§ 74. Образование галактик, звезд, планетных систем
Открылась бездна звезд полна;
Звездам числа нет, бездне дна.
М. В Ломоносов
Как и когда образовались галактики? Какой механизм ответствен за образование галактик и звезд? Может ли стать звездой Юпитер? Как образуются планетные системы?
Урок-лекция
ФОРМИРОВАНИЕ ГАЛАКТИК. Проблемой происхождения отдельных небесных тел и их систем занимается область астрономической науки, которая называется космогонией. Миллиарды галактик, огромных космических звездных систем массой от 10 5 до 10 14 масс Солнца со средней плотностью вещества в них 10 -24 г/см 3 , являются основными единицами крупномасштабной структуры Вселенной.
В начале XX в. английский астроном сэр Джеймс Джинс предложил модель формирования галактик из облаков газа, связанную с гравитационной неустойчивостью вещества. Согласно этой модели, если в однородном по плотности газе ранней Вселенной случайно обнаружится сгущение, то оно под действием сил гравитации будет сжиматься, обособляться от окружающей среды.
Процессы гравитационного обособления вещества Вселенной стали возможны только после того, как Вселенная в результате расширения охладилась до 4000 К, прошел процесс рекомбинации, вещество стало нейтральным, излучение перестало взаимодействовать с веществом и препятствовать гравитационному сжатию. Это случилось примерно через миллион лет после Большого взрыва. Изучая галактики, находящиеся на разных от нас расстояниях (в миллионы и даже миллиарды световых лет), астрономы фактически имеют возможность исследовать галактики разного возраста. Гравитационное сжатие первоначальной неоднородности происходит до тех пор, пока силы гравитации не компенсируются другими силами: давления, центробежными, связанными с вращением. При этом галактика стабилизируется. Таким образом, формирование звезд происходит в уже обособленных галактиках.
ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД. В первоначально однородной галактической среде могли образовываться гравитационные неустойчивости: случайно возникшие уплотнения газа массой более 10 5 масс Солнца под действием гравитации сжимаются и обособляются, распадаются на фрагменты, которые постепенно приобретают сферическую форму. Из них и рождаются звезды.
Сначала сжатие возникшей протозвезды происходит изотермически (при постоянной температуре), затем температура газа возрастает. Сжатие продолжается до тех пор, пока возрастающие силы давления, зависящие от температуры и плотности, не уравновесят силы гравитации. В этом случае возникает состояние гидростатического равновесия. Первый этап эволюции звезды зависит от ее массы и может длиться от нескольких сотен тысяч до нескольких сотен миллионов лет.
Если в центре протозвезды температура превысит несколько миллионов кельвинов, а давление — несколько миллиардов атмосфер, что самопроизвольно может случиться только с объектом массой не меньше 0,01 массы Солнца, в недрах звезды начнутся реакции термоядерного синтеза. Тогда звезду уже можно назвать нормальной звездой Этот этап самый длительный, хотя и его длительность зависит от массы звезды: он может длиться от 10 млн до 10 млрд лет. Маломассивные звезды, например с массой 0,1 массы Солнца,—долгожители. Они могут оставаться в состоянии равновесия на стадии нормальной звезды сотни миллиардов лет. В ядрах звезд идет превращение водорода в гелий и более тяжелые элементы (вплоть до железа в массивных звездах). Когда «горючее» (например, водород) звезды заканчивается, наступают последние стадии эволюции звезды, которые можно сравнить со старением и смертью.
Если масса звезды сравнима с массой Солнца, то по мере выгорания водорода центральные области звезды сжимаются, формируя горячее плотное ядро (средняя плотность около 10 9 кг/м 3 ). Оболочка звезды при этом раздувается, и в течение сотен тысяч лет со стороны такая звезда будет выглядеть красным гигантом, размерами с орбиту Юпитера. Потом оболочка будет сброшена, и маленький, с Землю, белый карлик будет медленно остывать в течение 10 12 лет. Такая судьба ожидает наше Солнце.
Если масса звезды не превосходит пяти масс Солнца, то она также сначала превратится в красный гигант размером в несколько десятков радиусов Солнца, а затем сбросит оболочку, которую можно будет наблюдать как планетарную туманность. Оставшаяся масса звезды (ее центральные зоны) превращается в белый карлик, который светит за счет накопленного тепла, остывает и в конце концов превращается в темный, так называемый коричневый карлик.
