Внутреннее строение звезд доклад
Обновлено: 02.07.2024
Звезды как раскаленные газовые шары, источником энергии и излучения в которых являются термоядерные реакции, главным образом превращение водорода в гелий, основные этапы их жизненного цикла. Понятие и отличительные особенности, признаки двойных звезд.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.01.2014 |
| Размер файла | 18,9 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
На небе бесчисленное множество звёзд. Однако невооруженным глазом в ясную погоду можно наблюдать только около 2,5 тысяч в каждом из полушарий. Звёзды распределены во Вселенной неравномерно, образовывая галактики, состоящие из различного числа звезд: от десятков тысяч до сотен млрд. Крупные галактики содержат в себе более мелкие звездные скопления, которые могут превышать размеры и массу мелких галактик. Во всей Вселенной находится неисчислимое число галактик. Звезды находятся так далеко от нас, что даже в самый мощный телескоп видны как точки. Ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра находится на расcтоянии 4,25 световых лет, а до самой близкой галактики, Карликовой галактики в Стрельце - 80 тысяч световых лет.
Звездам - излучающий свет массивный газовый шар, удерживаемый силами собственной гравитации, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза.
Ближайшей к Земле звездой является Солнце - типичный представитель спектрального класса G. Звёзды образуются 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, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе. Примечательно и то, что звёзды имеют отрицательную теплоёмкость.
Ближайшей к Солнцу звездой является Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 светового года (4,2 св. лет = 39 Пм = 39 триллионов км = 3,9·1013 км) от центра Солнечной системы (см. также Список ближайших звёзд).
Основные параметры звёзд - масса, радиус, светимость, эффективная температура, спектральный класс, звёздная величина. Точные числовые значения некоторых параметров звёзд из-за их значительной удалённости определить крайне сложно, а порой даже невозможно, поэтому при их описании часто пользуются относительными значениями, например в сравнении с Солнцем, как типичной звёздой главной последовательности (о которой будет сказано далее).
Масса - это основной параметр, который определяет всю эволюцию звезды, процессы, происходящие внутри неё, продолжительность жизни, а также другие параметры на всех этапах ее существования. Массы звёзд составляют приблизительно от 1/20 до 100 масс Солнца. Нижний предел - это фактически то минимальное значение массы, при котором благодаря гравитационной энергии ядро будущей звезды способно нагреться до той температуры, при которой возможно поддержание термоядерной реакции.
Красный супергигант Бетельгейзе. Радиусы звёзд варьируются в более широких пределах, нежели массы. Звёзды-карлики могут иметь радиусы в 10 раз меньше солнечного, в то время как звёзды-гиганты в 1000 раз больше. Как следствие, светимость может быть как в 10 тыс. раз меньше, так и в 100 тыс. раз больше, чем у Солнца. В зависимости от стадии эволюции размеры звезды могут существенно различаться.
Важной характеристикой звезды, как объекта на небе, является звёздная величина. Это мера яркости звезды, наблюдаемой с Земли. Невооруженным глазом при благоприятных условиях можно рассмотреть звёзды до 6-й величины, а самые яркие звёзды на небе имеют звездную величину равную 0 и -1. К примеру, звёзды всем известного ковша Большой Медведицы - это звёзды в среднем 2-й звёздной величины. Помимо этого параметра, существует ещё и абсолютная звёздная величина. Она отражает собственную светимость звезды и определяется как визуальная звёздная величина, которую эта звезда имела бы при наблюдении с расстояния 10 парсек (1 парсек = 3,2616 св. года).
1. Строение звезд
Звёзды - раскаленные газовые шары, источником энергии и излучения в которых являются термоядерные реакции, главным образом превращение водорода в гелий. Этот процесс происходит в центре звезды, где температура достигает 15 млн. кельвинов (0,01 гр. Цельсия соответствует 273,16 кельвинам). Всё вещество при такой температуре и значительном давлении фактически находится в состоянии плазмы, ионизированного газа. Процесс протекания термоядерной реакции несколько отличается у звёзд массы Солнца и у более массивных (в нем принимают участие более тяжелые элементы, такие как углерод и азот), однако результом везде является синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода при выделении энергии. Cодержание водорода по массе в звёздах класса Солнца составляет примерно 70-75%, остальное - гелий и другие элементы, содержание которых обычно не превышает 1,5-2%.
Диаграмма Герцшпрунга - Ресселла Видимая поверхность звезды - фотосфера. Температура фотосферы связана с такой характеристикой звезды, как спектральный класс. Всего основных семь классов: O, B, A, F, G, K, M (плюс десять подклассов от 0 до 9). Также существует разделение на C0-C9 (углеродные), S-звезды (с полосами ZrO в спектре) и ещё несколько не часто встречающихся. O - самые горячие с эффективной температурой более 25000К и имеют бело-голубой цвет, M - самые холодные с эффективной температурой менее 3500К и имеют красный цвет. К примеру, Солнце имеет класс G2 с эффективной температурой около 5700К. Спектральный класс связан с классом светимости звезды, обозначается римскими цифрами от Ia и Ib (сверхгиганты) до VII (белые карлики). Связь эту можно проследить на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла. Также эта диаграмма может показывать зависимость между цветом или температурой звезды и ее абсолютной звёздной величиной.
