Звезды и их эволюции

Зависимости между звёздными параметрами.

Массы звезд заключены в пределах от 0,04 до 100 масс Солнца, светимости от 5Ї10-4 до 105 светимостей Солнца, радиусы от 2Ї10-1 до 103 радиусов Солнца. Эти параметры связаны определёнными зависимостями. Наиболее важные из них выявляются на диаграммах "спектр - светимость" (Герцшпрунга - Ресселла диаграммах) или "эффективная температура - светимость", и др. Почти все звезды располагаются на таких диаграммах вдоль нескольких полос, и соответствующих различным последовательностям, или классам светимости. Большинство из них расположено на главной последовательности (V класс светимости). Левый её конец образуют звезды класса О с температурами 30 000-50 000°, правый - красные звёзды-карлики класса М с температурами 3000-4000°. На диаграмме видна последовательность гигантов (III класс), в которую входят звезды высокой светимости (т. е. имеющие большие радиусы). Выше расположены последовательности ещё более ярких сверхгигантов Ia, Iв и II. (Принадлежность З. к числу карликов, гигантов и сверхгигантов обозначалась ранее буквами d, g и с перед спектральным классом.) Внизу диаграммы расположены белые карлики (VII), размеры которых сравнимы с размерами Земли при плотности порядка 106 г/см3. Кроме этих основных последовательностей, отмечаются субгиганты (IV) и субкарлики (VI).

2. Внутреннее строение звёзд

Поскольку недра звезд недоступны непосредственным наблюдениям, их внутреннее строение изучается путём построения теоретических звёздных моделей, которым  соответствуют значения масс, радиусов и светимостей, наблюдаемые у  реальных звезд. В основе теории внутреннего строения обычных звезд лежит представление о них как о газовом шаре, находящемся в механическом и тепловом равновесии, в течение длительного времени не расширяющемся и не сжимающемся. Механическое равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру звезды, и газовым давлением в недрах, действующим наружу и уравновешивающим силы гравитации. Давление растет с глубиной, а вместе с ним увеличиваются и плотность и температура. Тепловое равновесие заключается в том, что температура звезды - во всех её элементарных объёмах - практически не меняется со временем, т. е. что количество энергии, уходящей из каждого такого объёма, компенсируется приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными или др. источниками⁵.

Температуры обычных звезд меняются от нескольких тыс. градусов на поверхности  до десяти млн. градусов и более в  центре. При таких температурах вещество состоит из почти полностью ионизованных атомов, благодаря чему оказывается  возможным в расчётах звёздных моделей применять уравнения состояния идеального газа. При исследованиях внутреннего строения звезд существенное значение имеют предпосылки об источниках энергии, химическом составе и о механизме переноса энергии.

Основным механизмом переноса энергии в является лучистая теплопроводность. При этом диффузия тепла из более горячих внутренних областей звезды наружу происходит посредством квантов ультрафиолетового излучения, испускаемого горячим газом. Эти кванты поглощаются в др. частях звезды и снова излучаются; по мере перехода во внешние, более холодные слои частота излучения уменьшается. Скорость диффузии определяется средней величиной пробега кванта, которая зависит от прозрачности звёздного вещества, характеризуемой коэффициент поглощения. Основными механизмами поглощения в звезде являются фотоэлектрическое поглощение и рассеяние свободными электронами.

Лучистая теплопроводность является основным видом переноса энергии  для большинства звезд. Однако в  некоторых частях звезд, а в звездах с малой массой - почти во всём объёме, существенную роль играет конвективный перенос энергии, т. е. перенос тепла массами газа, поднимающимися и спускающимися под влиянием различия температуры. Конвективный перенос, если он действует, гораздо эффективнее лучистого, но конвекция возникает только там, где водород или гелий ионизованы частично: в этом случае энергия их рекомбинации поддерживает движение газовых масс. У Солнца зона конвекции занимает слой от поверхности до глубины, равной около 0,1 его радиуса: ниже этого слоя водород и гелий ионизованы уже полностью. У холодных звезд полная ионизация наступает на большей глубине, так что конвективная зона у них толще и охватывает большую часть объёма. Наоборот, у горячих водород и гелий полностью ионизованы, начиная почти от самой поверхности, поэтому у них нет внешней конвективной зоны. Однако они имеют конвективное ядро, где движения поддерживаются теплом, выделяющимся при ядерных реакциях.

Звёзды-гиганты и сверхгиганты устроены иначе, чем звезды главной  последовательности. Маленькое плотное ядро их (1% радиуса) содержит 20-30% массы, а остальная часть представляет собой протяжённую разреженную оболочку, простирающуюся на расстояния, составляющие десятки и сотни солнечных радиусов. температуры ядер достигают 100 млн. градусов и более. Белые карлики по существу представляют собой те же ядра гигантов, но лишённые оболочки и остывшие до 8-10 тыс. градусов. Плотный газ ядер и белых карликов обладает особыми свойствами, отличными от свойств идеального газа. В нём энергия передаётся не излучением, а электронной теплопроводностью, как в металлах. Давление такого газа зависит не от температуры, а только от плотности, поэтому равновесие сохраняется даже при остывании звезды, не имеющей источников энергии⁶.

Химический состав вещества недр звезды. на ранних стадиях их развития сходен с химическим составом звёздных атмосфер, который определяется из спектроскопических наблюдений (диффузионное разделение может произойти лишь за время, значительно превосходящее время жизни звезд). С течением времени ядерные реакции изменяют химический состав звёздных недр и внутреннее строение меняется.

3. Происхождение и эволюция звезд

Под действием сил гравитации звезды конденсируются из межзвездной пыли и газа, сжимаются, разогреваются, и  начинаются термоядерные реакции. Звезды, сжигая ядерное горючее, гибнут, взрываясь в виде сверхновых, или просто угасают, превращаясь в куски ядерного пепла. При взаимодействии гравита-ционых сил и радиационного давления наступает равновесие, и звезда стабилизируется и приобретает характерные для нее размеры и светимость. Чтобы проследить за эволюцией звезд, достаточно знать две величины, которые сравнительно легко определить: собственную светимость и цвет, характеризующий температуру поверхности. Поэтому в этих координатах можно построить зависимость светимости от цвета, и поскольку каждая звезда в любой период жизни имеет определенные светимость и цвет, ее положение можно отразить точкой на этой диаграмме. Так как звезды изменяются со временем, то в течение «жизни» звезды представляющая ее точка передвигается по этой диаграмме;-описывая некую кривую. Таким образом, можно проследить процесс жизни и угасания звезды.

Динамика поведения звезды зависит  только от двух факторов: массы вещества, из которого она конденсировалась, и состава вещества. В начальный период жизни звезды играет роль только ее масса. Если сравнивать эволюцию звезд, химический состав которых подобен составу Солнца, т.е. звезд населения I, то окажется, что на протяжении большей части своей истории эти звезды занимают положения вблизи так называемой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга Рассела (рис. 1). Массивные звезды оказываются более горячими и яркими, менее массивные звезды — холодные и тусклые. Так как большую часть своей жизни звезда стабильна, диаграмма «цвет-светимость» для любой группы звезд представляет собой распределение точек вдоль главной последовательности⁷.

Рисунок 1 – Главная последовательность звезд населения I,

к которым относится Солнце (т_С — масса Солнца).

Однако на диаграмме наблюдают  и отклонения от главной последовательности, что связано с начальным составом, массой звезды и ее переходом от одного типа к другому. Солнце перемещается вдоль главной последовательности уже 4,5 × 10⁹ лет и будет продолжать это движение еще около 5 × 10⁹ лет, а затем перейдет к последним этапам своей эволюции. Более массивные звезды проходят этот путь быстрее, поскольку они расположены на главной последовательности более высоко, и время прохожления цикла составляет ~ 10⁷ лет. При уменьшении количества водорода внутри звезды она сжимается, что приводит к увеличению температуры и началу выгорания гелия. При превращении гелия в углерод выделяется большое количество энергии и поэтому светимость звезды возрастает. Темпы образования энергии приводят к росту радиационного давления на внешнем слое звезды и его расширению. В результате расширения газ охлаждается, излучаемый свет становится более красным и звезда резко смещается от главной последовательности (рис. 2)⁸.

Рисунок 3 – Диаграмма эволюции звезд населения I.

Процесс расширения и покраснения  идет до увеличения диаметра звезды в 200—300 раз, после чего она становится красным гиганюм, таким, как, например, звезда Бетельгейзе из созвездия Ориона. Эволюция нашего Солнца к стадии красного гиганта приведет к тому, что оно сначала сожжет Землю из-за выделения огромного количества энергии при превращении гелия в водород, а затем в результате гигантского расширения поглотит ее останки. По расчетам астрономов до этого момента пройдет около 5 миллиардов лет. Время пребывания обычной звезды в виде красного гиганта составляет около 10⁷ лет. Достигнув на этой стадии максимальных размеров, звезда быстро смещается влево на диаграмме «светимость цвет». Переход от красного гиганта до пересечения с главной последовательностью составляет примерно 1% от всего времени существования звезды (для Солнца — 100 миллионов лет.) В этот период у большинства звезд нарушается равновесие, и они начинают пульсировать, изменяя светимость. Их называют переменными звездами. К ним относятся также нестационарные пульсирующие звезды-цефеиды. Далее эволюция идет в зависимости от массы звезды. Если она меньше 1,4 солнечной массы («легкая» звезда), то при заканчивании ядерного горючего звезда на диаграмме «светимость—цвет» смещается вниз, а затем охлаждается и угасает, проходя через стадию неустойчивости, характеризуемую периодическими возрастаниями светимости. Такую звезду называют новой; она постепенно переходит в стадию белого карлика, еще более охлаждаясь, — в стадию красного карлика и наконец — в стадию черного карлика. Эволюция углеродно-кислородной звезды, масса которой больше 1,4 солнечной массы, кончается эффектным гигантским взрывом — рождением сверхновой звезды⁹.

Астрофизики показали, что при возникающих в этом случае высоких давлениях и температурах образуются условия для образования нейтронов. В результате электроны, как бы «вжимаются» в ядра, исчезает электростатическое отталкивание и под действием тяготения нейтронное вещество коллапсирует, образуя сверхплотный шар нейтронной звезды. Он настолько плотен, что обычный распад нейтрона в нем оказывается запрещенным.

Заключение

На основе изложенных выше положений  постнеклассической физики можно сделать  некоторые обобщения относительно эволюции звезд. В современном представлении пространство не есть однородное и изотропное пустое вместилище материальных объектов, как это предполагалось в классическом естествознании. Пространство взаимодействует с материальными объектами, находящимися в нем, и искривляется вблизи гравитирующих масс. Гравитационное поле искривляет четырехмерное пространство—время, и в упомянутой модели геометродинамики искривление пространства сложной топологии порождает все многообразие материального мира.

По существу все модели происхождения Вселенной связаны с процессами самоорганизации материи, затрагивающими огромное множество явлений и процессов окружающего нас мира независимо от нас и по своим еще не до конца познанным законам. Синергетика в этом отношении помогает нам осознать, что материальный и духовный мир — это мир самоорганизующихся систем, мир нелинейных процессов, мир кооперативных явлений. Более глубокий взгляд на все сущее в мире приводит к пониманию, что мир в целом вокруг нас является нелинейным, а классическая физика видела этот мир, как говорится, через линейные очки. Расширяя границы нашего знания, мы не должны «навязывать» природе свои законы, может быть, удобные и понятные нам, но еще не значит — правильные. Используя не опровергнутые физические законы, разрабатывая новые модели, мы приходим на новом витке знаний к пониманию того, что наш мир холистичен и познавать его надо с этих позиций.

Что касается физики Вселенной, то можно  сказать, что в настоящее время мы имеем о ней некоторые представления, накопили много сведений о конкретных физических явлениях, но тем не менее ощущается, что вопросов больше, чем ответов. Однако возможность поставить важный и правильно сформулированный вопрос означает шаг по пути в познании законов природы, так как ученые начинают понимать, в каком направлении двигаться и как искать эти ответы. Несомненно, в будущем будут получены ответы, в том числе и на те вопросы, которые кратко обсуждались в учебнике, но, естественно, возникнут новые фундаментальные проблемы. Как сказал Дж. Уиллер, «мы живем на острове знаний, окруженном морем нашей неосведомленности. По мере того, как наш остров расширяет свои границы, прилегающая к ним область непознанного тоже расширяется». Тем не менее в этом — сущность научного познания мира, в том числе и на основе физики. В этом и очарование как физики, так и других наук.

Библиографический список

1. Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания / А.Н. Бабушкин. – М.: Норма, 2009. – 487 с.
2. Горбачев, В.В. Концепции современного естествознания / В. В. Горбачев. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2010. – 592 с.
3. Грушевицкая, Т.Г. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов / Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2010. – 670 с.
4. Дыбов, А.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие / А.М. Дыбов, В.А. Иванов. – Ижевск: Издательский дом "Удмуртский университет", 2007. – 320 с.
5. Хорошавина, С.Г. Концепции современного естествознания: Курс лекций / С.Г. Хорошавина. – Р.-на-Д.: Феникс, 2005. – 511 с.
6. Шкловский, И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть / И.С. Шкловский. – М.: Просвещение, 1984. – 277с.