ТОП 10:

Изучение галактики – Млечный путь



 

С XVII века важнейшей целью астрономов стало изучение Млечного Пути – этого гигантского собрания звезд, которые Галилей увидел в свой телескоп. Усилия многих поколений астрономов - наблюдателей были нацелены на то, чтобы узнать, каково полное число звёздМлечного Пути, определить его действительную форму и границы, оценить размеры. Лишь в XIX веке удалось понять, что это единая система, заключающая в себе все видимые звёзды. На равных правах со всеми входит в эту систему и наше Солнце, а с ним Земля и планеты. Причем располагаются они далеко не в её центре, а на её окраине.

Потребовались ещё многие десятилетия тщательных наблюдений и глубоких раздумий, прежде чем перед астрономами раскрылось во всей полноте строение Галактики. Так стали называть звёздную систему, которую мы видим, конечно, изнутри как полосу Млечного Пути (слово «Галактика» образовано от новогреческого «галактикос», что значит «млечный»).

Млечный путь, светлая серебристая полоса звезд опоясывает всё небо, составляя основную часть нашей Галактики. Млечный путь наиболее ярок в созвездии Стрельца, где находятся самые мощные облака звезд. Наименее ярок он в противоположной части неба. Из этого нетрудно вывести заключение, что солнечная система не находится в центре Галактики, который от нас виден в направлении созвездия Стрельца. Чем дальше от плоскости Млечного Пути, тем меньше там слабых звезд, и тем менее далеко в этих направлениях тянется звездная система. В общем, наша Галактика занимает пространство, напоминающее линзу или чечевицу, если смотреть на нее сбоку. Размеры Галактики были намечены по расположению звезд, которые видны на больших расстояниях. Это цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1". 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013 км) или 100000 световых лет (световой год – расстояние, пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

В центре галактики расположено ядро диаметром 1000-2000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим обычным наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид.

Звезды верхней части главной последовательности, а особенно сверхгиганты и классические цефеиды, составляют более молодые населения. Оно располагается дальше от центра и образует сравнительно тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему.

Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами, равна 2•1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2•1030 кг.), причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Масса Галактики в Андромеде почти такая же, а масса Галактики в Треугольнике оценивается в 20 раз меньше. Поперечник нашей галактики составляет 100000 световых лет. Путем кропотливой работы московский астроном В.В. Кукарин в 1944 г. нашел указания на спиральную структуру Галактики, причем оказалось, что мы живем между двумя спиральными ветвями, бедными звездами.

Существует гипотеза, согласно которой Млечный Путь – это плод космических катаклизмов, продукт столкновения Галактик! Почти все Галактики рано или поздно столкнутся со своими соседями. Эту участь ожидает и наш Млечный Путь. Навстречу ему несётся туманность Андромеды. Пока нас разделяет 2,2 миллиона световых лет. Эта туманность громадным сводом нависает над нашей космической родиной. Кажется, что в любой момент она готова упасть на нас. Ее сердцевина светится так ярко, словно здесь пылают тысячи Солнц. Струи раскаленного газа летят во все стороны. Одна из них тянется прямо к Земле, будто мечтая ее схватить. Под этим сводом лежит наша галактика – плоский, линзообразный диск, сложенный из миллиардов ослепительно белых звезд. Новые светила вспыхивают, старые гаснут. Идет обычная жизнь, но пройдет пять миллиардов лет, и вот тогда-то начнутся различные изменения. Все сообщество звезд, расположенное в этой части космического пространства, всколыхнет очередная космическая катастрофа, хаос вернется. В результате должно произойти слияние нашей галактики с туманностью Андромеды, образовав единое целое – некую яйцевидную галактику.

Все это в будущем, но уже сегодня мы замечаем некие изменения, происходящие на Земле под влиянием космологических факторов. Например, изменение климата – растет среднегодовая температура, во многих регионах увеличивается уровень проникающего ультрафиолетового излучения, опасного для жизни. Можно предположить, что если температура будет расти и дальше, то через какое-то время она достигнет критической отметки. После этого все последующие изменения климата станут хаотическими, непредсказуемыми. Такой поворот событий предвещает грандиозные катаклизмы. За последние пятьсот лет произошло пять крупных климатических катастроф. Чем они были вызваны? Возможно, причину их следует искать в глубинах Космоса. Ведь наша планета, мчащаяся сквозь вечный небосвод, периодически оказывается в той части Галактики, где вероятность катастроф гораздо выше обычного. Солнечная система окажется в гуще космических событий, когда она попадет в один из спиральных рукавов, переполненных снующими всюду звездами. Нам предстоит здесь провести целых 60 миллионов лет. В таком соседстве мало хорошего. Приближаясь к Солнцу, «суетливые светила» будут вносить беспорядок в хрупкий строй планет и комет нашей системы, вызывая новые беды.

