Звездная светимость и спектральная классификация
Звездная светимость и спектральная классификация
Самарская Государственная Экономическая Академия
Самара
1997
Содержание
|Введение |3 |
|Звездные величины |— |
|Расстояние до звезд |4 |
|Светимость |5 |
|Масса |6 |
|Спектральная классификация |— |
|Звезды-гиганты и звезды-карлики |9 |
|Переменные звезды |— |
|Звезды, истекающие газом |14 |
|Новые звезды |16 |
|Сверхновые звезды |17 |
|Двойные звезды |18 |
|Звездные скопления |19 |
|Звездные ассоциации |20 |
|Что питает звезды? |21 |
|Внутреннее строение звезд |22 |
|Формирование звезд и галактик |— |
|Эволюция звезд |23 |
|Белые карлики |26 |
|Нейтронные звезды |— |
|Пульсары |27 |
|Черные дыры |28 |
|Приложение |31 |
|Список литературы |32 |
Введение
На протяжении тысячелетий звезды были непостижимы для сознания
человека, но они завораживали его. Поэтому наука о звездах - астрономия -
это одна из самых древних. Понадобились тысячи лет, чтобы люди освободились
от наивных представлений о том, что звезды - это светящиеся точки,
прикрепленные к огромному куполу. Впрочем, крупнейшие мыслители древности
понимали, что звездное небо с Солнцем и Луной - нечто большее, чем просто
увеличенное подобие планетария. Они догадывались, что планеты и звезды
являются отдельными телами и свободно парят во Вселенной. С началом
космической эры звезды стали нам ближе. Мы узнаем о них все больше и
больше. Но древнейшая наука о звездах, астрономия, не только не исчерпала
себя, но, напротив, стала еще более интересной.
Звездные величины
Одной из самых важных характеристик является звездная величина. Раньше
считали, что расстояние до звезд одинаково, и чем звезда ярче, тем она
больше. Наиболее яркие звезды отнесли к звездам первой величины (1m, от
лат. magnitido - величина), а едва различимые невооруженным глазом - к
шестой (6m). Сейчас мы знаем, что звездная величина характеризует не
размеры звезды, а ее блеск, то есть освещенность, которую звезда создает на
Земле.
Но шкала звездных величин сохранилась и уточнена. Блеск звезды 1m
больше блеска звезды 6m ровно в 100 раз. Светила, блеск которых превосходит
блеск звезд 1m, имеют нулевые и отрицательные звездные величины. Шкала
продолжается и в сторону звезд, не видимых невооруженным глазом. Есть
звезды 7m, 8m и так далее. Для более точной оценки используют дробные
звездные величины 2,3m, 7,1m и так далее.
Так как звезды находятся от нас на различных расстояниях, то их
видимые звездные величины ничего не говорят о светимостях (мощности
излучения) звезд. Поэтому используется еще понятие “абсолютная звездная
величина”. Звездные величины, которые имели бы звезды, если бы они
находились на одинаковом расстоянии (10 пк), называются абсолютными
звездными величинами (М).
Расстояние до звезд
Для определения расстояний до ближайших звезд применяется метод
параллакса (величина углового смещения предмета). Угол ((), под которым со
звезды был бы виден средний радиус земной орбиты (а), расположенный
перпендикулярно направлению на звезду, называется годичным параллаксом.
Расстояние до звезды можно вычислить по формуле
a
r = ——
sin(
Расстояние до звезды, соответствующее параллаксу в 1(( называется
парсеком.
Однако годичные параллаксы можно определить только у ближайших звезд,
расположенных не далее нескольких сотен парсек. Но обнаружилась
статистическая зависимость между видом спектра звезды и абсолютной звездной
величиной. Таким образом по виду спектра оценивают абсолютные звездные
величины, а затем, сравнивая их с видимыми звездными величинами, вычисляют
и расстояния до звезд и параллаксы. Параллаксы, определенные таким образом,
называются спектральными параллаксами.
Светимость
Одни звезды кажутся нам более яркими, другие более слабыми. Но это еще
не говорит об истинной мощности излучения звезд, так как они находятся на
разных расстояниях. Таким образом видимая звездная величина сама по себе не
может быть характеристикой звезды, поскольку зависит от расстояния.
Истинной характеристикой служит светимость, то есть полная энергия, которую
излучает звезда в единицу времени. Светимости звезд крайне разнообразны. У
одной из звезд-гигантов - S Золотой Рыбы - светимость в 500000 раз больше
солнечной, а светимость самых слабых звезд-карликов примерно во столько же
раз меньше.
Если известна абсолютная звездная величина, то можно вычислить
светимость любой звезды по формуле
lg L = 0,4(M( -M),
где: L - светимость звезды,
M - ее абсолютная звездная величина, а
М( - абсолютная звездная величина
Солнца.