2. Эволюция звезд
Звёзды зарождаются в газопылевых облаках межзвездной среды благодаря сгусткам вещества, образующихся в результате внешних возмущений, например, после взрыва сверхновых. Вещество под действием гравитационных сил начинает уплотняться и нагреваться. При достижении определенной массы протозвезды температура достигает того значения, при котором начинаются ядерные реакции. Продолжительность этого процесса зависит от массы. У звёзд массы Солнца на это уходит до 30 млн. лет, тогда как у более массивных в сто раз меньше. Нужно заметить, что у звёзд с большей массой все процессы идут намного быстрее, чем у менее массивных. Последующий этап жизни звезды проходит без заметных внешних изменений довольно продолжительный срок (около 10 млрд. лет у таких звёзд как Солнце, и не более 0,5 млрд. лет у в несколько раз большей массой). В этот период идет процесс сжигания водорода в ядре звезды. При этом яркость и размер остаются постоянными, так как гравитационные силы уравновешиваются давлением газа внутри звезды. Параметры звезды в этот период определяются одной из точек так называемой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла.
Планетарная туманность Яйцо. По мере того как весь водород в ядре будет превращатся в гелий оно будет сжиматься и нагреваться, вследствие увеличения молекулярного веса. Под действием увеличившейся температуры, окружающий ядро газ расширится, и звезда значительно увеличит свои размеры, прилегающий к внешним слоям газ остынет, звезда станет красным гигантом, светимость которого останется примерно такой же из-за значительных размеров. Большие размеры звезды приведут к большой потери энергии, в результате чего она со временем опять может уменьшиться. На этом этапе на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла звезда перемещается по одному из так называаемых эволюционных треков (на приведённой диаграмме не обозначены). При возникновении внутренней нестабильности во время расширения внешние слои звезды отделяются, образуется планетарная туманность, видимая в мощные телескопы похожей на диски планет (отсюда название). Оставшееся ядро становится белым карликом и будет постепенно остывать. Несмотря на значительную температуру, светимость белых карликов низкая из-за небольших размеров, сопоставимых с размером Земли. Максимально возможная масса таких звёзд не превышает 1,4 от солнечной массы.
Все вышесказанное справедливо для звёзд массы Солнца. Если же масса звезды превышает солнечную не менее чем в 8 раз, конечные этапы ее эволюции несколько отличаются. Так, после того как весь водород в ядре превратиться в гелий, ядро сожмется, а температура внутри него повысится до такой степени, что начнется не только сжигание водорода практически во всем объеме звезды, но и превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, а потом и в кремний. Температура ядра при этом может достигать нескольких сотен млн. кельвинов. В какой-то момент времени все топливо будет израсходовано, ядро станет железным, система станет нестабильной и звезда в течение долей секунды сожмется. Сжатие будет происходить до тех пор, пока плотность не достигнет критического уровня, после чего произойдет отдача, сопровождаемая гигантским взрывом, наблюдаемым как взрыв сверхновой (лат. super nova).
Остатки взрыва сверхновой 1987А спустя 7 лет (в центре). Яркость вспышки при взрыве сверхновой может превосходить яркость целой галактики, а светимость в миллиарды раз выше солнечной. Выброс оболочки происходит со скоростью в несколько тысяч км/с. Наблюдаемая вспышка заметна в течение нескольких недель. Вообще же, взрыв сверхновой - крайне редкое явление, которое можно наблюдать без соответствующего оборудования всего несколько раз за тысячелетие. Пример - сверхновая 1987А, наблюдаемая с февраля 1987 года в галактике Большое Магелланово Облако в южном созвездии Золотой Рыбы на расстоянии 170 тысяч световых лет.
