Эволюция звёзд разной массы. Звёздная эволюция

Звезды, как и люди, могут быть новорожденными, молодыми, старыми. Каждый миг умирают одни звезды и образуются другие. Обычно самые юные из них похожи на Солнце. Они находятся на стадии формирования и фактически представляют собой протозвезды. Астрономы называют их звездами типа Т - Тельца, по имени своего прототипа. По своим свойствам - например, светимости - протозвезды являются переменными, поскольку их существование еще не вошло в стабильную фазу. Вокруг многих из них находится большое количество материи. От звезд типа Т исходят мощные ветровые потоки.

Протозвезды: начало жизненного цикла

Если на поверхность протозвезды падает вещество, оно быстро сгорает и превращается в тепло. Как следствие, температура протозвезд постоянно увеличивается. Когда она поднимается настолько, что в центре звезды запускаются ядерные реакции, протозвезда обретает статус обыкновенной. С началом протекания ядерных реакций у звезды появляется постоянный источник энергии, который поддерживает ее жизнедеятельность в течение длительного времени. Насколько долгой будет жизненный цикл звезды во Вселенной, зависит от ее первоначального размера. Однако считается, что у звезд, диаметром с Солнце, энергии хватит на то, чтобы безбедно существовать в течение приблизительно 10 млрд лет. Несмотря на это, случается и так, что даже более массивные звезды живут всего лишь несколько миллионов лет. Это происходит по причине того, что сжигают они свое топливо гораздо быстрее.

Звезды нормальных размеров

Каждая из звезд представляет собой сгустки горячего газа. В их глубинах постоянно происходит процесс выработки ядерной энергии. Однако не все звезды похожи на Солнце. Одно из главных различий заключается в цвете. Звезды бывают не только желтыми, но и синеватыми, красноватыми.

Яркость и светимость

Различаются они и по таким признакам, как блеск, яркость. То, насколько яркой окажется наблюдаемая с поверхности Земли звезда, зависит не только от ее светимости, но и от удаленности от нашей планеты. Учитывая расстояние до Земли, звезды могут обладать совершенно различной яркостью. Этот показатель колеблется от одной десятитысячной блеска Солнца до яркости, сопоставимой более чем с миллионом Солнц.

Большая часть звезд находится на нижнем отрезке этого спектра, являясь тусклыми. Во многих отношениях Солнце является среднестатистической, типичной звездой. Однако, по сравнению с другими, оно обладает гораздо большей яркостью. Большое количество тусклых звезд могут наблюдаться даже невооруженным глазом. Причина, по которой звезды отличаются по яркости, заключается в их массе. Цвет, блеск и изменение яркости во времени определяется количеством вещества.

Попытки объяснить жизненный цикл звезд

Люди издавна пытались проследить жизнь звезд, однако первые попытки ученых были достаточно робкими. Первым достижением было применение закона Лейна к гипотезе Гельмгольца-Кельвина о гравитационном сжатии. Это принесло в астрономию новое понимание: теоретически температура звезды должна повышаться (ее показатель обратно пропорционален радиусу звезды) до тех пор, пока увеличение плотности не замедлит процессы сжатия. Тогда расход энергии будет выше, чем ее приход. В этот момент звезда начнет стремительно остывать.

Гипотезы о жизни звезд

Одна из оригинальных гипотез о жизненном цикле звезды была предложена астрономом Норманом Локиером. Он считал, что звезды возникают из метеорной материи. При этом положения его гипотезы опирались не только на имеющиеся в астрономии теоретические выводы, но и на данные спектрального анализа звезд. Локиер был убежден в том, что химические элементы, которые принимают участие в эволюции небесных тел, состоят из элементарных частиц - «протоэлементов». В отличие от современных нейтронов, протонов и электронов, они обладают не общим, а индивидуальным характером. Например, согласно Локиеру, водород распадается на так называемый «протоводород»; железо становится «протожелезом». Описать жизненный цикл звезды пытались и другие ученые-астрономы, например, Джеймс Хопвуд, Яков Зельдович, Фред Хойл.

Звезды-гиганты и звезды-карлики

Звезды больших размеров являются самыми горячими и яркими. На вид они обычно белые или голубоватого оттенка. Несмотря на то что они обладают гигантскими размерами, топливо внутри них сгорает настолько быстро, что они лишаются его за каких-то несколько миллионов лет.

Звезды небольших размеров, в противоположность гигантским, обычно не столь яркие. Они обладают красным цветом, живут достаточно долго - в течение миллиардов лет. Но среди ярких звезд на небосклоне есть также красные и оранжевые. Примером может послужить звезда Альдебаран - так называемый «глаз быка», находящийся в созвездии Тельца; а также в созвездии Скорпиона. Почему же эти холодные звезды способны конкурировать по яркости с раскаленными звездами, наподобие Сириуса?

Так происходит из-за того, что когда-то они очень сильно расширились, и по своему диаметру стали превосходить огромные красные звезды (сверхгиганты). Огромная площадь позволяет этим звездам излучать на порядок больше энергии, чем Солнце. И это несмотря на тот факт, что их температура намного ниже. К примеру, диаметр Бетельгейзе, находящейся в созвездии Ориона, в несколько сотен раз больше диаметра Солнца. А диаметр обыкновенных красных звезд обычно не составляет и десятой части размера Солнца. Такие звезды называют карликами. Эти виды жизненного цикла звезд может проходить каждое небесное светило - одна и та же звезда на разных отрезках своей жизни может быть и красным гигантом, и карликом.

Как правило, светила, подобные Солнцу, поддерживают свое существование за счет находящегося внутри водорода. Он превращается в гелий внутри ядерной сердцевины звезды. Солнце располагает огромным количеством топлива, однако даже оно не бесконечно - за последние пять миллиардов лет была израсходована половина запаса.

Время жизни звезд. Жизненный цикл звезд

После того как внутри звезды исчерпываются запасы водорода, приходят серьезные перемены. Остатки водорода начинают сгорать не внутри ее ядра, а на поверхности. При этом все больше сокращается время жизни звезды. Цикл звезд, по крайней мере, большинства из них, на этом отрезке переходит в стадию красного гиганта. Размер звезды становится больше, а ее температура - напротив, меньше. Так появляется большинство красных гигантов, а также сверхгигантов. Этот процесс входит в состав общей последовательности происходящих со звездами изменений, которые ученые назвали эволюцией звезд. Цикл жизни звезды включает все ее стадии: в конечном счете все звезды стареют и умирают, а продолжительность их существования напрямую определяется количеством топлива. Большие звезды заканчивают свою жизнь огромным, эффектным взрывом. Более скромные, наоборот, погибают, постепенно сжимаясь до размеров белых карликов. Затем они просто угасают.

Сколько по времени живет средняя звезда? Жизненный цикл звезды может длиться от менее 1,5 млн лет и до 1 млрд лет и более. Все это, как было сказано, зависит от ее состава и размеров. Звезды, подобные Солнцу, живут от 10 до 16 млрд лет. Очень яркие звезды, наподобие Сириуса, живут относительно недолго - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Схема жизненного цикла звезды включает в себя следующие этапы. Это молекулярное облако - гравитационный коллапс облака - рождение сверхновой звезды - эволюция протозвезды - окончание протозвездной фазы. Затем следуют этапы: начало стадии молодой звезды - середина жизни - зрелость - стадия красного гиганта - планетарная туманность - этап белого карлика. Последние две фазы свойственны звездам малого размера.

Природа планетарных туманностей

Итак, мы рассмотрели кратко жизненный цикл звезды. Но что представляет собой Превращаясь из огромного красного гиганта в белого карлика, иногда звезды сбрасывают внешние слои, и тогда ядро звезды становится обнаженным. Газовая оболочка начинает светиться под действием энергии, излучаемой звездой. Название свое эта стадия получила за счет того, что светящиеся газовые пузыри в этой оболочке часто похожи на диски вокруг планет. Но на самом деле они ничего общего с планетами не имеют. Жизненный цикл звезд для детей может не включать всех научных подробностей. Можно лишь описать основные фазы эволюции небесных светил.

Звездные скопления

Астрономы очень любят исследовать Есть гипотеза, что все светила рождаются именно группами, а не поодиночке. Так как звезды, принадлежащие к одному скоплению, обладают схожими свойствами, то и различия между ними являются истинными, а не обусловленными расстоянием до Земли. Какие бы изменения не приходились на долю этих звезд, свое начало они берут в одно и то же время и при равных условиях. Особенно много знаний можно получить, изучая зависимость их свойств от массы. Ведь возраст звезд в скоплениях и их удаленность от Земли примерно равны, поэтому отличаются они только по этому показателю. Скопления будут интересны не только профессиональным астрономам - каждый любитель будет рад сделать красивую фотографию, полюбоваться их исключительно красивым видом в планетарии.

Эволюция звезд - изменение физ. характеристик, внутр. строения и хим. состава звезд со временем. Важнейшие задачи теории Э.з. - объяснение образования звезд, изменения их наблюдаемых характеристик, исследование генетической связи различных групп звезд, анализ их конечных состояний.

Поскольку в известной нам части Вселенной ок. 98-99% массы наблюдаемого вещества содержится в звездах или прошло стадию звезд, объяснение Э.з. явл. одной из наиболее важных проблем астрофизики.

Звезда в стаыционарном состоянии - это газовый шар, к-рый находится в гидростатич. и тепловом равновесии (т.е. действие сил тяготения уравновешино внутр. давлением, а потери энергии на излучение компенсируются энергией, выделяющейся в недрах звезды, см. ). "Рождение" звезды - это образование гидростатически равновесного объекта, излучение к-рого поддерживаются за счет собст. источников энергии. "Смерть" звезды - необратимое нарушение равновесия, ведущее к разрушению звезды или к ее катастрофич. сжатию.

Выделение гравитац. энергии может играть определяющую роль лишь тогда, когда темп-ра недр звезды недостаточна для того, чтобы ядерное энерговыделение могло компенсировать потери энергии, и звезда в целом или ее часть должна сжиматься для поддержания равновесия. Высвечивание тепловой энергии становится важным лишь после исчерпания запасов ядерной энергии. Т.о., Э.з. можно представить как последовательную смену источников энергии звезд.

Характерное время Э.з. слишком велико для того, чтобы можно было всю эволюцию проследить непосредственно. Поэтому осн. методом исследования Э.з. явл. построение последовательностей моделей звезд, описывающих изменения внутр. строения и хим. состава звезд со временем. Эволюц. последовательности затем сопоставляются с результатами наблюдений, напр., с (Г.-Р.д.), суммирующей наблюдения большого числа звезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Особо важную роль играет сравнение с Г.-Р.д. для звездных скоплений, поскольку все звезды скопления имеют одинаковый начальный хим. состав и образовались практически одновременно. По Г.-Р.д. скоплений различного возраста удалось установить направление Э.з. Детально эволюц. последовательности рассчитываются путем численного решения системы дифференциальных уравнений, описывающих распределение массы, плотности, темп-ры и светимости по звезде, к к-рым добавляются , законы энерговыделения и непрозрачности звездного вещества и ур-ния, описывающие изменение хим. состава звезды со временем.

Ход эволюции звезды зависит в основном от ее массы и исходного хим. состава. Определенную, но не принципиальную роль могут играть вращение звезды и ее магн. поле, однако роль этих факторов в Э.з. еще недостаточно исследована. Хим. состав звезды зависит от времени, когда она образовалась, и от ее положения в Галактике в момент образования. Звезды первого поколения сформировались из вещества, состав к-рого определялся космологич. условиями. По=видимому, в нем было примерно 70% по массе водорода, 30% гелия и ничтожная примесь дейтерия и лития. В ходе эволюции звезд первого поколения образовались тяжелые элементы (следующие за гелием), к-рые были выброшены в межзвездное пространство в результате истечения вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды последующих поколений сформировались уже из вещества, содержавшего до 3-4% (по массе) тяжелых элементов.

