Звезды. Классификация и строение звезд

Когда весь водород в центральной области превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород будет превращаться в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постоянно сжиматься и при этом еще более разогреваться. Сжатие ядра приводит к более бурному выделению ядерной энергии в тонком слое у границы ядра. У более массивных звезд температура ядра при сжатии становится выше 80 млн. Кельвинов, и в нем начинаются термоядерные реакции превращения гелия в углерод, а потом и в другие более тяжелые химические элементы. Выходящая из ядра и его окрестностей энергия вызывает повышение газового давления, под действием которого фотосфера расширяется. Энергия, приходящая к фотосфере из недр звезды, распространяется теперь на большую площадь, чем раньше. В связи с этим температура фотосферы понижается. Звезда сходит с главной последовательности, постепенно превращаясь в красного гиганта или сверхгиганта в зависимости от массы, и становится старой звездой. Проходя стадию желтого сверхгиганта, звезда может оказаться пульсирующей, то есть физической переменной звездой, и остаться такой в стадии красного гиганта. Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ядром и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность. После окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды - белый карлик.

Иная судьба у более массивных звезд. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, а затем катастрофически сжаться до размеров шаров радиусом в несколько километров, то есть превратиться в нейтронные звезды.

Звезда, масса которой более чем вдвое превышает массу Солнца, потеряв равновесие и начав сжиматься, либо превратится в нейтронную звезду, либо вообще не сможет достигнуть устойчивого состояния. В процессе неограниченного сжатия она, вероятно, способна превратиться в черную дыру.

Белые карлики

Белые карлики - необычные, очень маленькие плотные звезды с высокими поверхностными температурами. Главная отличительная черта внутреннего строения белых карликов - гигантские по сравнению с нормальными звездами плотности. Из-за громадной плотности газ в недрах белых карликов находится в необычном состоянии - вырожденном. Свойства такого вырожденного газа совсем не похожи на свойства обычных газов. Его давление, например, практически не завит от температуры. Устойчивость белого карлика поддерживается тем, что сжимающей его громадной силе тяготения противостоит давление вырожденного газа в его недрах.

Белые карлики находятся на конечной стадии эволюции звезд не очень больших масс. Ядерных источников в звезде уже нет, и она еще очень долго светит, медленно остывая. Белые карлики устойчивы, если их масса не превышает примерно 1,4 массы Солнца.

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды - очень маленькие, сверхплотные небесные тела. Их диаметр в среднем не больше нескольких десятков километров. Нейтронные звезды образуются после исчерпания источников термоядерной энергии в недрах обычной звезды, если ее масса к этому моменту превышает 1,4 массы Солнца. Поскольку источник термоядерной энергии отсутствует, устойчивое равновесие звезды становится невозможным и начинается катастрофическое сжатие звезды к центру - гравитационный коллапс. Если исходная масса звезды не превышает некоторой критической величины, то коллапс в центральных частях останавливается и образуется горячая нейтронная звезда. Процесс коллапса занимает доли секунды. За ним может последовать либо натекание оставшейся оболочки звезды на горячую нейтронную звезду с испусканием нейтрино, либо сброс оболочки за счет термоядерной энергии “непрогоревшего” вещества или энергии вращения. Такой выброс происходит очень быстро и с Земли он выглядит как вспышка сверхновой звезды. Наблюдаемые нейтронные звезды - пульсары часто связаны с остатками сверхновых звезд. Если масса нейтронной звезды превышает 3-5 массы Солнца, равновесие ее станет невозможным, и такая звезда будет представлять собой черную дыру. Очень важные характеристики нейтронных звезд - вращение и магнитное поле. Магнитное поле может быть в миллиарды и триллионы раз сильнее магнитного поля Земли.

Пульсары

Пульсары - источники электромагнитного излучения, изменяющегося строго периодически: от долей секунды до нескольких минут. Первые пульсары были открыты в 1968г. как слабые источники импульсного радиоизлучения. Позже были открыты периодические источники рентгеновского излучения - так называемые рентгеновские пульсары, свойства излучения которых существенно отличаются от свойств радиопульсаров.

Природа пульсаров полностью пока не раскрыта. Ученые считают, что пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем. Из-за магнитного поля излучение пульсара подобно лучу прожектора. Когда из-за вращения нейтронной звезды луч попадает на антенну радиотелескопа, мы видим всплески излучения. Наблюдаемые у некоторых пульсаров “сбои” периодов подтверждают предсказания о наличии твердой коры и сверхтекучего ядра у нейтронных звезд (“сбои” периода происходят при разломе твердой коры - “звездотрясениях”).

Большая часть пульсаров образуется при взрывах сверхновых звезд. Это доказано, по крайней мере, для пульсара в центре Крабовидной туманности, у которого наблюдается импульсивное излучение также и в оптическом диапазоне.

Черные дыры

Одни из самых интересных и загадочных объектов во Вселенной - черные дыры. Ученые установили, что черные дыры должны возникать в результате очень сильного сжатия какой-либо массы, при котором поле тяготения возрастает настолько сильно, что не выпускает ни свет, ни какое-либо другое излучение, сигналы или тела.

Для того чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры, потребовалась бы вторая космическая скорость, большая световой. Согласно теории относительности, никакое тело не может развить скорость, большую чем скорость света. Вот почему из черной дыры ничто не может вылететь, не может поступать наружу никакая информация. После того как любые тела, любое вещество или излучение упадут под действием тяготения в черную дыру, наблюдатель никогда не узнает, что произошло с ними в дальнейшем. Вблизи черных дыр, как утверждают ученые, должны резко изменяться свойства пространства и времени.

Ученые считают, что черные дыры могут возникать в конце эволюции достаточно массивных звезд.

Наиболее сильно эффекты, возникающие при падении в поле черной дыры окружающего вещества, проявляются тогда, когда черная дыра входит в состав двойной звездной системы, в которой одна звезда - яркий гигант, а второй компонент - черная дыра. В этом случае газ из оболочки звезды-гиганта течет к черной дыре, закручивается вокруг нее, образуя диск. Слои газа в диске трутся друг о друга, по спиральным орбитам медленно приближаются к черной дыре и в конце концов падают в нее. Но еще до этого падения у границы черной дыры газ разогревается трением до температуры в миллионы градусов и излучает в рентгеновском диапазоне. По этому излучению астрономы пытаются обнаружить черные дыры в двойных звездных системах.

Возможно, что очень массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений, в центрах галактик и квазарах.

Не исключено также, что черные дыры могли возникнуть в далеком прошлом, в самом начале расширения Вселенной. В этом случае возможно образование и очень маленьких черных дыр с массой гораздо меньшей, чем масса небесных тел.

Этот вывод особенно интересен потому, что вблизи таких маленьких черных дыр поле тяготения может вызывать специфические квантовые процессы “рождения” частиц из вакуума. С помощью потока этих рождающихся частиц можно обнаружить маленькие черные дыры во Вселенной.

Квантовые процессы рождения частиц приводят к медленному уменьшению массы черных дыр, к их “испарению”.

Список литературы

Астрофизика, под ред. Дагаева М.М и Чаругина В.М.

Воронцов-Вельяминов Б.А. Очерки о Вселенной. М.:1980

Мейер М.В. Мироздание. С.-П.:1909

Учебник по астрономии для 11 класса. М.:1994

Фролов В.П. Введение в физику черных дыр.

Энциклопедический словарь юного астронома.