Происхождение
и развитие звезд и Солнца
Реферат по
астрономии выполнил: Каримов А.
2002 г
Возраст
звезд и Солнца
Возраст
небесных тел определяют разными методами. Самый точный из них состоит в
определении возраста горных пород по отношению количества в ней радиоактивного
элемента урана к количеству свинца. Свинец является конечным продуктом
самопроизвольного распада урана. Скорость этого процесса известна точно, и
изменить ее нельзя никакими способами. Чем меньше урана осталось и чем больше
свинца накопилось в породе, тем больше ее возраст. Самые древние горные породы
в земной коре имеют возраст, очевидно, несколько раньше, чем земная кора.
Изучение окаменелых остатков животных и растений показывает, что за последние
сотни миллионов лет излучение Солнца существенно не изменилось. Значит, Солнце
должно быть старше Земли. Есть звезды, которые, как доказал впервые академик В.
А. Амбарцумян, много моложе, чем Земля. По темпу расходования энергии горячими
сверхгигантами можно судить о том, что возможные запасы их энергии позволяют им
расходовать еще так щедро лишь короткое время. Значит, горячие сверхгиганты
молоды - им 1млн.-10млн. лет.
Молодые звезды
находятся в спиральных ветвях галактики, как и газовые туманности, из вещества
которых возникают звезды. Туманности удерживается в ветвях магнитным полем,
звезд же магнитное поле удержать не может. Звезды, не успевшие рассеяться из
ветви, молоды. Выходя из ветви, они стареют.
Звезды шаровых
скоплений, по современной теории внутреннего строения и эволюции звезд, самые
старые. Им может быть до 10млрд. лет. Ясно, что звездная система – галактики
должны быть старше, чем звезды, из которых они состоят. Возраст большинства из
них должен быть не меньше, чем 10млрд. лет. В звездной Вселенной происходит не
только медленные изменения, но и быстрые, даже катастрофические. Например, за
время порядка года обычная, по-видимому, звезда вспыхивает, как «сверхновые», и
за то же примерно время спадает в блеске. В результате она, вероятно,
превращается в крохотную звезду, состоящую из нейтронов и вращающуюся с
периодом порядка секунды и быстрее. Ее плотность (при спаде ) возрастает до
плотности атомных ядер и нейтронов, и она становиться мощнейшим излучателем
радио - и рентгеновских лучей, которые, как ее свет, пульсируют с периодом
вращения звезды. Примером такого пульсара, как их называют, служит слабая
звездочка в центре расширяющейся Крабовидной радиотуманности. Остатков вспышек
сверхновых звезд в виде пульсаров и радиотуманностей, подобных Крабовидной,
известно уже много.
В первую
очередь наукой был поставлен вопрос о происхождении солнечной системы, но
впоследствии стало ясно, что он должен решаться вместе с проблемой происхождения
и развития звезд. Пожалуй, и ее трудно решить правильно без знания того, как
формируются и развиваются галактики.
Зависимость
эволюции звезд от их массы.
По современным
представлениям, жизненный путь одиночной звезды определяется её начальной массой
и химическим составом. Чему равна возможная минимальная масса звезды, с
уверенностью мы сказать не можем. Дело в том, что маломассивные звёзды очень слабые
объекты и наблюдать их довольно трудно. Теория звёздной эволюции утверждает,
что в телах массой меньше чем семь-восемь сотых долей массы Солнца
долговременные термоядерные реакции идти не могут. Эта величина близка к
минимальной массе наблюдаемых звёзд. Их светимость меньше солнечной в десятки
тысяч раз. Температура на поверхности подобных звёзд не превосходит 2—3 тыс.
градусов. Одним из таких тусклых багрово-красных карликов является ближайшая к
Солнцу звезда Проксима в созвездии Центавра.
В звездах
большой массы, напротив, эти реакции протекают с огромной скоростью. Если масса
рождающейся звезды, превышает 50 – 70 солнечных масс, то после загорания
термоядерного топлива чрезвычайно интенсивное излучение своим давлением может
просто сбросить излишек массы. Звезды, масса которых близка к предельной,
обнаружены, например, в туманности Тарантул в соседней с нами галактике Большое
Магелланово Облако. Есть они и в нашей Галактике. Через несколько миллионов
лет, а может быть и раньше, эти звезды могут взорваться как сверхновые (так
называют взрывающиеся звезды с большой энергией вспышки).
Строение звёзд
зависит от массы. Если звезда в несколько раз массивнее Солнца, то глубоко в её
недрах происходит интенсивное перемешивание вещества, подобно кипящей воде.
Такую область называют конвективным ядром звезды. Чем больше звезда, тем
большую её часть составляет конвективное ядро. Остальная часть звезды сохраняет
при этом равновесие. Источник энергии находится в конвективном ядре. По мере
превращения водорода в гелий молекулярная масса вещества ядра возрастает, а его
объём уменьшается. Внешние же области звезды при этом расширяются, она
увеличивается в размерах, а температура её поверхности падает. Горячая звезда —
голубой гигант — постепенно превращается в красный гигант.
Срок жизни
звезды напрямую зависит от её массы. Звёзды с массой в 100 раз больше солнечной
живут всего несколько миллионов лет. Если масса составляет две-три солнечных,
срок жизни увеличивается до миллиарда лет.
Стадии
развития звезд.
Рождение звёзд
— процесс таинственный, скрытый от наших глаз, даже вооружённых телескопом.
Лишь в середине XX
в. астрономы поняли, что не все звёзды родились одновременно в далёкую эпоху формирования
Галактики, что и в наше время появляются молодые звёзды. В 60 — 70-е гг. была
создана самая первая, ещё очень грубая теория образования звёзд. Позднее новая
наблюдательная техника — инфракрасные телескопы и радиотелескопы миллиметрового
диапазона — значительно расширила наши знания о зарождении и формировании
звёзд. А начиналось изучение этой проблемы ещё во времена Коперника, Галилея и
Ньютона.
Создав теорию
всемирного тяготения, Исаак Ньютон подтолкнул многих любознательных людей к
размышлениям о причинах эволюции небесных тел. Один из образованных и
честолюбивых священников, доктор Ричард Бентли, стремившийся использовать
научные достижения для обоснования бытия Бога, детально изучал труды Ньютона и
время от времени обращался к великому физику с вопросами.
В одном из
писем Бентли спросил, не может ли сила тяготения объяснить происхождение звёзд.
Ньютон стал размышлять на эту тему и в ответном послании молодому священнику от
10 декабря 1б92 г. изложил свой взгляд на возможность гравитационного
скучивания космического вещества: «...Если бы это вещество было равномерно
распределено по бесконечному пространству, оно никогда не могло бы объединиться
в одну массу, но часть его сгущалась бы тут, а другая там, образуя бесконечное
число огромных масс, разбросанных на огромных расстояниях друг от друга по
всему этому бесконечному пространству.
Именно так
могли образоваться Солнце и неподвижные звёзды...».
С того времени
идея Ньютона почти никем и никогда не оспаривалась. Но понадобилось три
столетия, чтобы великая догадка стала надёжной теорией, прочно опирающейся на
наблюдения.
Что имел в виду
Ньютон, говоря о веществе, распределённом в пространстве? Действительно, межзвёздное
вещество было открыто сразу после изобретения телескопа.
Газовые облака
выглядят на небе как туманные пятнышки. Н. Пейреск в 1612 г. впервые упомянул о
Большой туманности Ориона. По мере совершенствования телескопов были обнаружены
и другие туманные пятна. В каталоге Шарля Мессье (1783 г.) их описано 103, а в
списках Уильяма Гершеля (1818г.) отмечено уже 2500 объектов «не звёздного
вида». Наконец, в «Новом общем каталоге туманностей и звёздных скоплений» Джона
Дрейера (1888 г.) значится 7840 незвёздных объектов.
В течение трёх
столетий туманности, особенно спиральные, считались сравнительно близкими образованиями,
связанными с формированием звёзд и планет. Гершель, например, был абсолютно
уверен, что он не только нашёл множество облаков дозвёздного вещества, но даже
собственными глазами видит, как это вещество под действием тяготения постепенно
изменяет свою форму и конденсируется в звёзды.
Как позже
выяснилось, некоторые туманности действительно связаны с рождением звёзд. Но в
большинстве случаев светлые туманные пятна оказались не газовыми облаками, а
очень далёкими звёздными системами. Так что оптимизм астрономов был
преждевременным и путь к тайне рождения звёзд предстоял ещё, долгий.
К середине XIX в. физики могли применить к звёздам
газовые законы и закон сохранения энергии. С одной стороны, они поняли, что
звёзды не могут светить вечно. Источник их энергии ещё не был найден, но, каким
бы он ни оказался, всё равно век звезды отмерен и на смену старым должны
рождаться новые звёзды.
С другой
стороны, те яркие и горячие облака межзвёздного газа, которые смогли обнаружить
астрономы в свои телескопы, явно не устраивали физиков как предполагаемое
вещество будущих звёзд. Ведь горячий газ стремится расширяться под действием
внутреннего давления. И физики не были уверены, что гравитация сможет победить
давление газа.
Итак, что же
победит — давление или гравитация? В 1902 г. молодой английский физик Джеймс Джине
впервые исследовал уравнения движения газа с учётом гравитации и нашёл, что они
имеют два решения. Если масса газа мала и его тяготение слабо, а нагрет он
достаточно сильно, то в нём распространяются волны сжатия и разрежения —
обычные звуковые колебания. Но если облако газа массивное и холодное, то тяготение
побеждает газовое давление. Тогда облако начинает сжиматься как целое,
превращаясь в плотный газовый шар — звезду. Критические значения массы (Мj) и размера (Rj) облака, при которых оно теряет устойчивость
и начинает неудержимо сжиматься — коллапсировать, с тех пор называют
джинсовскими.[1]
Характеристики
основных состояний межзвездного газа
Тип газа
Год открытия
Температура, К
Плотность, атом/см3
Мj в массах Солнца
Rj, пк
Теплый
Прохладный
Горячий
Холодный
1921
1950
1970
1975
8000
80
3*105
10
0,25
40
0,002
1000
1*108
2*103
5*1011
4
2*103
7
2*105
0,3
Однако во
времена Джинса и даже гораздо позже астрономы не могли указать тот газ, из
которого формируются звёзды. Пока они искали дозвёздное вещество, физики
наконец поняли, почему звёзды светят. Исследования атомного ядра и открытие
термоядерных реакций позволили объяснить причину длительного свечения звёзд.
Еще Гершель
обнаружил на фоне Млечного Пути темные провалы, которые он называл «дырами в небесах».
В конце XIX в. на Ликской
обсерватории (США) астроном Эдуард Барнард начал систематическое
фотографирование неба. К 1913 г. он нашел около 200 темных туманностей. По его
мнению, они представляли собой облака поглощающей свет материи, а вовсе не
промежутки между звездами, как считал Гершель.
Это
предположение подтвердилось. Когда рядом с облаком межзвездного газа или внутри
него нет горящей звезды, газ остается холодным и не светиться. Если бы облако
содержало только газ, его могли бы и не заметить. Но помимо газа в межзвездной
среде в небольшом количестве (около 1% по массе) есть мелкие твердые частицы –
пылинки размерами около 1 мкм и меньше, которые поглощают свет далеких звезд. Потому-то
холодное облако и кажется темным «провалом в небесах». Детальное изучение
Млечного Пути показало, что очень часто такие «провалы» встречаются в областях
звездообразования, подобных туманности Ориона.
В 1946 г.
американский астроном Барт Бок обнаружил на фоне светлых туманностей NGC 2237 в Единороге и NGC 6611 в Щите маленькие чёрные пятна,
которые назвал глобулами. Размер их от 0,01 до 1пк. Они ослабляют свет лежащих
за ними звёзд в десятки и сотни раз. Это значит, что вещество глобул в тысячи
раз плотнее окружающего их газа. Их масса оценивается в пределах от 0.01 до 100
масс Солнца.
После открытия
глобул появилось убеждение, что сжимающиеся облака дозвёздной материи уже найдены,
что они-то и являются непосредственными предшественниками звезд. Но вскоре
стала очевидной поспешность такого заключения.
Дело в том, что
оптические телескопы не дают полного представления о межзвездной среде: с их помощью
мы видим лишь горячие облака, нагретые массивными звездами (как туманность
Ориона), или маленькие темные глобулы на светлом фоне. И те, и другие –
довольно редкие образования. Только созданные в 50-е гг. радиотелескопы
позволили обнаружить по изучению в линии 21 см атомарный водород, заполняющий
почти все пространство между звездами.
Это очень
разреженный газ: примерно один атом в кубическом сантиметре пространстве (по
меркам земных лабораторий - высочайший вакуум!) но поскольку размер Галактики
огромен, в ней набирается около 8 млрд. солнечных масс межзвёздного газа, или
примерно 5% от её полной массы. Межзвёздный газ более чем на 67% (по массе)
состоит из водорода, на 28% из гелия, и менее 5% приходится на все остальные элементы,
самые обильные среди которых - кислород, углерод и азот.
Межзвездного
газа особенно много вблизи плоскости Галактики. Почти весь он сосредоточен в
слое толщиной 600 световых лет и диаметром около 30 кпк, или100 тыс. световых
лет (это диаметр галактического диска). Но и в таком тонком слое газ
распределен неравномерно. Он концентрируется в спиральных рукавах Галактики, а
там разбит на отдельные крупные облака протяженностью в парсеки и даже в
десятки парсек, а массой сотни и тысячи масс Солнца. Плотность газа в них
порядка 100 атомов на кубический сантиметр, температура около – 200 С.
Оказалось, что критические масса и радиус Джинса при таких условиях совпадают с
массой радиусом самих облаков, а это значит, что готовы к коллапсу. Но главное
открытие было еще впереди.
Астрономы подозревали,
что при относительно высокой плотности и низкой температуре, царящей в
межзвездных облаках, часть вещества должна объединяться в молекулы. В этом
случае важнейшая часть межзвездной среды недоступна наблюдениям в оптическом
диапазоне.
Начавшиеся в
1970 г. ультрафиолетовые наблюдения с ракет и спутников позволили открыть
главную молекулу межзвездной среды – молекулу водорода (Н2 ). А при наблюдении
межзвездного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового
диапазона были обнаружены десятки других молекул, порой довольно сложных,
содержащих до 13 атомов. В их числе молекулы воды, аммиака, формальдегида,
этилового спирта и даже аминокислоты глицина.
Около половины
межзвёздного газа содержится в молекулярных облаках. Их плотность в сотни раз
больше, чем у облаков атомарного водорода, а температура всего на несколько
градусов выше абсолютного нуля. Именно при таких условиях возникают
неустойчивые к гравитационному сжатию отдельные уплотнения в облаке массой
порядка массы Солнца и становится возможным формирование звёзд.
Большинство
молекулярных облаков зарегистрировано только по радиоизлучению. Некоторые, впрочем,
давно известны астрономам, например тёмная туманность Угольный Мешок, хорошо
видимая глазом в южной части Млечного Пути. Диаметр этого облака 12 пк, но оно
выглядит большим, поскольку удалено от нас всего на 150 пк. Его масса около 5
тыс. солнечных масс, тогда как у некоторых облаков масса достигает миллиона
солнечных, а размер 60 пк. В таких гигантских молекулярных облаках (их в
Галактике всего несколько тысяч) и располагаются главные очаги формирования
звёзд.
Ближайшие к нам
области звездообразования — это тёмные облака в созвездиях Тельца и Змееносца.
Подальше расположен огромный комплекс облаков в Орионе.
Молекулярные
облака устроены значительно сложнее, чем знакомые нам облака водяного пара в земной
атмосфере. Снаружи молекулярное облако покрыто толстым слоем атомарного газа,
поскольку проникающее туда излучение звёзд разрушает хрупкие молекулы. Но
находящаяся в наружном слое пыль поглощает излучение, и глубже, в тёмных недрах
облака, газ почти полностью состоит из молекул.
Структура
облаков постоянно изменяется под действием взаимных столкновений, нагрева
звёздным излучением, давления межзвёздных магнитных полей. В разных частях
облака плотность газа различается в тысячу раз (во столько же раз вода плотнее
комнатного воздуха). Когда плотность облака (или отдельной его части)
становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление,
облако начинает неудержимо коллапсировать. Размер его уменьшается все быстрее и
быстрее, а плотность растёт. Небольшие неоднородности плотности в процессе
коллапса усиливаются, и в итоге облако фрагментирует, т.е. распадается на
части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие.
При коллапсе
возрастают температура и давление газа, что препятствует дальнейшему увеличению
плотности. Но пока облако прозрачно для излучения, оно легко остывает и сжатие
не прекращается. Большую роль в дальнейшем играет космическая пыль. Хотя по массе
она составляет всего 1% межзвездного вещества, это очень важный его компонент.
В темных облаках пылинки поглощают энергию газа и перерабатывают ее в
инфракрасное излучение, которое легко покидает облако, унося излишки тепла.
Наконец из-за увеличения плотности отдельных фрагментов облака газ становится
менее прозрачным. Остывание затрудняется, и возрастающее давление останавливает
коллапс. В будущем из каждого фрагмента образуется звезда, а все вместе они
составят группу молодых звезд в недрах молекулярного облака.
Коллапс
плотность части облака в звезду, а чаще – в группу звезд продолжается несколько
миллионов лет (сравнительно быстро по космическим масштабам). Новорождённые
звёзды разогревают окружающий газ, и под действием высокого давления остатки облака
разлетаются. Именно этот этап видим в туманности Ориона. Но по соседству с ней
продолжается формирование будущих поколений звезд. Для света эти области
совершенно непрозрачны и наблюдаются только с помощью инфракрасных и
радиотелескопов.
Рождение звезды
длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах тёмных облаков, так что этот
процесс практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики пытаются
исследовать его теоретически, с помощью компьютерного моделирования.
Превращение фрагмента облака в звезду сопровождается гигантским изменением
физических условий: температура вещества возрастает примерно в 10б раз, а
плотность — в 1020 раз. Колоссальные изменения всех характеристик формирующейся
звезды составляют главную трудность теоретического рассмотрения её эволюции. На
стадии подобных изменений исходный объект уже не облако, но ещё и не звезда.
Поэтому его называют протозвездой (от греч. «протос» — «первый»).
В общих чертах
эволюцию протозвезды можно разделить на три этапа, или фазы. Первый этап — обособление
фрагмента облака и его уплотнение. Вслед за ним наступает этап быстрого сжатия.
В его начале радиус протозвезды примерно в миллион раз больше солнечного. Она
совершенно непрозрачна для видимого света, но прозрачна для инфракрасного
излучения с длиной волны больше 10 мкм. Излучение уносит излишки тепла,
выделяющегося при сжатии, так что температура не повышается и давление газа не
препятствует коллапсу. Происходит быстрое сжатие, практически свободное падение
вещества к центру облака.
Однако по мере
сжатия протозвезда делается всё менее прозрачной, что затрудняет выход
излучения и приводит к росту температуры газа. В определённый момент
протозвезда становится практически непрозрачной для собственного теплового
излучения. Температура, а вместе с ней и давление газа быстро возрастают,
сжатие замедляется.
Повышение
температуры вызывает значительные изменения свойств вещества. При температуре в
несколько тысяч градусов молекулы распадаются на отдельные атомы, а при
температуре около 10 тыс. градусов атомы ионизуются, т. е. разрушаются их
электронные оболочки. Эти энергоёмкие процессы на некоторое время задерживают
рост температуры, но затем он возобновляется. Протозвезда быстро достигает
состояния, когда сила тяжести практически уравновешена внутренним давлением
газа. Но поскольку тепло всё же понемногу уходит наружу, а иных источников
энергии, кроме сжатия, у протозвезды нет, она продолжает потихоньку сжиматься и
температура в её недрах всё увеличивается.
Наконец
температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов и
начинаются термоядерные реакции. Выделяющееся при этом тепло полностью
компенсирует охлаждение протозвезды с поверхности. Сжатие прекращается.
Протозвезда становится звездой.
Молекулярные
облака, эти «фабрики по производству звезд», изготавливают звезды всевозможных
типов. Диапазон масс новорожденных звезд простирается от нескольких сотых долей
до 100 масс Солнца, причем маленькие звезды образуются значительно чаще, чем
крупные. В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с
общей массой около пяти масс Солнца.
Большой интерес
представляют не только индивидуальные и кратные молодые звезды, но их коллективы.
Молодые звезды сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости Галактики, что
совсем не удивительно: именно там находиться слой межзвездного газа. На нашем
небосводе молодые звезды большой светимости и нагретые ими газовые облака
пролегли полосой Млечного Пути. Но если темной летней ночью внимательно
посмотреть на небо, можно заметить, что в Млечном Пути выделятся отдельные
«звездные облака». Насколько они реальны и какую степень в эволюции вещества
отражают? Эти обширные группировки молодых звезд получили название звездные
комплексы. Их характерные размеры – несколько сот парсек.
Исторически
первым были обнаружены и исследованы более компактные группы молодых звезд – рассеянные
скопления, подобные Плеядам. Эти сравнительно плотные группы из нескольких сот
или тысяч звезд, связанных взаимной гравитацией, успешно противостоят
разрушающему влиянию гравитационного поля Галактики. Их происхождение не
вызывает споров: предками таких скоплений являются плотные ядра межзвездных
молекулярных облаков. Рассеянные скопления понемногу теряют свои звезды.
Ассоциации
недолговечны: через 20 – 30 млн. лет они расширяются до размера более 100 пк и
их уже невозможно выделить среди звезд фона. Это создает иллюзию, что
ассоциации – редкие группировки звезд. В действительности они рождаются не реже
скоплений, просто разрушаются быстрее.
Большую часть
своей жизни звезда находится на так называемой главной последовательности диаграммы
цвет – светимость. Все остальные стадии эволюции звезды до образования
компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому
большинство звёзд, наблюдаемых в нашей Галактике, — скромные красные карлики с
массой Солнца или меньше. Дальнейшая судьба звезды полностью определяется её
массой.
Каков же будет
срок жизни звезды? Иначе говоря, сколько времени она проведёт на главной последовательности?
Ответить на данный вопрос не представляет труда, если знать механизм выделения
энергии в звезде. Для звёзд главной последовательности это термоядерные реакции
превращения водорода в гелий.
Звёзды с массой
больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных
звёзд составляет «всего» несколько миллионов лет! Для подавляющего же
большинства звёзд время жизни сравнимо или даже превышает возраст Вселенной
(около 15 млрд. лет).
Теперь мы
подошли к основному вопросу: во что превращаются звёзды в конце жизни и как
проявляют себя их остатки? Звёзды разной массы приходят в итоге к одному из
трёх состояний: белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.
Белые
карлики
После
«выгорания» термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой
Солнца, в центральной её части (ядре) плотность вещества становится настолько
высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется
вырожденным, а звёзды, из него состоящие, — вырожденными звёздами '
После
образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике
вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в область
красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла. Оболочка красного гиганта
достигает колоссальных размеров — в сотни радиусов Солнца — и за время порядка
10—100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна
как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и
превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление
вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При
массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч
километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 109 кг/м3 (тонну
на кубический сантиметр!).
Ядерные реакции
внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счёт медленного остывания.
Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных
движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. кельвинов образуют
кристаллическую решётку. Образно говоря, белые карлики - это горячие гигантские
кристаллы.
Нейтронные
звёзды
Большинство
нейтронных звёзд образуется при коллапсе ядер звёзд массой более десяти
солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением — вспышкой
сверхновой звезды. Зная из наблюдений, что вспышки сверхновых в нормальной
галактике происходят примерно раз в 25 лет, легко вычислить, что за время
существования нашей Галактики (10 — 15 млрд. лет) в ней должно было
образоваться несколько сот миллионов нейтронных звёзд! Как же они должны
проявлять себя?
Молодые
нейтронные звёзды быстро вращаются (периоды их вращения измеряются
миллисекундами!) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с
магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные
частицы из твёрдой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких
энергий (см. статью «Необычные объекты: нейтронные звёзды и чёрные дыры»). Эти
частицы | излучают радиоволны.
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 (один на 1500 звёзд соответствующей массы). В настоящее
время наблюдается примерно 700 пульсаров.
Как и для белых
карликов, для нейтронных звёзд существует предельно возможная масса (она носит
название предела Оппенгеймера — Волкова). Однако 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.
Ч
ерные
дыры
Термин «чёрная
дыра» был весьма удачно введён в науку американским физиком Джоном Уилером в
1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. Как известно, для того чтобы
преодолеть силу притяжения небесного тела с массой М и радиусом К, частица на
поверхности должна приобрести вторую космическую скорость vii = где G — постоянная тяготения Ньютона. Если при
постоянной массе радиус уменьшается, то эта скорость возрастает и может достичь
скорости света (с) — предельной скорости для любых физических объектов, когда
радиус тела становится равным 2GМ/c2.
Это так называемый гравитационный радиус — Rg. Поскольку информация может передаваться
не более чем со скоростью света, коллапсирующее тело, как говорят, уходит за
горизонт событий для далёкого наблюдателя.
На достаточно
больших расстояниях чёрная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело
той же массы. 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 звёзды 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?
Единственный путь — наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие
тела.
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).
Последние
достижения рентгеновской астрономии позволяют исследовать рентгеновское
излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности. В оптической астрономии
появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Всё это даёт
надежду, что в начале XXI в. будет получено прямое доказательство существования в Галактике
чёрных дыр звёздной массы. А возможно, обнаружение чёрных дыр будет связано с
совершенно новым направлением звёздной науки — гравитационно-волновой
астрономией. Уже разрабатываются гравитационно-волновые детекторы, которые
позволят регистрировать необычайно слабые гравитационные волны от систем,
содержащих чёрные дыры. Скорее всего, первые обнаруженные таким методом объекты
окажутся двойными чёрными дырами, сливающимися друг с другом из-за потерь
энергии орбитального движения на гравитационное излучение.
Заключение
Каких бы высот
не достигла наука и техника будущих веков, многие фундаментальные открытия останутся
заслугой века нынешнего. Только один раз можно открыть мир галактик, обнаружить
расширение Вселенной и реликтовое излучение, оставшееся нам в наследство от
прошлых времён, когда в природе ещё не было звёзд, узнать примерный возраст
Солнца и других звёзд, убедиться в существовании протозвёзд, вырожденных и
нейтронных звёзд, чёрных дыр, обнаружить планеты у других звёзд, узнать о
странных свойствах пульсаров, активных ядер галактик... И всё это было сделано
за последние десятилетия.
В настоящее
время живёт фактически первое поколение людей, которое знает, каково расстояние
до самых далёких наблюдаемых объектов, как они эволюционируют и какой возраст
могут иметь. Это не означает, что будущим поколениям осталось только уточнять
детали. Нет, чем больше мы знаем, тем чаще соприкасаемся с Неизвестным, так что
число проблем, требующих решения, не уменьшается. Например, до сих пор почти
ничего не известно о материи, которая не излучает или почти не излучает никаких
электромагнитных волн и потому не воспринимается современными приборами, хотя
её, по некоторым данным, должно быть во Вселенной даже больше, чем «видимой» материи.
Мы почти ничего не знаем о планетах вблизи других звёзд, плохо представляем
себе природу многих наблюдаемых явлений. Астрономии XXI в., по-видимому, предстоит освоить новые
«окна во Вселенную — нейтринное и гравитационное излучение. Возможно, что будут
обнаружены и другие, неизвестные пока виды излучения.
Наверное, стоит
упомянуть ещё одну проблему, которая волнует многих. При каких условиях на планетах
возможно зарождение жизни, как часто это происходит и как окружающий космос
влияет на развитие живых организмов? Быть может, уже грядущий век даст ответы и
на эти вопросы.
Перспективы
развития астрономии связаны со строительством новых гигантских обсерваторий,
часть из которых расположится на Земле, другие — в космосе. Только в космосе
возможно обеспечить всеволновые наблюдения, исключить помехи, ограничивающие
наземные исследования, создать телескопы с разрешением в миллиардные доли
угловой секунды.
Астрономия — не
изолированная наука, она тесно связана с другими областями знания, и прежде
всего — с физикой, ведь законы физики справедливы не только на Земле, но и за
её пределами. Поэтому объяснения явлений, протекающих в космическом
пространстве, разрабатываются на основе физики. С другой стороны, и сама физика
развивается, используя астрономические данные. Нет ни одной фундаментальной физической
теории, которая не прошла бы или не проходила в настоящее время проверку
астрономическими наблюдениями.
Астрономия —
это такое поле приложения человеческих сил и интересов, которое может увлечь
любого: и мечтателя, и деятеля, и физика, и лирика. Вот оно над вами — вечное
звёздное небо, преисполненное несказанной красоты и высокой тайны. Оно открыто
всем и вознаграждает верных, наполняя их жизнь светом и смыслом.
Список
литературы
1) Энциклопедия
для детей. Т. 8. Астрономия. – 2-е изд., Э68 испр. / Гл. ред. М. Д. Аксенова. –
М.: Аванта+, 2000. – 688 с.: ил.
2) Б. А.
Воронцов-Вельяминов. Учебник Астрономия. – М.: Просвещение, 1979.
[1]
Энциклопедия
Астрономия стр.608