Масса
Еще одна важная характеристика звезды - ее масса. Массы звезд
различны, но, в отличие от светимостей и размеров, различны в сравнительно
узких пределах. Основной метод определения масс звезд дает исследование
двойных звезд. На основе закона Всемирного тяготения и законов Кеплера,
обобщенных Ньютоном, была выведена формула
а3
М1+М2 = —— ,
(3р2
где М1 и М2 - массы главной звезды и ее спутника, Р - период обращения
спутника, а - большая полуось земной орбиты.
Также обнаружена зависимость между светимостью и массой звезды:
светимость увеличивается пропорционально кубу массы. Используя эту
зависимость, можно по светимости определить массы одиночных звезд, для
которых невозможно вычислить массу непосредственно из наблюдений (см.
Приложение).
Спектральная классификация
Спектры звезд - это их паспорта с описанием всех их физических
свойств. По спектру звезды можно узнать ее светимость (а значит, и
расстояние до нее), ее температуру, размер, химический состав ее атмосферы,
как качественный, так и количественный, скорость ее движения в
пространстве, скорость ее вращения вокруг оси и даже то, нет ли вблизи нее
другой, невидимой звезды, вместе с которой она обращается вокруг их общего
центра тяжести.
Существует детально разработанная классификация звездных классов
(гарвардская). Классы обозначены буквами, подклассы - цифрами от 0 до 9
после буквы, обозначающей класс. В классе О подклассы начинаются с О5.
Последовательность спектральных классов отражает непрерывное падение
температуры звезд по мере перехода к все более поздним спектральным
классам. Она выглядит так:
О - B - A - F - G - K - M
Среди холодных красных звезд, кроме класса М, есть две другие
разновидности. В спектре одних вместо полос молекулярного поглощения окиси
титана характерны полосы окиси углерода и циана (в спектрах, обозначаемых
буквами R и N), а среди других характерны полосы окиси циркония (класс S).
Подавляющее большинство звезд относится к последовательности от О до
М. Эта последовательность непрерывна. Цвета звезд различных классов
различны: О и В - голубоватые звезды, А - белые, F и G - желтые, К -
оранжевые, М - красные.
Рассмотренная выше классификация одномерная, так как основной
характеристикой является температура звезды. Но среди звезд одного класса
есть звезды-гиганты и звезды-карлики. Они отличаются по плотности газа в
атмосфере, площади поверхности, светимости. Эти различия отражаются на
спектрах звезд. Существует новая, двумерная классификация звезд. По этой
классификации у каждой звезды кроме спектрального класса указывается еще
класс светимости. Он обозначается римскими цифрами от I до V. I -
сверхгиганты, II-III - гиганты, IV - субгиганты, V - карлики. Например,
спектральный класс звезды Веги выглядит как А0V, Бетельгейзе - М2I, Сириуса
- А1V.
Все сказанное выше относится к нормальным звездам. Однако существует
множество нестандартных звезд с необычными спектрами. Прежде всего это
эмиссионные звезды. Для их спектров характерны не только темные
(абсорбционные) линии, но и светлые линии излучения, более яркие, чем
непрерывный спектр. Такие линии называются эмиссионными. Присутствие в
спектре таких линий обозначается буквой “е” после спектрального класса.
Так, есть звезды Ве, Ае, Ме. Наличие в спектре звезды О определенных
эмиссионных линий обозначается как Оf. Существуют экзотические звезды,
спектры которых состоят из широких эмиссионных полос на фоне слабого
непрерывного спектра. Их обозначают WC и WN, в гарвардскую классификацию
они не укладываются. В последнее время были открыты инфракрасные звезды,
которые почти всю свою энергию излучают в невидимой инфракрасной области
спектра.
Звезды-гиганты и звезды-карлики
Среди звезд встречаются гиганты и карлики. Самые большие среди них -
красные гиганты, которые, несмотря на свое слабое излучение с квадратного
метра поверхности, светят в 50000 раз мощнее Солнца. Самые крупные гиганты
в 2400 раз больше Солнца. Внутри у них могла бы разместиться наша Солнечная
система вплоть до орбиты Сатурна. Сириус - это одна из белых звезд, он
светит в 24 раза мощнее Солнца, он примерно вдвое больше Солнца в диаметре.
Но существует множество звезд карликов. Это в основном красные карлики
с диаметром в половину и даже в одну пятую диаметра нашего Солнца. Солнце
по своему размеру является средней звездой, таких звезд в нашей галактике
миллиарды.
Особое место занимают среди звезд белые карлики. Но о них будет
рассказано позже, как о конечной стадии эволюции обычной звезды.
