Еволюційні процеси в мегаміреЗвезди

«Псковський державний політехнічний інститут»

КОНТРАЛЬНАЯ РОБОТА ПО ПРЕДМЕТУ: КОНЦЕПЦІЇ СУЧАСНОГО природознавства

на тему: Еволюційні процеси в мегасвіті (Зірки).

Виконав студент:

Перевірив

Псков 2010

ЗМІСТ

1.Необратімость еволюції зірок

1.1Межзвездная середу

1.2 Поняття зоряної еволюції

2. Діалектика «боротьби» між гравітацією і температурою в перебігу «життя» зірок

2.1 Процес зореутворення

2.2 Зірка - плазмовий кулю

2.3 Зірка як саморегулююча система

3. Зоряні «останки»: білі карлики, нейтронні зірки, чорні діри

3.1 Білі карлики

3.2 Нейтронні зірки

3.3 Чорні діри

Список використаної літератури

1.Необратімость еволюції зірок.

1.1 Міжзоряне середовище

Велику роль у динаміці зоряних процесів, в зоряній еволюції грає міжзоряне середовище, тісно пов'язана з зірками: в міжзоряному середовищі вони народжуються, а «помираючи», віддають їй свою речовину. Таким чином, між зірками і міжзоряним середовищем відбувається кругообіг речовини: міжзоряне середовище> зірки> міжзоряне середовище. У ході такого кругообігу міжзоряне середовище збагачується створюваними в надрах зірок хімічними елементами. Близько 85% всіх хімічних елементів важче гелію виникло на зорі нашої Галактики, приблизно 15 млрд років тому. У той час відбувався інтенсивний процес зореутворення, а час життя, еволюції масивних зірок було відносно коротким. Лише 10-13% хімічних елементів (важкого гелію) мають вік менше 5 млрд років.

Хоча навіть у потужні оптичні телескопи ми бачимо в нашому галактичному просторі лише зірки і розділяє їх темну «безодню», насправді міжзоряний галактичне простір не є абсолютною порожнечею, воно заповнене матерією (речовиною і полем).

Питання тільки в тому, що які форми цієї матерії, в якому стані тут перебувають речовина і поле.

Міжзоряне середовище складається на 90% з міжзоряного газу, який досить рівномірно перемішаний з міжзоряним пилом (близько 1% маси міжзоряного середовища), а також космічних променів, пронизується міжзоряними магнітними полями, потоками нейтрино, гравітаційного та електромагнітного випромінювання. Всі компоненти міжзоряного середовища впливають один на одного (космічні промені і електромагнітне поле іонізують і нагрівають міжзоряний газ, магнітне поле визначає рух газу та ін) Проявляє себе міжзоряне середовище в ослабленні, розсіянні, поляризації світла, поглинанні світла в окремих лініях спектру, радіовипромінювання, інфрачервоному, рентгенівському і гамма-випромінювання, через оптичне світіння деяких туманностей та ін

Основна складова міжзоряного середовища - міжзоряний газ, який, як і речовина зірок, складається головним чином з атомів водню (близько 90% всіх атомів) і гелію (близько 8%), 2% представлені іншими хімічними елементами (переважно кисень, вуглець, азот, сірка, залізо та ін.) Загальна маса молекулярного газу в нашій Галактиці дорівнює приблизно 4 млрд мас Сонця, що складає приблизно 2% всієї маси речовини Галактики. З цієї речовини щорічно утворюється приблизно 10 нових зірок!

Міжзоряний газ існує як в атомарному, так і в молекулярному стані (найбільш щільні й холодні частини молекулярного газу). При цьому він зазвичай перемішаний з міжзоряним пилом (яка являє собою тверді дрібні тугоплавкі частки, що містять водень, кисень, азот, силікати, залізо), утворюючи газопилові освіти, хмари. Революційне значення для космохімії мало відкриття в газопилових хмар різних органічних сполук - вуглеводнів, спиртів, ефірів, навіть амінокислот та інших сполук, в яких молекули містять до 18 атомів вуглецю.

До теперішнього часу в міжзоряному газі відкрито понад 40 органічних молекул. Найчастіше вони зустрічаються в місцях найбільшої концентрації газопилового речовини. Природно виникає припущення, що органічні молекули з міжзоряних газопилових хмар могли сприяти виникненню найпростіших форм життя на Землі.

Газопилові хмари знаходяться під впливом різних сил (гравітаційних, електромагнітних, ударних хвиль, турбулентності та ін), які або сповільнюють, або прискорюють неминучий процес їх гравітаційного стиснення і поступового перетворення на протозірки.

1.2 Поняття зоряної еволюції

Зірки - грандіозні плазмові системи, в яких фізичні характеристики, внутрішню будову і хімічний склад змінюються з часом. Час зоряної еволюції, зрозуміло, дуже велика, і ми не можемо безпосередньо простежити еволюцію тієї або іншої конкретної зірки. Це компенсується тим, що кожна з безлічі зірок на небі проходить деякий етап еволюції. Підсумовуючи спостереження, можна відновити загальну спрямованість зоряної еволюції (по діаграмі Герцшпрунга - Рессела вона відображається головною послідовністю і відступом від неї вгору і вниз). Сучасна теорія будови і еволюції зірок пояснює загальний хід розвитку зірок добре узгоджуються з даними спостереження.

Основні фази в еволюції зірки - її народження (зореутворення); тривалий період (зазвичай стабільного) існування зірки як цілісної системи, що перебуває у гідродинамічному та тепловій рівновазі, і, нарешті, період її «смерті», тобто необоротне порушення рівноваги, що веде до руйнування зірки або до її катастрофічного стиснення.

Хід еволюції зірки залежить від її маси і вихідного хімічного складу, який, у свою чергу, залежить від часу утворення зірки і її положення в Галактиці у момент утворення. Чим більше маса зірки, тим швидше йде її еволюція і тим коротше її «життя». Для зірок з масою, що перевищує сонячну масу в 15 разів, час стабільного існування виявляється всього близько 10 млн років. Це вкрай незначний час за космічними мірками, адже час, відведений для нашого Сонця, на 3 порядки вище - близько 10 млрд років.

Як по відношенню до історії людства, так і по відношенню до історії зірок можна говорити про їх поколіннях. Кожне покоління зірок має особливі закономірності формування та еволюції. Наприклад, зірки першого покоління утворилися з речовини, склад якого склався в початковий період існування Всесвіту - майже 75% водню і 25% гелію з нікчемним домішкою дейтерію і тритію. У ході, мабуть, досить швидкої еволюції масивних зірок першого покоління утворилися важчі хімічні елементи (в основному аж до заліза), які згодом були викинуті у міжзоряний простір у результаті витікання речовини із зірок або їх вибухів. Зірки наступних поколінь вже формувалися з речовини, що містить 3-4% важких елементів. Тому, говорячи про зоряної еволюції, треба розрізняти принаймні три значення цього поняття: еволюція окремої зірки, еволюція окремих типів (поколінь) зірок і еволюція зоряної матерії як такої.

2. Діалектика «боротьби» між гравітацією і температурою в перебігу «життя» зірок.

2.1 Процес зореутворення.

Зореутворення - це процес народження зірок з міжзоряного газу, газопилових утворень, хмар. Процес зореутворення триває безперервно, він відбувається і в даний час.

Як ми вже відзначали, для кожного покоління зірок характерні конкретні умови зореутворення. Крім того, перші покоління зірок утворювалися в основному в області галактичного центру, у всьому його обсязі. Надалі, у зв'язку з тим, що міжзоряний газ все більше концентрувався в площині Галактики, зореутворення відбувалося і відбувається зараз в цій галактичної площини.

Зірки утворюються не поодинці, а групами, скупченнями, що є результатом гравітаційної конденсації, стиснення (колапсу) величезних обсягів міжзоряного газу, газопилових хмар. Цей процес добре описується теорією. Крім того, є численні дані спостережень народження зірок. Їх число особливо збільшилося з виникненням радіо-і інфрачервоної астрономії, для діапазонів яких газ і пил прозорі.

Зореутворення починається зі стиснення та подальшої фрагментації (під дією гравітаційних сил) протяжних холодних хмар молекулярного міжзоряного газу. Маса газу повинна бути такою, щоб дія сил гравітації переважало над дією сил газового тиску. При сучасних температурах міжзоряного газу (10-30 К) його мінімальна маса, яка може конденсуватися, колапсувати, становить не менше тисячі мас нашого Сонця. Кожен з утворених фрагментів може в свою чергу розділятися на окремі фрагменти (так звана каскадна фрагментація). Остання серія фрагментів і являє собою матеріал, з якого безпосередньо формуються зірки.

У міру стиснення в такому фрагменті поступово виділяються ядро і оболонка. Ядро - це центральна, більш щільна і компактна частина, що досягла гідростатичної рівноваги. Оболонка - це зовнішня, протяжна, що продовжує колапсувати частина газопилового фрагмента. (З матеріалу оболонки згодом при її перетворення в газопилової диск можуть утворюватися навколишні зірку планети.) Процес конденсації супроводжується зростанням магнітного поля, зростанням тиску газу. Довгий час оболонка залишається щільною і непрозорою, що робить рождающуюся зірку невидимою в оптичному діапазоні. (Зате її можна зафіксувати засобами радіо-і інфрачервоної астрономії.) Так поступово формуються протозірки - грандіозні непрозорі маси міжзоряного газу зі сформованим ядром, в яких гравітація врівноважується силами внутрішнього тиску.

З утворенням протозірки зростання маси її ядра не припиняється. Маса ядра продовжує збільшуватися а рахунок випадання газу на ядро з оболонки (акреція). Сили гравітації ростуть і розігрівають ядро, яке зазнає якісних змін, в тому числі зростають його світність і тиск випромінювання. Потім зростання ядра і конденсація газу з оболонки припиняються. Оболонка поступово «здуває» випромінюванням і розсіюється. А ядро з боку набуває вигляду зоряного об'єкта. Цей процес гравітаційного стиснення триває відносно недовго (від сотень тисяч до декількох десятків млн років) і закінчується тоді, коли температура в центрі досягає тих значень (10-15 млн градусів), при яких включається інше джерело енергії - термоядерні реакції. Стиснення при цьому припиняється і процес зореутворення завершується: протозірка остаточно перетворюється на зірку.

Теорія зореутворення не тільки описує його загальний хід, але і дозволяє виділити фактори, які можуть уповільнювати або стимулювати зореутворення. До сповільнює факторів належать: незначна маса протозірки, висока швидкість обертання газопилової хмари, сильне магнітне поле та ін Стимулюючими зореутворення процесами є: ударні хвилі, породжені спалахами наднових зірок; іонізаційні фронти; зіткнення хмар; зоряний вітер (потік плазми від гарячих зірок) і ін Наприклад, якщо маса протозірки дуже мала (менше 0,08 маси Сонця), то її гравітаційне стиснення відбувається дуже повільно, а температура в ядрі ніколи не досягає значень, необхідних для початку термоядерної реакції. Такі протозірки будуть стискуватися дуже і дуже довго (час їх гравітаційного стиснення перевищує час життя Галактики), поступово перетворюючись на так звані чорні діри.

2.2 Зірка - плазмовий кулю

Зірки - це величезні розпечені сонця, але настільки віддалені від нас в порівнянні з планетами Сонячної системи, що, хоча, вони сяють у мільйони разів яскравіше, їх світло здається нам щодо тьмяним.

У зірках зосереджена основна маса (98-99%) видимої речовини у відомій нам частині Всесвіту. Зірки - потужні джерела енергії. Зокрема, життя на Землі зобов'язана своїм існуванням енергії випромінювання Сонця.

Речовина зірок представляє собою плазму, тобто знаходиться в іншому стані, ніж речовина у звичних для нас земних умовах. Плазма - це четверте (поряд з твердим, рідким, газоподібним) стан речовини, що є іонізований газ, в якому позитивні (іони) і негативні заряди (електрони) в середньому нейтралізують один одного. У земних умовах плазма зустрічається дуже рідко - в електричних розрядах в газах, блискавки, у процесах горіння і вибуху і т.д. Близько Землі плазма існує у вигляді сонячного вітру, радіаційних поясів, іоносфери і ін Зате у Всесвіті в стані плазми знаходиться переважна частина речовини. Окрім зірок, це - міжзоряне середовище, галактичні туманності та ін Отже, строго кажучи, зірка - це не просто газова куля, а плазмовий кулю.

Зірка - динамічна, спрямованим чином змінюється плазмова система. У ході життя зірки її хімічний склад і розподіл хімічних елементів значно змінюються. На пізніх стадіях розвитку зоряне речовина переходить в стан виродженого газу (у якому квантово-механічне вплив часток один на одного істотно позначається на його фізичні властивості - тиску, теплоємності та ін), а іноді і нейтронного речовини (пульсари - нейтронні зірки, барстери - джерела рентгенівського випромінювання та ін)

Висока світність зірок, підтримувана протягом тривалого часу, свідчить про виділення в них величезних кількостей енергії. Сучасна фізика вказує на два можливих джерела енергії - гравітаційне стиснення, що приводить до виділення гравітаційної енергії, і термоядерні реакції, у результаті яких з ядер легких елементів синтезуються ядра більш важких елементів, і виділяється велика кількість енергії.

Як показують розрахунки, енергії гравітаційного стиснення було б достатньо для підтримки світимості Сонця протягом всього лише 30 млн років. Але з геологічних та інших даних випливає, що світність Сонця залишалася приблизно постійною протягом мільярдів років. Гравітаційне стиснення може служити джерелом енергії лише для дуже молодих зірок. З іншого боку, термоядерні реакції протікають з достатньою швидкістю лише при температурах, в тисячі разів перевищують температуру поверхні зірок. Так, для Сонця температура, при якій термоядерні реакції можуть виділяти необхідну кількість енергії, становить, за різними розрахунками, від 12 до 15 млн. К ^о. Така колосальна температура досягається в результаті гравітаційного стиснення, яке і «запалює» термоядерну реакцію. Таким чином, в даний час наше Сонце є повільно палаючої водневою бомбою.

2.3 Зірка як саморегулююча система.

Джерелами енергії у більшості зірок є водневі термоядерні реакції в центральній зоні. У ході цих реакцій водень перетворюється в гелій, виділяючи величезну кількість енергії.

Водень - головна складова частина космічного речовини і найважливіший вид ядерного пального в зірках. Запаси його в зірках настільки великі, що ядерні реакції можуть протікати протягом мільярдів років. При цьому, до тих пір поки в центральній зоні весь водень не вигорить, властивості зірки змінюються мало.

У надрах зірок, при температурах більше 10 млн. К ^о і величезних плотностях, газ має тиском в мільярди атмосфер. У цих умовах зірка може перебувати в стаціонарному стані лише завдяки тому, що в кожному її шарі внутрішній тиск газу врівноважується дією сил тяжіння. Якщо усередині зірки температура з якої-небудь причини підвищиться, то зірка повинна роздутися, так як зростає тиск у її надрах. І, навпаки, якщо температура всередині зірки, а значить і тиск, понизиться, то радіус зірки зменшується. Такий стан називається гідростатичним рівновагою. Отже, стаціонарна зірка є плазмовий кулю, що знаходиться в стані гідростатичної рівноваги.

Стаціонарний стан зірок характеризується ще й тепловим рівновагою, що означає, що процеси виділення енергії в надрах зірок, процеси тепловідводу енергії з надр до поверхні і процеси випромінювання енергії з поверхні повинні бути збалансовані. Якщо тепловідвід перевищить тепловиділення, то зірка почне стискатися і розігріватися. Це призведе до прискорення ядерних реакцій, і тепловий баланс буде знову відновлено. Таким чином, зірка представляє собою тонко збалансований «організм», вона виявляється саморегулюючою системою. Причому чим зірка більше, тим швидше вона вичерпує свій запас енергії.

Після вигоряння водню в центральній зоні зірки утворюється гелиевое ядро. Водневі термоядерні реакції продовжують протікати, але тільки в тонкому шарі поблизу поверхні цього ядра. Поступово вони переміщуються на периферію зірки. Зірка приймає гетерогенну структуру. Вигоріле ядро починає стискатися, а зовнішня оболонка - розширюватися. Оболонка розбухає до колосальних розмірів, зовнішня температура стає низькою, і зірка переходить у стадію червоного гіганта. З цього моменту життя зірки починає хилитися до заходу.

Вважають, що на стадії червоного гіганта наше Сонце збільшиться настільки, що заповнить орбіту Меркурія. Правда, Сонце стане червоним гігантом приблизно через 5 млрд. років. Так що особливих підстав для занепокоєння у жителів Землі немає. Адже сонячна система утворилася всього лише 5 млрд. років тому.

Для червоного гіганта характерна низька зовнішня температура, але дуже висока внутрішня. З її підвищенням у термоядерні реакції включаються все більш важкі ядра. На цьому етапі (при температурі понад 150 млн. К ^о) в ході ядерних реакцій здійснюється синтез більш важких, ніж гелій, хімічних елементів.

3. Зоряні «останки»: білі карлики, нейтронні зірки, чорні діри.

3.1 Білі карлики.

Білі карлики - одна з захоплюючих тем в історії астрономії: вперше були відкриті небесні тіла, що мають властивості, дуже далекими від тих, з якими ми маємо справу в земних умовах. І, цілком ймовірно, дозвіл загадки білих карликів поклало початок дослідженням таємничої природи речовини, захованого десь в різних куточках Всесвіту.

У Всесвіті багато білих карликів. У свій час вони вважалися рідкістю, але уважне вивчення фотопластинок, отриманих в обсерваторії Маунт-Паломар (США), показало, що їх кількість перевищує 1500. Вдалося оцінити просторову щільність білих карликів: виявляється, в сфері з радіусом у 30 світлових років має знаходитися близько 100 таких зірок. Історія відкриття білих карликів сходить до початку 19в, коли Фрідріх Вільгельм Бессель, простежуючи рух найяскравішої зірки Сіріус, відкрив, що її шлях є не прямою лінією, а має хвилеподібний характер. Власний рух зорі відбувалося не по прямій лінії; здавалося, що вона ледь помітно зсувалася з боку в бік. До 1844г., Через приблизно десять років після перших спостережень Сіріуса, Бессель прийшов до висновку, що поряд з Сіріусом знаходиться друга зірка, яка, будучи невидимою, надає на Сіріус гравітаційний вплив; воно виявляється по коливань в русі Сіріуса. Ще більш цікавим виявилося те обставина, що якщо темний компонент справді існує, то період обертання обох зірок щодо їх загального центру ваги дорівнює приблизно 50 рокам. У 1862г. Алван Кларк побачив слабкий «привид», який з'явився на східному краю поля зору телескопа в відблиску Сіріуса. Потім, у міру руху небосхилу, в поле зору потрапив і сам Сіріус. Його зображення було спотворено - здавалося, що «примара» являє собою дефект лінзи. Однак ця виникла в полі зору телескопа слабка зірочка виявилася компонентом Сіріуса, передбаченим Бессель.

Таким чином, Сіріус став предметом загального інтересу і багатьох досліджень, бо фізичні характеристики подвійної зірки ¹ заінтригували астрономів. З урахуванням особливостей руху Сіріуса, його відстань до Землі і амплітуди відхилень від прямолінійного руху астрономам вдалося визначити характеристики обох зірок системи, названих Сіріус А і Сіріус В. Сумарна маса обох зірок виявилася в 3,4 рази більше маси Сонця. Було знайдено, що відстань між зірками майже в 20 разів перевищує відстань між Сонцем і Землею, тобто приблизно дорівнює відстані між Сонцем і Ураном; отримана на підставі вимірювання параметрів орбіти маса Сіріуса А опинилася в 2,5 рази більша за масу Сонця, а маса Сіріуса У склала 95% маси Сонця. Після того як були визначені світимості обох зірок, виявилося, що Сіріус А майже в 10 000 разів яскравіше, ніж Сіріус В. По абсолютній величині Сіріуса А ми знаємо, що він приблизно в 35,5 рази світить сильніше Сонця. Звідси випливає, що світність Сонця в 300 разів перевищує світимість Сіріуса В.

Світність будь-якої зірки залежить від температури поверхні зірки і її розмірів, тобто діаметру. Близькість другого компонента до більш яскравого Сіріуса А надзвичайно ускладнює визначення його спектру, що необхідно для встановлення температури зірки. У 1915р. з використанням усіх технічних засобів, які мала найбільша обсерваторія того часу Маунт-Вілсон (США), були отримані вдалі фотографії спектру Сіріуса. Це призвело до несподіваного відкриття: температура супутника становила 8000 К ^о, тоді як Сонце має температуру 5700 К ^о. Таким чином, супутник насправді виявився гаряче Сонця, а це означало, що світимість одиниці його поверхні також більше.

У самому справі, простий розрахунок показує, що кожен квадратний сантиметр цієї зірки випромінює в чотири рази більше енергії, ніж квадратний сантиметр поверхні Сонця. Звідси випливає, що поверхня супутника повинна бути в 300 разів менше, ніж поверхня Сонця, і Сіріус В повинен мати діаметр близько 40 000 км. Проте маса цієї зірки складає 95% від маси Сонця. Цей означає, що величезна кількість речовини повинен бути упаковано в надзвичайно малому обсязі, інакше кажучи, зірка повинна бути щільною. В результаті нескладних арифметичних дій отримуємо, що щільність супутника майже в 100 000 разів перевищує щільність води. Кубічний сантиметр цієї речовини на Землі важив би 100 кг, а 0,5 л такої речовини - близько 50 т.

Така історія відкриття першого білого карлика. А тепер поставимо собі запитання: яким чином речовину можна стиснути так, щоб один кубічний сантиметр його важив 100 кг?

Коли в результаті високого тиску речовина стисло до великих густин, як у білих карликів, то вступає в дію інший тип тиску, так зване «виродження тиск». Воно з'являється при сильному стисненні речовини в надрах зірки. Саме стиснення, а не високі температури є причиною виродженого тиску. Внаслідок сильного стиснення атоми виявляються настільки щільно упакованими, що електронні оболонки починають проникати одна в іншу.

Гравітаційне стиснення білого карлика відбувається протягом тривалого часу, і електронні оболонки продовжують проникати один в одного до тих пір, поки відстань між ядрами не стане порядку радіуса найменшої електронної оболонки. Внутрішні електронні оболонки являють собою непроникний бар'єр, що перешкоджає подальшому стисненню. При максимальному стисканні електрони вже не пов'язані з окремими ядрами, а вільно рухаються відносно них. Процес відділення електронів від ядер відбувається в результаті іонізації тиском. Коли іонізація стає повною, хмара електронів рухається щодо решітки з важчих ядер, так що речовина білого карлика набуває певних фізичні властивості, характерні для металів. У такому речовині енергія переноситься до поверхні електронами, подібно до того, як тепло поширюється по залізному пруту, що нагрівається з одного кінця.

Але електронний газ проявляє і незвичайні властивості. У міру стиснення електронів їх швидкість все більше зростає, тому що, як ми знаємо, згідно фундаментальному фізичному принципом, два електрони, що знаходяться в одному елементі фазового об'єму, не можуть мати однакові енергії. Отже, щоб не займати один і той же елемент обсягу, вони повинні рухатися з величезними швидкостями. Найменший розмір допустимого об'єму залежить від діапазону швидкостей електронів. Проте в середньому, чим нижче швидкість електронів, тим більше той мінімальний обсяг, який вони можуть позичати. Іншими словами, самі швидкі електрони займають найменший об'єм. Хоча окремі електрони носяться зі швидкостями, відповідними внутрішньої температурі порядку мільйонів градусів, температура повного ансамблю електронів в цілому залишається низькою.

Встановлено, що атоми газу звичайного білого карлика утворюють грати щільно упакованих важких ядер, крізь яку рухається вироджений електронний газ. Ближче до поверхні зірки виродження слабшає, і на поверхні атоми іонізовані не повністю, так що частина речовини знаходиться в звичайному газоподібному стані.

Знаючи фізичні характеристики білих карликів, ми можемо сконструювати їх наочну модель. Почнемо з того, що білі карлики мають атмосферу. Аналіз спектрів карликів призводить до висновку, що товщина їх атмосфери становить лише кілька сотень метрів. У цій атмосфері астрономи виявляють різні знайомі хімічні елементи. Відомі білі карлики двох типів - холодні і гарячі. У атмосферах більш гарячих білих карликів міститься деякий запас водню, хоча, ймовірно, він не перевищує 0,05%. Тим не менше по лініях в спектрах цих зірок були виявлені водень, гелій, кальцій, залізо, вуглець і навіть окис титану. Атмосфери холодних білих карликів складаються майже цілком з гелію; на водень, можливо, припадає менше, ніж один атом з мільйона. Температури поверхні білих карликів змінюються від 5000 К ^о у "холодних" зірок до 50 000 К ^о у "гарячих". Під атмосферою білого карлика лежить область невиродженого речовини, в якому міститься невелика кількість вільних електронів. Товщина цього шару 160 км, що складає приблизно 1% радіуса зірки. Шар цей може змінюватися з часом, але діаметр білого карлика залишається постійним і рівним приблизно 40 000 км. Як правило, білі карлики не зменшуються в розмірах після того, як досягли цього стану. Вони ведуть себе подібно гарматного ядра, нагрітого до великої температури; ядро може міняти температуру, випромінюючи енергію, але його розміри залишаються незмінними. Чим же визначається остаточний діаметр білого карлика? Виявляється його масою. Чим більше маса білого карлика, тим менше його радіус; мінімально можливий радіус становить 10 000 км. Теоретично, якщо маса білого карлика перевищує масу Сонця в 1,2 рази, його радіус може бути необмежено малим. Саме тиск виродженого електронного газу охороняє зірку від усілякого подальшого стиснення, і, хоча температура може змінюватися від мільйонів градусів в ядрі зірки до нуля на поверхні, діаметр її не змінюється. З часом зірка стає темним тілом з тим же діаметром, який вона мала, вступивши в стадію білого карлика.

Під верхнім шаром зірки вироджений газ практично ізотермічен, тобто температура майже постійна аж до самого центру зірки, вона становить кілька мільйонів градусів - найбільш реальна цифра 6 млн. К ^о.

Тепер, коли ми маємо деякі уявлення про будову білого карлика, виникає питання: чому він світиться? Очевидно одне: термоядерні реакції виключаються. Усередині білого карлика відсутній водень, який підтримував би цей механізм генерації енергії.

Єдиний вид енергії, що є в розпорядженні білий карлик - це теплова енергія. Ядра атомів знаходяться в хаотичному русі, так як вони розсіюються виродженим електронним газом. З часом рух ядер сповільнюється, що еквівалентно процесу охолодження. Електронний газ, який не схожий ні на один з відомих на Землі газів, відрізняється винятковою теплопровідністю, і електрони проводять теплову енергію до поверхні, де через атмосферу ця енергія випромінюється у космічний простір.

Астрономи порівнюють процес охолодження гарячого білого карлика з охолодженням залізного прута, вийнятого з вогню. Спочатку білий карлик охолоджується швидко, але в міру падіння температури всередині нього охолодження сповільнюється. Згідно з оцінками, за перші сотні мільйонів років світність білого карлика падає на 1% від світності Сонця. Зрештою білий карлик має зникнути й стати чорним карликом, проте на це можуть знадобитися трильйони років, і, на думку багатьох вчених, є досить сумнівним, щоб вік Всесвіту був достатньо великий для появи в ній чорних карликів.

Інші астрономи вважають, що і в початковій фазі, коли білий карлик ще досить гарячий, швидкість охолодження невелика. А коли температура його поверхні падає до величини порядку температури Сонця, швидкість охолодження збільшується і згасання відбувається дуже швидко. Коли надра білого карлика досить охолонуть, вони затвердіють.

Маси білих карликів визначені недостатньо точно. Надійно їх можна встановити для компонентів подвійних систем, як у випадку Сіріуса. Але лише деякі білі карлики входять до складу подвійних зірок. У трьох найбільш добре вивчених випадках маси білих карликів, виміряні з точністю понад 10%, виявилися менше маси Сонця і становили приблизно половину її. Теоретично гранична маса для повністю виродженої не обертається зірки повинна бути в 1,2 рази більше маси Сонця. Однак якщо зірки обертаються, а цілком ймовірно, так воно і є, то цілком можливі маси, у кілька разів перевищують солнечную.Сіла тяжіння на поверхні білих карликів приблизно в 60-70 разів більше, ніж на Сонці. Якщо людина важить на Землі 75 кг, то на Сонці він важив би 2тона, а на поверхні білого карлика його вага становила б 120-140 тонн. З урахуванням того, що радіуси білих карликів мало відрізняються і їх маси майже збігаються, можна зробити висновок, що сила тяжіння на поверхні будь-якого білого карлика приблизно одна і та ж. У Всесвіті багато білих карликів. У свій час вони вважалися рідкістю, але уважне вивчення фотопластинок, отриманих в обсерваторії Маунт-Паломар, показало, що їх кількість перевищує 1500. Астрономи вважають, що частота виникнення білих карликів постійна, принаймні, протягом останніх 5 млрд. років. Можливо, білі карлики складають найбільш численний клас об'єктів на небі. Вдалося оцінити просторову щільність білих карликів: виявляється, в сфері з радіусом у 30 світлових років має знаходитися близько 100 таких зірок. Виникає питання: чи всі зірки стають білими карликами в кінці свого еволюційного шляху? Якщо ні, то яка частина зірок переходить в стадію білого карлика?

Повна картина утворення білих карликів туманна і невизначена. Відсутня так багато деталей, що в кращому випадку опис еволюційного процесу можна будувати лише шляхом логічних умовиводів.

І, тим не менше, загальний висновок такий: багато зірок втрачають частину речовини на шляху до свого фіналу, подібного стадії білого карлика, і потім ховаються на небесних «кладовищах» у вигляді чорних, невидимих ​​карликів.

3.2 Нейтронні зірки

Нейтронні зірки утворюються при спалахах наднових зірок, якщо початкова маса зірки була в кілька разів більша за масу сонця, або при акреції ² речовини на білий карлик в тісному подвійній системі. Нейтронні зірки є одними з найцікавіших астрофізичних об'єктів з фізичної точки зору. Для них характерні такі явища і властивості як: надтекучість, надпровідність, надсильні магнітні поля, випромінювання нейтрино, ефекти спеціальної та загальної теорії відносності. У надрах нейтронних зірок можуть існувати екзотичні форми матерії.

Відразу після відкриття нейтрона радянський фізик Л.Д. Ландау (1908-1968) показав, що можливі макрооб'єкти, що складаються в основному з нейтронів - нейтронні зірки. Такі об'єкти стійкі завдяки тиску виродженого газу. Але це не газ електронів, як у випадку білих карликів, а газ нейтронів. Нейтронні зірки мають розміри близько 10км. Оскільки нейтрони майже в 2000 разів важче електронів, то при тій же масі (порядку сонячної) нейтронні зірки в тисячу разів менше білих карликів. Ці параметри відповідають щільності близько 10 ¹⁴ г / см ^3, що близько щільності атомного ядра. Сірникову коробку з речовиною нейтронної зірки важить близько десяти мільярдів тонн.

У 1934 р. Вальтер Бааде (1893-1960) і Фріц Цвіккі (1898-1974) передбачили, що нейтронні зірки можуть народжуватися у спалахах наднових. Проте в цілому прогнози були малообещающімі з астрономічної точки зору: світність, пов'язана з тепловим випромінюванням нейтронної зірки, мізерно мала, і в середині 20 століття не було жодної надії виявити нейтронні зірки. Нейтронні зірки були несподівано відкриті як радіопульсари в 1967 р. в Англії. Радіопульсари - джерела періодичних сплесків радіовипромінювання. У ході досліджень мерехтінь космічних радіоджерел Джоселін Белл, яка працювала під керівництвом Ентоні Хьюіш, виявила суворо періодичний радіосигнал. Після того, як була відкинута гіпотеза про штучне походження сигналу (його пов'язували з позаземною цивілізацією) спостереження були розсекречені, і протягом дуже короткого часу радіопульсари були ототожнені з нейтронними зірками.

Випромінювання радіопульсаров пов'язано з потужним магнітним полем нейтронних зірок (близько ^{12 жовтня} гаус, для порівняння - на Землі 1 гаусс) і швидким обертанням (періоди радіопульсаров лежать в Діпазон від 0.0015 до приблизно 8 секунд). Магніт, що обертається дає випромінювання, якщо магнітна вісь і вісь обертання не збігаються. Чим більше магнітне поле і швидкість обертання, тим більше потужність випромінювання.

Якщо акреція йде на нейтронну зірку, то виділяє велику кількість енергії. Це пов'язано з компактністю нейтронних зірок, завдяки чому падаюче речовина набуває гігантську швидкість (близьку до швидкості світла). Кінетична енергія падаючого речовини після зіткнення з поверхнею (або в диску навколо зірки) переходить в тепло. І воно випромінюється в рентгенівському діапазоні, тому що температура досягає декількох мільйонів градусів.

Якщо на нейтронну зірку випаде занадто багато речовини, то вона може перетворитися на чорну дірку, тому що ніщо (в тому числі і тиск виродженого нейтронного газу) не зможе протистояти гравітації.

Нейтронні зірки утворюються з масивних зірок з масами від 8-10 до 30-40 сонячних мас. З більш масивних зірок утворюються чорні діри. Освіта нейтронної зірки супроводжується спалахом наднової - колосальним вибухом ядра масивної проеволюціонувати зірки. Після вибуху крім нейтронної зірки залишається розлітаються речовина - залишок наднової. Один з найвідоміших - Крабоподібна туманність в сузір'ї Тельця. Залишки наднових випромінюють в основному в радіо, оптичному і рентгенівському діапазонах спектра. Випромінювання пов'язане з рухом електронів і має нетепловую природу.

Молода нейтронна зірка може спостерігатися як радіопульсар, а також як слабкий джерело в оптичному і рентгенівському діапазонах. Це можливо тому молода нейтронна зірка дуже гаряча, її температура порядку сотень тисяч градусів.

Оцінки показують, що в нашій Галактиці повинно бути декілька сотень мільйонів нейтронних зірок. Більшість з них старі одиночні об'єкти.

Вони не випромінюють радіохвилі (стадія пульсара для одиночної зірки триває 10 ⁷ -10 ⁸ років). Єдина можливість побачити їх - акреція міжзоряної речовини. Але це дуже слабкі об'єкти рентгенівського діапазону. Крім того, дослідження показують, що лише кілька відсотків старих нейтронних зірок перебувають на стадії акреції. Тому більшість об'єктів цього типу недоступне для наших спостережень.

Останнім часом велике розвиток одержали дослідження злиття подвійних нейтронних зірок.

Якщо до складу тісної подвійної системи входить два компактних об'єкта (нейтронні зірки або чорні діри), то вони будуть досить швидко зближуватися за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль, передбачених загальною теорією відносності.

У випадку досить тісному системи злиття відбудеться за час менше віку Всесвіту. У 70-і рр.. була відкрита перша така система, що складається з двох нейтронних зірок. За це відкриття Р. Халс і Дж. Тейлор в 1993 р отримали Нобелівську премію з фізики.

Ця система зіллється через кілька сотень мільйонів років. При такому злитті виділяється колосальна кількість енергії (більше ніж при вибуху наднової). Злиття пов'язують з космічними джерелами гамма-сплесків

3.3 Чорні діри

Якщо маса зірки у два рази перевищує сонячну, то до кінця свого життя зірка може вибухнути як наднова ^3, але якщо маса речовини, що залишився після вибуху, все ще перевершує дві сонячні, то зірка повинна стиснутися в щільне крихітне тіло, так як гравітаційні сили цілком пригнічують всякий опір стисненню. Вчені вважають, що саме в цей момент катастрофічний гравітаційний колапс призводить до виникнення чорної діри. Вони вважають, що із закінченням термоядерних реакцій зірка вже не може перебувати в стійкому стані. Тоді для масивної зірки залишається один неминучий шлях: шлях загального і повного стиснення (колапсу), що перетворює її в невидиму чорну діру. У 1939 році Р. Оппенгеймер і його аспірант Снайдер в Каліфорнійському університеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі великої маси холодної речовини. Одним з найбільш вражаючих наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна виявилося наступне: коли велика маса починає колапсувати, цей процес не може бути зупинений і маса стискається в чорну діру. Якщо, наприклад, не обертається симетрична зірка починає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційний радіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда, який першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цього радіусу, то вже не що не може перешкодити їй завершити колапс, тобто буквально замкнутися в собі.

Які ж фізичні властивості «чорних дір» як і вчені припускають виявити ці об'єкти? Багато вчених роздумували над цими питаннями; отримані деякі відповіді, які здатні допомогти в пошуку таких об'єктів. Сама назва - чорні діри - говорить про те, що це клас об'єктів, які не можна побачити. Їх гравітаційне поле настільки сильно, що якби якимось шляхом вдалося опинитися поблизу чорної діри і направити в бік від її поверхні промінь самого потужного прожектора, то побачити цей прожектор було б не можна навіть з відстані, що не перевищує відстань від Землі до Сонця. Дійсно, навіть якщо б ми змогли сконцентрувати весь світ Сонця в цьому потужному прожекторе, ми не побачили б його, так як світло не зміг би подолати вплив на нього гравітаційного поля чорної діри і покинути її поверхню. Саме тому така поверхня називається абсолютним горизонтом подій. Вона являє собою кордон чорної діри. Вчені відзначають, що ці незвичайні об'єкти нелегко зрозуміти, залишаючись у рамках закону тяжіння Ньютона. Поблизу поверхні чорної діри гравітація настільки сильна, що звичні Ньютонівські закони тут перестають діяти. Їх слід замінити законами загальної теорії відносності Ейнштейна. Відповідно до одного з трьох наслідків теорії Ейнштейна, залишаючи масивне тіло, світло повинне відчувати червоне зміщення, так як він втрачає енергію на подолання гравітаційного поля зірки. Випромінювання, що приходить від щільної зірки, подібної білому карлику - супутнику Сиріуса А, - лише злегка зміщується в червону область спектру. Чим щільніше зірка, тим більше це зміщення, так що від надщільний зірки зовсім не буде приходити випромінювання у видимій області спектра. Але якщо гравітаційна дія зірки збільшується в результаті її стискування, то сили тяжіння виявляються настільки великі, що світло взагалі не може покинути зірку. Таким чином, для будь-якого спостерігача можливість побачити чорну діру повністю виключена! Але тоді, природно, виникає питання: якщо вона не видима, то, як же ми можемо її виявити? Щоб відповісти на це запитання вчені вдаються до майстерним вивертів. Руффини і Уїллер досконально вивчили цю проблему і запропонували кілька способів, нехай не побачити, але хоча б виявити чорну діру. Почнемо з того, що, коли чорна діра народжується в процесі гравітаційного колапсу, вона повинна випромінювати гравітаційні хвилі, які могли б перетинати простір зі швидкістю світла і на короткий час спотворювати геометрію простору поблизу Землі. Це спотворення проявилося б у вигляді гравітаційних хвиль, що діють одночасно на однакові інструменти, встановлені на земній поверхні на значній відстані один від одного. Гравітаційне випромінювання могло б приходити від зірок, що зазнають гравітаційний колапс. Якщо протягом звичайному житті зірка спілкувалась, то, стискаючись і стаючи все менше і менше, вона буде обертатися все швидше, зберігаючи свій момент кількості руху. Нарешті вона може досягти такої стадії, коли швидкість руху на її екваторі наблизиться до швидкості світла, тобто до гранично можливої ​​швидкості. У цьому випадку зірка виявилася б сильно деформованої і могла б викинути частину речовини. При такій деформації енергія могла б йти від зірки у вигляді гравітаційних хвиль з частотою близько тисячі коливань в секунду (1000 Гц). Роджер Пенроуз, професор математики Біркбекского коледжу Лондонського університету, розглянув цікавий випадок колапсу і освіти чорної діри. Він допускає, що чорна діра зникає, а потім виявляється в інший час у якийсь інший всесвіту. Крім того, він стверджує, що народження чорної діри під час гравітаційного колапсу є важливим вказівкою на те, що з геометрією простору-часу відбувається щось незвичайне. Дослідження Пенроуза показують, що колапс закінчується утворенням сингулярності (від лат. Singularius - окремий, одиночний), тобто він повинен тривати до нульових розмірів і нескінченної щільності об'єкта. Остання умова дає можливість іншого всесвіту наблизитися до цієї сингулярності, і не виключено, що сингулярність перейде в цю нову всесвіт. Вона навіть може з'явитися в будь-якому місці нашої власної Всесвіту. Деякі вчені розглядають освіту чорної діри як маленьку модель того, що, згідно прогнозам загальної теорії відносності, в кінцевому рахунку, може трапитися з Всесвіту. Загальновизнано, що ми живемо в незмінно розширюється Всесвіту, і один з найбільш важливих і насущних питань науки стосується природи Всесвіту, її минулого і майбутнього. Без сумніву, всі сучасні результати спостережень вказують на розширення Всесвіту. Однак на сьогодні один з найбільш каверзних питань такий: сповільнюється чи швидкість цього розширення, і якщо так, то не стиснеться чи Всесвіт через десятки мільярдів років, утворюючи сингулярність. Мабуть, коли-небудь ми зможемо з'ясувати, яким шляхом слід Всесвіт, але, можливо, набагато раніше, вивчаючи інформацію, яка просочується при народженні чорних дірок, і ті фізичні закони, які керують їх долею, ми зможемо передбачити остаточну долю Всесвіту.

ВИСНОВОК

Зірки еволюціонують, і їх еволюція незворотна, тому що все в природі знаходиться в стані безперервного зміни. Зовнішні характеристики зірки змінюються протягом всього її життя. У надрах зірок відбуваються потужні термоядерні процеси, що забезпечують виділення величезної кількості енергії. У кінцеві етапи життя зірок у них виникають якісь впорядковані стани, які не можуть бути описані класичної фізикою. У нейтронних зірок і білих карликів речовина переходить в нові квантові стани, які обмежують енергетичні втрати.

Виявити ці зміни - ось основна задача теорії зоряної еволюції.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1) Найдиш В.М. «Концепції сучасного природознавства»: Підручник. -Изд. 2-е, перероб. і доп. - К.: Альфа-М; ІНРА-М, 2005.

2) Агекян Т.А. «Зірки, галактики, Метагалктіка» - 3-е вид, перероб. і доп. - М.: Наука, 1981.

3) С.Л. Шаріпов, С.А. Тьюкольскі. Чорні діри, нейтронні зірки, білі карлики: У 2-х ч. Ч. 1. Пер. з англ. - М.: Мир, 1985, 256с., Іл.

4) С.Л. Шаріпов, С.А. Тьюкольскі. Чорні діри, нейтронні зірки, білі карлики: У 2-х ч. Ч. 2. Пер. з англ. - М.: Світ, 1985, 257 - 656 с., Іл.

5) І.С. Шкловський Зірки: їх народження, життя і смерть. - 3-е изд., Перераб. - М: Наука, головна редакція фізико-математичної літератури, 1984, 384 с. - У пер.: 2 р.

6) Ю.С. Псковський «Нові і наднові зірки»: Москва «Наука» 1974.