Строение и эволюция звезд

 

 

 

Основные особенности белых  карликов таковы:

• Масса не слишком отличается от массы Солнца при радиусе, в сотню раз меньшем, чем у Солнца. Размеры белых карликов одного порядка с размерами земного шара.
• Отсюда следует огромная средняя плотность вещества, доходящая до 10⁶—10⁷ г/см³ (т. е. до десятка тонн, «запрессованных» в кубическом сантиметре!).
• Светимость белых карликов очень мала: в сотни и тысячи раз меньше солнечной.

Итак, вещество недр белых карликов — это очень плотный ионизованный газ. Однако из-за огромной плотности его физические свойства резко отличаются от свойств идеального газа.¹⁴

Вещество недр белых карликов отличается высокой прозрачностью и теплопроводностью. Хорошая прозрачность этого вещества объясняется принципом Паули. Ведь поглощение света в веществе связано  с изменением состояния электронов, обусловленном их переходами с одной  орбиты на другую. Но если подавляющее  большинство «орбит» (или «траекторий») в вырожденном газе «занято», то такие переходы весьма затруднены. Только очень немногие, особенно быстрые  электроны в плазме белого карлика  могут поглощать кванты излучения. Теплопроводность вырожденного газа велика — тому примером служат обыкновенные металлы. По причине очень высоких прозрачности и теплопроводности в веществе белого карлика не могут возникать большие перепады температуры. Почти весь перепад температуры, если двигаться от поверхности белого карлика к его центру, происходит в очень тонком, наружном слое вещества, который находится в невырожденном состоянии. В этом слое, толщина которого порядка 1% от радиуса, температура возрастает от нескольких тысяч кельвинов на поверхности примерно до десяти миллионов кельвинов, а затем вплоть до центра звезды почти не меняется. Белые карлики хотя и слабо, но все-таки излучают. Что является источником энергии этого излучения? Как уже подчеркивалось выше, водорода, основного ядерного горючего, в недрах белых карликов практически нет. Он почти весь выгорел на стадиях эволюции звезды, предшествовавших стадии белого карлика. Но, с другой стороны, спектроскопические наблюдения с очевидностью указывают на то, что в самых наружных слоях белых карликов водород имеется. Он либо не успел выгореть, либо (что более вероятно) попал туда из межзвездной среды. Не исключено, что источником энергии белых карликов могут быть водородные ядерные реакции, происходящие в очень тонком сферическом слое на границе плотного вырожденного вещества их недр и атмосферы. Кроме того, белые карлики могут поддерживать довольно высокую температуру своей поверхности путем обычной теплопроводности. Это означает, что не имеющие источников энергии белые карлики остывают, излучая за счет запасов своего тепла. А эти запасы весьма солидны. Так как движения электронов в веществе белых карликов обусловлены явлением вырождения, запас тепла в их недрах содержится в ядрах и ионизованных атомах. Полагая, что вещество белых карликов состоит в основном из гелия (атомный вес равен 4), легко найти количество тепловой энергии, содержащейся в белом карлике.

В последние годы для десятка  белых карликов было обнаружено сильное  расщепление спектральных линий  поглощения, обусловленное эффектом Зеемана. Из величины расщепления следует, что напряженность магнитного поля на поверхности этих звезд достигает  огромного значения порядка десяти миллионов эрстед (Э). Столь большое  значение магнитного поля, по-видимому, объясняется условиями образования  белых карликов. Напряженность магнитного поля по мере сжатия звезды будет расти обратно пропорционально квадрату ее радиуса. Следовательно, она может вырасти в сотни тысяч раз. Этот механизм увеличения магнитного поля особенно важен для нейтронных звезд. Большинство белых карликов не имеет поля более сильного, чем несколько тысяч эрстед. Таким образом, «намагниченные» белые карлики образуют особую группу среди звезд этого типа.¹⁵

Если  масса звезды примерно вдвое превышает  массу Солнца, то такие звёзды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. Такие звёзды могут взорваться как сверхновые, а затем  сжаться до размеров шаров  радиусом несколько километров, т.е. превратиться в нейтронные звёзды.

Пульсары (нейтронные звезды).

Заключительная фаза эволюции звезды, наступающая после того, как будут в значительной степени исчерпаны ресурсы ее ядерного водородного горючего, существенно зависит от массы звезды.

Пожалуй, первый ученый, сказавший, что  только что открытые пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, был известный американский астроном Т. Голд.

С потерей  энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться  и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн. лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч. В настоящее время наблюдается примерно 700 пульсаров.

Как и  для белых карликов, для нейтронных звезд существует предельно возможная  масса (она носит название предела Оппенгеймера – Волкова).  Строение материи при столь высоких плотностях известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера – Волкова точно не установлен, его величина зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае он не превышает трёх масс Солнца.

Если масса нейтронной звезды превосходит  это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам  гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется чёрная дыра.

Черные дыры.

Термин «чёрная дыра» был  весьма удачно введён в науку американским физиком Джоном Уиллером в 1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. Черная дыра создает вокруг себя гравитационное поле громадной силы. Это огромное тяготение не выпускает за пределы звезды никакое излучение, поэтому никакие приборы не могут ее зафиксировать. Поверхности в традиционном понимании у чёрных дыр быть не может. Удивительно, но самые «экзотические»  с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты – чёрные дыры – устроены гораздо проще, чем обычные звезды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества – они описываются только уравнениями гравитации Эйнштейна. Кроме массы чёрная дыра может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом.

Но если чёрные дыры не светят, то, как же можно судить о реальности этих объектов во Вселенной? Основываясь на законе всемирного тяготения и конечности распространения света, возможность существования черных дыр предсказал еще в 18 в. Пьер Лаплас. Теоретические оценки показывают, что число черных дыр в Галактике может достигать сотен миллионов. Черную дыру можно обнаружить, если она является компонентом двойной звезды – она может быть мощным источником рентгеновского излучения. Их гравитационные поля воздействуют на другие тела. С теоретической точки зрения черные дыры столь же неизбежный результат эволюции звезд, как белые карлики или нейтронные звезды. Но ясно, что наблюдения черных дыр затруднены самой их природой.

 Имеются  косвенные доказательства существования  чёрных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских  звёздах. В пользу этого говорят,  во-первых, отсутствие известных  проявлений твёрдой поверхности,  характерных для рентгеновского  пульсара или рентгеновского  барстера (например, периодических  импульсов в излучении), и, во-вторых, большая масса невидимого компонента  двойной системы (больше трёх  масс Солнца). «…вряд ли можно сомневаться, что черные дыры существуют: у массивных звезд нет иного пути, чем превращение в черную дыру на финальной стадии эволюции».¹⁶                                                                               

 

 

Заключение

 

За период немногим более двух столетий представление о звёздах изменилось кардинально. Из непостижимо далёких  и равнодушных светящих точек на небе они превратились в предмет всестороннего физического исследования.

Астрономы не в состоянии проследит  жизнь одной звезды от начала и  до конца. Даже самые короткоживущие звёзды существуют миллионы лет –  дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Учёные могут наблюдать много звёзд, находящихся на самых разных стадиях  своего развития, - только что родившиеся и умирающие.

Сейчас уже многое известно об их строении и эволюции, хотя немало остаётся и непонятного. Дальнейшее развитие науки покажет, какие из сегодняшних представлений о происхождении звезд окажутся правильными. Но уже теперь нет сомнения в том, что звезды, во-первых, подчиняясь законам природы, рождаются, живут и  умирают, а не являются однажды созданными и вечно неизменными объектами Вселенной, и, во-вторых, звезды рождаются группами, причем процесс звездообразования продолжается в настоящее время.

 

Список  использованных источников

 

1. Гуребич Л. Э., Чернин А. Д. Происхождение галактик и звезд.- М.: Наука,1987
2. Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. – М., 1980
3. Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977
4. http://www.astronet.ru/db/msg/1167293
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%B3%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D1%82
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%B8%EB%F2%FB%E9_%E3%E8%E3%E0%ED%F2
7. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/SOZVEZDIYA_I_YARKIE_ZVEZDI.html

¹ Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. -М.: Наука, 1980,с.-27

² http://www.astronet.ru/db/msg/1167293

³ Шкловский И. С. Вселенная, жизнь, разум. -М.: Наука, 1980,с.-26-27

⁴ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977, с.-45

⁵ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977с.-47-49

⁶ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-69-71

⁷ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-88

⁸ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-89

⁹ http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/SOZVEZDIYA_I_YARKIE_ZVEZDI.html

¹⁰ http://ru.wikipedia.org/wiki/%C6%B8%EB%F2%FB%E9_%E3%E8%E3%E0%ED%F2

¹¹http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%85%D0%B3%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D1%82

¹² Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-163-164

¹³ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-165-168

¹⁴ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-118-119

¹⁵ Шкловский И. С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М., 1977 с.-124-125

¹⁶ Гуребич Л. Э., Чернин А. Д. Происхождение галактик и звезд. М.: Наука, 1987, с.-140