Переменные звезды
Переменные звезды - это звезды, блеск которых изменяется. У одних
переменных звезд блеск изменяется периодически, у других наблюдается
беспорядочное изменение блеска. Для обозначения переменных звезд
используются латинские буквы с указанием созвездия. В пределах одного
созвездия переменным звездам присваивается последовательно одна латинская
буква, комбинация из двух букв либо буква V с номером. Например, S Car, RT
Per, V557 Sgr.
Переменные звезды делятся на три большие класса: пульсирующие,
эруптивные (взрывные) и затменные.
Пульсирующие звезды обладают плавными изменениями блеска. Они
обусловлены периодическим изменением радиуса и температуры поверхности.
Периоды пульсирующих звезд меняются от долей дня (звезды типа RR Лиры) до
десятков (цефеиды) и сотен дней (мириды - звезды типа Мира Кита).
Пульсирующих звезд открыто около 14 тысяч.
Второй класс переменных звезд - взрывные, или, как их еще называют,
эруптивные звезды. Сюда относятся, во-первых, сверхновые, новые, повторные
новые, звезды типа И Близнецов, новоподобные и симбиотические звезды. К
эруптивным звездам относятся молодые быстрые переменные звезды, звезды типа
ИV Кита и ряд родственных им объектов. Число открытых эруптивных переменных
превышает 2000.
Пульсирующие и эруптивные звезды называются физическими переменными
звездами, поскольку изменение их видимого блеска вызваны физическими
процессами, протекающими на них. При этом изменяется температура, цвет, а
иногда и размер звезды.
Рассмотрим подробнее наиболее интересные типы физических переменных
звезд. Например, цефеиды. Это весьма распространенный и очень важный тип
физических переменных звезд. Им присущи особенности звезды ( Цефея. Ее
блеск непрерывно изменяется. Изменения повторяются через каждые 5 дней и 8
часов. Блеск возрастает быстрее, чем ослабевает после максимума. (
Цефея - периодическая переменная звезда. Спектральные наблюдения
показывают изменения лучевых скоростей и спектрального класса. Меняется
также цвет звезды. Значит, в звезде происходят глубокие изменения общего
характера, причина которых в пульсации внешних слоев звезды. Цефеиды -
нестационарные звезды. Происходит поочередное сжатие и расширение под
действием двух противоборствующих сил: силы притяжения к центру звезды и
силы газового давления, выталкивающей вещество наружу. Очень важной
характеристикой цефеид является период. Для каждой данной звезды он
постоянен с большой точностью. Цефеиды - это звезды-гиганты и сверхгиганты
с большой светимостью.
Главное, что между светимостью и периодом у цефеид существует
зависимость: чем больше период блеска цефеиды, тем больше ее светимость.
Таким образом, по известному из наблюдений периоду можно определить
светимость или абсолютную звездную величину, а потом и расстояние до
цефеиды. Вероятно, многие звезды на протяжении своей жизни некоторое время
бывают цефеидами. Поэтому их изучение очень важно для понимания эволюции
звезд. К тому же они помогают определить расстояние до других галактик, где
они видны благодаря своей большой светимости. Цефеиды также помогают в
определении размеров и формы нашей Галактики.
Другой тип правильных переменных - мириды, долгопериодичные переменные
звезды, по имени звезды Миры (о Кита). Будучи огромными по своему объему,
превышающему объем Солнца в миллионы и десятки миллионов раз, эти красные
гиганты спектрального класса М пульсируют очень медленно, с периодами от 80
до 1000 суток. Изменение светимости в визуальных лучах у разных
представителей этого типа звезд происходит от 10 до 2500 раз. Однако общая
излучаемая энергия меняется лишь в 2-2,5 раза. Радиусы звезд колеблются
около средних значений в пределах 5-10%, а кривые блеска похожи на
цефеидные.
Как уже было сказано, далеко не у всех физических переменных звезд
наблюдаются периодические изменения. Известно множество звезд, которые
относятся к полуправильным или неправильным переменным. У таких звезд
трудно или вообще невозможно заметить закономерности в изменении блеска.
Рассмотрим теперь третий класс переменных звезд - затменные
переменные. Это двойные системы, плоскость орбиты которых параллельна лучу
зрения. При движении звезд вокруг общего центра тяжести они поочередно
затмевают друг друга, что и вызывает колебания их блеска. Вне затмений до
наблюдателя доходит свет от обоих компонентов, а во время затмения свет
ослабляется затмевающим компонентом. В тесных системах изменения суммарного
блеска могут быть вызваны также искажениями формы звезд. Периоды затменных
звезд - от нескольких часов до десятков лет.
Существует три основных типа затменных переменных звезд. Первый - это
переменные звезды типа Алголя (( Персея). Компоненты этих звезд имеют
шаровидную форму, причем размеры звезды-спутника больше, а светимость
меньше главной звезды. Оба компонента либо белого цвета, либо главная
звезда белого цвета, а звезда-спутник желтого. Пока затмения нет, блеск
звезды практически постоянен. При затмении главной звезды блеск резко
уменьшается (главный минимум), а при заходе спутника за главную звезду
уменьшение блеска незначительно (вторичный минимум) или совсем не
наблюдается. Из анализа кривой блеска можно вычислить радиусы и светимости
компонентов.
Второй тип затменных переменных звезд - это звезды типа ( Лиры. Их
блеск непрерывно и плавно изменяется в пределах примерно двух звездных
величин. Между главными минимумами обязательно наступает менее глубокий
вторичный минимум. Периоды переменности - от полусуток до нескольких суток.
Компоненты этих звезд - массивные голубовато-белые и белые гиганты
спектральных классов В и А. Из-за значительной массы и относительной
близости друг к другу оба компонента подвержены сильному приливному
воздействию, в результате чего приобрели эллипсоидальную форму. В таких
тесных парах атмосферы звезд проникают друг в друга, и происходит
непрерывный обмен веществом, часть которого уходит в межзвездное
пространство.
Третий тип затменно двойных звезд - звезды, получившие название звезд
типа W Большой Медведицы по имени этой звезды, период переменности (и
обращения) которой равен всего лишь 8 часам. Трудно представить себе ту
колоссальную скорость, с которой обращаются огромные компоненты этой
звезды. Спектральные классы этих звезд F и G.
Существует еще небольшой отдельный класс переменных звезд - магнитные
звезды. Кроме большого магнитного поля они имеют сильные неоднородности
поверхностных характеристик. Такие неоднородности при вращении звезды
приводят к изменению блеска.
Примерно для 20000 звезд класс переменности не определен.
Изучение переменных звезд имеет большое значение. Переменные звезды
помогают определить возраст звездных систем, где они находятся, и тип их
звездного населения; расстояния до удаленных частей нашей Галактики, а
также до других галактик. Современные наблюдения показали, что некоторые
переменные двойные звезды являются источником рентгеновского излучения.
Звезды, истекающие газом
В коллекции звездных спектров можно проследить непрерывный переход от
спектров с отдельными тонкими линиями к спектрам, содержащим отдельные
необычайно широкие полосы наряду с темными линиями и даже без них.
Звезды, которые по линиям их спектров могли бы быть отнесены к звездам
спектрального класса О, но имеют в спектре широкие яркие полосы, называют
звездами типа Вольфа-Райе - по имени двух французских ученых, обнаруживших
и описавших их еще в прошлом столетии. Разгадать природу этих звезд удалось
только теперь.
Звезды этого класса - самые горячие среди всех известных. Их
температура - 40-100 тысяч градусов.
Такие огромные температуры сопровождаются столь мощным излучением
потока ультрафиолетовых лучей, что легкие атомы водорода, гелия, а при
очень высокой температуре и атомы других элементов, по-видимому, не
выдержав давления света снизу, с огромной скоростью взлетают вверх.
Скорость их движения под действием давления света так велика, что
притяжение звезды не в силах их удержать. Непрерывным потоком они срываются
с поверхности звезды и почти не удерживаемые мчатся прочь в мировое
пространство, образуя как бы атомный дождь, но направленный не вниз, а
вверх. Под таким дождем сгорело бы все живое на планетах, если бы таковые
окружали эти звезды.
Непрерывный дождь атомов, срывающихся с поверхности звезды, образует
вокруг нее сплошную, но непрерывно рассеивающуюся в пространство атмосферу.
Как долго может истекать газом звезда типа Вольфа-Райе? В год звезда
Вольфа-Райе выбрасывает массу газа, равную одной десятой или стотысячной
доле массы Солнца. Масса звезд типа Вольфа-Райе в среднем в десяток раз
превышает массу Солнца. Истекая газом с такой скоростью, звезда Вольфа-Райе
не может просуществовать дольше, чем 104-105 лет, после этого от нее уже
ничего не останется. Независимо от этого есть данные, что ив
действительности звезды в подобном состоянии существуют не дольше десяти
тысяч лет, скорее даже значительно меньше. Вероятно, с уменьшением их массы
до некоторого значения температура их падает, выброс атомов прекращается. В
настоящее время на всем небе известно всего лишь около сотни таких
саморазрушающихся звезд. Вероятно, лишь немногие, наиболее массивные звезды
достигают в своем развитии таких высоких температур, когда начинается
потеря газа. Быть может, освободившись таким образом от излишек массы,
звезда может продолжать нормальное, “здоровое” развитие.