Приведем пример катастроф на Земле. Первая катастрофа произошла около 440 миллионов лет назад, когда температура Земли заметно понизилась, и это привело к вымиранию многих теплолюбивых видов животных и обитателей моря. Около 360 миллионов лет назад произошла вторая катастрофа, которая привела к гибели морских беспозвоночных и большинство бесчелюстных. В это время земноводные активно покидают морские глубины и завоевывают новую среду обитания – сушу. Около 250 миллионов лет назад развернулась активная тектоническая деятельность: литосферные плиты сталкивались, континенты дрейфовали, земная кора разламывалась, в бесчисленные трещины изливалась вулканическая лава. Климат стал суше. Обширные районы покрылись льдом. Исчезли громадные внутренние моря. После этих катаклизмов, длившихся не один миллион лет, вымерло более половины всех видов животных, населявших нашу планету. Жизнь на Земле едва не погибла. Около 210 миллионов лет назад сокращается обширный класс пресмыкающихся. Их нишу постепенно заполняют динозавры. Около 65 миллионов лет назад, после столкновения с небольшим космическим телом, достигавшим всего нескольких километров в поперечнике, климатический баланс Земли полностью нарушился. Внезапные перепады температуры выкашивали животных, не успевших приспособиться к переменам. Когда стихии пришли в равновесие и прекратились пожары, похолодания, потепления, выяснилось, что динозавры исчезли. Они владели Землей на протяжении 170 миллионов лет. Итак, последняя катастрофа пошла человечеству на пользу. Динозавры погибли, и началось стремительное развитие млекопитающих.

Напрашивается вопрос: «Сумеет ли человек пережить грядущие катастрофы? Не разделит ли он судьбу других животных, например, динозавров, исчезнувших с лица Земли по воле космических сил?». Многое зависит от того, с какой скоростью совершатся катастрофические перемены. Если процесс будет протекать постепенно, то человек как биологический вид может к ним приспособиться, пусть даже миллионы отдельных индивидов вымрут и останутся лишь носители востребованных генетических свойств. За всю историю люди сумели приспособиться к самым необычным условиям жизни. Они расселялись среди вечных льдов и выжженных пустынь, в непроходимых лесах и недоступных горах. Генетический арсенал человека необычайно широк, и к тому же это единственное живое существо, которое стало вмешиваться в собственную генетику, пытаясь настроить ее «в ритм эволюции». Кроме того, человек – это единственное живое существо, сумевшее вырваться за пределы нашей планеты. Все это дает нам шанс уцелеть в хаосе космоса и воспринимать любые рассказы о насылаемых бедах как предостережение, а вовсе не как окончательный приговор. Воспользуемся ли мы этим шансом?

 

Звездные скопления

В некоторых местах на небе в телескоп, а кое-где даже невооруженным глазом можно различить тесные группы звезд, связанные взаимным тяготением, или звездные скопления.

Существует два вида звездных скоплений: рассеянные и шаровые.

Рассеянные скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и сверхгигантов со слабой концентрацией к центру.

Шаровые же скопления состоят обычно из десятков или сотен звезд главной последовательности и красных гигантов. Иногда они содержат короткопериодические цефеиды. Размер рассеянных скоплений – несколько парсек. Пример их скопления Глады и Плеяды в созвездии Тельца. Размер шаровых скоплений с сильной концентрацией звезд к центру – десяток парсек. Известно более 100 шаровых и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних должно быть десятки тысяч.

Кроме звезд в состав Галактики входит еще рассеянная материя, чрезвычайно рассеянное вещество, состоящее из межзвездного газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой формы) и планетарными. Светлые они оттого, что их освещают близлежащие звезды. Пример: газопылевая туманность в созвездии Ориона и темная пылевая туманность Конская голова.

Расстояние до туманности в созвездии Ориона равно 500 пк, диаметр центральной части туманности – 6 пк, масса приблизительно в 100 раз больше массы Солнца.

