Рождение звезд

Рождение и  эволюция звезд.

Основной структурной  единицей в составе галактики  любого вида являются звездные объекты. В связи с этим особый интерес  представляют существующие в настоящее  время теории, рассматривающие условия  и механизм образования звезд, а  также основные особенности их эволюции, связанные с целым рядом внутренних структурных изменений и внешних морфологических превращений.

Большая заслуга в  разработке концепции звездной эволюции принадлежит российскому астроному  И.С. Шкловскому, изложившему ее в совей фундаментальной работе: «Звезды: их рождение, жизнь и смерть». Суть указанной теории заключается в следующем. Важнейшей особенностью большинства видов галактических образований является наличие вращения входящего в них первичного вещества, состоящего в основном из элементарных частиц и атомарного водорода, и разбиение исходной массы этого вещества на отдельные турбулентности. В результате указанного вращения под действием возникающих центростремительных сил начинается повышение плотности первичного вещества в центральной части будущей звезды. Одновременно к действию центростремительных сил подключается механизм гиперболически нарастающего гравитационного взаимодействия между частицами концентрирующегося в центре вращения вещества. Увеличение плотности центра протозвезды ведет к повышению давления и одновременному росту температуры этого газового образования, что, в свою очередь стимулирует дальнейший ход интеграционных процессов.

При этом, чем больше масса  исходного первичного вещества, участвующего в таком звездообразовании, тем стремительнее действует механизм наращивания плотности, давления и температуры в центральной части протозвезды, ведя к интенсивному саморазогреву системы.

Собственно моментом рождения звезды можно считать достижение системой критической температуры около 10 млн. градусов, при которой начинается первый цикл ядерной реакции синтеза. Положительно заряженные протоны, составляющие основу атомарного водорода, при этой температуре начинают обладать настолько большой кинетической энергией, что она обеспечивает им при столкновениях возможность преодоления сил взаимного электростатического отталкивания и включения механизма сильного взаимодействия между ними. В результате из каждой пары столкнувшихся протонов образуется более сложное ядро другого химического элемента – гелия. Этот процесс носит название термоядерного синтеза. Обязательным условием его возникновения является наличие сверхвысокой температуры. Процесс сопровождается выделением огромного количества энергии излучения вследствие преобразования исходной кинетической энергии взаимодействующих протонов.

Излучаемая энергия  вновь образованной звезды проходит из центральной ее области к поверхностным  слоям, способствуя их нагреву до температуры в тысячи градусов. Тем  самым формируется поток лучистой энергии, который воспринимается нами как сияние Солнца или как свет далеких звезд. В тоже время излучаемая центром звезды энергия препятствует дальнейшему сжатию вещества под действием гравитационных сил и стабилизирует, таким образом, его объем в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Длительность первого  цикла термоядерного синтеза, связанного со сгоранием водорода и превращением его в гелий, занимает примерно около 80 % всего времени жизни любой  звезды, характеризуя наиболее продолжительную и стабильную фазу ее существования. Синтезируемый при этом гелий, скапливается  в центре звезды, образуя так называемое гелиевое ядро, в котором снова начинают действовать рассмотренные выше процессы повышения плотности и давления, приводящие к дальнейшему росту температуры.

После достижения температуры  около 150 млн. градусов начинается второй цикл термоядерного синтеза, при  котором столкновения высокоэнергетических ядер гелия, минуя ряд последовательных превращений, приводят к образованию углерода. Внешним проявлением начала второго цикла в жизни звезды служит так называемая гелиевая вспышка большой яркости, в результате которой размеры звезды увеличиваются под действием излучаемой энергии в десятки раз. Устанавливается новое состояние динамического равновесия, однако температура внешних слоев увеличившейся поверхности снижается, и «раздувшаяся» звезда, приобретая красноватый цвет, переходит в разряд так называемых красных гигантов. Эта фаза развития, связанная со сгоранием гелия, является сравнительно быстротекущей и составляет всего лишь около 15 % от общего времени существования звездного объекта.

Дальнейшие циклы термоядерного  синтеза проходят во все ускоряющемся темпе и при стремительно возрастающих температурах ядра звезды. Наконец, при достижении этим ядром температуры свыше 3 млрд. градусов и синтезе железа выделение энергии резко сокращается, а возросшая плотность центральной части оказывается настолько большой, что энергии излучения уже оказывается недостаточно, чтобы противостоять гравитационным силам сжатия. Ядро звезды, стремительно уменьшаясь в размерах, по сути, проваливаясь внутрь самого себя, может при определенных условиях оторваться от поверхностных слоев с образованием мощной ударной волны обратного действия.

Последующая судьба звездных объектов во многом определяется значениями массы и размеров каждого из них, а также взаимным соотношением указанных параметров.

В соответствии с результатами общей теории относительности, возможны следующие основные варианты звездн6ой эволюции.

В случае, если масса звезды не превышает 1,4 массы нашего Солнца, указанный выше процесс сжатия ядра протекает сравнительно спокойно, и звезда превращается в компактный объект с высокой поверхностной температурой и высокой плотностью – так называемый белый карлик, который может устойчиво излучать энергию еще очень долгое время, в течение нескольких миллиардов лет. Окончание жизни такого звездного объекта проходит без особых эксцессов, сопровождаясь постепенным его охлаждением и превращением в черный карлик с низкой поверхностной температурой.

Иначе происходит эволюция звезд с массой, превышающей полторы  солнечных массы. Сжатие центральной  части такого объекта происходит с обвальной скоростью, практически  скачкообразно, и сопровождается в  конце сжатия образованием грандиозной ударной волы обратного действия, т.е. волны, направленной из центра звезды к поверхности. За краткие мгновения такого ударного сжатия вещества и последующего взрыва энергии в ядре звезды успевает пройти термоядерный синтез всех тяжелых химических элементов, следующих за железом, однако общее их количество составляет менее 0,1 % от массы звезды. Результатом действия ударной волны является мощнейший даже по космологическим меркам взрыв сверхновой звезды, излучаемая энергия которой кратковременно может превысить энергию излучения целой галактики.

Вообще, взрывы звезд, прошедших  полный цикл своего развития, наблюдаются  достаточно редко и получили название сверхновых первого типа. Спектры  их излучения содержат линии всех основных химических элементов, кроме водорода.

Напротив, взрывы сверхновых второго типа, наблюдаемые сравнительно часто – примерно каждые 100 лет, происходят с условно  молодыми звездами и  содержат в спектре своего излучения  только линии водорода. Это обстоятельство свидетельствует о том, что устойчивость центральной части звезды, приводящая к взрывной ударной волне, может быть нарушена уже в течение первого цикла термоядерного синтеза при недостаточно сформированном гелиевом ядре.

Объективно говоря, взрывы сверхновых звезд имеют для окружающего физического мира, по меньшей мере, два положительных следствия. Во-первых, такой взрыв, если он сопровождается полным разрушением центральной части звезды, является поставщиком во Вселенную всей гаммы химических элементов. Во-вторых, согласно существующей теории, энергия взрыва может служить катализатором для ускоренного развития молодых и только зарождающихся звезд.

Если полного разрушения ядра при взрыве сверхновой звезды не произошло, то возможно образование  одного из двух, весьма экзотических, звездных объектов: пульсара или черной дыры. Первый из этих видов объектов, открытый аспиранткой Кембриджского университета Дж. Белл в 1967 г., поначалу был принят за сигнал разумной цивилизации. Однако время шло, а синусоидальной формы сигнал оставался без всяких изменений, скоро стало ясно, что в основе принимаемого излучения лежит физическое явление. Настолько стабильна была частота периодически повторяющегося сигнала, что источник его излучения назвали пульсаром.

 В настоящее время обнаружено уже более 300 пульсаров, которые, согласно существующей концепции, представляют собой быстро вращающиеся остатки ядер сверхновых звезд, или так называемые нейтронные звезды. Под действием мощного магнитного поля, не совпадают с осью вращения, пульсаром формируется поток нейтронного излучения, «освещающий» окружающее пространство подобно маяку во Вселенной. Причем каждый пульсар «работает» по своей, строго индивидуальной частоте, которая зависит от периода его вращения вокруг собственной оси. Максимальная частота сигнала пульсара, зарегистрированная к настоящему времени, составляет около 30 Гц. Это означает, что формирующая сигнал нейтронная звезда должна вращаться вокруг оси с огромной скоростью, совершая 30 оборотов в секунду.

Существование черных дыр было предсказано еще Энштейном в общей теории относительности. Согласно выводам этой теории, сжатие вещества до объема, равного некоторому критическому значению, неизбежно должно повлечь за собой так называемый коллапс объекта, т.е. превращение его в полностью закрытую систему, силы гравитации в которой настолько велики, что ни один вид излучения, в том числе и свет, не может покинуть ее границы (звездный объект должен быть невидимым для любого стороннего наблюдателя). Черные дыры имеют и другие названия: «застывшая звезда», «гравитационная могила», «коллапсар», «флуктуар», «отон».

Благодаря огромной плотности  вещества в черных дырах их размеры  могут быть весьма небольшими.

Однако несмотря на компактные габариты, данный класс звездных объектов обладает огромным гравитационным воздействием на окружающую среду. Все, что попадает в зону их силового влияния, неотвратимо движется по сходящейся спиральной траектории с возрастающей скоростью в своеобразную гравитационную воронку, выхода из которой нет. Один из существующих методов распознавания черной дыры, находящейся в системе двойных или тройных звезд, как раз и предполагает возникновение аномалий в движении ее видимых соседей под действием гравитационного поля звезды – невидимки.

Закон сохранения энергии.

Энергией называется единая мера различных форм движения. Энергия проявляется во множестве различных форм.

Законы сохранения –  физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых  физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов. Полное описание физической системы возможно лишь в рамках динамических законов, которые детально определяют изменение состояние системы с течением времени. Однако во многих случаях динамический закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации закон сохранения позволяет сделать некоторые заключения о характере поведения системы. Важнейшим законом сохранения, справедливыми для любых изолированных систем являются законы сохранения энергии, импульса, момента, количества движения, электрического заряда. Кроме всеобщих, существует закон сохранения, справедливые лишь для ограниченных классов систем и явлений.

Идея сохранения появилась  с начала, как чисто философская  догадка о наличии неизменного, т.е. стабильного в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи -  неуничтожимой и несотворимой основы всего существующего. С другой стороны наблюдения постоянных изменений в природе приводило к представлении о вечном движении  материи как важнейшем ее свойстве. С появлением математической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения массы (французский химик Лавуазье) и механической энергии (немецкий ученый Г. Лейбниц). Затем немецкий ученый Ю.Р. Майер, английский физик Дж.Джоуль и немецкий ученый Г.Гельмгольц экспериментально открыли закон сохранения энергии в немеханических энергиях. Таким образом, к середине 19 века оформились закон о сохранении массы и энергии, которые трактовались как сохранения материи и движения.

В начале 20 века оба эти  закона сохранения подверглись коренному  пересмотру в связи с появлением специальной теории относительности. При описаний движений с большими (сравнимыми со скоростью света) скоростями классическая (Ньютоновская) механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса определяемая по инерционным свойствам тела зависит от его скорости, и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Понятие энергии тоже подверглось изменению: полная энергия (Е) оказалась пропорциональна массе (м), Е = мс . Таким образом, закон сохранения энергии в специальной теории относительности естественным образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классической механике; по отдельности эти законы не выполняются, т.е. не возможно охарактеризовать количество материи не принимая во внимание ее движение и взаимодействий.