Наиболее непосредственным указанием на то, что звездообразование в Галактике происходит и в настоящее время, явл. существование массивных ярких звезд спектр. классов O и B, время жизни к-рых не может превосходить ~ 10 7 лет. Скорость звездообразования в совр. эпоху оценивается в 5 в год.

2. Образование звезд, стадия гравитационного сжатия

Согласно наиболее распространенной точке зрения, звезды образуются в результате гравитац. конденсации вещества межзвездной среды. Необходимое для этого разделение межзвездной среды на две фазы - плотные холодные облака и разреженную среду с более высокой темп-рой - может происходить под воздействием тепловой неустойчивости Рэлея-Тейлора в межзвездном магн. поле. Газово-пылевые комплексы с массой , характерным размером (10-100) пк и концентрацией частиц n ~10 2 см -3 . действительно наблюдаются благодаря излучению ими радиоволн. Сжатие (коллапс) таких облаков требует определенных условий: гравитац. частиц облака должна превосходить сумму энергии теплового движения частиц, энергии вращения облака как целого и магн. энергии облака (критерий Джинса). Если учитывается только энергия теплового движения, то с точностью до множителя порядкаединицы критерий Джинса записывается в виде: align="absmiddle" width="205" height="20">, где - масса облака, T - темп-ра газа в К, n - число частиц в 1 см 3 . При типичных для совр. межзвездных облаков темп-рах К могут сколлапсировать лишь облака с массой, не меньшей . Критерий Джинса указывает, что для образования звезд реально наблюдаемого спектра масс концентрация частиц в коллапсирующих облаках должна достигать (10 3 -10 6) см -3 , т.е. в 10-1000 раз превышать наблюдаемую в типичных облаках. Однако такие концентрации частиц могут достигаться в недрах облаков, уже начавших коллапс. Отсюда следует, что происходит путем последовательной, осуществляющейся в неск. этапов, фрагментации массивных облаков. В этой картине естественно объясняется рождение звезд группами - скоплениями. При этом все еще неясными остаются вопросы, относящиеся к тепловому балансу в облаке, полю скоростей в нем, механизму, определяющему спектр масс фрагментов.

Коллапсирующие объекты звездной массы наз. протозвездами. Коллапс сферически-симметричной невращающейся протозвезды без магн. поля включает неск. этапов. В начальный момент времени облако однородно и изотермично. Оно прозрачно для собств. излучения, поэтому коллапс идет с объемными потерями энергии, гл. обр. за счет теплового излучения пыли, к-рой передают свою кинетич. энергию частицы газа. В однородном облаке нет градиента давления и сжатие начинается в режиме свободного падения с характерным временем , где G - , - плотность облака. С началом сжатия возникает волна разрежения, перемещающаяся к центру со скоростью звука, а т.к. коллапс происходит быстрее там, где плотность выше, протозвезда разделяется на компактное ядро и протяженную оболочку, в к-рой вещество распределяется по закону . Когда концентрация частиц в ядре достигает ~ 10 11 см -3 оно становится непрозрачным для ИК-излучения пылинок. Выделяющаяся в ядре энергия медленно просачивается к поверхности благодаря лучистой теплопроводности. Темп-ра начинает повышаться почти адиабатически, это приводит к росту давления, и ядро приходит в состояние гидростатич. равновесия. Оболочка продолжает падать на ядро, и на его периферии возникает . Параметры ядра в это время слабо зависят от общей массы протозвезды: К. По мере увеличения массы ядра за счет аккреции, его темп-ра изменяется практически адиабатически, пока не достигнет 2000 К, когда начинается диссоциация молекул H 2 . В результате расхода энергии на диссоциацию, а не не увеличение кинетич. энергии частиц, значение показателя адиабаты становится меньше 4/3, изменения давления не способны компенсировать силы тяготения и ядро повторно коллапсирует (см. ). Образуется новое ядро с параметрами , окруженное ударным фронтом, на которое аккрецируют остатки первого ядра. Подобная же перестройка ядра происходит при водорода.

Дальнейший рост ядра за счет вещества оболочки продолжается до тех пор, пока все вещество упадет на звезду либо рассеется под действием или , если ядро достаточно массивно (см. ). У протозвезд с характерное время вещества оболочки t a >t кн , поэтому их светимость определяется энерговыделением сжимающихся ядер.

Звезда, состоящая из ядра и оболочки, наблюдается как ИК-источник из-за переработки излучения в оболочке (пыль оболочки, поглощая фотоны УФ-излучения ядра, излучает в ИК-диапазоне). Когда оболочка становится оптически тонкой, протозвезда начинает наблюдаться как обычный объект звездной природы. У наиболее массивных звезд оболочки сохраняются до начала термоядерного горения водорода в центре звезды. Давление излучения ограничивает массу звезд величиной, вероятно, . Если даже и образуются более массивные звезды, то они оказываются пульсационно-неустойчивыми и могут потерять значит. часть массы на стадии горения водорода в ядре. Продолжительность стадии коллапса и рассеяния протозвездной оболочки того же порядка, что и время свободного падения для родительского облака, т.е. 10 5 -10 6 лет. Освещенные ядром сгустки темного вещества остатков оболочки, ускоренные звездным ветром, отождествляются с объектами Хербига-Аро (звездообразными сгущениями, имеющими эмиссионный спектр). Звезды малых масс, когда они становятся видимыми, находятся в области Г.-Р.д., занимаемой звездами типа Т Тельца (карликовыми ), более массивные - в области, где находятся эмиссионные звезды Хербига (неправильные ранних спектр. классов с эмиссионными линиями в спектрах).

Эволюц. треки ядер протозвезд с постоянной массой на стадии гидростатич. сжатия показаны на рис. 1. У звезд малых масс в момент, когда устанавливается гидростатич. равновесие, условия в ядрах таковы, что энергия в них переносится . Расчеты показывают, что темп-ра поверхности полностью конвективной звезды почти постоянна. Радиус звезды непрерывно уменьшается, т.к. она продолжает сжиматься. При неизменной темп-ре поверхности и уменьшающемся радиусе светимость звезды должна падать и на Г.-Р.д. этой стадии эволюции соответствуют вертикальные участки треков.

