Эволюция звезд

Современная астрономия располагает большим количе­ством аргументов в пользу утверждения, что звезды об­разуются путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд из этой среды продолжается и в настоящее время. Многие на­блюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли, когда на Зем­ле уже был человек.

Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. Откуда, например, берется огромное количество энергии, необходимое для поддержания излучения Солнца на уровне, близком се­годняшнему, в течение нескольких миллиардов лет?

Возраст Солнца около 5 млрд лет. Ежесекундно оно излучает энергию более 10²⁶ Дж. Тогда за это время оно потеряло посредством излучения более 10⁴³ Дж. Пусть первоначально Солнце состояло только из водорода, пол­ностью превращающегося в результате термоядерной ре­акции в гелий. Тогда выделившееся количество энергии составит около 10⁴⁵ Дж. Это в сто раз больше энергии, испущенной Солнцем за время своего существования. То есть для поддержания излучения на наблюдаемом уровне Солнце «израсходовало» не более 10% своей массы.

Рассмотрим модель эволюции звезды.Если опирать­ся на модель Большого Взрыва, около 14 млрд лет назад началось образование расширяющейся Все­ленной из какого-то начального, неизвестного нам, «сингулярного» (от лат. singularis — отдельный, особый) состояния бесконечной или очень большой плотности. Мы можем ожидать, что в простейшем случае расшире­ние происходит пространственно однородно, то есть ве­щество после Большого Взрыва разлетается во все сторо­ны, и плотность его на заданном расстоянии от точки взрыва одинакова во всех направлениях, нет оснований для возникновения каких-либо неоднородностей в его распределении в пространстве. (При этом вспомним, что мы не знаем, по какому сценарию развивается Вселен­ная, и модель Большого взрыва является одной из наи­более вероятных с точки зрения сегодняшних представ­лений.)

Это хорошо подтверждается наблюдениями: вещество «разбегается» от нашей Галактики (что вовсе не значит, что Галактика находится в центре Вселенной, просто именно здесь находится человек, исследующий Вселен­ную) со скоростью, монотонно возрастающей при увели­чении расстояния, а реликтовое излучение имеет одну и ту же энергию (температуру) — 3К в любой точке небес­ной сферы.

Но если бы расширение Вселенной происходило аб­солютно однородно в пространстве, то вещество не могло бы конденсироваться (слипаться) под действием грави­тационных сил и Вселенная представляла бы собой газ из атомов и элементарных частиц, становящийся все более и более разреженным в процессе расширения Все­ленной. Не было бы ни звезд, ни галактик, ни планет. Вспомним, что средняя плотность вещества Вселен­ной 10²¹г/см^:3. Единственными силами, приводящими к образованию неоднородностей в распределении веще­ства во Вселенной, являются гравитационные силы.

Таким образом, мы вынуждены признать, что совре­менная структура Вселенной связана с неоднородностями, возникшими на ранних стадиях расширения. Уже тогда существовали слабые разрежения и сжатия веще­ства, разбросанные по пространству. Изменения средней плотности должны быть заметными (в современную эпо­ху мы можем выделить звезды, галактики, скопления галактик), но не слишком большими (если рассматривать Вселенную в более крупных масштабах, то она до­статочно однородна).

В современных моделях состояния Вселенной пока­зано, что «выжили» лишь те флуктуации плотности, массы которых достигали 10¹⁶ масс Солнца. Именно из них в дальнейшем образовались гигантские газовые об­лака неправильной формы, похожие на блины (рис. 6). В областях пересечения «блинов» возникают зоны повышенной плотности, имеющие форму волокон.

 

Рис. 6. К образованию случайно распределенных в пространстве областей повышенной плотности

 

Если рассматривать смесь вещества и излучения в ранней Вселенной как идеальный газ, то следствия воз­мущений плотности очевидны. Любое случайное увели­чение плотности вещества ведет к возрастанию гравита­ционных сил притяжения и дальнейшему сжатию к центру масс. Ограничить сжатие могут только силы внут­реннего давления сжимаемого газа.

Таким образом, причиной формирования скоплений газа во Вселенной являются случайности (флуктуации) в распределении газа и действие сил взаимного гравита­ционного притяжения между отдельными молекулами газа. Иных причин, способных привести к концентра­ции вещества Вселенной, не существует.

