Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Циклы эволюции звезд

                                                                                 4.5.3. Циклы эволюции звезд  

Звезды рождаются из вещества, рассеянного в пространстве Вселенной, перерабатывают водород в гелий и другие элементы и, заканчивая свою эволюцию  во  взрывах  сверхновых,  возвращают  вещество  в  космическое  пространство. Но  это  уже  качественно  другое  вещество,  с  другим  элементным составом, которое вновь рассеивается по Вселенной. Среди «возвращенного» вещества  появляются  не  только  новые  элементы,  но  и  их  соединения: ОН, СN, СН3ОН, СН3НСО и  ещё более  сложные  соединения. Образно  говоря, в этом предназначение звезд, их функция. Какие типы звезд «задействованы» в круговороте  вещества  во Вселенной? Все  зависит от  величины  собранной  в звезду массы.



                                                                                        Белые карлики

Считают, что Белыми карликами становятся звезды главной последовательности в конце их «жизненого пути», если их масса не превосходит солнечную  более,  чем  в 1,4  раза. В  таких  случаях масса  остаточного  вещества будет недостаточной для неудержимого гравитационного коллапса. Ядерное горючее (водород)  выработано,  нет  высокого  давления  плазмы,  и  радиус звезды уменьшается в сотни раз. Соответственно изменению объема возрастает плотность плазмы, электронный газ переходит в состояние вырождения,
что  стабилизирует  ситуацию:  сжатие  прекращается.  Теплоемкость  звезд очень велика, поэтому Белый карлик долго светит «по инерции», переходя в разряд Коричневого и Черного (невидимого) карлика. Другой путь образования Белого карлика – при сбросе внешней части Красного гиганта. 
 
                                                                                     Красные гиганты

Это звезды с массами, примерно равными массе Солнца или ненамного большими. Когда в центре желтой звезды выгорает водород (его место занимает гелиевая сердцевина), внутри звезды назревают крупные перемены. Гелиевая сфера все больше сжимается, выделяющаяся гравитационная энергия передается на внешний слой, окружающий гелиевое «ядро», и там начинается  протон-протонный  цикл.  Возрастающее  давление «раздувает» звезду  до размеров в десятки раз больших, чем в начале. Цвет звезды становится красным, так как площадь фотосферы растет быстрее, чем увеличивается энерговыделение.  Если в объеме Красного гиганта на предыдущем этапе его «жизненного пути» накопилось достаточно большое количество ядер углерода, то возможно  возникновение  ещё  одного  цикла  реакций.  Углеродно-азотный  каскад термоядерных  превращений  включает шесть  реакций,  в  которых  действующими лицами  являются изотопы углерода, азота, кислорода, водорода (протоны)  и  ядра  гелия-4.  Последней  реакцией  цикла  является  восстановление исходного ядра углерода из ядра изотопа азота  

                                                                       ₇H¹⁵ + ₁H¹ => ₆C¹² +₂He⁴ + 4,96МэВ                        (4.9)



В данном цикле водород превращается в гелий с помощью катализатора - углерода-12, количество  которого  не  меняется.  Суммарное,  балансовое  выделение  энергии  составляет  около 25 МэВ на один цикл. Особенно благоприятны условия  для  протекания углерод-азотного  каскада  в пограничной  области  между  гелиевым  ядром звезды и водородной оболочкой. Из внешней оболочки  в  реакционный  слой  поступает  водород,  а образованный гелий уходит в звездное ядро. Зона реакций продвигается к периферии, высокое газокинетическое  и  лучевое  давление  раздувают внешнюю  оболочку,  дополнительно  сжимая  гелиевое ядро.  

При определенных условиях Красный гигант может более-менее «спокойно»  сбросить  свою внешнюю  плазменную  оболочку  так,  что  образуется холодная  планетарная туманность с  Белым  карликом  в  её  геометрическом центре.  Фотографии  планетарных уманностей напоминают  колечки  дыма, средняя  масса  туманности  примерно  равна 0,2М_с. Они  неограниченно  расширяются  со  сравнительно  небольшой  скоростью  и  за  несколько  десятков тысяч лет рассеиваются в пространстве. 
 
                                                                         Нейтронные звезды

Звезды более массивные, чем Солнце, образуют Красные сверхгиганты. Для них ткрываются другие пути эволюции. Оценки, сделанные по идеализированной модели без учета вращения звезды и потери её массы на излучение,  показали,  что  если  масса  звезды  находится  в  интервале  значений  1,2 М_с < М < 2,5 М_с, то давление вырожденного электронного газа в протонэлектронной плазме не сможет удержать гравитационное сжатие на «уровне» Белого карлика. Электроны будут «впрессованы» в протоны и появится нейтронный  газ  чрезвычайно  высокой  плотности.  В  этом  случае  формируется нейтронная звезда.

Радиус нейтронных звезд имеет порядок 10 км при плотности вещества порядка 10¹¹ кг/см³.

Реакции  начинаются «разом»  при  достижении  критической  плотности  и  сопровождаются  выделением энергии, разогревающей нейтронный газ до температуры порядка 10⁹ К. Это очень большая температура, даже для  звезд, но она быстро падает.
Дело в том, что образующиеся нейтрино эффективно уносят энергию из объема звезды. В отличие  от  электромагнитного  излучения  они  слабо взаимодействуют с веществом и не поглощаются им.  За  один  месяц  температура  понижается  до 10⁸  К.  Как  любое  нагретое  тело,  нейтронная звезда  излучает  энергию,  и  максимум  планковского  спектра  лежит  в  области  рентгеновских лучей. Энергия квантов соответствует примерно 400  кэВ.  Теоретики  предсказывают  слоевую структуру нейтронных  звезд. Нейтронный  газ  сконденсирован до  состояния сверхтекучей жидкости, в центре же возможно выпадание адронной жидкости  в  виде  коллективизированных  кварков. Внешняя  часть  образована «корой»  из  концентрических  слоев  сначала  тяжелых,  затем  легких  ядер.  Поскольку  Красные  гиганты  и  сверхгиганты  обладают  магнитным  полем,  его индукция при  сжатии нейтронной  звезды  возрастает на многие порядки  величины, становясь в миллион раз больше индукции земного магнитного поля.

В  свободном  состоянии нейтроны нестабильны, мы об  этом  говорили ранее. При очень больших давлениях распад подавляется, энергетически более  выгодно  существование  плотного  газа  нейтронов.  Но  на  поверхности звезды  распады  происходят, «восстанавливая»  электроны  и  протоны. Электроны  движутся  в  сильном  магнитном  поле  звезды  по  спирали  и  являются источником  радиоволн.  Магнитные  полюса  нейтронной  звезды  служат своеобразным  прожектором  радиоизлучения.  Как  и  для  Земли,  положение магнитного полюса может не совпадать с положением географического. Тогда луч радиопрожектора описывает конус вокруг оси вращения звезды. Когда луч «задевает» Землю, мы можем  зарегистрировать импульс радиоизлучения. Первые радиопульсары были открыты в 1968 году, самые быстрые из них имеют период порядка тысячных долей секунды. Это значит, что многие нейтронные звезды делают тысячи оборотов за 1 с.  

                                                                          Черные дыры

Для звезд с массой М > 2,5 М^с гравитационный коллапс не могут остановить никакие из известных сил. Вся оставшаяся масса будет стянута в объект  с  размерами  порядка  его  гравитационного  радиуса,  величина  которого находится из равенства полной энергии частицы вещества или излучения потенциальной энергии её взаимодействия с черной дырой массы М  

В ходе образования Черной дыры гравитационное поле может быть  сильно переменным,  так  что  в  это  время  происходит мощное  излучение  гравитационных  волн (см.  раздел 2.6).  Однако  очень  быстро (за время  порядка  R_г /с)  нестационарные  процессы  затухают,  а  гравитационные  волны уносятся  частично  в  возникающую Черную дыру,  частично  во Вселенную. После  этого вокруг  такого  необычного  объекта  остается только симметричное стационарное поле тяготения.  Если  образование Черной  дыры произошло в двойной  звездной  системе, вещество  звезды -  компаньона  будет  по  спирали  стекать  в «воронку» Черной дыры.

При аккреции на Черную дыру потоков ядер водорода, гелия, электронов  возникает  сплошной  спектр  электромагнитного  излучения,  от жесткого гамма-излучения  до  радиоволнового.  По  этим  признакам  можно  опознать Черные  дыры.  Так,  предполагают,  что  мощный  источник  с широким  спектром излучения в окрестности В404 Лебедя является Черной дырой. Его масса оценивается в 6,3 солнечной массы. Ещё один кандидат на это звание обнаружен в двойной рентгеновской системе АО620-00, где компактный невидимый компонент имеет массу, превосходящую солнечную в 16 раз. Существует предположение о наличии сверхмассивных Черных дыр в центрах некоторых галактик.

Долгое время считали Черные дыры тупиками в эволюции звезд, куда безвозвратно «пропадает»  вещество  и  излучения.  Квантово-механический анализ проблемы был недавно проведен выдающимся физиком современности  Стивеном  Хокингом (будучи  инвалидом,  передвигающимся  в  особом кресле и говорящим с помощью синтезатора речи, он является профессором кафедры, на которой когда-то работал Ньютон). Теоретически была открыта возможность  квантового испарения Черных  дыр. Не  вдаваясь  во  все  детали расчетов, можно  пояснить  идею Хокинга  с  помощью  рис. 4.21,  на  котором окружность изображает положение гравитационного радиуса Черной дыры.



По  разные  стороны  от  воображаемой границы (физически  никаких  особенностей пространство  на  ней  не  имеет)  образована  в результате  флуктуаций  энергии Физического вакуума  пара «частица –  античастица».  Из определения  гравитационного радиуса  следует,  что  у  рожденных «близнецов»  будет  различная судьба. Один из них пленён полем тяготения Черной дыры и должен в неё упасть. Зато  другой,  рожденный  хотя  бы  чуть-чуть дальше границы, имеет шанс покинуть область Черной дыры.

Закон  сохранения  энергии  выполняется:  энергия  поля  Черной  дыры обеспечивает  поляризацию Физического  вакуума,  энергия  последнего  переходит в 2 mс² пары и их кинетическую  энергию. За счет последней одна из частиц пары и уходит от места рождения. Само существование границы разводит компоненты пары.

Теория показывает, что в принципе возможен поток частиц (равно как и античастиц) от Черной дыры. Термин «испарение» подчеркивает флуктуационный характер процесса и его постепенность. Хокинг считает, что Черная дыра как излучатель эквивалентна абсолютно черному телу с температурой



Обратим внимание на одну особенность формулы (4.13). Температура Черной дыры обратно пропорциональна величине гравитационного радиуса. В свою очередь, он прямо пропорционален массе Черной дыры. Вывод: чем меньше масса Черной дыры, тем выше её эффективная температура. Это значит, что Черные дыры не являются «застывшими» объектами, они могут не только поглощать, но и излучать, теряя массу. Чем меньше будет масса, тем мощнее её тепловое излучение. При М М_с температура Т_ч . 10^-8 К. Но мини-дыра  с массой,  примерно  равной Эвересту  будет  иметь  температуру  порядка 10¹¹ К! Можно полагать, что мини-дыры завершают свою эволюцию с бурным выделением энергии, близком к взрывному. Таким образом, энергиямасса Черных дыр снова возвращается и рассеивается во Вселенной.

Во многих случаях часть падающей в Черную Дыру материи выбрасывается из области «синхрокомптоновского котла» назад в виде джета - узконаправленного потока релятивистской плазмы.

В  последнее  время  показано,  что  чем  больше  размеры  галактики,  тем больше масса Черных Дыр, которые «прячутся» в их центрах. Поэтому обсуждается новый  вариант  развития  событий  во Вселенной на  этапе  возникновения первых звезд и галактик. Возможный сценарий состоит из следующих основных «актов».
 
1.  Из  гигантских  газовых  облаков  формируются  первичные  звезды - сверхгиганты,  массы  которых  превосходят  массу  Солнца  в  миллионы  раз. Огромные размеры и масса сверхзвезд является причиной их гравитационной неустойчивости.  Прежде  чем  в  их  недрах  зажгутся  термоядерные  реакции, сверхгиганты  неудержимо «схлопываются»,  коллапсируют  в Черную Дыру. Сверхзвезды порождают массивные Черные Дыры.

2.  Мощное  поле  тяготения  таких  объектов  притягивает  вещество  из космического пространства так, что вокруг Черной Дыры формируется газопылевой  диск.  При  его  уплотнении  начинают  образовываться  миллиарды звезд,  вызывая появление на  свет  спиральных  галактик. В  этом многие  астрофизики видят организующую роль Черных Дыр во Вселенной.  

3. Десять миллиардов лет назад Вселенная была примерно в восемь раз меньше ее современных размеров. Галактики находились гораздо ближе друг к другу и сталкивались намного чаще, чем теперь. Столкновения приводили е слиянию Черных Дыр и изменению формы галактик. Появлялись спиральные галактики с пересечениями и эллиптические галактики.  

4.  В  настоящее  время  столкновения  галактик  происходят  редко  и  их Черные Дыры находятся в спокойном состоянии, поглощая из аккреционных дисков огромные потоки вещества и выбрасывая плазму в виде джетов. Выдержит ли эта гипотеза проверку временем - покажет будущее.

                                                                        Сверхновые звезды

Возможность образования нейтронных звезд и черных дыр была показана теоретически ещё в 50-х годах текущего столетия, но лишь недавно была установлена их связь со вспышками сверхновых звезд. Когда в небе появляется «звезда – гостья», как одна из них была названа в 1054 году в китайской хронике,  то  выделяется просто невероятное количество  энергии: больше, чем излучает её наше Солнце за 10 млрд. лет! Это самое мощное природное явление в мире звезд. Более грандиозными были только (согласно некоторым гипотезам) взрывы галактик.

Физической  основой  такого  энерговыделения  могут  быть  только  термоядерные взрывы - цепные ветвящиеся реакции синтеза более тяжелых элементов из ядер легких.

Развитие теории ядерных реакций позволило понять, почему обычные звезды,  состоящие  в  основном  из  водорода  и  гелия,  не  взрываются. Дело  в том, что реакции протон-протонного цикла включают в себя -распад (с вылетом электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино). Он является результатом слабых взаимодействий и не зависит от температуры. Нет возможности его ускорить. Другое дело реакции типа 3⁴Не => ¹²С или реакции углерод-азотного цикла (4.9), идущие по пути присоединения протонов к  ядрам углерода, кислорода, азота, неона. Они резко ускоряются с ростом температуры,  и  накопление  этих  элементов  в  недрах  звезд  означает  накопление «ядерной взрывчатки».

В Красных сверхгигантах, как показывают теоретические модели, создается  слоевая  структура (луковица)  распределения  элементов. Центр  занимают ярда железа (водород и гелий здесь выгорели). Её облегает "мантия" с преобладанием указанных выше легких элементов, выше которой находится гелий-водородная оболочка. По расчетам одной из моделей масса центрального  ядра  составляет 3  солнечные  массы,  масса  кислородно-углеродноазотной мантии доходит до 15 масс Солнца, 12 солнечных масс приходится на долю внешней оболочки. Условия для взрыва создаются тогда, когда железное ядро начнет коллапсировать.  

Когда вещество «мантии», то есть слой ядерной взрывчатки рухнет на поверхность нейтронной звезды, образуется ударная волна с высоким температурным фронтом. Она и вызывает детонацию «взрывчатки» и происходит вспышка  сверхновой.  В  результате  взрыва  внешняя  оболочка  и  мантия разгоняются  до  высоких  скоростей  и  сбрасываются  в  космическое пространство.  При  этом «захватывается»  и  часть  магнитного  поля  звезды. Релятивистские  электроны  даже  в  слабых  магнитных  полях  испытывают большую  силу  Лоренца  и  при  вращательном  движении  порождают электромагнитное  излучение  типа  синхротронного.  Оно  характеризуется ние  типа  синхротронного. Оно  характеризуется широким  спектром,  а положение  максимума  в  спектре  частот  прямо  пропорционально  величинам  индукции магнитного поля и квадрату энергии электрона. В большинстве случаев положение максимума попадает в радиодиапазон частот. По изолиниям радиоизлучения  удается  обнаружить  даже  слабые  остатки  оболочки,  сброшенной при вспышке сверхновой.
 
Следует отметить два факта, связанных с рассматриваемым процессом. Во-первых,  в  процессе  должны  рождаться  нейтрино  и  они  выносят  в  окружающее  пространство  до 90%  высвобожденной  при  сжатии  энергии.  Во-вторых, часть  энергии взрыва, направленная в центр  звезды, может «стимулировать» сжатие до образования Черной дыры.

24 февраля 1987 г. в соседней галактике - Большом Магеллановом облаке - вспыхнула сверхновая, её можно было видеть невооруженным глазом в южном полушарии. Используя  современные методы наблюдений, удалось узнать, что масса взорвавшейся звезды была равна примерно 17 солнечным, а возраст её приближался к 20 млн лет.  

В  соответствии  с  теорией,  качественно  приведенной  выше,  вспышка сопровождалась всплеском  нейтринного  потока. Однако  на  месте  вспышки не  обнаружили  пульсара. Возможно,  что  ориентация  радиолуча  такова,  что он не захватывает Землю.



В  августе 1990  г.  космический  телескоп «Хаббл» передал на Землю результаты наблюдения  этой  сверхновой,  точнее -  её сброшенной оболочки. Анализ данных показал, что остатки от взрыва движутся со скоростью около 10 000 км/с (что составляет 0,1 от  скорости  света).  Совершенно  неожиданными были другие результаты. Оказывается остаток  сверхновой  окружает  другая планетарная туманность, невидимая с Земли. Она представляет  собою  кольцо  диаметром  1,4 св. года и была сброшена звездой за 1000 лет  до  взрыва.  Теперь,  за  несколько  десятков  лет,  кольцо  будет  разрушено  и  перемешается  с  остатками Сверхновой. Этот пример показывает, что реальная природа всегда богаче наших научных теорий и упрощенных моделей, в том числе моделей эволюции звезд.

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.