до плиты будет уменьшаться и, следовательно, будет уменьшаться его потенциальная энергия. Зато он будет набирать скорость, а значит, наращивать свою кинетическую энергию, иными словами, энергию движения. При этом сумма потенциальной и кинетической энергии – полная механическая энергия системы «Земля-шарик» ‒ будет сохраняться. Об этом говорит важнейший закон механики – закон сохранения полной механической энергии.

Когда шарик упадет на плиту, он не подлетит вверх, а несколько расплющится. Но куда делась полная механическая энергия? Она не исчезла, а перешла в другой вид энергии – во внутреннюю (иногда ее неточно называют тепловой). И шарик, и то место свинцовой плиты, куда он попал, несколько нагреются. Таким образом, гравитация привела к сближению шарика и плиты и к их нагреванию.

Рождение звезд

Представим себе в просторах космического пространства огромное облако пыли и газа, допустим, по размерам во много раз превышающее Солнечную систему. Под действием гравитационных сил частицы пыли и газа будут сгущаться и нагреваться. Подобный процесс описывал Кант в своей небулярной гипотезе. Облако может сгущаться и нагреваться миллионы лет. Когда же внутри него температура достигнет величины порядка 10 млн. К, начнутся реакции термоядерного синтеза. Наиболее распространенная из них, вероятно, ‒ реакция слияния ядер атома водорода с образованием ядер атома гелия. Ее начало будет означать рождение новой звезды. Такова одна из моделей происхождения звезд. Таким образом, гравитационное сжатие «включает» термоядерную реакцию.

Эволюция звезд

Гравитационное сжатие ‒ первый этап эволюции звезды. В его результате центральная часть звезды разогревается до температуры приблизительно 10 ‒ 15 млн. К – до начала реакции термоядерного синтеза. Ее сопровождает выделение большого количества энергии.

Молодые звезды находятся на стадии первоначального гравитационного сжатия. Они светятся за счет превращения потенциальной энергии взаимодействия частиц во внутреннюю.

Процесс эволюции звезды представляет собой противоборство двух могучих сил. Гравитационные силы взаимодействия между различными областями звезды стремятся ее сжать, поскольку это силы притяжения. Внутреннее давление препятствует этому сжатию. Оно состоит, по крайней мере, из трех компонентов. Во-первых, это давление газа. Если, например, сжимать руками резиновый мячик, то можно почувствовать давление воздуха, находящегося внутри. Во-вторых, давление света. (Вспомним давление солнечных лучей на хвост кометы). В-третьих, давление, возникающее от разлетающихся осколков термоядерных реакций. Во время слияния ядер из них вылетают нейтроны. Их потоки также оказывают давление. (Вспомним, что такое давление газа. Его молекулы соударяются со стенками сосуда. Их совокупное воздействие и есть давление газа). Взрыв термоядерной бомбы вызывает волну, которая обладает огромной разрушительной силой. Внутри звезды каждую секунду взрываются термоядерные бомбы. Но их действие сдерживают могучие гравитационные силы. Поразительно, но поединок двух равновеликих сил – совокупного внутреннего давления и гравитации – длится миллиарды лет.

Красные гиганты

Поскольку реакция термоядерного синтеза протекает в центральной области Солнца, то по мере превращения водорода в гелий в ней формируется все более возрастающее гелиевое ядро. Термоядерные реакции продолжаются, но в тонком слое вблизи поверхности этого ядра и постепенно перемещаются на периферию звезды. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта ‒выходит на завершающий этап своей жизни. Вещество звезды теряется, выбрасывается в межзвездное пространство. Всего за десять ‒ сто тысяч лет от красного гиганта остается лишь центральное гелиевое ядро.

Завершающий этап эволюции звезды

Ничто не вечно в материальном мире. Как ни велик запас водорода внутри звезды, но и он не бесконечен. Через несколько миллиардов лет весь водород превращается в гелий в результате реакции термоядерного синтеза.

Наконец, все остатки водорода превращаются в гелий, и термоядерные реакции прекращаются. Тогда значительно ослабляется внутреннее давление звезды, поскольку в него уже не входит мощная компонента ‒ воздействие частиц, которые освобождаются в ходе термоядерной реакции, прежде всего, нейтронов. Иными словами, внутри звезды прекращаются взрывы термоядерных бомб. Разумеется, это приводит к снижению внутреннего давления.

Тогда нарушается прежний баланс противодействующих сил. Гравитационные силы получают перевес над силами внутреннего давления, и этот процесс нарастает, как снежный ком. Чтобы это было проще понять, обратимся к закону всемирного тяготения:

.

Для нашего конкретного случая F – сила взаимодействия между противоположными областями звезды, которые ее сжимают, G ‒ гравитационная постоянная (она неизменна), m – масса вещества в этих областях, R – расстояние между этими областями, и оно не превышает диаметр звезды. Поскольку силы гравитации звезду сжимают, это приводит к уменьшению величины R. Эта величина находится в знаменателе, а с уменьшением знаменателя дробь возрастает, причем, R находится во второй степени. Возрастание дроби, т.е. силы F, еще больше сжимает звезду, что приводит к уменьшению ее размеров R и, соответственно, к увеличению силы F. И т.д. В течение нескольких десятков секунд ядро звезды сжимается. Этот процесс называется гравитационным коллáпсом, что означает ‒ гравитационная катастрофа.

Дальнейшая судьба звезды зависит, прежде всего, от ее массы. Наиболее вероятны три варианта завершающей стадии эволюции звезд ‒ белые карлики, нейтронные звезды и «черные дыры».

Белые карлики

Если масса звезды приблизительно 1,4 массы Солнца и менее этого, она переходит в состояние, которое называется белым карликом. Почему белый? Потому что звезда очень ярко светит. Почему карлик? Потому что звезда резко сжимается, и, следовательно, плотность ее увеличивается. Представим себе Солнце, которое сжалось до величины Земли. Плотность такой звезды будет в миллиарды раз превышать плотность воды. Вещество белого карлика ‒ очень плотный ионизированный газ. Он состоит из ядер атомов и отдельных электронов. Такой газ называется вырожденным.

Белый карлик медленно охлаждается. Его оболочка постепенно выбрасывается в пространство. Молодые белые карлики окружаются остатками оболочки, которое напоминает кольцо вокруг белой точки. Такие образования называются планетарными туманностями.

В недрах белых карликов термоядерные реакции не идут. Они могут протекать только в их атмосфере, куда проникает водород из межзвездной среды. Белые карлики светят за счет огромных запасов внутренней энергии. Они охлаждаются сотни миллионов лет. При остывании белого карлика его цвет меняется от белого к желтому, а затем ‒ к красному. Наконец, он превращается в черный карлик ‒ мертвую холодную звезду.

Судьба Солнца

В настоящее время в недрах нашего Солнца пока еще протекает ядерная реакция превращения водорода в гелий. По оценкам специалистов, его гравитационный коллапс грядет не ранее, чем через 5 млрд. лет. Солнце станет раздуваться и превращаться в красный гигант. Его внешняя оболочка достигнет орбиты Меркурия или, быть может, Венеры. Океаны на Земле испарятся, а от нее самой останутся обугленные камни.

Нейтронные звезды

Если масса звезды, которая достигла состояния гравитационного коллапса, превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то она превращается в нейтронную звезду. Весьма упрощенно можно представить, что гравитационные силы настолько велики, что они как бы «вдавливают» отрицательно заряженные электроны в положительно заряженные протоны, и в результате образуются нейтральные частицы – нейтроны. Итак, нейтронная звезда в основном состоит из нейтронов. Возникает вопрос, а какая звезда является более плотной, более плотно упакованной, белый карлик или нейтронная звезда? Вспомним, что в состав белого карлика входят положительно заряженные протоны. Одноименно заряженные частицы отталкиваются. Поэтому для сжатия белого карлика гравитационным силам приходится преодолевать электрическое отталкивание протонов. Напротив, нейтронная звезда состоит из нейтронов ‒ частиц, не имеющих электрического заряда, между которыми нет электрического отталкивания. Поэтому гравитационные силы способны нейтронную звезду сжать до более плотного состояния, чем белый карлик. Плотность нейтронной звезды даже выше, чем плотность атомных ядер ‒ 10¹⁵ г/см³. Ее температура порядка 1 млрд. градусов.

Черные дыры

Если масса коллапсирующей звезды, т.е. звезды в состоянии гравитационного коллапса, превышает 2 ‒ 3 массы Солнца, то она превращается в «черную дыру». Выясним, почему она черная и почему дыра?

На Земле любое тело, подброшенное вверх, падает под действием земного притяжения. Если же какое-то тело достигнет скорости 7,9 км/с, то оно станет искусственным спутником Земли. Эта скорость называется первой космической скоростью. Если же это значение будет превышено, тогда тело покинет пределы притяжения Земли и способно будет от нее удаляться. У «черной дыры» настолько мощная гравитация, что даже скорости света – 300 000 км/с недостаточно, чтобы ее преодолеть. «Черная дыра» не светит, поэтому так называется.

В общей теории относительности гравитация объясняется искривлением пространства. Вспомним аналогию гравитации и листа резины. Чем больше масса тела, например, шара, тем бóльшее углубление в резине он создает. Шар огромной массы создаст такое большое углубление, что оно будет напоминать воронку, или дыру. Образно выражаясь, «черная дыра» создает в пространстве такую глубокую воронку, что в нее поглощается вся материя на огромных от нее расстояниях.

ГАЛАКТИКИ