Большинство звезд типа Вольфа-Райе - очень тесные спектрально-двойные
звезды. Их партнер в паре всегда оказывается также массивной и горячей
звездой класса О или В. Многие из таких звезд - затменно-двойные. Звезды,
истекающие газом, хоть и редко встречаются, но обогатили представление о
звездах вообще.
Новые звезды
Новыми называются звезды, блеск которых неожиданно возрастает в сотни,
тысячи, даже миллионы раз. Достигнув наибольшей яркости, новая звезда
начинает гаснуть и возвращается в спокойное состояние. Чем мощнее вспышка
новой звезды, тем быстрее падает ее блеск. По скорости падения блеска новые
звезды относят либо к “быстрым”, либо к “медленным”.
Все новые звезды выбрасывают при вспышке газ, который разлетается с
высокими скоростями. Наибольшая масса газа, выбрасываемого новыми звездами
при вспышке, заключена в главной оболочке. Эта оболочка видна через десятки
лет после вспышки вокруг некоторых других звезд в виде туманности.
Все новые - двойные звезды. При этом пара состоит всегда из белого
карлика и нормальной звезды. Так как звезды очень близки друг к другу, то
возникает поток газа с поверхности нормальной звезды на поверхность белого
карлика. Существует гипотеза вспышек новых. Вспышка происходит в результате
резкого ускорения термоядерных реакций горения водорода на поверхности
белого карлика. Водород попадает на белый карлик с нормальной звезды.
Термоядерное “горючее” накапливается и взрывается после достижения
некоторой критической величины. Вспышки могут повторяться. Интервал между
ними от 10000 до 1000000 лет.
Ближайшие родственники новых звезд - карликовые новые звезды. Их
вспышки в тысячи раз слабее вспышек новых звезд, но происходят они в тысячи
раз чаще. По виду новые звезды и карликовые новые в спокойном состоянии не
отличаются друг от друга. И до сих пор не известно, какие физические
причины приводят к столь разной взрывной активности этих внешне похожих
звезд.
Сверхновые звезды
Сверхновые звезды - самые яркие звезды из тех, которые появляются на
небе в результате звездных вспышек. Вспышка сверхновой - катастрофическое
событие в жизни звезды, так как она уже не может вернуться в исходное
состояние. В максимуме блеска она светит, как несколько миллиардов звезд,
подобных Солнцу. Полная энергия, выделяемая при вспышке, сопоставима с
энергией, излученной Солнцем за время своего существования (5 млрд. лет).
Энергия расходится на ускорение вещества: оно разлетается во все стороны с
огромными скоростями (до 20000 км/с). Остатки вспышек сверхновых звезд
наблюдаются сейчас в виде расширяющихся туманностей с необычными свойствами
(Крабовидная туманность). Их энергия равна энергии вспышки сверхновой.
После вспышки на месте сверхновой остается нейтронная звезда или пульсар.
До сих пор окончательно не ясен механизм вспышек сверхновых. Скорее
всего такая звездная катастрофа возможна только в конце “жизненного пути”
звезды. Наиболее вероятны следующие источники энергии: гравитационная
энергия, выделяющаяся при катастрофическом сжатии звезды. Вспышки
сверхновых имеют важные последствия для Галактики. Вещество звезды,
разлетающееся после вспышки, несет энергию, которая питает энергию движения
межзвездного газа. Это вещество содержит новые химические соединения. В
определенном смысле все живое на Земле обязано своим существованием
сверхновым звездам. Без них химический состав вещества галактик был бы
весьма скудным.
Двойные звезды
Двойные звезды - пары звезд, связанные в одну систему силами
тяготения. Компоненты таких систем описывают свои орбиты вокруг общего
центра масс. Есть тройные, четверные звезды; их называют кратными звездами.
Системы, в которых компоненты можно разглядеть в телескоп называют
визуально-двойными. Но иногда они лишь случайно расположены в одном
направлении для земного наблюдателя. В пространстве их разделяют огромные
расстояния. Это оптические двойные звезды.
Другой тип двойных составляют те звезды, которые при движении
попеременно загораживают друг друга. Это затменно-двойные звезды.
Двойными являются и звезды с одинаковым собственным движением (при
отсутствии других признаков двойственности). Это так называемые широкие
пары. При помощи многоцветной фотоэлектрической фотомерии можно обнаружить
двойные звезды, которые иначе ничем себя не проявляют. Это фотомерические
двойные.
Звезды с невидимыми спутниками также могут быть причислены к двойным.
Спектрально-двойные звезды - звезды, двойственность которых
обнаруживается лишь при исследовании их спектров.
Звездные скопления
Это группы звезд, связанных между собой силой притяжения и общностью
происхождения. Они насчитывают от нескольких десятков до сотен тысяч звезд.
