Смерть звезд и звездные «останки»

На конечной стадии необратимой эволюции звезд, когда все ядерное топливо выгорело, тепловое давление cтановится не в состоянии

противодействовать гравитации и начинается процесс гравитационного сжатия, наиболее важные особенности которого отражены в таблице 10.1.

У звезды, масса которой не превышает 1,4 массы Солнца, гравитационное сжатие останавливается, когда вещество переходит в так называемое «вырожденное» состояние с очень большой плотностью (до нескольких тонн в кубическом сантиметре). При этом ядра атомов

Таблица 10.1

Характеристика состояния звездного вещества	Плотность, кг/куб.м	Условие реализации
Нормальное звездное вещество
Электронная оболочка атома деформируется		М<1,4М
Ядра выдавливаются из электронных оболочек		Белые карлики
Электроны препятствуют дальнейшему сжатию
Электроны вдавливаются в ядра: протоны превращаются в свободные нейтроны		1,4М < М
Плотность вещества почти достигает плотности атомного ядра. Сильные ядерные взаимодействия препятствуют дальнейшему сжатию		М<2,5 М Нейтронные звезды
Релятивистский коллапс	>	М>2,5М
Общая теория относительности теряет силу	>	“Черные дыры”

оказываются плотно упакованными, а все электроны обобществляются, образуя вырожденный электронный газ. Звезда еще сохраняет высокую температуру (10⁴ К), но постепенно остывает и медленно сжимается в течение многих миллионов лет. Такие очень слабые звездочки - «белые карлики» - остаются видимыми, пока окончательно не остынут и не превратятся в похожие на планеты шары из вырожденного вещества - «черные карлики».

Если масса звезды после выгорания ядерного топлива превышает массу Солнца примерно в полтора раза (точнее в 1,4 раза), то такая звезда не может превратиться в белого карлика, ее ждет более драматический конец. Силы гравитационного сжатия на последнем этапе жизни звезды настолько велики, что им не может противостоять даже вырожденное вещество. Плотность вещества достигает миллиона тонн в куб. см, при этом атомные ядра раскалываются как орехи. Выделяется огромная гравитационная энергия - наступает гигантский взрыв. За несколько секунд выделяется энергия 10⁴⁵ Дж, т.е. больше чем за всю предшествующую жизнь. Температура мгновенно достигает невообразимой величины 10¹¹ К. Такой катастрофический процесс называется взрывом Сверхновой звезды. При этом большая часть массы звезды выбрасывается в космическое пространство со скоростью 1000 - 5000 км/с. Выброшенное вещество содержит тяжелые элементы, образовавшиеся в момент взрыва. В течение нескольких суток Сверхновая испускает больше света, чем целая галактика.

Под действием такого взрыва электроны вдавливаются в атомные ядра,

сливаются с протонами и образуют нейтроны. Мощные потоки нейтрино

охлаждают ядро звезды и превращают ее в нейтронную звезду - своеобразное гигантское атомное ядро с поперечников в десяток километров. В летописях зафиксированы несколько событий, которые можно трактовать как взрыв Сверхновой: 4 июля 1054 г., 5 ноября 1572 г., 9 октября 1604 г. После первого из упомянутых взрывов образовалась расширяющаяся Крабовидная туманность в созвездии Тельца. В центре этой туманности находится быстро вращающаяся нейтронная звезда.

Впервые нейтронные звезды наблюдались в 1967 году. Произошло это довольно неожиданно. Дело в том, что вблизи поверхности нейтронных звезд, которые обладают сильным магнитным полем, есть активные области, излучающие направленные потоки радиоволн. Такие области вращаются вместе с поверхностью звезды и излучают радиоволны как прожектор. Когда излучение этого прожектора попадает на Землю, астрономы фиксируют вспышки радиоизлучения, соответствующие периоду вращения звезды. Космические объекты, излучающие такие вспышки, назвали пульсарами. Период этих вспышек был настолько мал, всего около секунды и даже меньше, что поперечник пульсара не мог быть больше нескольких десятков километров, в противном случае звезда была бы разорвана центробежными силами. Так было доказано, что пульсар - это нейтронная звезда.

Если масса умирающей звезды больше, чем в два с половиной раза превышает массу Солнца, то гравитационное сжатие уже не может быть остановлено (гравитационный коллапс), и звезда превращается в «черную дыру». Фактически черная дыра - это такой объект, для которого вторая космическая скорость превышает скорость света, а значит ни вещество, ни излучение не могут покинуть этот объект.

Теория «черных дыр» была разработана более 60 лет назад. Однако теоретические исследования последних лет показали, что эти объекты не абсолютно «черны». Поверхность черных дыр должна испускать электромагнитные волны. В результате этого излучения черная дыра теряет массу и, в конце концов, заканчивает свое существование взрывом - вспышкой в спектральном диапазоне жесткого гамма-излучения.

Вопросы для самопроверки:

1. Из чего рождаются звезды?

2. Какие силы вызывают первоначальное сжатие вещества будущей звезды?

3. Когда заканчивается процесс рождения звезды и начинается ее жизнь?

4. Что происходит в процессе жизни звезды?

5. Когда заканчивается жизнь звезд и начинается процесс ее смерти?

6. Какие силы останавливают гравитационное сжатие белых карликов?

7. Что такое нейтронные звезды и какие условия необходимы для их возникновения?

8. Чем заканчивается гравитационное сжатие, если остаточная масса звезды превышает массу нашего Солнца в два с половиной раза?

9. Почему рождение, жизнь и смерть звезд являются примером эволюционных процессов в Природе?

1 За эти работы Г. Бете в 1967 году была присуждена Нобелевская премия по физике.