По мере продолжения сжатия темп-ра в недрах звезды повышается, вещество становится более прозрачным, и у звезд с align="absmiddle" width="90" height="17"> возникают лучистые ядра, но оболочки остаются конвективными. Менее массивные звезды остаются полностью конвективными. Их светимость регулируется тонким лучистым слоем в фотосфере. Чем массивнее звезда и чем выше ее эффективная темп-ра, тем больше у нее лучистое ядро (в звездах с align="absmiddle" width="74" height="17"> лучистое ядро возникает сразу). В конце концов, практически вся звезда (за исключением поверхностной конвективной зоны у звезд с массой ) переходит в состояние лучистого равновесия, при к-ром вся выделяющаяся в ядре энергия переносится излучением.

3. Эволюция на основе ядерных реакций

При темп-ре в ядрах ~ 10 6 К начинаются перве ядерные реакции - выгорают дейтерий, литий, бор. Первичное количество этих элементов настолько мало, что их выгорание практически не выдерживает сжатия. Сжатие прекращается, когда темп-ра в центре звезды достигает ~ 10 6 К и загорается водород, т.к. энергии, выделяющейся при термоядерном горении водорода, достаточно для компенсации потерь на излучение (см. ). Однородные звезды, в ядрах к-рых горит водород, образуют на Г.-Р.д. начальную главную последовательность (НГП). Массивные звезды достигают НГП быстрее звезд малой массы, т.к. у них скорость потерь энергии на единицу массы, а следовательно, и темп эволюции выше,чем у маломассивных звезд. С момента выхода на НГП Э.з. происходит на основе ядерного горения, главные стадии к-рого суммирована в табл. Ядерное горение может происходить до образования элементов группы железа, у к-рых наибольшая среди всех ядер энергия связи. Эволюц. треки звезд на Г.-Р.д. изображены на рис. 2. Эволюция центральных значений темп-ры и плотности звезд показана на рис. 3. При К осн. источником энергии явл. реакция водородного цикла, при б"ольших T - реакции углерод-азотного (CNO) цикла (см. ). Побочным эффектом CNO-цикла явл. установление равновесных концентраций нуклидов 14 N, 12 C, 13 C - соответственно 95%, 4% и 1% по массе. Преобладание азота в слоях, где происходило горение водорода, подтверждается результатами наблюдений , у к-рых эти слои оказываются на поверхности в результате потери внеш. слоев. У звезд, в центре к-рых реализуется CNO-цикл ( align="absmiddle" width="74" height="17">), возникает конвективное ядро. Причина этого в очень сильной зависимости энерговыделения от темп-ры: . Поток же лучистой энергии ~ T 4 (см. ), следовательно, он не может перенести всю выделяющуюся энергию, и должна возникнуть конвекция, более эффективная, чем лучистый перенос. У наиболее массивных звезд конвекцией охвачено более 50% массы звезд. Значение конвективного ядра для эволюции определяется тем, что ядерное горючее равномерно истощается в области, значительно большей, чем область эффективного горения, в то время как у звезд без конвективного ядра оно вначале выгорает лишь в малой окрестности центра, где темп-ра достаточно высока. Время выгорания водорода заключено в пределах от ~ 10 10 лет для до лет для . Время всех последующих стадий ядерного горения не превосходит 10% времени горения водорода, поэтому звезды на стадии горения водорода образуют на Г.-Р.д. густонаселенную область - (ГП). У звезд с темп-ра в центре никогда не достигает значений, необходимых для загорания водорода, они неограниченно сжимаются, превращаясь в "черные" карлики. Выгорание водорода при водит к увеличению ср. молекулярной массы вещества ядра, и поэтому для поддержания гидростатич. равновесия давление в центре дожно возрастать, что влечет за собой увеличение темп-ры в центре и градиента темп-ры по звезде, а следовательно, и светимости. К увеличению светимости приводит также и уменьшение непрозрачности вещества с ростом темп-ры. Ядро сжимается для поддержания условий ядерного энерговыделения с уменьшением содержания водорода, а оболочка расширяется из-за необходимости перенести возросший поток энергии от ядра. На Г.-Р.д. звезда перемещается вправо от НГП. Уменьшение непрозрачности приводит к отмиранию конвективных ядер у всех звезд, кроме наиболее массивныых. Темп эволюции массивных звезд наиболее высок, и они первыми покидают ГП. Время жизни на ГП составляет для звезд с ок. 10 млн. лет, с ок. 70 млн. лет, а с ок. 10 млрд. лет.

Когда содержание водорода в ядре уменьшается до 1%, расширение оболочек звезд с align="absmiddle" width="66" height="17"> сменяется общим сжатием звезды, необходимым для поддержания энерговыделения. Сжатие оболочки вызывает нагрев водорода в слое, прилегающем к гелиевому ядру, до темп-ры его термоядерного горения, и возникает слоевой источник энерговыделения. У звезд с массой , у к-рых в меньшей степени зависит от темп-ры и область энерговыделения не столь сильно концентрируется к центру, стадия общего сжатия отсутствует.

Э.з. после выгорания водорода зависит от их массы. Важнейшим фактором, влияющим на ход эволюции звезд с массой , явл. вырождение газа электронов при больших плотностях. В из-за большой плотности число квантовых состояний с малой энергией ограничено в силу принципа Паули и электроны заполняют квантовые уровни с высокой энергией, значительно превышающей энергию их теплового движения. Важнейшая особенность вырожденного газа состояит в том, что его давление p зависит лишь от плотности: для нерелятивистского вырождения и для релятивистского вырождения. Давление газа электронов намного превосходит давление ионов. Отсюда следует принципиальный для Э.з. вывод: поскольку сила тяготения, действующая на единичный объем релятивистски вырожденного газа, , зависит от плотности так же, как и градиент давления , должна существовать предельная масса (см. ), такая, что при align="absmiddle" width="66" height="15"> давление электронов не может противодействовать тяготению и начинается сжатие. Предельная масса align="absmiddle" width="139" height="17">. Граница области, в к-рой газ электронов вырожден, показана на рис. 3 . У звезд малых масс вырождение играет заметную роль уже в процессе образования гелиевых ядер.

