Красные гиганты и белые карлики доклад
Обновлено: 28.04.2024
В нашей Вселенной много удивительного, и порой она кажется интереснее самой изощренной выдумки фантастов. И сейчас мы хотим поговорить об объектах далекого космоса (как реальных, так и предполагаемых), о которых слышали все, но представляет себе далеко не каждый.
Красный гигант
Существует множество разных звезд: одни более горячие, другие более холодные, одни большие, другие (условно) маленькие. Звезда красный гигант имеет невысокую температуру поверхности и огромный радиус. Из-за этого она обладает высокой светимостью. Радиус красного гиганта может достигать 800 солнечных, а яркость способна превосходить солнечную в 10 тыс. раз. Альдебаран, Арктур, Гакрукс — красные гиганты, входящие в список ярчайших светил ночного неба. При этом красные гиганты не самые массивные. Самые большие звезды — красные сверхгиганты: их радиус может превышать солнечный в 1500 раз.
Красный гигант — это конечный этап эволюции звезды. Звезда становится красным гигантом, когда в ее центре весь водород превращается в гелий, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра. Таким образом, все красные гиганты имеют похожее строение: горячее плотное ядро и очень разреженную и протяженную оболочку. Это ведет к росту светимости, расширению внешних слоев и снижению температуры на поверхности. А также к интенсивному звездному ветру — истечению вещества из светила в межзвездное пространство.
Дальнейшая судьба красного гиганта зависит от массы. Если масса низкая, то звезда трансформируется в белого карлика, если высокая — превратится в нейтронную звезду или черную дыру.
Белый карлик
Желтый карлик
Об этом типе звезд знают далеко не все. И это странно, ведь наше родное Солнце — это типичный желтый карлик. Желтые карлики — небольшие звезды, масса которых составляет 0,8–1,2 солнечной. Это светила так называемой главной последовательности. На диаграмме Герцшпрунга—Рассела это область, которая содержит звезды, использующие в качестве источника энергии термоядерную реакцию синтеза гелия из водорода.
Желтые карлики имеют температуру поверхности 5000–6000 K, а среднее время их жизни составляет 10 млрд лет. Такие звезды превращаются в красных гигантов после того, как их запас водорода сжигается. Подобная участь ожидает и наше Солнце: по прогнозам ученых, примерно через 5–7 млрд лет оно поглотит нашу планету, став красным гигантом, а затем превратится в белого карлика. Но задолго до всего этого жизнь на нашей планете будет сожжена.
Коричневый карлик
Температура поверхности коричневого карлика может составлять 300–3000 К. Всю свою жизнь он непрерывно остывает: чем крупнее такой объект, тем медленнее происходит этот процесс. Проще говоря, коричневый карлик из-за термоядерного синтеза разогревается на первом этапе своей жизни, а затем остывает, становясь похожим на обычную планету.
Коричневые карлики могут образовываться как в протопланетном диске какой-либо звезды, так и независимо от других космических объектов. Вокруг них тоже могут появляться планеты и, по некоторым представлениям, даже обитаемые. Но поскольку коричневые карлики излучают мало тепла и очень короткое время, то зона обитаемости располагается достаточно близко к ним и очень быстро исчезает. Если на Земле для появления многоклеточной жизни потребовалось 3,5 млрд лет, и срок ее дальнейшего существования при удачном стечении обстоятельств довольно велик, то, например, многоклеточная жизнь на подобной планете около бурого карлика массой 0,04 солнечной просуществует не более 0,5 млрд лет. Потом по мере остывания карлика зона обитаемости приблизится к нему, и всё живое на планете погибнет.
Двойная звезда
Двойной звездой (или двойной системой) называют две гравитационно связанные звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс. Двойная звезда кажется весьма экзотическим явлением, однако в галактике Млечный Путь оно очень распространено. Исследователи полагают, что примерно половина всех звезд Галактики относится к двойным системам. Иногда даже можно встретить системы, которые состоят из трех звезд.
Обычная звезда формируется в результате сжатия молекулярного облака из-за гравитационной неустойчивости. В случае с двойной звездой ситуация похожа, но вот что касается причины разделения, то здесь ученые не могут придти к общему мнению.
Сверхновая
Сверхновой звездой называют феномен, при котором яркость звезды возрастает на 4–8 порядков, а после этого постепенно понижается. Происходит это из-за взрыва звезды, при котором она полностью разрушается. Такая звезда на некоторое время затмевает другие светила: и это неудивительно, ведь при взрыве ее светимость может превышать солнечную в 1 млрд раз. В галактиках, сравнимых с нашей, появление одной сверхновой фиксируют примерно раз в 30 лет. Однако наблюдению за объектом мешает звездная пыль, ведь при взрыве огромный объем вещества попадает в межзвездное пространство. Оставшееся вещество может выступать в качестве строительного материала для нейтронной звезды или черной дыры. Наше светило и планеты Солнечной системы зародились в гигантском облаке молекулярного газа и пыли. Приблизительно 4,6 миллиарда лет назад началось сжатие облака, и первые сто тысяч лет после этого Солнце представляло собой коллапсирующую протозвезду. Со временем оно стабилизировалось и приняло свой теперешний облик.
Нейтронная звезда
Нейтронная звезда состоит, в основном, из нейтронов — тяжелых элементарных частиц, не имеющих электрического заряда. Как уже говорилось, причиной их образования является гравитационный коллапс нормальных звезд. За счет притяжения начинается стягивание звездных масс к центру до тех пор, пока они не становятся невероятно сжатыми. В результате этого нейтроны как бы упаковываются. Такой объект имеет тонкую атмосферу из горячей плазмы, внешнюю кору из ионов и электронов, внутреннюю кору из электронов и свободных нейтронов, а также внешнее и внутреннее ядра из плотно упакованных нейтронов. Многие нейтронные звезды очень быстро вращаются — до сотен оборотов в секунду.
Нейтронная звезда невелика — обычно ее радиус не превышает 20 км. При этом масса большинства таких объектов составляет 1,3–1,5 солнечных (теория допускает существование нейтронных звезд с массой даже 2,5 массы Солнца). Плотность нейтронной звезды настолько велика, что одна чайная ложка ее вещества весит миллиарды тонн.