Массивные звезды на последней стадии своей эволюции становятся экзотическими объектами — нейтронными звездами или черными дырами. Сначала звезды массой больше пяти масс Солнца превращаются в красные сверхгиганты с радиусом в сотни радиусов Солнца, а затем взрываются. Наблюдается так называемая вспышка сверхновой звезды. Звезда начинает светиться, как миллиарды отдельных звезд (рис. 95). Повышенная яркость наблюдается десятки дней. При этом температура плазмы звезды при такой вспышке достигает миллиарда кельвинов. В этом котле синтезируются все химические элементы тяжелее железа. Ббльшая часть вещества звезды разбрасывается в межзвездное пространство, обогащая его тяжелыми химическими элементами. Из обогащенной межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. На месте взрыва может остаться либо нейтронная звезда, если масса остатка не превосходит 2,5 масс Солнца, либо черная дыра, если масса превосходит это значение.
Рис. 95. Крабовидная туманность — остаток вспышки сверхновой звезды
ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ. Согпасно современным представлениям, рождение Солнца и рождение планет — это единый процесс. Все объекты Солнечной системы сформировались из газопылевой туманности в результате гравитационной неустойчивости. По одной из гипотез, сжатие этой туманности было стимулировано ударными волнами, возникшими в результате взрыва сверхновой звезды, произошедшего вблизи Солнечной системы. Сжатие центральной части облака привело к образованию Солнца, а на периферии вращающегося и становящегося из-за этого все более плоским облака начали формироваться планеты. При этом строительным материалом планет служили относительно небольшие твердые куски вещества. Сталкиваясь, многие из них слипались, увеличиваясь в размерах, или разрушались. Крупные куски притягивали к себе мелкие. В результате примерно за 100 мпн лет вокруг Солнца образовались и Земля, и другие планеты, а также их спутники, астероиды, кометы.
Астрономы обнаружили десятки других планетных систем. Не все они похожи на нашу Солнечную систему. У большинства обнаруженных планетных систем большие планеты с массой, как у Юпитера, находятся по непонятным пока причинам вблизи центральной звезды, а не на периферии.
Основными процессами, связанными с эволюцией галактик, звезд, планетных систем, управляет гравитация. Сжатие обьектов прекращается, когда уравновешиваются силы гравитации и давления. В недрах нормальной звезды идут реакции термоядерного синтеза. Конечными стадиями эволюции звезд в зависимости от их массы могут стать белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Газовые и газопылевые туманности, обладающие моментом вращения, порождают вращающиеся, достаточно плоские системы (спиральные галактики, планетные системы и др.)
- К каким последствиям может привести ситуация гравитационной неустой чивости массивных газовых облаков?
- При каких условиях прекращается сжатие протозвезды?
- Что такое нормальная звезда?
- Может ли стать звездой Юпитер, если его масса в тысячу раз меньше массы Солнца?
Источник
Текст книги «Концепции современного естествознания»
Автор книги: Александр Садохин
Жанр: Педагогика, Наука и Образование
Текущая страница: 12 (всего у книги 34 страниц) [доступный отрывок для чтения: 13 страниц]
6.3. Происхождение Вселенной – концепция Большого взрыва
Представление о развитии Вселенной закономерно привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не называют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г.А. Гамова смогла удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции (теорией раздувающейся Вселенной), разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.
В 1948 году выдающийся американский физик русского происхождения Г.А. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд лет назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке материи. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность – бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью. В сингулярности известные законы физики не работают, теряют смысл понятия пространства и времени, и бессмысленно спрашивать, где находится эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.
Основная идея Г.А. Гамова заключалась в том, что в результате взрыва сильно сжатой «первоматерии» образовался своеобразный космический котел с очень высокой температурой (около 3 млрд градусов), в котором произошел естественный синтез химических элементов современной Вселенной. Эта теория содержала идею потенциального возбуждения квантового поля как «прасостояния» Вселенной. На основании теоретических выкладок Г.А. Гамов предсказал существование во Вселенной особого рода излучения («реликтового»), которое свидетельствует о первых моментах рождения микромира Вселенной. Ученики Г.А. Гамова довольно точно рассчитали величину температуры такого остаточного теплового излучения первичной плазмы, которая оказалась равной 10 27 К. По современным оценкам, максимальная плотность Вселенной в сингулярном состоянии равна 10 94 г/см 3 , а ее объем – около 10 –33 см 3 . Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно.
Долгое время ученые ничего не могли сказать о причинах Большого взрыва и переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.
Исходное состояние «праматери» Вселенной трактуется как вакуум, имеющий множество состояний. Сингулярное состояние соотносится с «ложным вакуумом». В теории Большого взрыва утверждается, что наблюдаемая в настоящее время Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой первоматерии.
«Начало» Вселенной. Исходная идея концепции Большого взрыва заключается в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т. е. «из ничего». Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем энергия, заключенная в вакууме, располагается на его «разных этажах», т. е. имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума.
Пока вакуум находится в равновесном состоянии, там существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые «занимают в долг» у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают занятую энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине и в некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из состояния равновесия, виртуальные частицы стали схватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные частицы. В конце концов в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызывает безудержное и стремительное расширение Вселенной – Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.
Последовательность образования Вселенной в современном естествознании предполагает прохождение четырех эволюционных этапов, каждый из которых характеризуется своей временной продолжительностью, температурным режимом и структурным составом.
Первый этап ранней Вселенной длился немногим более 3 мин с момента взрыва и включал три периода: инфляционный, эру ранней Вселенной и эру плазмы.
1. Состояние холодной Вселенной в самый первый, инфляционный период продолжалось примерно 10 –33 сек после «начала». На протяжении этого времени произошло раздувание исходного сверхплотного сгустка материи до размеров, превышающих размеры современной Вселенной. По некоторым расчетам, за это время размеры Вселенной увеличились в 10 50 раз.
Инфляционный период завершился распадом «ложного» вакуума, приведшим к мгновенному возрастанию температуры до 10 27 К в результате излучения большой энергии. Этот всплеск тепла, осветивший Космос, был обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. А энергия, связанная множеством реальных частиц, высвобождается в виде излучения, мгновенно нагревающего Вселенную до 10 27 К. С этого момента началась история горячей Вселенной, которая характеризовалась остыванием и расширением.
2. Эра ранней Вселенной. Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех сортов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 10 27 К. Все они свободно превращались друг в друга. В этом сгустке существовали только гравитационное и большое взаимодействия. Потом Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и снижением температуры до 10 10 К. Этот период продолжался около 1 сек.
3. Завершающий период ранней Вселенной – эра плазмы – продолжался предположительно 3 мин 2 сек. Здесь эволюция Вселенной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, с другой – усложнением ее структур. В остывающей плазме образовывались необходимые условия для синтеза тяжелых элементарных частиц, которые обладали способностью к сильным ядерным взаимодействиям.
К концу эры ранней Вселенной появились все четыре фундаментальных взаимодействия, прекратилось свободное существование кварков, они слились в адроны (важнейшими среди них являются протоны и нейтроны). Существенным событием стало глобальное нарушение симметрии, которое произошло в первые мгновения существования нашей Вселенной. Число частиц оказалось чуть больше, чем число античастиц. Причины такой асимметрии точно не известны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц приходился миллиард плюс одна античастица – т. е. частицам не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.
Второй этап – эра излучения (фотонная эра) – продолжался около 1 млн лет и включал два эволюционных периода. Первый период прозрачной Вселенной длился 30 мин и характеризовался интенсивным протеканием термоядерных процессов. В результате в структуре Вселенной накопились ядра водорода (72 %), ядра гелия (28 %) и их изотопы. К концу этого периода прозрачная Вселенная в основном состояла из фотонов и лептонов. Второй период прозрачной Вселенной продолжался 500 тыс. лет и характеризовался термоядерным синтезом атомарного вещества.
В целом этап прозрачной Вселенной завершился отделением излучения от барионного и атомарного веществ. К началу следующего эволюционного этапа возникла однородная горячая Вселенная, космическое вещество которой состояло из трех не взаимодействующих друг с другом субстанций: излучения, лептонов и первовещества (барионного и атомарного). Можно сказать, что на этом этапе уже возник микромир, в котором сформировались элементарные частицы и квантовые поля, а также основные типы взаимодействий – ядерных (сильных и слабых) и электромагнитных.
Третий этап структурной Вселенной сопровождался медленным остыванием, расширением, формированием туманностей, звезд и других космических тел. Переход от прозрачной вселенной к структурной Вселенной охватил примерно от 1 до 3 млрд лет.
После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. Спустя 1 млрд лет после начала образования Вселенной начали появляться галактики и звезды. К этому моменту вещество уже успело охладиться, и в нем стали возникать стабильные флуктуации плотности, равномерно заполнявшие Космос. В этой материальной среде возникли и развились случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри таких уплотнений проявляют себя заметнее, чем за их границами. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, его плотность начинает постепенно нарастать. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Появление таких уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных космических структур – галактик, а затем и отдельных звезд.
Рождение и эволюция галактик. Термин «галактика» (от греч. galaktikos – млечный) появился для обозначения звездной системы, к которой принадлежит Солнце. В современном понимании галактика – скопление звезд и звездных систем, которое имеет свой центр притяжения (ядро). Пространство галактики пронизано магнитными полями, космическими лучами, потоками нейтрино. В среднем одна галактика включает до 10 13 звезд.
Первым условием возникновения галактик в однородной Вселенной стало появление случайных скоплений и сгущений вещества. Впервые подобная мысль была высказана еще И. Ньютоном, который утверждал, что если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, то оно никогда бы не собралось в единую массу, а собиралось бы частями в разных местах бесконечного пространства. Эта идея И. Ньютона стала одним из краеугольных камней современной космогонии.
Вторым условием возникновения галактик стало наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Земли. Известно, что водяной пар конденсируется на крохотных частичках – ядрах конденсации.
В середине XX в. были проведены расчеты, описывающие поведение таких уплотнений. Тогда было доказано, что в расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью будут расширяться медленнее, чем Вселенная в целом. Эти области будут постепенно отставать в расширении от остальной Вселенной и в какой-то момент времени совсем перестанут расширяться. Такие изолированные участки вещества, как правило, очень велики по массе: она составляет в среднем 10 15 –10 16 масс Солнца. Данные массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем происходит это своеобразно – анизотропно. Сначала исходные объекты имеют форму куба, затем сжимаются в пластинку – «блин». Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеисто-сетчатая структура, где стенками огромных пустот служат «блины», каждый из которых представляет собой сверхскопление галактик. Эти первичные сгустки, продолжая сжиматься, становятся сферически симметричными. Кроме того, внутри себя они одновременно фрагментируются на звезды.
Существуют предположения о том, почему чаще встречаются спиральные галактики (около 80 %), чем галактики других типов (эллиптические и неправильные). Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, затем за несколько сотен миллионов лет (немного по космическим меркам) неровности сглаживаются и образуется массивная эллиптическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, которая со временем будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа, занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.
Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.
Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях в 10–20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Наиболее удаленные из наблюдаемых ныне галактик находятся на расстоянии 10 млрд световых лет. Свет этих звезд идет к нам миллионы лет, поэтому мы наблюдаем их такими, какими они были много световых лет назад. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями. Основное вещество, составляющее межзвездный газ, – водород, на втором месте – гелий. Следует отметить, что водород и гелий – наиболее распространенные вещества не только в межзвездном пространстве, но и вообще во Вселенной.
Из нашей Солнечной системы невооруженным глазом можно наблюдать только три галактики: Большое Магелланово Облако, Малое Магелланово Облако и Туманность Андромеды, которая находится к нам ближе всех, на расстоянии 2 млн световых лет.
Для обозначения части Вселенной, доступной современным астрономическим наблюдениям и исследованиям, используется термин «метагалактика». В пространстве Вселенной галактики распределены по всем направлениям равномерно, их скопления образуют ячеистую структуру Вселенной.
Наша Галактика – Млечный Путь – имеет форму диска с выпуклостью в центре (ядром), от которого отходят спиралевидные рукава. Толщина выпуклости – 1,5 тыс. световых лет, диаметр – 100 тыс. световых лет. Возраст нашей Галактики составляет около 13 млрд лет. В центре ее находится скопление звезд с сильным радиоисточником (Стрелец А). Астрономы предполагают, что это «черная дыра» с массой 1 млн солнечных масс. Солнце относится к молодому поколению звезд и располагается на периферии, в ее спиральном рукаве. Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики составляет 240 км/ч. Галактический год, в течение которого Солнце делает полный оборот вокруг центра Галактики, длится 230 млн лет.
Наша Галактика вращается довольно сложным образом: значительная часть ее галактической материи вращается дифференциально (как планеты вокруг Солнца, «не обращая внимания» на то, по каким орбитам движутся другие достаточно далекие космические тела) и скорость вращения этих тел уменьшается с увеличением их расстояния от центра. Но есть часть диска нашей Галактики, которая вращается твердотельно, как музыкальный диск на проигрывателе. В этой части галактического диска угловая скорость вращения одинакова для любой точки. Наше Солнце находится в таком участке Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференциального вращений равны. Такое место называется коротационным кругом. В нем создаются особые, спокойные и стационарные условия для процессов звездообразования.
К концу этапа структурной Вселенной космическая материя была представлена элементарными частицами, космическими лучами, атомарным веществом, плазмой, реликтовым излучением, а также большими структурными образованиями – скоплениями галактик. И наконец, помимо космических тел во Вселенной присутствовали межзвездный газ и газово-пылевые туманности.
Временной период примерно в 5 млрд лет, в течение которого возникали галактические, звездные и планетные системы, а также жизнь и разум, составил четвертый этап формирования современной Вселенной.
Рождение и эволюция звезд. Звезды рождаются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар – протозвезда. При этом ее эволюция проходит три этапа. Первый из них связан с обособлением и уплотнением космического вещества. Второй представляет собой стремительное сжатие протозвезды. В какой-то момент давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс ее сжатия, однако температура во внутренних областях пока остается недостаточной для начала термоядерной реакции. На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься, ее температура продолжает повышаться, что приводит к началу термоядерной реакции. Давление газа, вытекающего из звезды, уравновешивается силой притяжения, и газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный объект – звезда. Такая звезда является саморегулирующейся системой. Если температура внутри ее повысится, то звезда раздуется. Если же звезда начнет остывать, то она будет сжиматься и разогреваться, ядерные реакции в ней ускорятся, и температурный баланс будет восстановлен. Преобразование протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что немного по космическим масштабам.
Рождение звезд в галактике происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому в галактике есть звезды старые и молодые; самые старые сосредоточены в шаровых скоплениях, их возраст сравним с возрастом галактики. Эти звезды формировались, когда протогалактическое облако распадалось на все более мелкие сгустки. Молодые звезды (возраст около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры 10–15 млн К и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная реакция является источником собственного свечения звезд.
С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени характеристики звезды: ее светимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка – расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию «красного гиганта» – завершающий этап жизни. Наше Солнце это ждет примерно через 8 млрд лет. При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбиты Земли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутся оплавленные камни).
Для «красного гиганта» характерна низкая внешняя температура и очень высокая внутренняя. В термоядерные процессы включаются все более тяжелые ядра, что приводит к синтезу химических элементов. «Красный гигант» непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Так, только за один год Солнце в этой стадии может потерять одну миллионную часть своего веса. Таким образом, всего за 10–100 тыс. лет от «красного гиганта» остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда становится «белым карликом». Иными словами, «белые карлики» вызревают внутри «красных гигантов», а затем сбрасывают окружающие их остатки оболочки, поверхностных слоев, которые образуют планетарную туманность.
Несколько иначе развиваются более массивные звезды. Они живут всего несколько десятков миллионов лет. В них очень быстро выгорает водород, и они превращаются в «красные гиганты» всего за 2,5 млн лет. В гелиевом ядре звезд температура повышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая температура дает возможность протекания реакций углеродного цикла – слиянию ядер гелия в углерод. Ядро углерода в свою очередь может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т. д., вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3–10 млрд градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются, включая образование ядер железа – самого устойчивого во всей последовательности химических элементов. Более тяжелые химические элементы – от железа до висмута – также образуются в недрах «красных гигантов», в процессах медленного захвата нейтронов. При этом энергия не выделяется, как при термоядерных реакциях, а наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды все убыстряется.
Образование наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно происходит в оболочках взрывающихся звезд при их превращении в новые или сверхновые звезды, которыми становятся некоторые «красные гиганты». В зашлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ более не способен противостоять давлению ядерного газа. Наступает коллапс – катастрофическое сжатие звезды, которая «взрывается внутрь». Но если отталкивание частиц или другие причины все же останавливают этот коллапс, происходит мощный взрыв – вспышка сверхновой звезды, при этом в окружающее пространство сбрасывается не только оболочка звезды, но и до 90 % ее массы, что приводит к образованию газовых туманностей. Светимость звезды увеличивается в миллиарды раз. Так, в 1054 г. был зафиксирован взрыв сверхновой звезды. В китайских летописях сказано, что она была видна в светлое время, как Венера, в течение 23 дней. В наше время астрономы выяснили, что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную Туманность, являющуюся мощным источником радиоизлучения.
Взрыв сверхновой звезды связан с выделением сверхогромного количества энергии. Рождаются космические лучи, намного повышающие естественный радиационный фон и нормальные дозы космического излучения. Астрофизики подсчитали, что примерно раз в 10 млн лет сверхновые звезды вспыхивают в непосредственной близости от Солнца, повышая этот естественный фон в 7 тыс. раз. Это чревато серьезными мутациями живых организмов на Земле. Кроме того, при взрыве сверхновых звезд идет сброс всей внешней оболочки звезды вместе с накопившимися в ней «шлаками» – химическими элементами, результатами деятельности нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодня химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.
Источник