Второй фактор, определяющий Э.з. на поздних стадиях, - это нейтринные потери энергии. В звездных недрах при T ~10 8 К осн. роль в рождении играют: фотонейтринный процесс , распад квантов плазменных колебаний (плазмонов) на пары нейтрино-антинейтрино (), аннигиляция пар электрон-позитрон () и (см. ). Важнейшая особенность нейтрино состояит в том, что вещество звезды для них практически прозрачно и нейтрино беспрепятственно уносят энергию из звезды.

Гелиевое ядро, в к-ром еще не возникли условия для горения гелия, сжимается. Темп-ра в слоевом источнике, прилегающем к ядру, увеличивается, скорость горения водорода возрастает. Необходимость переноса возросшего потока энергии приводит к расширению оболочки, на что тратится часть энергии. Поскольку светимость звезды не изменяется, темп-ра ее поверхности падает, и на Г.-Р.д. звезда перемещается в область, занимаемую красными гигантамию Время перестройки звезды на два порядка меньше времени выгорания водорода в ядре, поэтому между полосой ГП и областью красных сверхгигантов мало звезд. С уменьшением темп-ры оболочки возрастает ее прозрачность, вследствие этого появляется внеш. конвективная зона и возрастает светимость звезды.

Отвод энергии из ядра посредством теплопроводности вырожденных электронов и нейтринных потерь у звезд с оттягивает момент загорания гелия. Темп-ра начинает заметно расти лишь тогда, когда ядро становится почти изотермичным. Горение 4 He определяет Э.з. с момента, когда энерговыделение превышает потери энергии путем теплопроводности и излучения нейтрино. Это же условие относится к горению всех последующих видом ядерного топлива.

Примечательная особенность звездных ядер из вырожденного газа, охлаждаемых нейтрино, - это "конвергенция" - сближение треков, к-рые характеризуют соотношение плотности и темп-ры T c в центре звезды (рис. 3). Скорость энерговыделения при сжатии ядра определяется скоростью присоединения вещества к нему через слоевой источник, к-рая зависит только от массы ядра при данном виде топлива. В ядре должен поддерживаться баланс притока и оттока энергии, поэтому в ядрах звезд устанавливается одинаковое распределение темп-ры и плотности. К моменту загорания 4 He масса ядра в зависимости от содержания тяжелых элементов. В ядрах из вырожденного газа загорание 4 He имеет характер теплового взрыва, т.к. энергия, выделяющаяся при горении, идет на увеличение энергии теплового движения электронов, но давление с ростом темп-ры почти не изменяется до тех пор, пока тепловая энергия электронов не сравняется с энергией вырожденного газа электронов. Тогда вырождение снимается и ядро быстро расширяется - происходит гелиевая вспышка. Гелиевые вспышки, вероятно, сопровождаются потерей звездного вещества. У , где массивные звезды уже давно закончили эволюцию и красные гиганты имеют массы , звезды на стадии горения гелия находятся на горизонтальной ветви Г.-Р.д.

В гелиевых ядрах звезд с align="absmiddle" width="90" height="17"> газ не вырожден, 4 He загорается спокойно, но ядра также расширяются из-за возрастания T c . У наиболее массивных звезд загорание 4 He происходит еще тогда, когда они явл. голубыми сверхгигантами. Расширение ядра ведет к уменьшению T в области водородного слоевого источника, и светимость звезды после гелиевой вспышки падает. Для поддержания теплового равновесия оболочка сжимается, и звезда уходит из области красных сверхгигантов. Когда 4 He в ядре истощается, снова начинается сжатие ядра и расширение оболочки, звезда опять становится красным сверхгигантом. Образуется слоевой источник горения 4 He, к-рый доминирует в энерговыделении. Снова возникает внеш. конвективная зона. По мере выгорания гелия и водорода толщина слоевых источников уменьшается. Тонкий слой горения гелия оказывается термически неустойчивым, т.к. при очень сильной чувствительности энерговыделения к темп-ре () теплопроводность вещества недостаточна для того, чтобы погасить тепловые возмущения в слое горения. При тепловых вспышках в слое возникает конвекция. Если она проникает в слои, богатые водородом, то в результате медленного процесса (s -процесса, см. ) синтезируются элементы с атомными массами от 22 Ne до 209 B.

Давление излучения на пыль и молекулы, образующиеся в холодных протяженных оболочках красных сверхгигантов, приводит к непрерывной потере вещества со скоростью до в год . Непрерывная потеря массы может дополнятся потерями, обусловленными неустойчивостью слоевого горения или пульсациями, что может привести к выбросу одной или неск. оболочек. Когда количество вещества над углеродно-кислородным ядром становится меньшим нек-рого предела, оболочка для поддержания темп-ры в слоях горения вынуждена сжиматься до тех пор, пока сжатие способно поддерживать горение; звезда на Г.-Р.д. смещается почти горизонтально влево. На этом этапе неустойчивость слоев горения также может приводить к расширению оболочки и потере вещества. Пока звезда достаточно горяча, она наблюдается как ядро с одной или неск. оболочками. Когда слоевые источники смещаются к поверхности звезды настолько, что темп-ра в них становится ниже необходимой для ядерного горения, звезда охлаждается, превращаясь в белый карлик с , излучающий за счет расхода тепловой энергии ионного компонента его вещества. Характерное время охлаждения белых карликов ~ 10 9 лет. Нижняя граница масс одиночных звезд, превращающихся в белые карлики, неясна, она оценивается в 3-6 . У звезд с электронный газ вырождается на стадии роста углеродно-кислородных (C,O-) ядер звезд. Как и в гелиевых ядрах звезд, из-за нейтринных потерь энергии происходит "конвергенция" условий в центре и к моменту загорания углерода в C,O-ядре . Загорание 12 C при таких условиях, скорее всего, имеет характер взрыва и приводит к полному разрушению звезды. Полного разрушения может не произойти, если . Такая плотность достижима, когда скорость роста ядра определяется аккрецией вещества спутника в тесной двойной системе.

Звезды, как известно, получают свою энергию из реакций термоядерного синтеза, и у каждой звезды рано или поздно наступает момент, когда термоядерное топливо подходит к концу. Чем выше масса звезды, тем быстрее она сжигает все, что может, и переходит на заключительную стадию своего существования. Дальнейшие события могут идти по разным сценариям, какой именно – в первую очередь зависит опять же от массы.
В то время, когда «догорает» водород в центре звезды, в ней выделяется гелиевое ядро, сжимающееся и выделающее энергию. В дальнейшем в нем могут начаться реакции горения гелия и последующих элементов (см. ниже). Внешние слои увеличиваются во много раз под действием увеличившегося давления, идущего из нагретого ядра, звезда становится красным гигантом.
В зависимости от массы звезды, в ней могут протекать разные реакции. От этого зависит, какой состав будет иметь звезда к моменту угасания синтеза.

Белые карлики

Для звезд с массой до примерно 10 M C ядро весит менее 1,5 M C . После завершения термоядерных реакций прекращается давление излучения, и ядро начинает сжиматься под действием гравитации. Сжимается оно до тех пор, пока не начнет мешать давление вырожденного электронного газа, обусловленное принципом Паули. Внешние слои сбрасываются и рассеиваются, образуя планетарную туманность. Первую такую туманность открыл французский астроном Шарль Мессье в 1764 году и занес ее в каталог под номером M27.
То, что получилось из ядра, называется белым карликом. Белые карлики имеют плотностьбольше 10 7 г/см 3 и температуру поверхости порядка 10 4 К. Светимость на 2-4 порядка ниже светимости Солнца. Термоядерный синтез в нем не идет, вся излучаемая им энергия была накоплена ранее.Таким образом, белые карлики медленно остывают и перестают быть видимыми.
У белого карлика еще есть шанс проявить активность, если он входит в состав двойной звезды и перетягивает на себя массу компаньона (например, компаньон стал красным гигантом и заполнил своейй массой всю свою полость Роша). В таком случае может начаться либо синтез водорода в CNO-цикле с помощью углерода, содержащегося в белом карлике, заканчивающийся сбросом внешнего водородного слоя («новая» звезда). Либо масса белого карлика может вырасти настолько, что загорится ее углеродно-кислородная составляющая, волной взрывного горения, идущей из центра. В результате образуются тяжелые элементы с выделением большого количества энергии:

12 С + 16 O → 28 Si + 16.76 МэВ
28 Si + 28 Si → 56 Ni + 10.92 МэВ

Светимость звезды сильно возрастает в течение 2 недель, затем в течение еще 2 недель быстро спадает, после чего продолжает падать примерно в 2 раза за 50 дней. Основная энергия (около 90%) испускается в виде гамма-квантов из цепочки распада изотопа никеля.Такое явление называется сверхновой 1 типа.
Белых карликов массой в 1.5 и выше масс Солнца не бывает. Это объясняется тем, что для существования белого карлика необходимо уравновесить гравитационное сжатие давлением электронного газа, но происходит это при массах не более 1.4 M C , это ограничение называется пределом Чандрасекара. Величину можно получить как условие равенства сил давления силам гравитационного сжатия в предположении, что импульсы электронов определяются соотношением неопределенности для занимаемого ими объема, а движутся они со скоростью, близкой к скорости света.

Нейтронные звезды

В случае с более массивными (> 10 M C) звездами все происходит несколько иначе.Высокая температура в ядре активизирует реакции с поглощением энергии, такие как выбивание протонов, нейтронов и альфа-частиц из ядер, а также e-захват высокоэнергетичных электронов, компенсирующих разницу масс двух ядер. Вторая реакция создает избыток нейтронов в ядре. Обе реакции ведут к его охлаждению и общему сжатию звезды. Когда энергия ядерного синтеза заканчивается, сжатие превращается в почти свободное падение оболочки на сжимающееся ядро. При этом резко ускоряется скорость термоядерного синтеза во внешних падающих слоях, что приводит к испусканию огромного количества энергии за несколько минут (сопоставимую с энергией, которую легкие звезды испускают за все свое существование).
Сжимающееся ядро за счет высокой массы преодолевает давление электронного газа и сжимается дальше. При этом происходят реакии p + e - → n + ν e , после которых электронов, мешающих сжатию, в ядре почти не остается. Сжатие происходит до размеров в 10 − 30 км, соответствующих плотности, установленной давлением нейтронного вырожденного газа. Падающее на ядро вещество получает отраженную от нейтронного ядра ударную волну и часть выделившейся при его сжатии энергии, что приводит к стремительному выбросу внешней оболочки в стороны. Получившийся объект называется нейтронной звездой. Большую часть (90%) энергии, выделившейся от гравитационного сжатия, уносят нейтрино в первые секунды после коллапса. Вышеописанный процесс называется взрывом сверхновой второго типа. Энергия взрыва такова, что некоторые их них (редко) видны невооруженным глазом даже в дневное время. Первая сверхновая была зарегистрирована китаййскими астрономами в 185 году н.э. В настоящее время регистрируется несколько сотен вспышек в год.
Получившаяся нейтронная звезда имеет плотность ρ ~ 10 14 − 10 15 г/см 3 . Сохранение момента импулься при сжатии звезды приводит к очень малым периодам обращения, обычно в пределах от 1 до 1000 мс. Для обычных звезд такие периоды невозможны, т.к. Их гравитация не сможет противодействовать центробежным силам такого вращения. Нейтронная звезда имеет очень большое магнитное поле, достигающее 10 12 -10 13 Гс на поверхности, что приводит к сильному электромагнитному излучению. Несовпадающая с осью вращения магнитная ось приводит к тому, что в заданное направление нейтронная звезда посылает периодические (с периодом вращения) импульсы излучения. Такая звезда называется пульсаром. Этот факт помог их экспериментальному открытию и используется для обнаружения. Обнаружить нейтронную звезду оптическими методами намного сложнее из-за малой светимости. Период обращения постепенно уменьшается из-за перехода энергии в излучение.
Внешний слой нейтронной звезды состоит из кристаллического вещества, в основном железа и соседних с ним элементов. Большая часть остальной массы - нейтроны, в самом центре могут находиться пионы и гипероны. Плотность звезды растет к центру и может достигать величин, заметно больших плотности ядерной материи. Поведение материи при таких плотностях плохо изучено. Существуют теории о свободных кварках, в том числе не только первого поколения, при таких экстремальных плотностях адронной материи. Возможны сверхпроводимое и сверхтекучее состояние нейтронного вещества.
Существует 2 механизма охлаждения нейтронной звезды. Один из них – излучение фотонов, как и всюду. Второй механизм – нейтринный. Он преобладает до тех пор, пока температура ядра выше 10 8 K. Обычно это соответствует температуре поверхности выше 10 6 K и длится 10 5 −10 6 лет. Существует несколько способов излучения нейтрино:

Черные дыры

В случае, если масса исходной звезды превышала 30 масс Солнца, то образующееся во взрыве сверхновой ядро будет тяжелее 3 M C . При такой массе давление нейтронного газа больше не может сдерживать гравитацию, и ядро не останавливается на стадии нейтронной звезды, а продолжает коллапсировать (тем не менее, экспериментально обнаруженные нейтронные звезды имеют массы не более 2 масс Солнца, а не трех). На этот раз коллапсу уже ничего не помешает, и образуется черная дыра. Этот объект имеет чисто релятивистскую природу и не может быть объяснен без ОТО. Несмотря на то, что вещество, по теории, сколлапсировало в точку − сингулярность, черная дыра имеет ненулевой радиус, называемый радиусом Шварцшильда:

R Ш = 2GM/c 2 .

Радиус обозначает границу непреодолимого даже для фотонов гравитационного поля черной дыры, называемую горизонтом событий. К примеру, радиус Шварцшильда Солнца − всего 3 км. Вне горизонта событий гравитационное поле черной дыры такое же, как поле обычного объекта ее массы. Наблюдать черную дыру можно только по косвенным эффектам, так как сама она сколько-нибудь заметной энергии не излучает.
Несмотря на то, что покинуть горизонт событий ничто не может, черная дыра все же может создавать излучение. В квантовом физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные пары частица-античастица. Сильнейшее гравитационное поле черной дыры может успеть провзаимодействовать с ними до того, как они исчезнут, и поглотить античастицу. В случае, если полная энергия виртуальной античастицы была отрицательна, черная дыра при этом теряет массу, а оставшаяся частица становится реальной и получает энергию, достаточную, чтобы улететь из поля черной дыры. Это излучение называется излучением Хокинга и имеет спектр абсолютно черного тела. Ему можно приписать некоторую температуру:

Влияние этого процесса на массу большинства черных дыр ничтожно по сравнению с той энергией, которую они получают даже от реликтового излучения. Исключение составляют реликтовые микроскопические черные дыры, которые могли образоваться на ранних стадиях эволюции Вселенной. Малые размеры ускоряют процесс испарения и замедляют процесс набора массы. Последние стадии испарения таких черных дыр должны заканчиваться взрывом. Подходящих под описание взрывов зарегистрировано ни разу не было.
Вещество, падающее на черную дыру, нагревается и становится источником рентгеновского излучения, которое служит косвенным признаком наличия черной дыры. При падении на черную дыру вещества с большим моментом импульса оно образует вращающийся аккреционный диск вокруг нее, в котором частицы теряют энергию и момент импульса перед падением на черныю дыру. В случае с сверхмассивной черной дырой, возникают два выделенных направления вдоль оси диска, в которых давление испускаемого излучения и электромагнитные эффекты ускоряют выбившиеся из диска частицы. Это создает мощные струи вещества в обе стороны, которые также можно зарегистрировать. По одной из теорий, именно так устроены активные ядра галактик и квазары.
Вращающаяся черная дыра представляет собой более сложный объект. Своим вращением она «захватывает» некоторую область пространства за горизонтом событий («Эффект Лензе-Тирринга»). Эта область называется эргосферой, ее граница называется пределом статичности. Предел статичности представляет собой эллипсоид, совпадающий с горизонтом событий в двух полюсах вращения черной дыры.
Вращающиеся черные дыры имеют дополнительный механизм потери энергии через передачу ее частицам, попавшим в эргосферу. Такая потеря энергии сопровождается потерей момента импульса и замедляет вращение.

Список литературы

С.Б.Попов, М.Е.Прохоров "Астрофизика одиночных нейтронных звезд: радиотихие нейтронные звезды и магнитары" ГАИШ МГУ, 2002
Уильям Дж. Кауфман "Космические рубежи теории относительности" 1977
Другие источники в интернет

декабрь 2010 г.

Наше Солнце светит уже более 4,5 млрд. лет. При этом оно постоянно расходует водород. Абсолютно ясно, что как бы не велики были его запасы, но когда-то они будут исчерпаны. И что же произойдёт со светилом? На этот вопрос есть ответ. Жизненный цикл звезды можно изучить по другим аналогичным космическим образованиям. Ведь в космосе существуют настоящие патриархи, возраст которых составляет 9-10 млрд. лет. А есть совсем юные звёздочки. Им от роду не более нескольких десятков млн. лет.

Следовательно, наблюдая за состояние различных звёзд, которыми "усыпана" Вселенная, можно понять, как они себя ведут с течением времени. Здесь можно провести аналогию с наблюдателем-инопланетянином. Он прилетел на Землю и стал изучать людей: детей, взрослых, стариков. Таким образом, за совсем короткий период времени он понял, какие изменения происходят с людьми в течение жизни.

В настоящее время Солнце является жёлтым карликом - 1
Пройдут миллиарды лет, и оно станет красным гигантом - 2
А затем превратится в белого карлика - 3

Поэтому можно со всей уверенностью сказать, что когда запасы водорода в центральной части Солнца будут исчерпаны, термоядерная реакция не прекратится . Зона, где будет продолжаться этот процесс, начнёт сдвигаться к поверхности нашего светила. Но при этом силы гравитации уже не смогут влиять на давление, которое образуется в результате термоядерной реакции.

Как следствие, звезда начнёт разрастаться в размерах и постепенно превратится в красного гиганта . Это космический объект поздней стадии эволюции. Но таковым же он бывает и на ранней стадии во время звёздообразования. Только во втором случае красный гигант сжимается и превращается в звезду главной последовательности . То есть в такую, в которой идёт реакция синтеза гелия из водорода. Одним словом, с чего жизненный цикл звезды начинается, тем и заканчивается.

Наше Солнце увеличится в размерах настолько, что поглотит ближайшие планеты. Это Меркурий , Венера и Земля . Но не надо пугаться. Умирать светило начнёт через несколько млрд. лет. За это время сменятся десятки, а может и сотни цивилизаций. Человек ещё не раз возьмёт в руки дубину, а по прошествию тысячелетий опять сядет за компьютер. Это обычная цикличность, на которой базируется вся Вселенная.

Но превращение в красного гиганта ещё не означает конец. Термоядерная реакция будет отбрасывать в космос внешнюю оболочку. А в центре будет оставаться лишённое энергии гелиевое ядро. Под действием сил тяготения оно будет сжиматься и, в конце концов, превратится в чрезвычайно плотное с большой массой космическое образование. Такие остатки потухших и медленно остывающих звёзд называются белыми карликами .

У нашего белого карлика радиус будет в 100 раз меньше радиуса Солнца, а светимость уменьшится в 10 тыс. раз. При этом масса будет сравнимой с нынешней солнечной, а плотность будет больше в миллион раз. Таких белых карликов в нашей Галактике очень много. Их численность составляет 10% от общего числа звёзд.

Надо отметить, что белые карлики бывают водородными и гелиевыми. Но мы не будем лезть в дебри, а только заметим, что при сильном сжатии может наступить гравитационный коллапс. А это чревато колоссальным взрывом. При этом наблюдается вспышка сверхновой звезды. Термин "сверхновый" характеризует не возраст, а яркость вспышки. Просто белого карлика долго не было видно в космической бездне, и вдруг появилось яркое свечение.

Большая часть взорвавшейся сверхновой звезды разлетается в пространстве с огромной скоростью. А оставшаяся центральная часть сжимается в ещё более плотное образование и называется нейтронной звездой . Это конечный продукт звёздной эволюции. Его масса сравнима с солнечной, а радиус достигает всего лишь нескольких десятков км. Один куб. см нейтронной звезды может весить миллионы тонн. В космосе таких образований довольно много. Их количество примерно в тысячу раз меньше обычных солнц, которыми усыпано ночное небо Земли.

Надо сказать, что жизненный цикл звезды напрямую связан с её массой. Если она соответствует массе нашего Солнца или меньше её, то в конце жизни появляется белый карлик. Однако существуют светила, которые в десятки и сотни раз больше Солнца.

Когда такие гиганты сжимаются в процессе старения, то они так искажают пространство и время, что вместо белого карлика появляется чёрная дыра . Её гравитационное притяжение так велико, что его не могут преодолеть даже те объекты, которые движутся со скоростью света. Размеры дыры характеризует гравитационный радиус . Это радиус сферы, ограниченной горизонтом событий . Он представляет собой пространственно-временной предел. Любое космическое тело, преодолев его, исчезает навсегда и никогда не возвращается обратно.

О чёрных дырах существует много теорий. Все они базируются на теории гравитации, так как именно гравитация является одной из важнейших сил Вселенной. А основное её качество - универсальность . По-крайней мере, в наши дни не обнаружено ни одного космического объекта, у которого бы отсутствовало гравитационное взаимодействие.

Есть предположение, что через чёрную дыру можно попасть в параллельный мир. То есть это канал в другое измерение. Всё возможно, но любое утверждение требует практических доказательств. Однако пока ещё никто из смертных не смог осуществить подобный эксперимент.

Таким образом, жизненный цикл звезды состоит из нескольких стадий. В каждой из них светило выступает в определённом качестве, которое кардинально отличается от предыдущих и будущих. В этом и заключается неповторимость и таинственность космического пространства. Знакомясь с ним, невольно начинаешь думать, что человек тоже проходит несколько стадий в своём развитии. А та оболочка, в которой мы существуем сейчас, является лишь переходным этапом к какому-то иному состоянию. Но это умозаключение опять же требует практического подтверждения .

Эволюция Звёзд Разной Массы

Астрономы не могут наблюдать жизнь одной звезды от начала до конца, потому что даже самые короткоживущие звезды существуют миллионы лет - дольше жизни всего человечества. Изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд, т.е. звездную эволюцию, астрономы изучают на основе сопоставления характеристик множества звезд, находящихся на разных стадиях эволюции.

Физические закономерности, связывающие наблюдаемые характеристики звезд, отражаются на диаграмме цвет-светимость - диаграмме Герцшпрунга - Ресселла, на которой звезды образуют отдельные группировки - последовательности: главную последовательность звезд, последовательности сверхгигантов, ярких и слабых гигантов, субгигантов, субкарликов и белых карликов.

Большую часть своей жизни любая звезда находится на так называемой главной последовательности диаграммы цвет-светимость. Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Главная последовательность включает в себя около 90% всех наблюдаемых звезд.

Срок жизни звезды и то, во что она превращается в конце жизненного пути, полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд - всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни - около 15 млрд. лет. После того как звезда исчерпает свои источники энергии она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.

Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Если масса звезды невелика, то силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика. Если масса превышает критическое значение, сжатие продолжается. При очень высокой плотности электроны, соединяясь с протонами, образуют нейтроны. Вскоре уже почти вся звезда состоит из одних нейтронов и имеет такую громадную плотность, что огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаре радиусом несколько километров и сжатие останавливается - образуется нейтронная звезда. Если же масса звезды будет настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не остановит гравитационного коллапса, то конечным этапом эволюции звезды будет черная дыра.