Пульсар
Пульсары — это нейтронные звезды, испускающие радио-, гамма-, оптическое и рентгеновское излучения, которые приборы фиксируют в виде импульсов. Ось вращения такой звезды не совпадает с осью ее магнитного поля. А излучает пульсар как раз вдоль последней — со своих магнитных полюсов. И поскольку звезда вращается вокруг своей оси, мы на Земле можем наблюдать излучения лишь в тот момент, когда пульсар поворачивается магнитным полюсом к нашей планете. Это можно сравнить с маяком: наблюдателю на берегу кажется, что он периодически мигает, хотя на самом деле прожектор просто поворачивается в другую сторону. Иными словами, мы наблюдаем некоторые нейтронные звезды в качестве пульсаров потому, что один из их магнитных полюсов при вращении оказывается направленным к Земле.
Лучше всего изучен пульсар PSR 0531+21, который находится в Крабовидной туманности на расстоянии 6520 световых лет от нас. Эта нейтронная звезда совершает 30 оборотов в секунду, а полная мощность ее излучения в 100 000 раз выше, чем у Солнца. Впрочем, многие аспекты, связанные с пульсарами, только предстоит изучить.
Квазар
Разумеется, обнаружение первого квазара в 1960 году вызвало невероятный интерес к явлению. Сейчас ученые полагают, что квазар — это активное ядро галактики. Там находится сверхмассивная черная дыра, вытягивающая на себя материю из пространства, которое ее окружает. Масса дыры просто гигантская, а сила излучения превосходит силу излучения всех расположенных в галактике звезд. Самый близкий к нам квазар находится на расстоянии 2 млрд световых лет, а самые далекие из-за их невероятной видимости мы можем наблюдать на удалении 10 млрд световых лет.
Блазар
Блазары — это квазары, испускающие мощнейшие лучи плазмы (так называемые релятивистские струи), которые может видеть наблюдатель с Земли. Два луча исходят из ядра блазара и направлены в противоположные стороны. Эти потоки излучения и вещества могут уничтожить все живое на своем пути. Если такой луч пройдет на расстоянии хотя бы 10 св. лет от Земли, на ней уже не будет жизни.
Сейчас ученые выяснили расстояние до самого отдаленного блазара PKS 1424+240: оно составляет 7,4 млрд световых лет.
Черная дыра
Вне всякого сомнения, это один из самых загадочных объектов Вселенной. О черных дырах написано много, но природа их до сих пор скрыта от нас. Вторая космическая скорость (скорость, необходимая для преодоления гравитации небесного тела и покидания орбиты вокруг него) для них превосходит скорость света! Ничто не способно избежать гравитации черной дыры. Она настолько огромна, что практически останавливает ход времени.
Черная дыра образуется из массивной звезды, которая израсходовала свое топливо. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью и увлекающая за собой пространственно-временной континуум вокруг. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится черной дырой. Иными словами, черная дыра — это искривленный участок Вселенной. Он всасывает в себя материю, расположенную рядом. Считается, что первый ключ к пониманию черных дыр — теория относительности Эйнштейна. Впрочем, ответы на все основные вопросы еще только предстоит узнать.
Кротовая нора
Продолжая тему, просто нельзя пройти мимо сугубо гипотетического объекта — так называемых кротовых нор, или червоточин. Их представляют как пространственно-временные туннели, состоящие из двух входов и горловины. Кротовая нора — топологическая особенность пространства-времени, позволяющая (гипотетически) путешествовать кратчайшим из всех путей. Чтобы хоть немного понять природу кротовой норы, можно свернуть бумажный лист (символизирующий наше пространство-время), а затем проткнуть его иголкой. Полученная в результате дыра будет являться подобием кротовой норы. Если двигаться по поверхности листа от одной дыры к другой (что мы в нашей реальности только и можем делать), получится длинный путь, но гипотетически ведь можно пройти и сквозь дыру, сразу оказавшись на другой стороне!
В разное время специалисты выдвигали различные версии о кротовых норах. Возможность существования чего-то подобного доказывает общая теория относительности, но до сих пор не удалось найти ни одну кротовую нору. Может быть, в будущем новые исследования помогут подтвердить существование таких объектов.
Туманность
Туманность — это не что иное, как космическое облако, которое состоит из пыли и газа. Она — основной строительный блок нашей Вселенной: из него образуются звезды и звездные системы. Туманность — один из самых красивых астрономических объектов, который может светиться всеми цветами радуги.
Выделяют эмиссионную туманность (облако газа высокой температуры), отражательную туманность (не излучающую собственной радиации), темную туманность (облако пыли, блокирующее свет от объектов, расположенных за ним) и планетарную туманность (оболочку из газа, произведенного звездой в конце своей эволюции). Сюда же относят и остатки сверхновых.
Темная материя
Это гипотетическое явление, не испускающее электромагнитного излучения и напрямую не взаимодействующее с ним. Следовательно, мы не можем его обнаружить напрямую, но видим признаки существования темной материи при наблюдении за поведением астрофизических объектов и гравитационными эффектами, которые они создают.
Сейчас ученые полагают, что темная материя не может состоять из обычного вещества, и в ее основе лежат крошечные экзотические частицы. Но некоторые в этом сомневаются, утверждая, что темная материя может состоять и из макроскопических объектов.
Темная энергия
Если и существует что-то более загадочное, чем темная материя, то это темная энергия. В отличие от первой, темная энергия — относительно новое понятие, но оно уже успело перевернуть наше представление о Вселенной. Темная энергия, согласно выводам ученых, является чем-то, что заставляет нашу Вселенную расширяться с ускорением, то есть со временем все быстрее. Исходя из гипотезы о темной материи, распределение масс во Вселенной выглядит так: 74% — темная энергия, 22% — темная материя, 0,4% — звезды и другие объекты, 3,6% — межгалактический газ.
Если в случае с темной материей есть хотя бы косвенные доказательства ее существования, то темная энергия существует сугубо в рамках математической модели, рассматривающей расширение нашей Вселенной. Поэтому никто не может сейчас с уверенностью сказать, что такое темная энергия.