Первое изображение нейтронной звезды в видимом спектре. Оставшееся после взрыва ядро превращается в нейтронную звезду с массой от 1,5 до 3 масс Солнца и диаметром несколько км. Из-за сильного магнитного поля и быстрого вращения нейтронные звёзды наблюдаются как всплески радио- и рентгеновского излучения, их иногда называют еще пульсарами. Если масса оставшегося ядра превысила 3 солнечных массы, то звезда становится чёрной дырой. Гравитационные силы черной дыры столь значительны, что они поглощают любое световое излучение, и непосредственное наблюдение этих объектов с использованием оптических средств невозможно. Выпадение вещества на чёрные дыры сопровождается выделением огромной энергии, которое можно обнаружить в виде рентгеновского и гамма-излучения. В таких областях в условиях гравитации стремящейся к бесконечности все наши представления о пространстве и времени очевидно не смогут найти подтверждения, а сами области возможно могут представлять собой некие пространственные дыры, сквозь которые возможно проникновение в другие области Вселенной или Антивселенной, в которых составляющая силы гравитации по отношению к нашим представлениям будет иметь отрицательное значение. Но возможно, что чёрные дыры - это пространственно-энергетические ловушки, которые после достижения ими определённой критической массы и энергии вызовут грандиозный вселенский катаклизм при выделении накопленной энергии. Предполагается, что в центрах многих галактик имеются чёрные дыры, в том числе и в нашей.
3. Двойные заезды
Во Вселенной примерно половина всех звёзд входит в состав двойных или кратных систем. В них звёзды вращаются вокруг общего центра масс. Визуально-двойные звезды расположены достаточно далеко друг от друга и могут наблюдаться одельно, период их обращения составляет несколько десятков лет. Если одна звезда значительно меньше другой и не доступна для непосредственного наблюдения, то ее присутствие можно обнаружить по непрямолинейному движению более яркой. Обычно же двойные системы обнаруживаются по периодическому смещению спектральных линий. Большая часть двойных звёзд являются тесными парами. В таких системах возможно перетекание вещества из поверхностных слоев массивной звезды к компаньону. Вещество под действием гравитационных сил вращающейся малой звезды закручивается вокруг нее, и образуется так называемый аккреционный диск. Большая звезда при этом может потерять значительную массу и превратиться даже в белого карлика. Иногда такие процессы приводят к образованию новых (лат. nova), когда происходит значительный нагрев звезды и последующая вспышка, сопровождаемая выбросом оболочки со скоростью до 2 тысяч км/с и увеличением звёздной величины в несколько раз (до 10 - 15), но, конечно же, даже близко не сопоставимой со взрывом сверхновой. Этот процесс может происходить неоднократно с образованием повторных новых, а также новоподобных с менее значительным увеличением звёздной величины.
Также с двойныыми звёздами напрямую связано такое понятие как переменная звезда. Хотя нужно отметить, что и к одиночным звездам, преимущественно на поздних стадиях эволюции, в полной мере может подходить это определение (пример: цефеиды, по аналогии с Дельта Цефея, когда светимость увеличивается, а затем уменьшается почти на целую звездную величину в течение нескольких дней), всё же, чаще всего оно применимо к двойным или кратным системам. Выражается это в периодическом изменении светимости звезды, связанном в первую очередь с неоднородностью ее внутренней структуры и стадии эволюционного развития, а также влиянием на нее звезды-компаньона. Так в затменных двойных вращение пары происходит таким образом, что одна звезда периодически проходит перед другой относительно наблюдателя, что приводит к изменению видимой светимости. Наиболее яркий пример: Алголь - Бета Персея, расстояние 92,8 св. года, состоящая из гиганта класса B и карлика класса G, между которыми происходит передача вещества, а также третьей звезды. Видимая светимость в этой системе изменяется от 3,5 до 2,2 звёздной величины с периодом около трех суток. Вообще же периодичность изменений в двойных и кратных системах может наблюдаться от нескольких суток до нескольких месяцев, а изменение светимости до нескольких звёздных величин, хотя обычно светимость изменяется в гораздо более скромных пределах.
Звезда является природной саморегулирующейся системой. Если по какой-то причине мощность энерговыделения в ядре звезды не сможет компенсировать излучение энергии с поверхности, то звезда не сможет противостоять гравитации: она начнет сжиматься, от этого повысится температура в ее ядре и возрастет интенсивность ядерных реакций - таким образом баланс энергии будет восстановлен.
В заключение укажем, что возраст Солнца около 5 млрд. лет, и в настоящее время оно находится в середине своего эволюционного пути. Но если бы исходная масса Солнца была всего вдвое выше, то его эволюция уже давно закончилась бы, и жизнь на Земле так и не успела бы достигнуть своей вершины в образе человека.
Звезда — массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза . Ближайшей к Земле звездой является Солнце. Ближайшей к Солнцу звездой является Проксима Центавра. Она расположена в 4,2 светового года.
О составе звезд человечество узнало в последнюю очередь. Происхождение их угадал философ Иммануил Кант еще в XVIII веке. Другие параметры, вроде цвета или светимости, можно оценить без особых инструментов — а вот материал, из которого состоят звезды, долгое время терзал воображение ученых.
Метод определения
Определять состав светил астрономы научились только в середине XIX века. Именно тогда в арсенале исследователей космоса появился спектральный анализ.
Метод основан на свойстве атомов различных элементов излучать и поглощать свет на строго определенных резонансных частотах. Соответственно на спектре видны темные и светлые полосы, расположенные на местах, характерных для данного вещества. Разные источники света можно отличить по рисунку из линий поглощения и излучения.
Спектральный анализ успешно применяется для определения состава звезд. Его данные помогают исследователям понять очень многие процессы, происходящие внутри светил и недоступные непосредственному наблюдению.
В настоящее время для определения классов звезд используется диаграмма Герцшпрунга-Рассела. Она показывает зависимость между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды.
Всем известен тот факт, что чем выше температура, тем меньше состав частиц, которые способны существовать в атмосфере звезды. С помощью спектрального анализа звезд класс О, В, А (температура от 50 до 10 тысяч градусов) была обнаружено в атмосферах этих звезд линии ионизированного водорода, гелия, ионы металла, а в классе К (5 тысяч градусов) были обнаружены радикалы, в классе М (3500 градусов) – нашли молекулы оксидов.
Химический состав звезд
Вы когда-нибудь задумывались, из чего состоят звезды? Вы были бы удивлены, узнав их состав — это те самые материалы, из которых сделана вся остальная Вселенная:
- 73% — водород;
- 25% — гелий;
- 2% — остальные элементы.
Вот и все, за исключением некоторых различий в определенных материалах, звезды созданы в значительной степени из одинакового вещества.
Звезды образовывались со времен зарождения Вселенной. Фактически астрономами рассчитано, что каждый год в галактике Млечный Путь формируется 5 новых звезд. Некоторые из них имеют больше тяжелых элементов от предыдущих звезд – металлически богатые, а некоторые содержат меньше – металлически бедные. Но даже так, соотношение элементов остается в равной степени.
Солнце — пример богатой на металл звезды, имеет более высокое количество тяжелых элементов внутри, нежели в среднем среди таких же представителей. И все же, наше светило обладает схожим соотношением долей элементов: 75% водорода, 24% гелия, а остальные — кислород, углерод, азот.
Преобразование водорода в гелий внутри ядра Солнца происходит уже 4,5 миллиарда лет
Химический состав звезд
В списке всех звезд, которые относятся к первым четырем классам, преобладают линии гелия и водорода, однако постепенно, по мере снижения температуры можно обнаружить линии уже других элементов, которые даже могут указывать на существование соединений. Безусловно, соединения эти довольно просты. Это оксиды титана (класс М), циркония и радикалы. Наружный слой большинства звезд состоит, как правило, из водорода
На 10 тысяч атомов водорода в среднем приходится порядка тысячи атомов гелия, всего лишь 5 атомов кислорода и меньше 1 атома любых других элементов.
Не редко встречаются звезды, которые в своем химическом составе имеют повышенное содержание определенного элемента. Ученым известны те звезды, которые в своем химическом составе имеют повышенное количество кремния (так называемые кремниевые звезды), железные звезды (звезды, с повышенным содержанием железа). Также существует множество звезд с повышенным содержанием марганца, углерода и т.д.
В космосе находится большое количество звезд, имеющих аномальный состав элементов. В некоторых молодых звездах, относящихся к типу красных гигантов, было найдено повышенное содержание различных тяжелых элементов.
В одной из таких звезд было обнаружено содержание молибдена, которое было явно завышено и более того, доля молибдена на Солнце в 26 раз меньше, нежели у этой звезды.
По мере старения звезды содержание элементов уменьшается у тех звезд, которые имеют атомы большей массы, нежели масса атома гелия.
Исходя из этого, ученые пришли к выводу, что наличие тяжелых элементов приводит к своеобразной химической эволюции, которая характеризует начало жизни звезд.
Старение звезды и изменение состава
Со временем термоядерные реакции внутри звезд постепенно изменяют их состав. Главной и самой простой реакцией синтеза, который протекает в большинстве звезд во Вселенной, и в нашем Солнце в том числе, является протон-протонный цикл. В нем четыре атома водорода сливаются воедино, образуя в итоге один атом гелия и очень большой выход энергии — до 98% общей энергии звезды.
Изменение состава на примере Солнца
Количество гелия в ядре Солнца будет увеличиваться; соответственно, будет расти объем ядра звезды. Из-за этого увеличится площадь термоядерной реакции, а вместе с ней — интенсивность свечения и температура Солнца. Через 1 миллиард лет (в возрасте 5,6 млрд лет) энергия звезды вырастет на 10%. В возрасте 8 миллиардов лет (через 3 млрд лет от сегодняшнего дня) солнечное излучение составит 140% от современного.
Условия на Земле к тому времени поменяются настолько, что она в точности будет напоминать Венеру.
Рост интенсивности протон-протонной реакции сильно отразится на составе звезды — водород, мало затронутый с момента рождения, станет сгорать куда быстрее. Нарушится баланс между оболочкой Солнца и его ядром — водородная оболочка станет расширяться, а гелиевое ядро, наоборот, сужаться. В возрасте 11 миллиардов лет сила излучения из ядра звезды станет слабее сжимающей его гравитации — греть ядро теперь станет именно растущее сжатие.
В итоге реакции, атомные ядра гелия сначала сбиваются вместе, превращаясь в нестабильную форму бериллия, а затем в углерод и кислород. Сила этой реакции невероятно велика — когда будут зажигаться нетронутые островки гелия, Солнце будет вспыхивать до 5200 раз ярче, чем сегодня!
Во время этих процессов ядро Солнца будет продолжать накаляться, а оболочка расширится до границ орбиты Земли и значительно остынет — ибо чем больше площадь излучения, тем больше энергии теряет тело. Пострадает и масса светила: потоки звездного ветра будут уносить остатки гелия, водорода и новообразованных углерода с кислородом в далекий космос.
Так наше Солнце превратится в красного гиганта. Полностью завершится развитие светила тогда, когда оболочка звезды окончательно истощится, и останется только плотное, горячее и маленькое ядро — белый карлик. Оно медленно будет остывать миллиардами лет.
Изменение состава звезд-гигантов
Цепочка трансформации крупных звезд куда дольше: она доходит вплоть до самого железа. Создаются и элементы потяжелее. У таких звезд уже нет пути назад — они взорвутся сверхновой, оставив по себе черную дыру или нейтронную звезду.
Хотя углерод и кислород существуют в звезде одновременно, во время реакций синтеза они создают вещества, распределяющиеся на принципиально разных уровнях звезды.
Так, углерод порождает легкие вещества, вроде неона, натрия или магния.
Кислород же создает тяжелые неметаллы, наподобие серы или фосфора, или неплотные металлы, как вот алюминий. А вместе с азотом они участвуют в CNO-цикле горения водорода — основном термоядерном процессе в больших звездах Главной последовательности.
Структура звезды
В общем случае у звезды, находящейся на главной последовательности, можно выделить три внутренние зоны:
- ядро;
- конвективную зону;
- зону лучистого переноса.
Ядро — это центральная область звезды, в которой идут ядерные реакции.
Конвективная зона — зона, в которой перенос энергии происходит за счёт конвекции. Для звёзд с массой менее 0,5 M☉ она занимает всё пространство от поверхности ядра до поверхности фотосферы. Для звёзд с массой, сравнимой с солнечной, конвективная часть находится на самом верху, над лучистой зоной. А для массивных звёзд она находится внутри, под лучистой зоной.
Лучистая зона — зона, в которой перенос энергии происходит за счёт излучения фотонов. Для массивных звёзд эта зона расположена между ядром и конвективной зоной, у маломассивных она отсутствует, а у звёзд больше массы Солнца находится у поверхности.
На более поздних стадиях добавляются дополнительные слои, в которых идут ядерные реакции с элементами, отличными от водорода. И чем больше масса, тем больше таких слоев. У звёзд с массой, на 1—2 порядка превышающей Мʘ, таких слоёв может быть до 6, где в верхнем, первом слое всё ещё горит водород, а в нижнем идут реакции превращения углерода в более тяжёлые элементы, вплоть до железа. В таком случае в недрах звезды расположено инертное, в плане ядерных реакций, железное ядро.
Над поверхностью звезды находится атмосфера, как правило, состоящая из трёх частей: фотосферы, хромосферы и короны.
Фотосфера — самая глубокая часть атмосферы, в её нижних слоях формируется непрерывный спектр. Поскольку их толщина составляет не более одной трёхтысячной доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца.
В отличие от хромосферы и фотосферы самая внешняя часть атмосферы Солнца – корона – обладает огромной протяжённостью: она простирается на миллионы километров, что соответствует нескольким солнечным радиусам. Плотность вещества в солнечной короне убывает с высотой значительно медленнее, чем плотность воздуха в земной атмосфере.
P.S.
По мнению американского астронома, выдающегося популяризатора науки Карла Сагана, все мы и окружающие нас предметы и объекты (люди, планета Земля и остальные объекты Космоса) состоим из вещества, образовавшегося в недрах звёзд, т.е. состоим из элементов, которые образовались в звездах в процессе ядерных реакций и при взрывах сверхновых звезд.
Но, возможно, мы сделаны не только из вещества, образованного в звездах, но и пыли, выбрасываемой квазарами.
Видео
По определению звезда — это гигантский газовый шарообразный объект, который излучает свет и находится в состоянии равновесия благодаря собственной гравитации и давлению внутри него. Как известно, они формируются из газово-пылевой среды под действием гравитационного сжатия. Но что входит в состав звёзд?
Звезда Арктур
Хотя все светила разные, их образуют одни и те же вещества. Итак, химический состав звёзд:
- водород (73%);
- гелий (25%);
- атомы тяжёлых веществ (2%).
Водород
Как видно, в составе звёзд самым распространенным элементом является водород. Кстати, благодаря ему и начинаются ядерные реакции.
Газовые облака
Во время сжатия газового облака, температура внутри повышается. Так, запускаются термоядерные реакции в уже сформировавшемся ядре. В это время четыре атома водорода, которые преобладают в области, сливаются в один атом гелия. Другими словами, водород начинает гореть, а из него синтезируется гелий. Таким образом вырабатывается основная часть энергии (98% от общей звездной).
Гелий
Стоит отметить, что это второй самый распространённый элемент в химическом составе всех светил. Более того, он является вторым самым лёгким элементом, опять же после водорода. Вероятно, поэтому гелия и водорода больше любых других элементов во всей Вселенной. Они входят в состав всего, что есть в нашем космосе.
Гелий, как уже было сказано, образуется во время термоядерного синтеза. И, что важно, под воздействием высокой температуры и горения водорода, он также начинает гореть. Данный процесс приводит к формированию плотного ядра.
Атомы водорода и гелия
Вместе с тем гравитационное сжатие увеличивает плотность гелия, что приводит к повышению температуры (да, она становится всё выше и выше). Тем самым увеличивается излучение и внешняя оболочка, которая при расширении начинает остывать. И вот звезда растёт и эволюционирует. Правда, гелиевый центр тела может догореть до взрыва или же выгореть в углеродное ядро. Все зависит от остального содержания звезды.
Другие атомы тяжёлых веществ
Несмотря на то, что вещества тяжелее гелия составляют всего 2% от всего светила, их значение очень велико. Ведь они влияют на скорость процессов внутри ядра. То есть могут либо ускорять, либо замедлять их. А это обуславливает яркость и длительность жизни звездного тела.
Как известно, чем тяжелее элемент, тем глубже он находится. Потому как тяжёлое сильнее притягивается силами гравитации. Соответственно, лёгкие элементы, наоборот, удерживаются снаружи.
Таким образом, если в химическом составе присутствуют атомы тяжелее водорода и гелия, то они будут располагаться в самом ядре. Если звезда имеет массу выше средней и в ней есть, например, железо или любое другое тяжёлое вещество, то произойдёт взрыв сверхновой. Конечно, не сразу, а на конечном этапе своей эволюции. Но итог очевиден — превращение в нейтронную звезду или чёрную дыру.
Нейтронная звезда Чёрная дыра
По данным учёных, существуют светила с богатым содержанием кремния, железа марганца, углерода и других веществ. Очевидно, что преобладание определённых веществ, которые и составляют эти небольшие, но важные 2%, предопределяют её судьбу.
Помимо того, что они образуются в результате термоядерных процессов, на их формирование также влияет межзвездная среда. Потому что первоначальный состав, то есть облако из газа и пыли, может уже содержать какие-либо тяжёлые элементы. И они, собственно, невольно попадут в звёздный состав.
Что интересно, жёлтые и красные карлики богаты на тяжёлые элементы, а вот массивные светила не могут этим похвастаться.
Если в массивной звезде преобладают атомы металлов, то при взрыве сверхновой остаток будет меньше.
Основная структура звёздных тел
внутренняя зона:
- ядро — центр, где протекают термоядерные реакции;
- конвективная зона — область, в которой энергия переносится посредством перемешения вещества;
- лучистая зона — область, где энергия переносится в результате излучения фотонов. Правда, она отсутствует у звезд с малой массой.
В процессе эволюции светила со средней и большой массой, так сказать, наращивают дополнительные слои. В которых, так же как и внутри, происходят ядерные реакции. Чем больше масса, тем больше слоёв. Но в них гореть может уже не водород, а углерод, превращающийся в тяжёлые элементы. К примеру, даже в железо.
внешняя часть — атмосфера.
Она расположена над поверхностью звезды и также, как и внутренняя область, состоит из трёх зон:
- фотосфера — находится в самом низу, в ней формируется спектр;
- хромосфера — окружает нижнюю часть, чаще всего красного цвета за счет водородного излучения;
- корона — внешняя атмосферная зона, состоящая из плазмы и излучающая рентгеновское излучение.
Как узнали из чего состоят звезды
Конечно, люди еще в древние-древние времена видели эти прекрасные и сияющие точки на ночном небе. Со временем их научились оценивать по цвету и светимости, даже узнали расстояние до них. Но состав звёзд долго оставался загадкой. Долго человечество строило догадки. И лишь в середине 19 века занавес тайны приоткрылся благодаря появлению методики спектрального анализа.
Как оказалось, любой источник света обладает собственным спектром, который зависит от составляющих веществ. Они могут поглощать и пропускать спектральные линии. Таким образом, анализ спектра звезды помог учёным определить из чего же они состоят.
Что интересно, по химическому составу и массе звезд учёные определяют их возраст и судьбу.
Солнечный спектр
Между прочим, существует целая наука о составе и природе звёзд — Астрофизика. Именно она изучает строение, физические свойства и химический состав космических объектов.
В заключении, ещё раз отметим, что определенный химический состав звёзд определяет их жизненный путь и то, какие этапы эволюции их ожидают. Помимо этого, он влияет на формирование других космических объектов нашей Вселенной. Главным образом, тех, в которые светило будет входить и формировать.
Строение Солнца
Мы не можем непосредственно заглянуть внутрь Солнца, поэтому представление о его внутреннем строении получаем только на основе теоретического анализа, используя наиболее общие законы физики и такие характеристики Солнца, как масса, радиус, светимость.
Солнце не расширяется и не сжимается, оно находится в гидростатическом равновесии, так как силе гравитации, стремящейся сжать Солнце, препятствует сила газового давления изнутри.
Расчеты показывают, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна быть примерно 15 • 10 6 К. На расстоянии 0,7R температура падает до порядка 10 6 К. Плотность вещества в центре Солнца около 1,5 • 10 5 кг/м 3 , что более чем в 100 раз выше его средней плотности.
Термоядерные реакции протекают в центральной области Солнца радиусом, примерно равным 0,3R. Эта область получила название ядра. Вне ядра температура недостаточна для протекания термоядерных реакций.
Энергия, выделившаяся в ядре Солнца, переносится наружу, к поверхности, двумя способами: лучистым и конвективным переносами. В первом случае энергия переносится излучением; во втором — при механических движениях нагретых масс вещества.
Лучистый перенос энергии происходит в ядре до расстояний (0,6—0,7) R от центра Солнца, далее к поверхности энергия переносится конвекцией. Проявление конвекции наблюдается в виде грануляции в фотосфере. Полное время, которое требуется энергии, выделившейся в ядре, чтобы достигнуть поверхности Солнца, составляет около 10 млн лет. Так что тот свет и тепло, которые согревают и освещают нашу Землю сегодня, были выработаны в термоядерных реакциях в центре Солнца 10 млн лет назад.
Конечно, астрономы ищут способы заглянуть внутрь Солнца и проверить теоретические представления о его строении. На этом пути им на помощь пришли физики, изучающие элементарные частицы. Дело в том, что при термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода наряду с выделением энергии происходит рождение элементарных частиц — нейтрино. В отличие от излучения нейтрино практически не задерживается веществом. Возникая в недрах Солнца и распространяясь со скоростью, близкой к скорости света, они через 2 с покидают поверхность Солнца и через 8 мин достигают Земли. Для наблюдений солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп, который в течение многолетних наблюдений и зарегистрировал ожидаемый поток нейтрино от Солнца. Эти наблюдения окончательно подтвердили правильность наших теоретических моделей строения Солнца как звезды. Поэтому мы в полной мере можем использовать полученные результаты для разработки моделей других звезд. Другие звезды главной последовательности по строению во многом похожи на Солнце.
Красные гиганты и сверхгиганты
Отличительной особенностью этих звезд является отсутствие ядерных реакций в самом центре, несмотря на высокие температуры. Ядерные реакции протекают в тонких слоях вокруг плотного центрального ядра. Так как температура звезды уменьшается к поверхности, то в каждом слое идет определенный тип термоядерных реакций. В самых внешних слоях ядра, где температура составляет около 15 • 10 6 К, из водорода образуется гелий; глубже, где температура выше, из гелия образуется углерод; далее из углерода — кислород, и в самых глубоких слоях у очень массивных звезд при термоядерных реакциях образуется железо. Более тяжелые химические элементы образовываться с выделением энергии не могут. Наоборот их образование требует затраты энергии. Итак, в красных гигантах и сверхгигантах формируются слоевые источники энергии и образуется большинство химических элементов вплоть до атомов железа.
Белые карлики
Эти звезды были названы белыми карликами, так как сначала среди них были обнаружены звезды белого цвета, а значительно позже — желтого и других цветов. Размеры их небольшие, всего лишь тысячи и десятки тысяч километров, т. е. сравнимые с размерами Земли. Но их массы близки к массе Солнца, и поэтому их средняя плотность сотни килограммов в кубическом сантиметре. Примером такой звезды служит спутник Сириуса, обозначаемый обычно как Сириус В. У этой звезды спектрального класса А с температурой 9000 К диаметр лишь в 2,5 раза превышает диаметр Земли, а масса равна солнечной, так что средняя плотность превышает 100 кг/см 3 .
Пульсары и нейтронные звезды
В 1967 г. астрономы с помощью радиотелескопов обнаружили удивительные радиоисточники, которые испускали периодические импульсы радиоизлучения. Эти объекты получили название пульсары. Периоды импульсов пульсаров, которых сейчас известно свыше 400, заключены в пределах от нескольких секунд до 0,001 с. Удивляла высокая стабильность повторения импульсов; так, первый открытый пульсар, который обозначается как PSR 1919, расположенный в неприметном созвездии Лисички, имел период Т = 1,33 730 110 168 с (рис. 16.3). Высокая стабильность периода, доступная только при измерении современными атомными часами, заставила вначале предположить, что астрономы имеют дело с сигналами, посылаемыми внеземными цивилизациями. В конце концов было доказано, что явление пульсации возникает в результате быстрого вращения нейтронных звезд, причем период следования импульсов равен периоду вращения нейтронной звезды.
Эти необычные звезды имеют радиусы около 10 км и массы, сравнимые с солнечной. Плотность нейтронной звезды фантастическая и равна 2 • 10 17 кг/м 3 . Она сравнима с плотностью вещества в ядрах атомов. При такой плотности вещество звезды состоит из плотно упакованных нейтронов. По этой причине такие звезды получили название нейтронных звезд.
Черные дыры
В конце XVIII в. известный астроном и математик П. Лаплас (1749—1827) привел простые, основанные на теории тяготения Ньютона рассуждения, которые позволили предсказать существование необычных объектов, получивших название черные дыры. Известно, что для преодоления притяжения небесного тела массой М и радиусом R нужна вторая космическая (параболическая) скорость При меньшей скорости тело станет спутником небесного тела, при ν ≥ ν2 оно навсегда покинет небесное тело и никогда не вернется к нему. Для Земли ν2 = 11,2 км/с, на поверхности Солнца ν2 = 617 км/с. На поверхности нейтронной звезды массой, равной массе Солнца, и радиусом около 10 км ν2 = 170 000 км/с и составляет всего около 0,6 скорости света. Как видно из формулы, при радиусе небесного тела, равном R = 2GM/c 2 , вторая космическая скорость будет равна скорости света с = 300 000 км/с. При еще меньших размерах вторая космическая скорость будет превышать скорость света. По этой причине даже свет не сможет покинуть такое небесное тело и дать информацию о процессах, происходящих на его поверхности, нам — далеким наблюдателям.
Если такие объекты во Вселенной существуют, то они являются как бы дырами, куда все проваливается и откуда ничего не выходит. Поэтому в современной литературе за ними укоренилось такое название — черные дыры.
В настоящее время обнаружены черные дыры в составе двойных звездных систем. Так, в созвездии Лебедя наблюдается тесная двойная система, одна из звезд, излучающая видимый свет, — обычная звезда спектрального класса В, другая — невидимая звезда малого размера — излучает рентгеновские лучи и имеет массу около 10М. Эта невидимая звезда представляет собой черную дыру с размерами около 30 км. Рентгеновское излучение испускает не сама черная дыра, а нагретый до нескольких миллионов градусов диск, вращающийся вокруг черной дыры. Этот диск состоит из вещества, которое черная дыра своим тяготением вытягивает из яркой звезды (рис. XV на цветной вклейке).
Теоретические представления о внутреннем строении звезд главной последовательности были подтверждены прямыми наблюдениями потоков нейтрино из солнечного ядра.
В некоторых двойных звездных системах обнаружены черные дыры.
Эволюция звезд: рождение, жизнь и смерть звезд
В Млечном Пути наблюдаются газопылевые облака. Некоторые из них настолько плотные, что начинают сжиматься под действием собственного тяготения. По мере сжатия плотность и температура облака повышается, и оно начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра. На этой стадии сжатия облако получило название протозвезда. Когда температура в недрах протозвезды повышается до нескольких миллионов кельвинов, в них начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий и протозвезда превращается в обычную звезду главной последовательности. Продолжительность пребывания звезд на главной последовательности определяется мощностью излучения звезды (светимостью) и запасами ядерной энергии.
После выгорания водорода в недрах звезды она раздувается и становится красным гигантом или сверхгигантом в зависимости от массы.
Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ее ядром и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность (рис. X на цветной вклейке). После окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды — белый карлик. От звезды типа Солнца останется углеродный белый карлик.
Эволюция массивных звезд происходит более бурно. В конце своей жизни такая звезда может взорваться сверхновой звездой, а ее ядро, резко сжавшись, превратиться в сверхплотный объект — нейтронную звезду или даже в черную дыру. Сброшенная оболочка, обогащенная гелием и другими тяжелыми элементами, образовавшимися в недрах звезды, рассеивается в пространстве и служит материалом для формирования звезд нового поколения. В частности, есть основания полагать, что Солнце — звезда второго поколения.
В процессе эволюции протозвезда переходит на стадию звезды главной последовательности, исчерпав водород в ядре, становится красным гигантом. Звезды типа Солнца становятся белыми карликами, а звезды с большими массами взрываются и становятся либо нейтронными звездами, либо черными дырами.
Читайте также: