Рождение, жизнь и смерть звезд

1.Введение. 

   На протяжении веков человечество стремится познать и объяснить все тайны и загадки окружающего мира. Как маленький ребёнок оно задаёт бесконечное количество раз вопрос: «А почему?». На одни вопросы человечеству дают ответы учёные (теоретики и практики), на другие – писатели фантасты, на третьи – сама природа. Далёкие и манящие звёзды давно находятся под пристальным изучением многих поколений людей. И конечно такие изобретения как: радиотелескопы миллиметрового диапазона и инфракрасные телескопы - позволили значительно расширить знания о зарождении и формировании звёзд. 

   Прежде всего следует подчеркнуть,  что уже свыше четырёх десятилетий  астрономам ясно, что звёзды в  Галактике должны непрерывно  образовываться из какой-то качественно  другой субстанции. Оказывается, что ежегодно в Галактике «умирает» по меньшей мере 3—4 звезды. Значит, для того, чтобы «звездное племя» не «выродилось», необходимо, чтобы столько же звезд в среднем образовывалось в нашей Галактике каждый год. Для того чтобы в течение длительного времени Галактика сохраняла бы неизменными свои основные особенности, необходимо чтобы в ней автоматически поддерживалось динамическое равновесие между рождающимися и «гибнущими» звездами. Мы можем, следовательно, сказать, что только применение новой техники, обеспечивающей проведение астрономических наблюдений в ранее недоступных спектральных областях, позволяет надеяться, что проблема образования звезд из области чисто умозрительных спекуляций станет точной наукой. 

2.Рождение звёзд из газо - пылевых облаков межзвёзжной среды.

   В Галактике наблюдаются, значительно большие по своим размерам, массе и плотности агрегаты холодного межзвездного вещества, получившие название «газово-пылевых комплексов». Значение газово-пылевых комплексов в современной астрофизике очень велико.

 Следует,  однако, заметить, что вопросы, связанные  с различными аспектами проблемы  «смерти» звезд, продвинуты вперед гораздо дальше, чем круг вопросов, связанных с рождением звезд. По-видимому, это объясняется тем, что смерть звезд сопровождается такими впечатляющими явлениями, как вспышки сверхновых, и образованием планетарных туманностей. Эти феномены очень ярко выражены, их нельзя ни с чем другим спутать и можно теоретически осмыслить. Иное дело — рождение звезд. Этот процесс, как правило, незаметен, потому что скрыт от нас пеленой поглощающей свет космической пыли. Только радиоастрономия, как можно сейчас с большой уверенностью считать, внесла радикальное изменение в проблему экспериментального изучения рождения звезд. Во-первых, межзвездная пыль не поглощает радиоволны. Во-вторых, радиоастрономия открыла совершенно неожиданные явления в газово-пылевых комплексах межзвездной среды, которые, как можно полагать, имеют прямое отношение к процессу звездообразования.

 Образование  звёзд имеет следующие этапы:

1. На первом этапе существует газовое облако, в котором частички газа и пыли начинают притягиваться друг к другу.
2. Первоначально такое сжатие не приводит к увеличению температуры облака, так как имеет место достаточно эффективное охлаждение среды. При увеличении плотности облака оно становится не прозрачным для излучения, и с этого момента начинается повышение температуры внутренних областей. Это уже не облако, а протозвезда.
3. При достижении температуры в ядре звезды в 10 млн градусов Цельсия начинается термоядерная реакция. Водород превращается в гелий, что сопровождается излучением во всех частях спектра. Благодаря этому излучению звезда становится звездой, т.е. видимым космическим объектом. При этом соответствующее давление газа уравновешивает силу гравитации, и с этого момента начинается жизнь звезды.

   В последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилась  группа из трёх звездоподобных объектов. Через три года некоторые из них стали продолговатыми, а еще через пять лет эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звёзд.

   Звездные атмосферы представляют собой нагретый до температуры в тысячи и десятки тысяч градусов ионизованный газ, т. е. плазму. Спектральный анализ позволяет определить химический состав звездных атмосфер, который в большинстве случаев примерно такой же, как и у Солнца. Наконец, изучая звездные спектры, можно определить и плотность звездных атмосфер, которая для различных звезд меняется в очень широких пределах. Итак, наружные слои звезд — это газ. Но в этих слоях заключена ничтожно малая доля массы всей звезды.

   Звезды — это огромные газовые шары. Весьма существенно, что такой газовый шар «цементируется» силой всемирного тяготения, т. е. гравитацией. На каждый элемент объема звезды действует сила гравитационного притяжения от всех остальных элементов звезды. Именно эта сила препятствует разлету различных частей газа, образующего звезду, в окружающее пространство.

   Силой, противодействующей гравитации, является давление газа. Последнее непрерывно стремится расширить звезду, «рассеять» ее на возможно больший объем.

   Итак, из того простого факта, что звезды — газовые шары в практически неизменном виде (т. е. не сжимаясь и не расширяясь) существуют по меньшей мере миллионы лет, следует, что каждый элемент вещества звезды находится в равновесии под действием противоположно направленных сил гравитации и газового давления. Такое равновесие называется «гидростатическим». Мы можем сказать, что история существования любой звезды — это поистине титаническая борьба между силой гравитации, стремящейся ее неограниченно сжать, и силой газового давления, стремящейся ее «распылить», рассеять в окружающем межзвездном пространстве. Многие миллионы и миллиарды лет длится эта «борьба». В течение этих чудовищно больших сроков силы равны. Но в конце концов, как мы увидим дальше, победа будет за гравитацией. Такова драма эволюции любой звезды. 

3.Жизнь  звёзд и процессы  термоядерного синтеза  в их недрах. 

1. Протозвёзды.

   Ранний этап эволюции звезд,  связанный с процессом их конденсации  из межзвездной среды, приводит к образованию протозвёзд. Протозвёзды, непрерывно сжимаясь под действием силы тяжести, становятся все более компактными объектами. Температура их недр при этом непрерывно растет, пока не станет порядка нескольких миллионов кельвинов. При такой температуре в центральных областях протозвезд «включаются» первые термоядерные реакции на легких ядрах (дейтерий, литий, бериллий, бор), у которых «кулоновский барьер» сравнительно низок. Когда пойдут эти реакции, сжатие протозвезды замедлится. Однако довольно быстро легкие ядра «выгорят», так как их обилие невелико, и сжатие протозвезды будет продолжаться почти с прежней скоростью. Протозвезда «стабилизуется», т. е. перестанет сжиматься, только после того как температура в ее центральной части поднимется настолько, что «включатся» протон-протонная или углеродно-азотная реакции. Она примет равновесную конфигурацию под действием сил собственной гравитации и перепада газового давления, которые практически точно скомпенсируют друг друга. Собственно говоря, с этого момента протозвезда и становится звездой. Молодая звезда «садится» на свое место где-то на главной последовательности. Точное ее место на главной последовательности определяется значением первоначальной массы протозвезды. Массивные протозвезды «садятся» на верхнюю часть этой последовательности, протозвезды со сравнительно небольшой массой (меньше солнечной) «садятся» на ее нижнюю часть. Таким образом, протозвезды непрерывно «входят» в главную последовательность на всем ее протяжении, так сказать, «широким фронтом». 

   «Протозвездная» стадия эволюции звезд довольно быстротечна. Самые массивные звезды проходят эту стадию всего лишь за несколько сотен тысяч лет. Неудивительно поэтому, что число таких звезд в Галактике невелико. Поэтому не так-то просто их наблюдать, особенно если учесть, что места, где происходит процесс звездообразования, как правило, погружены в поглощающие свет пылевые облака. Зато после того как они «пропишутся на своей постоянной площади» на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рессела, ситуация резко изменится. В течение весьма длительного времени они будут находиться на этой части диаграммы, почти не меняя своих свойств. Поэтому основная часть звезд наблюдается на указанной последовательности.

   Структура моделей звезды, когда она еще сравнительно недавно «села» на главную последовательность, определяется моделью, вычисленной в предположении, что ее химический состав одинаков во всем объеме. По мере «выгорания» водорода состояние звезды будет очень медленно, но неуклонно меняться, вследствие чего изображающая звезду точка будет описывать некоторый «трек» на диаграмме Герцшпрунга — Рессела. Характер изменения состояния звезды существенным образом зависит от того, перемешивается ли вещество в ее недрах или нет. Во другом случае, в центральной области звезды обилие водорода становится из-за ядерных реакций заметно меньшим, чем на периферии. Такая звезда может описываться только неоднородной моделью. Но возможен и другой путь звездной эволюции: перемешивание происходит во всем объеме звезды, которая по этой причине всегда сохраняет «однородный» химический состав, хотя содержание водорода со временем будет непрерывно уменьшаться. Заранее сказать, какая из этих возможностей реализуется в природе, было невозможно. Конечно, в конвективных зонах звезд всегда идет интенсивный процесс перемешивания вещества и в пределах этих зон химический состав должен быть постоянен. Но и для тех областей звезд, где доминирует перенос энергии путем лучеиспускания, перемешивание вещества также вполне возможно. Ведь никогда нельзя исключить систематических довольно медленных движений больших масс вещества с небольшими скоростями, которые приведут к перемешиванию. Такие движения могут возникнуть из-за некоторых особенностей вращения звезды.

3.2.Термоядерный  синтез в недрах звёзд. 

   Рассмотрим подробнее процессы термоядерного синтеза в недрах звёзд. Важно подчеркнуть, что ядерные реакции, происходящие в недрах Солнца и звезд, являются термоядерными. Это означает, что реагируют хотя и быстрые (а поэтому достаточно энергичные) заряженные частицы, но все же тепловые.

      Т.к. энергия не может накапливаться в звезде — это привело бы к резкому увеличению давления газа и звезда просто взорвалась бы как перегретый паровой котел, то вся выделившаяся в недрах звезд ядерная энергия должна покидать звезду; этот процесс и определяет светимость звезды.

   Кроме того, ядерные реакции могут происходить и при столкновениях ядер с нейтронами. Однако свободные (т. е. не связанные в ядрах) нейтроны являются неустойчивыми частицами. Поэтому их количество в недрах звезд должно быть ничтожно мало. С другой стороны, так как водород является самым обильным элементом в звездных недрах и он полностью ионизован, особенно часто будут происходить столкновения ядер с протонами.

   Для того чтобы протон мог при таком столкновении проникнуть в ядро, с которым он сталкивается, ему надо приблизиться к последнему на расстояние около 10^-13 см. Именно на таком расстоянии действуют специфические силы притяжения, «цементирующие» ядро и присоединяющие к нему «чужой», сталкивающийся протон. Но для того, чтобы приблизиться к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже заряжено положительно! Легко подсчитать, что для преодоления этой электростатической силы протону нужно иметь кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию электростатического взаимодействия

   Между тем, средняя кинетическая энергия тепловых протонов в солнечных недрах составляет всего лишь около 1 кэВ, т. е. в 1000 раз меньше. Протонов с нужной для ядерных реакций энергией в недрах звезд практически не будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам квантовой механики протоны, энергия которых даже значительно меньше 1000 кэВ, все же, с некоторой небольшой вероятностью, могут преодолеть кулоновские силы отталкивания и попасть в ядро. Эта вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, но она не равна нулю. В то же время число протонов по мере приближения их энергии к средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается, что в условиях звездных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеет такую энергию. И все же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звезд. Мы остановили свое внимание на реакциях с протонами не только потому, что они — самая обильная составляющая вещества звездных недр. Если сталкиваются более тяжелые ядра, у которых заряды значительно больше элементарного заряда протона, кулоновские силы отталкивания существенно увеличиваются, и ядра при T 10⁷ К уже не имеют практически никакой возможности проникнуть друг в друга. Только при значительно более высоких температурах, которые в некоторых случаях реализуются внутри звезд, возможны ядерные реакции на тяжелых элементах. Получается, что сущность ядерных реакций внутри Солнца и звезд состоит в том, что через ряд промежуточных этапов четыре ядра водорода объединяются в одно ядро гелия ( -частицы), причем избыточная масса выделяется в виде энергии, нагревающей среду, в которой происходят реакции. В звездных недрах существуют два пути превращения водорода в гелий, отличающиеся разной последовательностью ядерных реакций. Первый путь обычно называется «протон-протонная реакция», второй — «углеродно-азотная реакция». Как уже неоднократно подчеркивалось выше, скорость термоядерных реакций чувствительным образом зависит от температуры. Это и понятно — даже небольшие изменения температуры очень резко сказываются на концентрации необходимых для реакции сравнительно энергичных протонов, энергия которых раз в 20 превышает среднюю тепловую энергию.