Разобраться в классификации звезд позволяет диаграмма Герцшпрунга – Рассела.
Она показывает зависимость между абсолютной звездной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды. Звезды на этой диаграмме располагаются не случайно, а образуют хорошо различимые участки.
Диаграмма Герцшпрунга – Рассела
Большая часть звезд находится на так называемой главной последовательности. Существование главной последовательности связано с тем, что стадия горения водорода составляет ~90% времени эволюции большинства звезд: выгорание водорода в центральных областях звезды приводит к образованию изотермического гелиевого ядра, переходу к стадии красного гиганта и уходу звезды с главной последовательности. Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр.
Находясь на различных стадиях своего эволюционного развития, звезды подразделяются на нормальные звезды, звезды карлики, звезды гиганты.
Нормальные звезды, это и есть звезды главной последовательности. К ним относится и наше Солнце. Иногда такие нормальные звезды, как Солнце, называют желтыми карликами.
Жёлтый карлик
Жёлтый карлик – тип небольших звёзд главной последовательности, имеющих массу от 0,8 до 1,2 массы Солнца и температуру поверхности 5000–6000 K.
Время жизни жёлтого карлика составляет в среднем 10 миллиардов лет.
После того, как сгорает весь запас водорода, звезда во много раз увеличивается в размере и превращается в красный гигант. Примером такого типа звёзд может служить Альдебаран.
Красный гигант выбрасывает внешние слои газа, образуя тем самым планетарные туманности, а ядро коллапсирует в маленький, плотный белый карлик.
Красный гигант
Красный гигант – это крупная звезда красноватого или оранжевого цвета. Образование таких звезд возможно как на стадии звездообразования, так и на поздних стадиях их существования.
На ранней стадии звезда излучает за счет гравитационной энергии, выделяющейся при сжатии, до того момента пока сжатие не будет остановлено начавшейся термоядерной реакцией.
Звезда гигант имеет сравнительно низкую температуру поверхности, около 5000 градусов. Огромный радиус, достигающий 800 солнечных и за счет таких больших размеров огромную светимость. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную область спектра, потому их и называют красными гигантами.
Крупнейшие из гигантов превращаются в красных супергигантов. Звезда под названием Бетельгейзе из созвездия Орион – самый яркий пример красного супергиганта.
Звезды карлики являются противоположностью гигантов и могут быть следующие.
Белый карлик
Белый карлик – это то, что остаётся от обычной звезды с массой, не превышающей 1,4 солнечной массы, после того, как она проходит стадию красного гиганта.
Из-за отсутствия водорода термоядерная реакция в ядре таких звезд не происходит.
Белые карлики – очень плотные. По размеру они не больше Земли, но массу их можно сравнить с массой Солнца.
Это невероятно горячие звёзды, их температура достигает 100 000 градусов и более. Они сияют за счёт своей оставшейся энергии, но со временем она заканчивается, и ядро остывает, превращаясь в чёрного карлика.
Красный карлик
Красные карлики – самые распространённые объекты звёздного типа во Вселенной. Оценка их численности варьируется в диапазоне от 70 до 90% от числа всех звёзд в галактике. Они довольно сильно отличаются от других звезд.
Масса красных карликов не превышает трети солнечной массы (нижний предел массы — 0,08 солнечной, далее идут коричневые карлики), температура поверхности достигает 3500 К. Красные карлики имеют спектральный класс M или поздний K. Звезды этого типа испускают очень мало света, иногда в 10 000 раз меньше Солнца.
Учитывая их низкое излучение, ни один из красных карликов не виден с Земли невооружённым глазом. Даже ближайший к Солнцу красный карлик Проксима Центавра (самая близкая к Солнцу звезда в тройной системе) и ближайший одиночный красный карлик, звезда Барнарда, имеют видимую звёздную величину 11,09 и 9,53 соответственно. При этом невооружённым взглядом можно наблюдать звезду со звёздной величиной до 7,72.
Из-за низкой скорости сгорания водорода красные карлики имеют очень большую продолжительность жизни – от десятков миллиардов до десятков триллионов лет (красный карлик с массой в 0,1 массы Солнца будет гореть 10 триллионов лет).
В красных карликах невозможны термоядерные реакции с участием гелия, поэтому они не могут превратиться в красные гиганты. Со временем они постепенно сжимаются и всё больше нагреваются, пока не израсходуют весь запас водородного топлива.
Постепенно, согласно теоретическим представлениям, они превращаются в голубые карлики – гипотетический класс звёзд, пока ни один из красных карликов ещё не успел превратиться в голубого карлика, а затем – в белые карлики с гелиевым ядром.
Коричневый карлик
Коричневый карлик – субзвездные объекты (с массами в диапазоне примерно от 0,01 до 0,08 массы Солнца, или, соответственно, от 12,57 до 80,35 массы Юпитера и диаметром примерно равным диаметру Юпитера), в недрах которых, в отличие от звезд главной последовательности, не происходит реакции термоядерного синтеза c превращением водорода в гелий.
Минимальная температура звёзд главной последовательности составляет порядка 4000 К, температура коричневых карликов лежит в промежутке от 300 до 3000 К. Коричневые карлики на протяжении своей жизни постоянно остывают, при этом чем крупнее карлик, тем медленнее он остывает.
Субкоричневые карлики
Субкоричневые карлики или коричневые субкарлики – холодные формирования, по массе лежащие ниже предела коричневых карликов. Масса их меньше примерно одной сотой массы Солнца или, соответственно, 12,57 массы Юпитера, нижний предел не определён. Их в большей мере принято считать планетами, хотя к окончательному заключению о том, что считать планетой, а что – субкоричневым карликом научное сообщество пока не пришло.
Черный карлик
Черные карлики – остывшие и вследствие этого не излучающие в видимом диапазоне белые карлики. Представляет собой конечную стадию эволюции белых карликов. Массы черных карликов, подобно массам белых карликов, ограничиваются сверху 1,4 массами Солнца.