Различают рассеянные и шаровые скопления. Различие между ними определяется
массой и возрастом этих образований.
Рассеянные звездные скопления объединяют десятки и сотни, редко тысячи
звезд. Их размеры составляют обычно несколько парсек. Концентрируются к
экваториальной плоскости Галактики. В нашей Галактике известно более 1000
скоплений.
Шаровые звездные скопления насчитывают сотни тысяч звезд, имеют четкую
сферическую или эллипсоидальную форму с сильной концентрацией звезд к
центру. Все шаровые скопления расположены далеко от Солнца. В Галактике
известно 130 шаровых скоплений, а должно быть около 500.
Шаровые скопления, по-видимому, образовались из огромных газовых
облаков на ранней стадии формирования Галактики, сохранив их вытянутые
орбиты. Образование рассеянных скоплений началось позднее из газа,
“осевшего” к плоскости Галактики. В наиболее плотных облаках газа
образование рассеянных скоплений и ассоциаций продолжается и сейчас.
Поэтому возраст рассеянных скоплений неодинаков, тогда как возраст больших
шаровых скоплений примерно одинаков и близок к возрасту Галактики.
Звездные ассоциации
Это рассеянные группы звезд спектральных классов О и В и типа Т.
Тельца. По своим характеристикам звездные ассоциации похожи на большие
очень молодые рассеянные скопления, но отличаются от них, по-видимому,
меньшей степенью концентрации к центру. В других галактиках есть комплексы
горячих молодых звезд, связанные с гигантскими облаками ионизированного их
излучением водорода - сверхассоциации.
Что питает звезды?
За счет чего звезды расходуют такие чудовищные количества энергии? В
разное время выдвигались разные гипотезы. Так, было мнение, что энергия
Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Но их должно было бы
сыпаться на Солнце значительно много, что заметно увеличивало бы его массу.
Энергия Солнца могла бы пополняться за счет его сжатия. Однако, если бы
Солнце было некогда бесконечно большим, то и в этом случае его сжатия до
современного размера хватило бы на поддержание энергии всего лишь в течение
20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и
освещается Солнцем гораздо дольше.
Наконец, физика атомного ядра указала источник звездной энергии,
хорошо согласующийся с данными астрофизики и, в частности, с выводом о том,
что большую часть массы звезды составляет водород.
Теория ядерных реакций привела к выводу, что источником энергии в
большинстве звезд, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование
атомов гелия из атомов водорода.
Когда весь водород превратится в гелий, звезда может еще существовать
за счет превращения гелия в более тяжелые элементы, вплоть до железа.
Внутреннее строение звезд
Мы рассматриваем звезду как тело, подверженное действию разных сил.
Сила тяготения стремится стягивать вещество звезды к центру, газовое же и
световое давления, направленные изнутри, стремятся оттолкнуть его от
центра. Так как звезда существует как устойчивое тело, то, следовательно,
между борющимися силами есть какое-то равновесие. Для этого температура
разных слоев в звезде должна устанавливаться такая, чтобы в каждом слое
поток энергии наружу уводил к поверхности всю энергию, возникшую под ним.
Энергия образуется в небольшом центральном ядре. Для начального периода
жизни звезды ее сжатие является источником энергии. Но лишь до тех пор пока
температура не поднимется настолько, что начнутся ядерные реакции.
Формирование звезд и галактик
Материя во Вселенной находится в непрерывном развитии, в самых
разнообразных формах и состояниях. Раз меняются формы существования
материи, то, следовательно, различные и разнообразные объекты не могли
возникнуть все одновременно, а формировались в разные эпохи и поэтому имеют
свой определенный возраст, отсчитываемый от начала их зарождения.
Научные основы космогонии были заложены еще Ньютоном, который показал,
что вещество в пространстве под действием собственной гравитации
разделяется на сжимающиеся куски. Теория образования сгустков вещества, из
которых формируются звезды, была развита в 1902 г. английским астрофизиком
Дж.Джинсом. Эта теория объясняет и происхождение Галактик. В первоначально
однородной среде с постоянной температурой и плотностью может возникнуть
уплотнение. Если сила взаимного тяготения в нем превысит силу газового
давления, то среда станет сжиматься, а если превалирует газовое давление,
то вещество рассеется в пространстве.
Считают, что возраст Метагалактики - 13-15 млрд. лет. Этот возраст не
противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд и шаровых звездных
скоплений в нашей Галактике.
Эволюция звезд
Возникшие в газопылевой среде Галактики сгущения, продолжающие
сжиматься под действием собственного тяготения, получили названия
протозвезд. По мере сжатия плотность и температура протозвезды повышается,
и она начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра.