Во Вселенной нет ничего единственного и неповторимого в том смысле, что в ней нет такого тела, такого явления, основные и общие свойства которого не были бы повторены в другом теле, другими явлениями.

Внешний вид Галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны. Эдвин Пауэлла Хаббл (1889-1953), выдающийся американский астроном - наблюдатель, избрал самый простой метод классификации Галактик по внешнему виду, и нужно сказать, что хотя в последствии другими выдающимися исследователями были внесены разумные предположения по классификации, первоначальная система, выведенная Хабблом, по прежнему остаётся основой классификации Галактик.

Хаббл предложил разделить все Галактики на 3 вида:

1. Эллиптические – обозначаемые Е (elliptical);

2. Спиральные (Spiral);

3. Неправильные – обозначаемые (irregular).

ЭллиптическиеГалактики внешне невыразительные. Они имеют вид гладких эллипсов или кругов с постепенным круговым уменьшением яркости от центра к периферии. Ни каких дополнительных частей у них нет, потому что эллиптические Галактики состоят из второго типа звездного населения. Они построены из звезд красных и желтых гигантов, красных и желтых карликов и некоторого количества белых звезд не очень высокой светлости. Отсутствуют бело-голубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи которая, в тех Галактиках, где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звездной системы.

Внешне эллиптические Галактики отличаются друг от друга в основном одной чертой – большим или меньшим сжатием (NGG и 636, NGC 4406, NGC 3115 и др.).

С несколько однообразными эллиптическими Галактиками контрастируют спиральные Галактики являющиеся, может быть, даже самыми живописными объектами во Вселенной. У эллиптических Галактик внешний вид говорит о статичности, стационарности. Спиральные Галактики, наоборот, являют собой пример динамики формы. Их красивые ветви, выходящие из центрального ядра и как бы теряющие очертания за пределами Галактики, указывает на мощное стремительное движение. Поражает также многообразие форм и рисунков ветвей. Как правило, у Галактики имеются две спиральные ветви, берущие начало в противоположных точках ядра, развивающиеся сходным симметричным образом и теряющиеся в противоположных областях периферии, Галактики. Однако известны примеры, когда в Галактике действует более двух спиральных ветвей. В других случаях спирали две, но они неравны – одна значительно более развита, чем вторая. Примеры спиральных Галактик: М31, NGC 3898, NGC 1302, NGC 6384, NGC 1232 и др.

Перечисленные типы Галактик характеризовались симметричностью форм, определенным характером рисунка. Но встречается большое число Галактик неправильной формы без какой-либо закономерности структурного строения.

Хаббл дал им обозначение от английского слова «irregular», что в переводе с английского означаетнеправильные. Неправильная форма у Галактики может быть вследствие того, что она не успела принять правильной формы из-за малой плотности в ней материи или из-за молодого возраста. Есть и другая возможность: Галактика может стать неправильной вследствие искажения формы в результате взаимодействия с другой галактикой. По-видимому, эти оба случая встречаются среди неправильных Галактик, и, может быть, с этим связанно разделение неправильных Галактик на 2 подтипа.

Подтип 2 характеризуется сравнительно высокой поверхностью, яркостью и сложностью неправильной структуры (NGM 25744, NGC 5204). Французский астроном Вакулер в некоторых Галактиках этого подтипа, например, Магелановых облаках, обнаружил признаки спиральной разрушенной структуры.

Неправильные Галактики другого подтипа, обозначаемого 1, отличаются очень низкой поверхностью и яркостью. Эта черта выделяет их из среды Галактик всех других типов. В то же время она препятствует обнаружению этих Галактик, вследствие чего удалось выявить только несколько Галактик подтипа 1 и расположенных сравнительно близко (Галактика в созвездии Льва).

Только 3 Галактики можно наблюдать невооруженным глазом: Большое Магеланово облако, Малое Магеланово облако и туманность Андромеды.

Невращающаяся звездная система по истечении некоторого срока должна принять форму шара. Такой вывод следует из теоретических исследований. Он подтверждается на примере шаровых скоплений, которые вращаются и имеют шарообразную форму.

Если же звездная система сплюснута, то это означает, что она вращается. Следовательно, должны вращаться и эллиптические Галактики, за исключением тех, из них, которые шарообразны, не имеют сжатия. Вращение происходит вокруг оси, которая перпендикулярна главной плоскости симметрии. Галактика сжата вдоль оси своего вращения. Впервые вращение галактик обнаружил в 1914 г. американский астроном Слайфер.

Особый интерес представляют Галактики с резко повышенной светимостью. Их принято называть радиогалактиками. Наиболее выдающаяся Галактика – ЛебедьА. Это слабая двойная Галактика с чрезвычайно тесно расположенными друг к другу компонентами, являющимися мощнейшим дискретным источником. Объекты подобные галактике ЛебедьА, безусловно, очень редки в метагалактике, но ЛебедьА – не единственный объект подобного рода во Вселенной. Они должны находиться на громадном расстоянии друг от друга (более 200 Мпс). Поток проходящего от них радиоизлучения в виду большого расстояния слабее, чем от источника ЛебедьА.

Когда английские и австралийские астрономы, применив интерференционный метод в 1963 г. определили с большой точностью положения значительного числа дискретных источников радиоизлучения, они одновременно определили и другие угловые размеры некоторого числа радиоисточников. Диаметры большинства из них исчислялись минутами или десятками секунд дуги, но у 5 источников, а именно у ЗС48, ЗС147, ЗС196, ЗС273 и ЗС286, размеры оказались меньше секунды дуги.

Но поток их радиоизлучения не уступали потокам радиоизлучения других фирм дискретных источников, превосходящих их по площади излучения в десятки тысяч раз. Эти звездоподобные источники радиоизлучения были названы квадрами. Сейчас их открыто более 1000. Блеск квадра не остается постоянным. Массы квадров достигают миллиона солнечных масс. Источник энергии квадров до сих пор не ясен. Есть предположения, что квадры – это исключительно активные ядра очень далеких Галактик.

 

Местное сверхскопление

Многие, а может быть, и почти все Галактики собраны в различные коллективы, которые называют группами, скоплениями и сверхскоплениями, смотря по тому, сколько их там. В группу может входить всего три или четыре Галактики, а в сверхскопление – до тысячи или даже нескольких десятков тысяч. Наша Галактика, туманность Андромеды и ещё более тысячи таких же объектов входят в так называемое Местное сверхскопление. Оно не имеет четко очерченной формы.

Приблизительно так же устроены и другие сверхскопления, лежащие далеко от нас, но довольно отчетливо различимые в современные крупные телескопы.

До недавнего времени астрономы полагали, что эти объекты – самые крупные образования во Вселенной и что какие-либо ещё большие системы отсутствуют. Но вот выяснилось, что это не так.

Несколько лет назад астрономы составили удивительную карту Вселенной. На ней каждая Галактика представлена всего лишь точкой. На первый взгляд они рассеяны на карте хаотично. Если же приглядеться внимательно, то можно обнаружить группы, скопления и сверхскопления, которые выглядят здесь цепочками точек. Но что поразительнее всего, карта позволяет обнаружить, что некоторые такие цепочки соединяются и пересекаются, образуя какой-то сетчатый или ячеистый узор, напоминающий кружева или, может быть, пчелиные соты с размерами ячеек в 100-300 миллионов световых лет.

Покрывают ли такие «сетки» всю Вселенную, еще предстоит выяснить. Но несколько отдельных ячеек, очерченных сверхскоплениями, удалось подробно изучить. Внутри таких ячеек Галактик почтинет, все они собраны в «стенки».

Ячейка – это предварительное, рабочее название для самого крупного образования воВселенной. Болеекрупных систем в природе нет. Это показывает карта Вселенной. Астрономия достигла, наконец, завершения одной из самых грандиозных своих задач: вся последовательность, или, как ещё говорят, иерархия, астрономических систем теперь целиком известна. И всё же...

Типы звёзд и их эволюция

 

Зарождение звезд

Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и, наконец, "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе.

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947 г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954 г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959 г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды – впервые в истории человечества, люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах. Этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми.

Каков же механизм их возникновения? Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось увидеть "материализацию" звёзд? Рождение звезды не может быть исключительным событием: во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел.

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, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд. Размеры глобул огромны – до нескольких световых лет в поперечнике. Несмотря на то, что вещество в этих скоплениях очень разрежено, общий объём их настолько велик, что его вполне хватает для формирования небольших скоплений звёзд, по массе близких к Солнцу. Для того чтобы представить себе, как из глобул возникают звёзды, вспомним, что все звёзды излучают и их излучение оказывает давление. Разработаны чувствительные инструменты, которые реагируют на давление солнечного света, проникающего сквозь толщу земной атмосферы. В чёрной глобуле под действием давления излучения, испускаемого окружающими звёздами, происходит сжатие и уплотнение вещества. Внутри глобулы гуляет "ветер", разметающий по всем направлениям газ и пылевые частицы, так что вещество глобулы пребывает в непрерывном турбулентном движении.

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 и интенсивности последнего. Гравитационные силы, возникающие из-за концентрации массы в центре глобулы, тоже стремятся сжать ее, заставляя вещество падать к её центру. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако.

Падение вещества может длиться сотни лет. Вначале оно происходит медленно, неторопливо, поскольку гравитационные силы, притягивающие частицы к центру, ещё очень слабы. Через некоторое время, когда глобула становится меньше, а поле тяготения усиливается, падение начинает происходить быстрее. Но, как мы уже знаем, глобула огромна, не менее светового года в диаметре. Это значит, что расстояние от её внешней границы до центра может превышать 10 триллионов километров. Если частица от края глобулы начнёт падать к центру со скоростью немногим менее 2 км/с, то центра она достигнет только через 200000 лет. Наблюдения показывают, что скорости движения газа и пылевых частиц на самом деле гораздо больше, а потому гравитационное сжатие происходит значительно быстрее.

Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их 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, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область. 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. Однако, помня о появлении звёзд в Большой Туманности Ориона, стоит, пожалуй, считать, что наиболее близка к реальности оценка, которая даёт минимальное значение времени.

Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер практически постоянными. Значение главной последовательности заключается в том, что большинство обычных звёзд оказываются нормальными, то есть лишёнными каких-либо особенностей. Мы вправе ожидать, что эти звёзды подчиняются определённым зависимостям, подобным, например, упомянутой главной последовательности. Большинство звёзд оказываются на этой наклонной линии – главной последовательности, потому что звезда может прийти на эту линию всего лишь за несколько сотен тысяч лет, а покинув её, прожить ещё несколько сотен миллионов лет. Большинство звёзд заведомо остаётся на главной последовательности в течение миллиардов лет. Рождение и смерть – ничтожно малые мгновенья в жизни звезды. Наше Солнце, являющееся обычной звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5-6 млрд. лет и, по-видимому, проведёт на ней ещё столько же времени, так как звёзды с такой массой и таким химическим составом, как у Солнца, живут 10-12 млрд. лет. Звёзды много меньшей массы находятся на главной последовательности примерно 50 млрд. лет. Если же масса звезды в 30 раз превосходит солнечную, то время её пребывания на главной последовательности составит всего около 1 млн. лет.

Вернёмся к рассмотрению процессов, происходящих при рождении звезды: она продолжает сжиматься, сжатие сопровождается возрастанием температуры. Температура ползёт вверх, и вот огромный газовый шар начинает светиться, его уже можно наблюдать на фоне тёмного ночного неба как тусклый красноватый диск. Значительная доля энергии его излучения по-прежнему приходится на инфракрасную область спектра. Но это ещё не звезда. По мере того как вещество протозвезды уплотняется, оно всё быстрее падает к центру, разогревая ядро звезды до всё более высоких температур. Наконец температура достигает 10 млн. К, и тогда начинают протекать термоядерные реакции – источник энергии всех звёзд во Вселенной. Как только термоядерные процессы включаются в действие, космическое тело превращается в полноценную звезду.

Сжимаясь, пыль и газ образуют протозвезду; её вещество представляет собой типичный образец вещества окружающей нас части космического пространства. Говоря об образце вещества Вселенной, мы подразумеваем, что этот кусочек межзвездной среды на 89% состоит из водорода, на 10% – из гелия; такие элементы, как кислород, азот, углерод, неон и т. п. составляют в нём менее 1%, а все металлы, вместе взятые, – не более 0,25%. Таким образом, звезда в основном состоит из тех элементов, которые чаще всего встречаются во Вселенной. И поскольку богаче всего во Вселенной представлен водород, то, конечно, любые термоядерные реакции должны протекать с его участием. Кое-где встречаются уголки космического пространства с повышенным содержанием тяжёлых элементов, но это лишь местные аномалии – остатки давних звёздных взрывов, разбросавших и рассеявших в окрестности тяжёлые элементы. Мы не будем останавливаться на таких аномальных областях с повышенной концентрацией тяжёлых элементов, а сосредоточим внимание на звёздах, состоящих в основном из водорода.

Когда температура в центре протозвезды достигает 10 млн. К, начинаются сложные (но детально изученные) термоядерные реакции, в ходе которых из ядер водорода (протонов) образуются ядра гелия; каждые четыре протона, объединяясь, создают атом гелия. Сначала, когда соединяются друг с другом два протона, возникает атом тяжёлого водорода, или дейтерия. Затем последний сталкивается с третьим протоном, и в результате реакции рождается лёгкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон.

В сумятице, которая царит в ядре звезды, быстро движущиеся атомы лёгкого гелия иногда сталкиваются друг с другом, в результате чего появляется атом обычного гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Два лишних протона возвращаются обратно в горячую смесь, чтобы когда-нибудь опять вступить в реакцию, порождающую гелий. В этом процессе около 0,7% массы превращается в энергию. Описанная цепочка реакций – один из важных термоядерных циклов, протекающих в ядрах звёзд при температуре около 10 млн. К. Некоторые астрономы считают, что при более низких температурах могут протекать другие реакции, в которых участвуют литий, бериллий и бор. Но они тут же делают оговорку, что если такие реакции и имеют место, то их относительный вклад в генерацию энергии незначителен.

Когда температура в недрах звезды снова увеличивается, в действие вступает ещё одна важная реакция, в которой в качестве катализатора участвует углерод. Начавшись с водорода и углерода-12, такая реакция приводит к образованию азота-13, который спонтанно распадается на углерод-13 – изотоп углерода, более тяжёлый, чем тот, с которого реакция начиналась. Углерод-13 захватывает ещё один протон, превращаясь в азот-14. Последний подобным же путём становится кислородом-15. Этот элемент также неустойчив и в результате спонтанного распада превращается в азот-15. И наконец азот-15, присоединив к себе четвёртый протон, распадается на углерод-12 и гелий.

Таким образом, побочным продуктом этих термоядерных реакций является углерод-12, который может вновь положить начало реакциям данного типа. Объединение четырёх протонов приводит к образованию одного атома гелия, а разница в массе четырёх протонов и одного атома гелия, составляющая около 0,7% от первоначальной массы, проявляется в виде энергии излучения звезды. На Солнце каждую секунду 564 млн. т водорода превращается в 560 млн. т гелия, а разница – 4 млн. т вещества – превращается в энергию и излучается в пространство. Важно, что механизм генерации энергии в звезде зависит от температуры.

Именно температура ядра звезды определяет скорость процессов. Астрономы считают, что при температуре около 13 млн. К углеродный цикл относительно не существенен.

Следовательно, при такой температуре преобладает протонный цикл. При увеличении температуры до 16 млн. К, вероятно, оба цикла дают равный вклад в процесс генерации энергии. Когда же температура ядра поднимается выше 20 млн. К, преобладающим становится углеродный цикл.

Как только энергия звезды начинает обеспечиваться за счёт ядерных реакций, гравитационное сжатие, с которого начался весь процесс, прекращается. Теперь самоподдерживающаяся реакция может продолжаться в течение времени, длительность которого зависит от начальной массы звезды и составляет примерно от 1 млн. лет до 100 млрд. лет и больше. Именно в этот период звезда достигает главной последовательности и начинает свою долгую жизнь, протекающую почти без изменений. Целую вечность проводит звезда в этой стадии. Ничего особенного с ней не происходит, она не привлекает к себе пристального внимания. Теперь это всего-навсего полноценный член звёздной колонии, затерянный среди множества собратьев.

Однако процессы, протекающие в ядре звезды, несут в себе зародыши её грядущего разрушения. Когда дерево или уголь сгорают в камине, выделяется тепло, а в качестве продуктов отхода образуются дым и зола. В "камине" звёздного ядра водород – это уголь, а гелий – зола. Если из камина время от времени не удалять золу, то она может забить его и огонь потухнет.

Если в ядре звезды вещество не перемешивается, в термоядерных реакциях начинают принимать участие слои, непосредственно примыкающие к гелиевому ядру, что обеспечивает звезду энергией. Однако со временем запасы водорода в этих слоях иссякают, и ядро разрастается всё больше и больше. Наконец достигается состояние, когда в ядре совсем не остаётся водорода. Обычные реакции превращения водорода в гелий прекращаются; звезда покидает главную последовательность и вступает в сравнительно короткий (но интересный) отрезок своего жизненного пути, отмеченный необычайно бурными реакциями.

Когда водорода становится мало, и он больше не может участвовать в реакциях, источник энергии иссякает. Но, как мы уже знаем, звезда представляет собой тонко сбалансированный механизм, в котором давление, раздувающее звезду изнутри, полностью уравновешено гравитационным притяжением. Следовательно, когда генерация энергии ослабевает, давление излучения резко падает и силы тяготения начинают сжимать звезду. Снова происходит падение вещества к её центру, во многом напоминающее то, с которого началось рождение протозвезды. Энергия, возникающая при гравитационном сжатии, намного больше энергии, выделяемой теперь в ядерных реакциях, а раз так, то звезда начинает быстро сжиматься. В результате верхние слои звезды нагреваются, она снова расширяется и растёт в размерах до тех пор, пока внешние слои не станут достаточно разреженными, лучше пропускающими излучение звезды. Полагают, что звезда типа Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. После того как звезда начинает расширяться, она покидает главную последовательность и, как мы уже видели, дни её теперь сочтены. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Когда звезда сжимается, за счёт работы сил тяготения выделяется огромная энергия, которая раздувает звезду. Казалось бы, это должно привести к падению температуры в ядре. Но это не так. Против ожидания температура в ядре звезды резко возрастает. В относительно тонком слое вокруг ядра всё ещё происходит обычное ядерное выгорание водорода, что приводит к увеличению содержания гелия в ядре. Когда в ядре концентрируется около половины массы звезды, последняя расширяется до своего максимального размера и её цвет из белого становится жёлтым, а затем красным, так как температура поверхности звезды уменьшается. Теперь звезда вступает в новую фазу. Температура ядра растёт до тех пор, пока не превысит 200 млн. К. При такой температуре начинает выгорать гелий, в результате чего образуется углерод. Три ядра гелия, сливаясь, превращаются в ядро углерода, который оказывается более лёгким, чем три исходных ядра гелия, поэтому такая реакция также идёт с выделением энергии. Снова давление радиации, которое играло столь важную роль, когда звезда находилась на главной последовательности, начинает противодействовать тяготению, и ядро звезды опять удерживается от дальнейшего сжатия. Звезда возвращается к обычным размерам, по мере того как это происходит, температура её поверхности растёт, и она из красной становится белой.

В этот момент по некоторым загадочным причинам звезда оказывается неустойчивой. Астрономы полагают, что переменные звёзды, то есть звёзды, периодически меняющие свою светимость, возникают на этой стадии звёздной эволюции, так как процесс сжатия происходит не гладко и на некоторых его этапах возникают ритмические колебания звезды. На этой стадии звезда может пройти через фазу новой, в течение которой она внезапно выбрасывает в межзвёздное пространство значительное количество вещества; оно, принимая вид расширяющейся оболочки, может содержать значительную часть массы звезды. Вспышки некоторых новых многократно повторяются, и это означает, что одной вспышки недостаточно, чтобы звезда достигла устойчивости. Но со временем она приобретает устойчивость, колебания исчезают, звезда начинает свой длинный путь к звёздному кладбищу. Даже на этой стадии звезда ещё способна к активности. Она может стать сверхновой. Причина, по которой звезда оказывается способной на такую активность, обусловлена количеством вещества, оставшимся у неё к этой стадии.

Когда мы рассматривали процессы, протекающие в недрах звезды, мы говорили, что основным продуктом ядерных реакций является гелий. По мере того, как перерабатывается всё больше и больше водорода, растёт гелиевое ядро звезды. Водород исчезает, следовательно, энерговыделение за счёт этого источника также прекращается. Но при температуре около 200 млн. К открывается ещё один путь, следуя которому гелий порождает более тяжёлые элементы, и в этом процессе выделяется энергия. Два атома гелия соединяются, образуя атом бериллия, который обычно вновь распадается на атомы гелия. Однако температуры и скорости реакций столь высоки, что, прежде чем происходит распад бериллия, к нему присоединяется третий атом гелия и образуется атом углерода.







Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.94.129.211 (0.017 с.)