Двойная звезда
Двойная звезда – это две гравитационно связанные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс.
Иногда встречаются системы из трех и более звезд, в таком общем случае система называется кратной звездой.
В тех случаях, когда такая звездная система не слишком далеко удалена от Земли, в телескоп удается различить отдельные звезды. Если же расстояние значительное, то понять, что перед астрономами двойная звезда удается только по косвенным признакам – колебаниям блеска, вызываемым периодическими затмениями одной звезды другою и некоторым другим.
Новая звезда
Звезды, светимость которых внезапно увеличивается в 10 000 раз. Новая звезда представляет собой двойную систему, состоящую из белого карлика и звезды-компаньона, находящейся на главной последовательности. В таких системах газ со звезды постепенно перетекает на белый карлик и периодически там взрывается, вызывая вспышку светимости.
Сверхновая звезда
Сверхновая звезда – это звезда, заканчивающая свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Вспышка при этом может быть на несколько порядков больше чем в случае новой звезды. Столь мощный взрыв есть следствие процессов, протекающих в звезде на последний стадии эволюции.
Нейтронная звезда
Нейтронные звезды (НЗ) – это звездные образования с массами порядка 1,5 солнечных и размерами, заметно меньшими белых карликов, типичный радиус нейтронной звезды составляет, предположительно, порядка 10—20 километров.
Они состоят в основном из нейтральных субатомных частиц – нейтронов, плотно сжатых гравитационными силами. Плотность таких звезд чрезвычайно высока, она соизмерима, а по некоторым оценкам, может в несколько раз превышать среднюю плотность атомного ядра. Один кубический сантиметр вещества НЗ будет весить сотни миллионов тонн. Сила тяжести на поверхности нейтронной звезды примерно в 100 млрд раз выше, чем на Земле.
В нашей Галактике, по оценкам ученых, могут существовать от 100 млн до 1 млрд нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд.
Пульсары
Пульсары – космические источники электромагнитных излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов).
Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения. Когда Земля попадает в конус, образуемый этим излучением, то можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Некоторые нейтронные звёзды совершают до 600 оборотов в секунду.
Цефеиды
Цефеиды – класс пульсирующих переменных звёзд с довольно точной зависимостью период-светимость, названный в честь звезды Дельта Цефея. Одной из наиболее известных цефеид является Полярная звезда.
Приведенный перечень основных видов (типов) звезд с их краткой характеристикой, разумеется, не исчерпывает всего возможного многообразия звезд во Вселенной.
Звезды и бескрайнее небесное пространство всегда притягивали и притягивают всех. А для ученых звездное небо не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный, неисчерпаемый объект исследований.
Звезда - небесное тело, по своей природе сходное с Солнцем, вследствие огромной отдалённости видимое с Земли как светящаяся точка на ночном небе. Звёзды представляют собой массивные самосветящиеся газовые (плазменные) шары, образующиеся из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами Кельвинов, а на их поверхности — тысячами Кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий или гелия в углерод, происходящих при высоких температурах во внутренних областях.
Жизненный путь звезд, представляет собой законченный цикл – рождение, рост, период относительно спокойной активности, агония, смерть, напоминающий жизненный путь отдельного организма.
1. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Р. Трюмплер, доказавший в 1930г. существование межзвездной пыли, детально исследовал звездные скопления. Его результаты привели к следующей схеме эволюции звезд. В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чёрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чёрными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звёздами. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд.
Глобулу можно рассматривать как турбулентную газово-пылевую массу, на которую со всех сторон давит излучение. Под действием этого давления объём, заполняемый газом и пылью, будет сжиматься, становясь, всё меньше и меньше. Такое сжатие протекает в течение некоторого времени, зависящего от окружающих глобулу источников излучения. Гравитационные силы в центре глобулы тоже стремятся сжать глобулу, заставляя вещество падать к её центру. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако.
Падение вещества может длиться сотни лет, сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом из кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц перешла в тепло, нагрела пыль и газ.
В этой стадии протозвезда едва видна. Звезда ещё не родилась, но зародыш её уже появился. Астрономам пока неизвестно, сколько времени требуется протозвезде, чтобы достигнуть той стадии, когда она начинает светиться как тусклый красный шар и становится видимой. По различным оценкам, это время колеблется от тысяч до нескольких миллионов лет.
Мир звёзд многообразен: Антарес имеет красный цвет, Капелла – жёлтый, Сириус – белый, Вега – голубовато-белый. Звёзды отличаются по яркости, и еще древние ввели звёздные величины. В 19 столетии звёзды рассортировали по расстояниям и массам, а в конце века – по спектрам.
Спектральные классы выстроили в порядке убывания температуры: О, В, А, F , G , К, М. Имеется ещё 4 дополнительных класса: для холодных звёзд – R , N , S , для горячих - W .
Герцшпрунг и Генри Ресселл составили диаграмму зависимости светимостей звёзд от их спектральных классов (диаграмма носит имена обоих учёных): у оси абсцисс откладываются спектральные классы звёзд (иногда соответствующие показатели цвета или температуры), по оси ординат – светимости звёзд L (или звездные величины M ) . Оказалось, что на диаграмме звёзды располагаются не беспорядочно, а образуют несколько последовательностей.
Так, в окрестности Солнца большинство звёзд сконцентрированы вдоль сравнительно узкой полосы, протянувшейся из верхнего левого угла вниз (Главная последовательность). Стационарное состояние звёзд, проходящих свой путь на Главной последовательности, не означает, что в них прекращаются направленные процессы развития. Горение водорода оставляет свои следы в структуре светила, подводя время от времени систему к критическим состояниям, за которыми следует радикальная трансформация программы эволюции.
На основе полученных закономерностей распределения звезд на диаграмме и известных в начале века физических моделей, Ресселл построил эволюционный путь звезды. Переходя от стадии холодной туманности в голубовато-белую стадию, звезда перемещается в верхней части диаграммы справа налево, пока не достигнет верхнего левого конца Главной последовательности. Далее звезда под влиянием поля тяготения сжимается и остывает, превращаясь в желтый карлик , как наше Солнце. Затем она станет красным карликом и погаснет совсем, став черным карликом – пеплом угасшей звезды. Так звезда скользит по Главной последовательности из верхнего левого угла к нижнему правому. Эту гипотезу, просуществовавшую всего десятилетие, назвали теорией скользящей эволюции звезд (Рис. 1).