Длительность сжатия протозвезд различна: при массе меньше солнечной - сотни
миллионов лет, а у массивных - всего лишь сотни тысяч лет. Когда
температура в недрах протозвезды повысится до нескольких миллионов
Кельвинов, в них начинаются термоядерные реакции превращения водорода в
гелий. При этом выделяется огромная энергия, препятствующая дальнейшему
сжатию и разогревающая вещество до самосвечения - протозвезда превращается
в обычную звезду. Итак, стадию сжатия сменяет стационарная стадия,
сопровождающаяся постепенным “выгоранием” водорода. В стационарной стадии
звезда проводит большую часть своей жизни. Именно в этой стадии эволюции
находятся звезды, которые располагаются на главной последовательности
“спектр-светимость”. Время пребывания звезды на главной последовательности
пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного
горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп
расхода ядерного горючего.
Когда весь водород в центральной области превратится в гелий, внутри
звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород будет превращаться в
гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому
ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет
постоянно сжиматься и при этом еще более разогреваться. Сжатие ядра
приводит к более бурному выделению ядерной энергии в тонком слое у границы
ядра. У более массивных звезд температура ядра при сжатии становится выше
80 млн. Кельвинов, и в нем начинаются термоядерные реакции превращения
гелия в углерод, а потом и в другие более тяжелые химические элементы.
Выходящая из ядра и его окрестностей энергия вызывает повышение газового
давления, под действием которого фотосфера расширяется. Энергия, приходящая
к фотосфере из недр звезды, распространяется теперь на большую площадь, чем
раньше. В связи с этим температура фотосферы понижается. Звезда сходит с
главной последовательности, постепенно превращаясь в красного гиганта или
сверхгиганта в зависимости от массы, и становится старой звездой. Проходя
стадию желтого сверхгиганта, звезда может оказаться пульсирующей, то есть
физической переменной звездой, и остаться такой в стадии красного гиганта.
Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ядром
и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность. После
окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды - белый
карлик.
Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое
превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах своей эволюции
теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, а
затем катастрофически сжаться до размеров шаров радиусом в несколько
километров, то есть превратиться в нейтронные звезды.
Звезда, масса которой более чем вдвое превышает массу Солнца, потеряв
равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо
вообще не сможет достигнуть устойчивого состояния. В процессе
неограниченного сжатия она, вероятно, способна превратиться в черную дыру.
Белые карлики
Белые карлики - необычные, очень маленькие плотные звезды с высокими
поверхностными температурами. Главная отличительная черта внутреннего
строения белых карликов - гигантские по сравнению с нормальными звездами
плотности. Из-за громадной плотности газ в недрах белых карликов находится
в необычном состоянии - вырожденном. Свойства такого вырожденного газа
совсем не похожи на свойства обычных газов. Его давление, например,
практически не завит от температуры. Устойчивость белого карлика
поддерживается тем, что сжимающей его громадной силе тяготения противостоит
давление вырожденного газа в его недрах.
Белые карлики находятся на конечной стадии эволюции звезд не очень
больших масс. Ядерных источников в звезде уже нет, и она еще очень долго
светит, медленно остывая. Белые карлики устойчивы, если их масса не
превышает примерно 1,4 массы Солнца.
Нейтронные звезды
Нейтронные звезды - очень маленькие, сверхплотные небесные тела. Их
диаметр в среднем не больше нескольких десятков километров. Нейтронные
звезды образуются после исчерпания источников термоядерной энергии в недрах
обычной звезды, если ее масса к этому моменту превышает 1,4 массы Солнца.
Поскольку источник термоядерной энергии отсутствует, устойчивое равновесие
звезды становится невозможным и начинается катастрофическое сжатие звезды к
центру - гравитационный коллапс. Если исходная масса звезды не превышает
некоторой критической величины, то коллапс в центральных частях
останавливается и образуется горячая нейтронная звезда. Процесс коллапса
занимает доли секунды. За ним может последовать либо натекание оставшейся
оболочки звезды на горячую нейтронную звезду с испусканием нейтрино, либо
сброс оболочки за счет термоядерной энергии “непрогоревшего” вещества или
энергии вращения. Такой выброс происходит очень быстро и с Земли он
выглядит как вспышка сверхновой звезды. Наблюдаемые нейтронные звезды -
пульсары часто связаны с остатками сверхновых звезд. Если масса нейтронной
звезды превышает 3-5 массы Солнца, равновесие ее станет невозможным, и
такая звезда будет представлять собой черную дыру. Очень важные
характеристики нейтронных звезд - вращение и магнитное поле. Магнитное поле
может быть в миллиарды и триллионы раз сильнее магнитного поля Земли.
Пульсары
Пульсары - источники электромагнитного излучения, изменяющегося строго
периодически: от долей секунды до нескольких минут. Первые пульсары были
открыты в 1968г. как слабые источники импульсного радиоизлучения. Позже
были открыты периодические источники рентгеновского излучения - так
называемые рентгеновские пульсары, свойства излучения которых существенно
отличаются от свойств радиопульсаров.
Природа пульсаров полностью пока не раскрыта. Ученые считают, что
пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с сильным
магнитным полем. Из-за магнитного поля излучение пульсара подобно лучу
прожектора. Когда из-за вращения нейтронной звезды луч попадает на антенну
радиотелескопа, мы видим всплески излучения. Наблюдаемые у некоторых
пульсаров “сбои” периодов подтверждают предсказания о наличии твердой коры
и сверхтекучего ядра у нейтронных звезд (“сбои” периода происходят при
разломе твердой коры - “звездотрясениях”).
Большая часть пульсаров образуется при взрывах сверхновых звезд. Это
доказано, по крайней мере, для пульсара в центре Крабовидной туманности, у
которого наблюдается импульсивное излучение также и в оптическом диапазоне.
Черные дыры
Одни из самых интересных и загадочных объектов во Вселенной - черные
дыры. Ученые установили, что черные дыры должны возникать в результате
очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения
возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет, ни какое-либо другое
излучение, сигналы или тела.
Для того чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры,
потребовалась бы вторая космическая скорость, большая световой. Согласно
теории относительности, никакое тело не может развить скорость, большую чем
скорость света. Вот почему из черной дыры ничто не может вылететь, не может
поступать наружу никакая информация. После того как любые тела, любое
вещество или излучение упадут под действием тяготения в черную дыру,
наблюдатель никогда не узнает, что произошло с ними в дальнейшем. Вблизи
черных дыр, как утверждают ученые, должны резко изменяться свойства
пространства и времени.
Ученые считают, что черные дыры могут возникать в конце эволюции
достаточно массивных звезд.
Наиболее сильно эффекты, возникающие при падении в поле черной дыры
окружающего вещества, проявляются тогда, когда черная дыра входит в состав
двойной звездной системы, в которой одна звезда - яркий гигант, а второй
компонент - черная дыра. В этом случае газ из оболочки звезды-гиганта течет
к черной дыре, закручивается вокруг нее, образуя диск. Слои газа в диске
трутся друг о друга, по спиральным орбитам медленно приближаются к черной
дыре и в конце концов падают в нее. Но еще до этого падения у границы
черной дыры газ разогревается трением до температуры в миллионы градусов и
излучает в рентгеновском диапазоне. По этому излучению астрономы пытаются
обнаружить черные дыры в двойных звездных системах.
Возможно, что очень массивные черные дыры возникают в центрах
компактных звездных скоплений, в центрах галактик и квазарах.
Не исключено также, что черные дыры могли возникнуть в далеком
прошлом, в самом начале расширения Вселенной. В этом случае возможно
образование и очень маленьких черных дыр с массой гораздо меньшей, чем
масса небесных тел.
Этот вывод особенно интересен потому, что вблизи таких маленьких
черных дыр поле тяготения может вызывать специфические квантовые процессы
“рождения” частиц из вакуума. С помощью потока этих рождающихся частиц
можно обнаружить маленькие черные дыры во Вселенной.
Квантовые процессы рождения частиц приводят к медленному уменьшению
массы черных дыр, к их “испарению”.
Приложение
Диаграмма “масса - светимость”
М
L
|-10| | | | | | | | | | |106|
|-8 | | | | | | | | | | |105|
|-6 | | | | | | | | | | |104|
|-4 | | | | | | | | | | |103|
|-2 | | | | | | | | | | |102|
|0 | | | | | | | | | | |10 |
|+2 | | | | | | | | | | |1 |
|+4 | | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |1 |
|+6 | | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |2 |
|+8 | | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |3 |
|+10| | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |4 |
|+12| | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |5 |
|+14| | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |6 |
|+16| | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |7 |
|+18| | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |8 |
|+20| | | | | | | | | | |10-|
| | | | | | | | | | | |9 |
| |0,1 |0,2 |0,5 |1 |2 |5 |10|20|30|50| |
Масса звезд (в массах Солнца)
Список литературы
|1. |Астрофизика, под ред. Дагаева М.М и Чаругина В.М. |
|2. |Воронцов-Вельяминов Б.А. Очерки о Вселенной. М.:1980 |
|3. |Мейер М.В. Мироздание. С.-П.:1909 |
|4. |Учебник по астрономии для 11 класса. М.:1994 |
|5. |Фролов В.П. Введение в физику черных дыр. |
|6. |Энциклопедический словарь юного астронома. | |