Вероятная картина эволюции звезды такова. Вслед­ствие случайного возрастания плотности из рассеянного во Вселенной вещества формируется богатое водородом газопылевое облако. Под влиянием сил гравитационного взаимодействия это облако уплотняется, образуя газовый шар. Заметим, что шар имеет наименьшую площадь по­верхности при данном объеме. Поэтому образование шара из облака неопределенной формы энергетически выгодно. За счет гравитационных сил шар сжимается, плот­ность возрастает. Вещество теряет прозрачность, но ос­тается газом. Но растет и давление внутри шара, проти­водействующее силам гравитации. При адиабатическом сжатии (отсутствует возможность обмена энергией с внеш­ней средой; это тот же процесс, вследствие которого на­гревается ручной насос при быстрой подкачке шины) температура шара (это уже протозвезда) увеличивается, часть энергии излучается в пространство. На диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 5) эти объекты, имеющие низкую температуру поверхности, располагаются спра­ва от главной последовательности. С точки зрения раз­меров среди таких объектов могут быть как «красные карлики», так и «красные гиганты» («красные» — по­тому, что спектр их излучения сдвинут в красную сторо­ну, что соответствует относительно низким температу­рам). Все зависит от исходной массы флуктуации.

В дальнейшем протозвезда под действием гравитаци­онных сил продолжает сжиматься. Ее размеры умень­шаются, поверхностная температура растет. То есть про­тозвезда «приходит» на главную последовательность. В этот период температура и плотность недр звезды ста­новятся достаточными для начала термоядерной реак­ции. Давление и температура внутри звезды возрастают, гравитационные силы и силы внутреннего давления ста­новятся равными, газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой.

Чтобы пройти эту самую раннюю стадию эволюции, протозвездам необходимо сравнительно немного време­ни. Все зависит от начальной массы. Если масса протозвезды больше массы Солнца, для этого нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше — несколь­ко сотен миллионов лет.

Оказавшись на главной последовательности и пере­став сжиматься, звезда в течение значительного време­ни излучает, не меняя положения на диаграмме «спектр-светимость» (табл. 4). Ее излучение поддерживают термоядерные реакции в центральных областях, а раз­мер — противодействие гравитационных сил и сил внут­реннего давления.

Таким образом, главная последовательность представ­ляет собой такую область на диаграмме «спектр-свети­мость», где звезда может длительно и устойчиво излу­чать благодаря термоядерным реакциям.

Масса звезды определяет место и время пребывания звезды на главной последовательности. Если масса вели­ка, излучение звезды имеет огромную мощность и она достаточно быстро расходует запасы водорода. Так, на­пример, звезды главной последовательности с массой, превышающей солнечную в десятки раз (горячие голу­бые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на главной последовательности всего лишь несколько миллионов лет. В то же время звезды с массой, близкой к массе Солнца, находятся на главной последовательности несколько миллиардов лет — в ты­сячи раз дольше.

Превращение, «выгорание» водорода в гелий при тер­моядерной реакции происходит в центральных областях звезды, в условиях высоких температур и давлений, в соответствии с уравнением:

4 ¹Н → ⁴Не + 2 v + 2 е⁺ + 26 МэВ.

При такой термоядерной реакции из 4 ядер водоро­да образуется одно ядро гелия, два нейтрино v и два позитрона е⁺. И, что самое важное для нас, выделяется энергия 26 МэВ (миллионов электрон-вольт). Среднее время реакции при температурах порядка 13 мил. К и плотности водорода 100г/см³ около 10¹⁰ лет (в центре Солнца), но есть вероятность слияния данных четырех ядер водорода — величина, обратная этому времени — ничтожно мала. Однако таких ядер огромное число, и в условиях центра звезды возможна эффективная реакция термоядерного синтеза указанного типа. В земных условиях в термоядерной бомбе, при разработке устройств управляемого термоядерного синтеза реа­лизуются реакции синтеза других ядер (дейтерия, трития, их комбинаций с литием).

В наружных областях звезды водород не «выгорает» из-за низких значений температуры и давления. Так как количество водорода в центральных областях звезды ог­раничено, рано или поздно (в зависимости от массы звез­ды) он практически весь «выгорит». При этом процессе масса и радиус центральной области звезды уменьшают­ся, а звезда перемещается на диаграмме «спектр-свети­мость» вправо.

Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее центральных областях «выгорит»? Тем­пература в центральных областях уменьшается. Умень­шается и давление ионизированного газа, противодейству­ющее силам гравитационного сжатия. Ясно, что звезда сжимается, давление в ее центре растет. При сжатии тем­пература центральных областей увеличивается.

Значит, звезда представляет собой саморегулирующу­юся систему. При этом в центральной области звезды будет уже не только водород, но и гелий (в который пре­вратился водород при термоядерной реакции). Расчеты показывают, что термоядерная реакция будет протекать на периферии ядра, в области, достаточно насыщенной водородом. При этом размеры звезды и ее светимость начнут расти. Звезда сходит с главной последовательнос­ти, переходя в область «красных гигантов»: при сжатии ядра ее оболочка раздувается, и, несмотря на рост темпе­ратуры, светимость звезды падает.

Солнце перейдет в разряд «красных гигантов» примерно через 8 миллиардов лет.

После того как вследствие термоядерной реакции температура ядра «красного гиганта» достигнет 100-150 мил­лионов кельвин, а его плотность будет достаточно велика, в ядре начнется новая термоядерная реакция:

3 ⁴Не →¹²С + 2 γ + 7,3 МэВ (γ - фотон).

После начала этой ядерной реакции звезда перемещается влево по диаграмме «спектр-светимость», растет температура, размер остается примерно постоянным. Далее возможны реакции:

¹²С + ⁴Не → ¹⁶О + γ,

¹⁶О + ⁴Не →²⁰Ne +γ.

В этом состоит механизм нуклеосинтеза, образова­ния тяжелых элементов из легких. Предпосылка формирования всех форм жизни!

Что произойдет, когда реакция «гелий-углерод» ис­черпает себя, выгорит весь гелий, а также прекратится ядерная реакция «водород-гелий» в тонкой оболочке ядра?

Оказывается, что на этом этапе эволюции звезды с массами до 1,4 масс Солнца «сбрасывают» наружную раз­реженную оболочку. Через несколько десятков тысяч лет — мгновение в космических масштабах — оболочка рассеивается и остается небольшая очень горячая и плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в «белого карлика» («белый» — то есть очень горячий).

Белые карлики как бы «вызревают» в недрах «крас­ных гигантов». «Белые карлики», в которых весь водо­род выгорел, и ядерные реакции прекратились, представ­ляют собой, видимо, последний этап эволюции звезды. Постепенно остывая, они из­лучают все меньше и мень­ше энергии, светимость па­дает, гравитационные силы сжимают вещество. Белые карлики постепенно перехо­дят в разряд «черных кар­ликов» — холодных звезд огромной плотности и не­большого размера (порядка земного при массе порядка солнечной). Этот процесс длится сотни миллионов лет. Так прекращает свое су­ществование большинство звезд. Однако финал жизни звезд, массы которых превышают солнечную, может быть иным.

Некоторые звезды на определенном этапе своей эво­люции взрываются. В этих случаях говорят о вспышке «сверхновой». От «сверхновых» следует отличать обыч­ные «новые» звезды.

Вспыхивают новые звезды достаточно часто — в Га­лактике до 100 в год. Новые звезды — это тесные двой­ные системы, и присутствие соседки мешает нормаль­ной эволюции звезды, в частности — переходу ее в стадию «красного гиганта». Возникающая неустойчивость ведет к периодически повторяющимся вспышкам. Светимость в этот период резко возрастает, но она в тысячи раз меньше, чем у сверхновых.

В отличие от вспышек новых звезд, вспышка сверх­новой — весьма редкое явление. В больших звездных системах, подобных нашей Галактике, вспышки сверх­новых происходят в среднем раз в сто лет.

Известны описания вспышек сверхновых в Галактике. Так, по китайским хроникам, в июле 1054г. на небе появилась звезда, видимая даже днем. При этом по сво­ему блеску она превосходила Венеру. Но через несколь­ко месяцев исчезла. Уже в наше время было выяснено, что на месте этой звезды находится Крабовидная туман­ность.

В конце февраля 1987г. в одном из ближайших спут­ников Галактики — Большом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхновая. В момент обнаружения вспыш­ки блеск звезды был +4,5 звездной величины и посте­пенно возрастал. Это весьма близкая к нам сверхновая — расстояние до нее 55 кпс, весьма близко по внегалакти­ческим масштабам. Обнаруженная вспышка произошла всего за 180 000 лет до момента наблюдения. Впервые удалось не только зафиксировать явление взрыва, но и получить информацию о состоянии звезды до взрыва.

Существует несколько гипотез о причине взрывов звезд, наблюдаемых как сверхновые. Единой точки зре­ния нет. Возможный вариант — катастрофически быст­рое выделение потенциальной энергии гравитационных сил при резком сокращении размеров ядра.

Если звезды с массой меньше 1,4 массы Солнца мо­гут преодолеть этап эволюции от протозвезды к «красно­му гиганту» и «белому карлику», то звезды, у которых масса составляет от 1,4 до 2,5 масс Солнца, не могут перейти в устойчивое состояние белого карлика. После сброса оболочки они катастрофически быстро сжимают­ся до размеров порядка 10 км. При этом скорость вра­щения должна резко возрастать (вспомните фигуриста, прижимающего руки к телу во время вращения!). Теоре­тические расчеты показывают, что такие звезды состоят из вещества плотностью до 10¹⁵г/см³. Это уже «плотно упакованные» нейтроны, образующие нейтронные звез­ды.

Первоначальная температура поверхности нейтронной звезды — сотни миллионов градусов (до миллиарда). Од­нако звезда быстро остывает. Даже в случае высокой тем­пературы поверхности нейтронная звезда является очень сложным объектом для наблюдения из-за малых разме­ров, и пытаться обнаружить нейтронные звезды по теп­ловому и электромагнитному излучению бесполезно.

В 1967г. на небе был обнаружен необычный объект, излучающий кратковременные радиоимпульсы с перио­дом 1,33с. Позже было обнаружено еще несколько таких источников. Это сразу привело к мысли о внеземных ци­вилизациях, данные о наблюдениях были засекречены, в течение полугода об этих наблюдениях никто не знал. Но достаточно быстро нашлось объяснение наблюдаемо­му явлению — мощное импульсное радиоизлучение свя­зано с быстрым вращением звездообразных объектов. Эти объекты получили название пульсара. Известен пуль­сар с периодом 0,033с. Так быстро вращаться может только очень маленький объект. Оказалось, что пуль­сар — не что иное, как нейтронная звезда. При тщатель­ных наблюдениях был обнаружен и еще один факт. Ока­залось, что период вращения возрастает, то есть скорость пульсара уменьшается.

Если в ядре звезды «выгорел» весь водород, то давле­ние газа в ядре не может уравновесить гравитационные силы при массе звезды, превышающей некоторый пре­дел (по разным оценкам — от 2,5 до 10 масс Солнца).

Что может произойти с такой звездой? Она начнет сжиматься с огромной скоростью, плотность вещества начнет резко расти. Через весьма короткое время (се­кунды!) звезда может превратиться в сверхплотную точ­ку, будет раздавлена своей собственной массой — грави­тационный коллапс.

Возможно ли такое сжатие звезды?

Вспомним о так называемой второй космической ско­рости. Это скорость, которую должно иметь тело, чтобы покинуть поверхность планеты или звезды и выйти на параболическую траекторию. Для Земли вторая косми­ческая скорость — 11,18 км/с. Для Солнца — 700 км/с. Если наше Солнце сожмется до радиуса 3 км, то вторая космическая скорость станет равной скорости света — 300 000км/с. Тут вступают в действие законы общей теории относительности. Замедляется течение времени, из такого объекта не может выйти никаких излучений и частиц. То есть этот объект для внешнего мира будет заметен только по очень сильному гравитационному полю. Такой объект называют «гравитационной моги­лой» или «черной дырой».

Именно с черными дырами связаны гипотетические модели многосвязных Вселенных, гипотезы о том, что черные дыры — входы в другие миры. Возможно, что ядро нашей Галактики — черная дыра.

Есть ли способ обнаружения черной дыры? Ведь ее невозможно увидеть. Зато возможно, наблюдая за дви­жением звезд, выявить (по «смещению» спектра излуче­ния) направления и величины их скоростей. Сегодня известно несколько точек во Вселенной, к которым схо­дятся вектора скоростей окружающих звезд. Возможно, в этих точках находятся черные дыры.

Отметим, что одиночная звезда не может накопить массу, превышающую 100 солнечных масс. При таких массах звезды радиационное давление изнутри звезды приведет к взрыву. Непосредственными наблюдениями звезды с массами более 75 масс Солнца не обнаружены. Звезды с массами более чем 25 масс Солнца неустойчи­вы и теряют газ под действием радиационного давления или при взрывных процессах.

В 1963г. были обнаружены объекты еще одного типа, «квазары» (англ. quasar, quasi-stellar radiosourse, квази­звездный источник радиоизлучения). Эти объекты име­ют звездообразный вид, являются источниками мощно­го радиоизлучения и удаляются от нашей Галактики со скоростями до 200 тыс. км/с. Они находятся на перифе­рии Вселенной, дальше самых удаленных галактик. И то, что мы их видим, говорит о том, что их светимости превосходят светимости не просто звезд, а целых галак­тик. В то же время размеры квазаров в миллионы раз меньше размеров галактик. И если происхождение пуль­саров было достаточно быстро понято, то природа кваза­ров до сегодняшнего дня неясна.

Подчеркнем, что средняя интенсивность тепловыде­ления в типичных звездных термоядерных реакциях по земным масштабам ничтожна. Так, для Солнца на один грамм массы в секунду выделяется 2•10⁷ Дж, что го­раздо меньше энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ. Однако этот поток энергии поддерживается в течение 3-4 миллиардов лет, то есть общее энерговыделение в миллионы раз больше, чем при любом известном химическом процессе. Кроме того, вследствие огромной массы Солнца полная излучаемая им энергия чрезвычайно велика (она соответствует еже­секундному уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 миллиона тонн).