2. ТИПЫ ЗВЕЗД
За исключениемЛуны и планет,любой кажущийся неподвижным объект на небе является звездой, и типы этих звезд варьируются от карликов до сверхгигантов.
2.1. ЗВЕЗДЫ – КАРЛИКИ
2.1.1. БЕЛЫЕ КАРЛИКИ
Белые карлики – это звезды белого цвета, весьма малых размеров. Они обладают крайне низкой светимостью и чрезвычайно высокой плотностью. К числу белых карликов относится спутник Сириуса, плотность которого близка к 40 000 г\см 3 ; масса его составляет 0,97 массы Солнца, тогда как диаметр равен всего лишь 0,03 диаметра Солнца. Чрезвычайно высокая плотность белого карлика обусловлена тем, что подавляющее большинство их атомов полностью ионизовано. Эти атомы состоят из атомных ядер с немногочисленными ближайшими к ним электронами и поэтому занимают гораздо меньший объем (Рис. 2).
2.1.2. КРАСНЫЕ КАРЛИКИ
Красные карлики – это наиболее распространенный тип звезд. Будучи меньше по размеру, чем Солнце, они экономно расходуют свои запасы топлива, чтобы продлить время своего существования на десятки миллионов лет. Если можно было бы увидеть все красные карлики, небо оказалось бы буквально усеяно ими. Однако красные карлики настолько тусклы, что мы в состоянии наблюдать лишь наименее удаленные от нас (Рис. 2).
2.2. ЗВЕЗДЫ – ГИГАНТЫ
Наиболее распространенными являются красные гиганты. У них такая же температура поверхности, как у красных карликов, но они намного больше и ярче. Масса этих монстров обычно примерно равна солнечной, однако, если бы одно из них заняло место нашего светила, его оболочка захватила бы внутренние планеты Солнечной системы.
В действительности большинство из них имеет оранжевый цвет, но звезда R Зайца настолько красна, что некоторые сравнивают ее с каплей крови.
2.3. ЗВЕЗДЫ – СВЕРХГИГАНТЫ
Сверхгиганты – наибольшие по размерам звезды, радиус которых в 30 – 2500 раз превышает радиус Солнца.
Сверхгиганты располагаются вдоль вершины диаграммы Герцшпрунга – Рассела. Бетельгейзе в плече Ориона имеет в поперечнике почти 1 000 млн. км. Другой наиболее яркий светоч Ориона – Ригель, голубой сверхгигант, одна из самых ярких звезд, видимых невооруженным глазом. Будучи чуть ли не в десять раз меньше Бетельгейза, Ригель все же почти в сто раз превосходит Солнце своим размером (Рис. 3).
2.4. СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ
Сверхновые звезды – это переменные звезды, светимость которых внезапно увеличивается в сотни миллионов раз, а затем медленно спадает.
Вспышка сверхновой звезды наблюдается весьма редко в среднем не чаще чем один раз в 200-300 лет. Установлено, что ряд вспышек, отмеченных в древних летописях, преимущественно китайских, принадлежит сверхновым звездам. В ряде мест небесной сферы, где, согласно летописям, наблюдались вспышки в настоящее время видны своеобразные светящиеся туманности, представляющие собой несомненно продукт вспышек сверхновых звезд. Из таких объектов лучше всего изучена Крабовидная туманность в созвездии Тельца (Рис. 4).
Крабовидная туманность представляет собой один из наиболее мощных источников радиоизлучения. В процессе вспышки внутреннее строение звезды претерпевает существенные изменения, при этом звезда теряет огромную энергию.
Чтобы звезда могла взорваться в качестве сверхновой, ее масса должна в десять раз превышать массу солнца. Она превращается в красного сверхгиганта, образуя тяжелые элементы типа железа внутри своего ядерного реактора. С потерей значительной части массы звезда постепенно утрачивает способность сопротивляться силе гравитации. Буквально за долю секунды ядро взрывается, разрывая звезду на куски. Расширяющееся облако материи, которое образует тело звезды, соединяется с соседним межзвездным веществом, образуя остатки сверхновой.
2.5. НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ И ПУЛЬСАРЫ
Остатки взорвавшегося ядра известны под названием нейтронной звезды. Нейтронные звезды вращаются очень быстро, испуская световые и радиоволны, которые, проходя мимо Земли, кажутся светом космического маяка.
Колебания яркости этих волн навело астрономов на мысль назвать такие звезды пульсарами. Самые быстрые пульсары вращаются со скоростью, почти равной 1000 оборотов в секунду (Рис. 5).
К настоящему времени их открыто уже более двухсот. Регистрируя излучение пульсаров на различных, но близких частотах, удалось по запаздыванию сигнала на большей длине волны (при предположении о некоторой плотности плазмы в межзвездной среде) определить расстояние до них. Оказалось, что все пульсары находятся на расстояниях от 100 до 25 000 световых лет, т. е. принадлежат нашей Галактике, группируясь вблизи плоскости Млечного Пути.
2.6. ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ
Одинокие звезды типа нашего Солнца составляют меньшинство: более половины звезд имеют одного соседа в космосе и носят название двойных.
Двойные звезды – это звезды, близкие одна к другой. Компоненты двойных звезд связаны силами взаимного тяготения, обращаются по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс и совместно движутся в просторах Галактики. Многие звезды видны невооруженным глазом, при наблюдении с более мощным инструментом раздваиваются, а в некоторых случаях оказываются состоящими из трех или даже большего числа составляющих. Такие звезды называются визуально-двойными или кратными звездами. Более яркая составляющая двойных звезд обычно называется главной звездой, а более слабая – спутником.
Помимо визуальных двойных звезд, существуют спектрально-двойные звезды, обнаруживаемые только по периодическим смещениям или раздвоениям спектральных линий; их не удается разделить на отдельные компоненты даже в самые большие телескопы. Существует многочисленный класс двойных звезд, обнаруживаемых только по периодическим изменениям блеска – фотометрические или затменно-двойные.
В 1889 г. была открыта первая спектрально-двойная звезда Мицар (Рис. 6).
По своим физическим характеристикам и особенностям движения в пространстве двойные звезды не отличаются от одиночных звезд. Из этого следует, что двойные звезды не являются каким-то особым классом звезд, что они имеют общее с одинарными звездами происхождение.
3. ЗВЕЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ
Звездные скопления – это тесные группы звезд, видимые на небольшом участке неба с помощью телескопа или на фотографиях звездного неба. Звездные скопления – физически связанные группы звезд, находящихся в пространстве одна вблизи другой. Плотность распределения звезд в пространстве возрастает к центру звездного скопления. Все звезды, принадлежащие к звездным скоплениям, имеют общее происхождение.
Звездные скопления подразделяются на 2 группы, резко отличающиеся не только по внешнему виду, но и по их распределению в галактической системе, по составу и по происхождению.
¡ Шаровые звездные скопления содержат много тысяч звезд и характеризуются шаровой формой. По небу разбросано более 100 шаровых скоплений. Этим гигантским сборищам звезд около 15 миллионов лет.
Омега Центавра – большое овальное скопление сотен тысяч звезд – видимо невооруженным глазом. Им можно любоваться весенним вечером из южных областей США 47 Тукана (Рис. 7).
¡ Рассеянные звездные скопления состоят из нескольких десятков или сотен звезд и не всегда характеризуются строго шаровой формой. К рассеянным звездным системам по существу относятся и движущиеся звездные скопления. Звезды, принадлежащие к рассеянным звездным скоплениям, постепенно покидают их. Невооруженным взглядом видны только несколько звездных скоплений этой группы: Плеяда (в созвездии Тельца), Гиады (Рис. 7).
¡ Движущиеся звездные скопления представляют собой наиболее близкие к нам звездные скопления, которые обнаруживаются по движениям звезд. Направление собственных движений звезд скопления кажутся исходящими из одной точки, что является следствием перспективы. В действительности же все звезды скопления движутся в пространстве по параллельным путям одинаковыми скоростями, то есть все звездное скопление движется поступательно. Примерами движущихся звездных скоплений являются Гиады - этому скоплению принадлежит около 140 звезд (Рис. 7).
Одни звезды кажутся нам более яркими, другие более слабыми. Однако это еще не говорит об истинной мощности излучения звезд, поскольку все они находятся на разных расстояниях.
Звезды эволюционируют, и их эволюция необратима, так как все в природе находится в состоянии беспрерывного изменения. Внешние характеристики звезды меняются в течение всей ее жизни.
В недрах звезд происходят мощные термоядерные процессы, обеспечивающие выделение огромного количества энергии. В конечные этапы жизни звезд в них возникают некие упорядоченные состояния, которые не могут быть описаны классической физикой. В нейтронных звездах и белых карликах вещество переходит в новые квантовые состояния, которые ограничивают энергетические потери. Обнаружить эти изменения – вот основная задача теории звездной эволюции.
Диаграмма Герцшпрунга – Рассела
 |
 |
ЗВЕЗДЫ-КАРЛИКИ
Белый карлик
 |
Рентгеновский снимок системы звезд Сириус, сделанный из космической обсерватории Чандра. Более яркий источник на фото – звезда Сириус В, представляющая собой белый карлик.
Красный карлик
Наиболее распространенный тип звезд, в основном встречается в одиночных системах.
ЗВЕЗДЫ-СВЕРХГИГАНТЫ
Бетельгейзе
Это единственная звезда, не считая нашего Солнца, фотографию поверхности которой удалось получить при помощи заимствованной у радиоастрономов технологии.
 |
СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ
Крабовидная туманность в созвездии Тельца
 |
Пульсар в Крабовидной туманности в созвездии Тельца заснят здесь во время пульсации с частотой 30 раз в секунду.
ДВОЙНЫЕ ЗВЕЗДЫ
Алькор и Мицар
Возможно, они являются самой известной парой звезд для наблюдения северных широт.
ЗВЕЗДНЫЕ СКОПЛЕНИЯ
Шаровое скопление 47 Тукана
Одно из красивейших в южном небе. В нем выделяется центральное ядро из звезд.
Рассеянные скопления Плеяда
Плеяды, наверное, одно из самых известных открытых скоплений, ясно видимое невооруженным глазом в созвездии Тельца.
Движущиеся скопления Гиады
 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Солнце и его ближайшие соседи
Начнём сначала: с того, как вообще образуются звёзды.
Местом рождения звёзд являются так называемые межзвёздные газовые облака – огромные (десятки и сотни световых лет в диаметре) области пространства, в которых по тем или иным причинам концентрация межзвёздного газа, на 80% состоящего из водорода, выше, чем в среднем по галактике.
Если быть вполне точным, речь идёт о так называемых молекулярных облаках — наиболее плотных в своём роде.
Изначальная масса вещества в таком облаке может составлять сотни тысяч масс Солнца. По земным меркам космические облака, даже молекулярные, представляют собой почти абсолютный вакуум, однако они достаточно плотны для того, чтобы молекулы и атомы такого облака оказывали существенное гравитационное влияние друг на друга.
Молекулярное межзвёздное облако; не очень сферическое, зато в почти полном вакууме
Под действием гравитации различные части облака начинают притягиваться друг к другу, медленно дрейфуя к центру масс. Плотность облака в результате начинает увеличиваться: сильнее в центре, слабее по краям.
Обычно центров, вокруг которых концентрируется масса, несколько. По мере сжатия, единое облако распадётся не несколько более мелких (фрагментируется). Каждый из фрагментов может породить звезду, поэтому звёзды обычно рождаются группами.
По универсальному закону термодинамики, при сжатии газы нагреваются (при расширении же, напротив, охлаждаются – это явление в своей работе используют привычные нам холодильники или кондиционеры). Это же происходит и с облаком: при его уплотнении выделяется энергия. Половина его идёт на разгорев облака, половина уносится в окружающий космос с излучением.
Излучение (любое электромагнитное излучение) обладает световым давлением. Это давление действует на все тела, на которые падает излучение. В нашем случае давление изучения стремится раздуть облако. Но пока его сила ещё недостаточна для того, чтобы сопротивляться гравитации.
Уплотнение продолжается, и в центре облака появляется область высокой концентрации газа, которая уже непрозрачна для излучения. Свет перестаёт уносить энергию за пределы этой области, и её разогрев ускоряется.
Тёмные пятна - непрозрачные "звёздные колыбели" в газовой туманности Барнард 163
При этом продолжается процесс уплотнения. В центре облака появляется зародыш звезды: пузырь газа, плотность которого может достигать плотности земной атмосферы, а температура – тысяч градусов. Свечение данного зародыша становится достаточно интенсивным для того, чтобы сдержать процесс гравитационного сжатия. Масса ядра перестаёт расти. Образуется протозвезда – своего рода личинка будущей звезды, окружённая коконом из газопылевого вещества облака, и потому недоступная для наблюдения.
Звезда класса Т Тельца (моделирование). Можно видеть характерные остатки газопылевого "кокона"
То, что будет происходить с новорожденной звездой дальше, зависит от её массы.
Такие недозвёзды астрономы называют коричневыми карликами.
Иная судьба – у более крупных звёзд. В процессе гравитационного сжатия их недра разогреются существенно сильнее, достигнув температур в десятки миллионов градусов Цельсия. Этой температуры уже достаточно, чтобы ядра атомов водорода, из которых состояло то самое первоначальное облако, а теперь состоит звезда, начали сливаться, образуя атомы гелия. Этот процесс именуется термоядерным синтезом, и в процессе каждого акта такого слияния выделяется огромная энергия. Звезда получает новый мощный источник энергии, загораясь уже по-настоящему.
В этом смысле звезда похожа на воздушный шарик, сохраняющий постоянный объём благодаря равновесию двух противонаправленных сил: упругости оболочки (гравитации) и давлению сжатого газа внутри (излучения).
Всё зависит от массы.
Сравнение размеров меньших космических объектов. Слева направо: Солнце, красный карлик, коричневый карлик, гигантские планеты (на примере Юпитера)
Жёлто-белые звёзды спектрального класса F имеют массу в пределах 1,1-1,4 массы Солнца; звёзды спектрального класса A (белые) весят в 1,5-3 раза больше Солнца. Бело-голубые звёзды класса B могут весить как 10-15 Солнц, а голубые гиганты и сверхгиганты (класс О) и вовсе поражают воображение.К примеру, самая крупная известная современной науке звезда R136a1, расположенная в соседней галактике Большое Магелланово Облако, весит примерно в 315 (!) раз больше Солнца.
Примерное сравнение "типичных" размеров звёзд главной последовательности основных спектральных классов: как мы говорили, чем больше, тем голубее. Солнце, напомним, относится к классу G
Судьба более крупных звёзд типа Солнца будет, вероятно, более интересной. После исчерпания запасов водорода они также начнут сжиматься и нагреваться, увеличивая температуру своего света (к примеру, жёлто-оранжевое Солнце станет, скорее всего, небольшой желто-белой звездой). Но так как их масса больше, чем у красных карликов, то и выделяющаяся в процессе сжатия энергия будет более значительной. В результате температура в ядрах таких звёзд повысится до сотен миллионов градусов, и в реакцию термоядерного синтеза сможет вступать уже гелий, образовавшийся из водорода на предыдущем этапе жизненного цикла.
Объединяясь друг с другом два ядра атома гелия будут образовывать ядро бериллия, которое затем будет присоединять ещё одно ядро гелия, превращаясь в углерод.
После того, как в ядре звезды начнётся новая реакция, излучение возобновится, и за счёт его давления звезда стремительно увеличится в размерах: к примеру, когда это случится с Солнцем, его размеры вырастут примерно в 200 раз, и его внешняя граница почти достигнет орбиты Земли.
Солнце, Денеб, звезда Пистолет, считающаяся молодым гигантом и старый красный (наинизшего спектрального класса К) сверхгигант Антарес
Но если это случится, то в ядре начнёт массово происходить нейтронизация. Электроны почти полностью исчезнут, вызванное их существованием ограничение на предельное сжатие снимется. Ядро звезды резко уменьшится в размерах: масса, сравнимая или даже превосходящая массу Солнца, окажется сжата в сферу с радиусом в десяток километров. При этом вещество звезды будет почти лишено протонов (из-за нейтронизации) и будет состоять почти исключительно из нейтронов. Образуется нейтронная звезда. В процессе этого выделится значительная энергия, что мы наблюдаем как взрыв сверхновой (точнее, это один из механизмов такого явления, как сверхновая; о физике этого процесса мы поговорим в следующий раз).
Наконец, у звёзд массой в 30 масс Солнца и более финал жизни будет ещё более впечатляющим. Энергия их гравитационного коллапса, похоже, оказывается достаточно велика, чтобы сжать нейтронное вещество ещё сильнее. Как именно это происходит и в каком состоянии оказывается в результате вещество, мы пока достоверно не знаем, но в результате, по всей видимости, образуется чёрная дыра: объект столь плотный, что его гравитационное поле способно удерживать даже свет.
· при массе ниже 8% солнечной: звезда типа Т Тельца – коричневый карлик – чёрный карлик.
· при массе 8% - 50% солнечной: звезда типа Т Тельца – красный карлик – гелиевый белый карлик (гипотетический) – чёрный карлик.
Также все известные нам звёзды можно рассортировать по их возрасту:
· звёзды главной последовательности: оранжевые и жёлтые карлики, желто-белые и белые звёзды, бело-голубые гиганты, голубые сверхгиганты и гипергиганты;
В эту стройную схему не укладываются объекты, рождающиеся в системах двойных звёзд и ряд других частных случаев, а также ряд гипотетических объектов, существование которых до сих пор не подтверждено экспериментально.
О некоторых из них мы поговорим в наших следующих публикациях.
Следует подчеркнуть, что многие звёзды, особенно на поздних стадиях своего развития или в конце жизни сбрасывают свои внешние оболочки в процессах различной степени драматичности. Из этих оболочек впоследствии образуется новое межзвёздное облако, которое, в свою очередь, может дать жизнь новым звёздам. Процесс продолжается циклично, и будет продолжаться, по всей видимости, до тех пор, пока все более лёгкие элементы во Вселенной не будут переработаны в элементы группы железа, после чего звёздная эпоха в истории Вселенной завершится.
Эволюция звезды. В 60-е годы ХХ века Ч. Хаяши и Т. Накано впервые подробно рассмотрели динамику сжатия протозвезды. Они показали, что в процессе сжатия температура фотосферы молодой звезды возрастает до 3 000 К, светимость звезды – до 300 L . На диаграмме Герцшпрунга – Рассела расчеты для звезд разной массы образуют треки протозвезд Хаяши и характеризуют процесс образования звезд до главной последовательности. Заключительные стадии формирования звезды могут быть весьма бурными. Помимо так называемого протозвездного ветра многие звезды выбрасывают с огромной скоростью в пространство гигантские струи горячего вещества – джеты. Причины образования джетов пока неизвестны. Вновь образовавшиеся звезды будут находиться на главной последовательности очень долго. Горение водорода – самая длительная стадия в жизни звезды, так как в молодой звезде водорода до 70 % от всей массы. При превращении водорода в гелий выделяется большое количество энергии. Вес вышележащих звездных слоев уравновешивается на стадии главной последовательности давлением звездного газа.
В звездах главной последовательности происходит реакции так называемого протон-протонного цикла.
Звезды, у которых масса превышает массу Солнца в несколько раз, реализуют другие термоядерные реакции, в которых главными участниками являются ядра гелия. Выделение энергии при горении гелия примерно на порядок меньше, чем при горении водорода, поэтому время жизни и число звезд на этой стадии значительно меньше, чем звезд главной последовательности. Но благодаря высокой светимости (это звезды, находящиеся на стадии красного гиганта или сверхгиганта), они хорошо изучены.
Реакции в горячих звездах. Наиболее важная реакция у этих звезд – тройной альфа-процесс.
Такие реакции возможны только в звездах массивнее и горячее Солнца. Углерод выступает в роли катализатора. При более высоких температурах, как показывают теоретические расчеты, происходят реакции горения C12, O16, Ne20, Mg24, Si28. Энерговыделение в них сравнимо с энерговыделением в 3α-реакции, однако мощное нейтринное излучение из-за высокой температуры 2•109 K делает время жизни звезды на этих стадиях много меньше, чем на стадии горения гелия. Вероятность обнаружения таких звезд крайне мала, и в настоящее время нет ни одного уверенного отождествления звезды в спокойном состоянии, выделяющей энергию за счет горения С12 или более тяжелых элементов. Звезды главной последовательности являются самыми распространенными во Вселенной. Солнце, типичная звезда главной последовательности, за последние 5 миллиардов лет уже израсходовало половину водородного топлива и сможет поддерживать свое существование в течение еще 6–7 миллиардов лет, прежде чем запасы водорода в его ядре иссякнут. Тогда Солнце превратится в красный гигант. Обычно звезда находится на главной последовательности 9–10 миллиардов лет. После того как она израсходует содержащийся в центральной части водород, внутри звезды происходят крупные перемены. Гелиевое ядро начнет сжиматься, его температура повысится настолько, что начнутся реакции с большим энерговыделением (при температуре 2•107 К, например, начинается горение гелия). В прилегающем к ядру слое, как правило, остается водород, возобновляются протон-протонные реакции, давление в оболочке существенно повышается, и внешние слои звезды резко увеличиваются в размерах. На диаграмме Герцшпрунга – Рассела звезда начинает смещаться вправо – в область красных гигантов. Продолжительность жизни каждой звезды определяется ее массой. Массивные звезды быстро проходят свой жизненный путь, заканчивая его эффектным взрывом. Звезды более скромных размеров, включая и Солнце, наоборот, в конце жизни, после стадии красного гиганта сжимаются, сбрасывают оболочку, превращаясь в белые карлики.
На планете, вращающейся вокруг старого гиганта.
Сравнительные размеры Земли и белых карликов.
Белые карлики – результат эволюции звезд, похожих на Солнце. Они имеют массу, не превышающую 1,2 M , радиус в 100 раз меньше солнечного, и, следовательно, плотность в миллион раз больше солнечной.
Стакан вещества, взятого с белого карлика, весит тысячи тонн.
Стакан вещества белого карлика весит тысячи тонн. Вещество белых карликов находится в состоянии нерелятивистского вырожденного газа, при котором давление внутри звезды не зависит от температуры, а зависит только от плотности. В процессе превращения из красного гиганта в белый карлик звезда может сбросить свои наружные слои, как легкую оболочку, обнажив при этом ядро. Газовая оболочка ярко светится под действием мощного излучения звезды. Когда такие светящиеся газовые пузыри были впервые обнаружены, они были названы планетарными туманностями, поскольку они часто выглядят как планетные диски. За сотни тысяч лет такие туманности полностью рассеиваются в пространстве, а плотные ядра за миллиарды лет просто угасают, превращаясь в абсолютно мертвые останки – черные карлики.
Планетарная туманность NGC 6751.
Планетарная туманность Улитка.
Комедия А.С. Грибоедова "Горе от ума" построена на конфликте между молодыми и смелыми дворянами, несущими обществу новые смелые мысли, и людьми, которые всеми силами желали сдержать это "наступление" молодых либералов. Такими представителями дворянства в комедии являются, с одной стороны, Павел Афанасьевич Фамусов и его общество, с другой — Александр Андреевич Чацкий .
К позвоночным животным относятся высокоорганизованные подвижные хордовые, характеризующиеся активными способами добывания пищи. Хорда у большинства видов замещается позвоночником, развиваются череп и челюсти, обеспечивающие захват и удержание пищи. Появляются парные конечности и их пояса, позволяющие животным перемещаться, активно разыскивая пищу и спасаясь .
Читайте также: