Строение и эволюция звезд
Строение
звезд. Может
показаться, что невозможно узнать
что-либо о внутреннем строении звезд.
Не только далекие звезды, но и наше
Солнце кажется абсолютно недоступным
для изучения его недр. Тем не менее о
строении звезд мы знаем не меньше, чем
о строении Земли. Дело в том, что звезды
– это газовые шары, в большинстве своем
– стабильные, не испытывающие ни
коллапса, ни расширения. Поэтому на
любой глубине давление газа равно весу
вышележащих слоев, а поток излучения
пропорционален перепаду температуры
от внутренних горячих к наружным холодным
слоям. Этих условий, сформулированных
в виде математических уравнений,
достаточно, чтобы на основе законов
поведения газа рассчитать структуру
звезды, т.е. изменение давления, температуры
и плотности с глубиной. При этом из
наблюдений нужно знать только массу,
радиус, светимость и химический состав
звезды, чтобы теоретически определить
ее структуру. Расчеты показывают, что
в центре Солнца температура достигает
16 млн. К, плотность 160 г/см
Звезда является природной саморегулирующейся системой. Если по какой-то причине мощность энерговыделения в ядре звезды не сможет компенсировать излучение энергии с поверхности, то звезда не сможет противостоять гравитации: она начнет сжиматься, от этого повысится температура в ее ядре и возрастет интенсивность ядерных реакций – таким образом баланс энергии будет восстановлен.
Эволюция звезд. Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвездного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура газовой глобулы возрастает. В прошлом столетии вообще считали, что энергии, выделяющейся при сжатии звезды, достаточно для поддержания ее светимости, но геологические данные пришли в противоречие с этой гипотезой: возраст Земли оказался значительно больше того времени, в течение которого Солнце могло бы поддерживать свое излучение за счет сжатия (ок. 30 млн. лет).
Сжатие звезды приводит к повышению температуры в ее ядре; когда она достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Ресселла, пока не закончатся запасы топлива в ее ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.
(33.60 Кб)
В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Ее светимость растет, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается – звезда становится красным гигантом. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда масса ее изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; возрастающая при этом температура стимулирует термоядерное превращение гелия в более тяжелые элементы.
Белые карлики и нейтронные звезды. Вскоре после гелиевой вспышки «загораются» углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает сильную перестройку звезды и ее быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга – Рессела. Размер атмосферы звезды увеличивается еще больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звездного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от ее исходной массы: ядро звезды может закончить свою эволюцию как белый карлик, нейтронная звезда (пульсар) или черная дыра.
Подавляющее большинство звезд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится темной и невидимой.
У звезд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных электронов не может сдержать сжатие ядра, и оно продолжается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны, упакованные так плотно, что размер звезды измеряется километрами, а плотность в 100 млн. раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества. См. также НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА.
Черные дыры. У звезд более массивных, чем предшественники нейтронных звезд, ядра испытывают полный гравитационной коллапс. По мере сжатия такого объекта сила тяжести на его поверхности возрастает настолько, что никакие частицы и даже свет не могут ее покинуть, – объект становится невидимым. В его окрестности существенно изменяются свойства пространства-времени; их может описать только общая теория относительности. Такие объекты называют черными дырами.
Если предшественник черной дыры был членом затменной двойной системы, то и черная дыра будет продолжать обращаться вокруг соседней нормальной звезды. Про этом газ из атмосферы звезды может попадать в окрестность черной дыры и падать на нее. Но прежде чем исчезнуть в области невидимости (под горизонтом событий), он разогреется до высокой температуры и станет источником рентгеновского излучения, которое можно наблюдать с помощью специальных телескопов. Когда нормальная звезда заслоняет черную дыру, рентгеновское излучение должно пропадать.
Несколько затменных двойных с рентгеновскими источниками уже обнаружено; в них подозревают наличие черных дыр. Пример такой системы – объект Лебедь X-1. Спектральный анализ показал, что орбитальный период этой системы 5,6 сут, и с таким же периодом происходят рентгеновские затмения. Почти нет сомнений, что там находится черная дыра. См. также ЧЕРНАЯ ДЫРА.
Продолжительность эволюции звезд. Если отвлечься от некоторых катастрофических эпизодов в жизни звезд, то человеческая жизнь слишком коротка, чтобы заметить эволюционные изменения каждой конкретной звезды. Поэтому об эволюции звезд судят так же, как о росте деревьев в лесу, т.е. одновременно наблюдая множество экземпляров, находящихся в данный момент на разных стадиях эволюции.
Скорость и картина эволюции звезды почти полностью определяются ее массой; некоторое влияние оказывает и химический состав. Звезда может быть физически молодой, но уже эволюционно состарившейся в таком же смысле, как месячный мышонок старше годовалого слоненка. Дело в том, что интенсивность выделения энергии (светимость) звезд очень быстро возрастает с ростом их массы. Поэтому более массивные звезды гораздо быстрее сжигают свое горючее, чем маломассивные.
Яркие массивные звезды верхней части главной последовательности (спектральные классы О, В и А) живут значительно меньше, чем звезды типа Солнца и еще менее массивные члены нижней части главной последовательности. Поэтому родившиеся одновременно с Солнцем звезды классов О, В и А уже давно закончили свою эволюцию, а те, что наблюдаются сейчас (например, в созвездии Ориона), должны были родиться относительно недавно.
В окрестности Солнца встречаются звезды различного физического и эволюционного возраста. Однако в каждом звездном скоплении все его члены имеют практически одинаковый физический возраст. Изучая самые молодые скопления с возрастом ок. 1 млн. лет, мы видим все его звезды на главной последовательности, а некоторые еще только приближающимися к ней. В более старых скоплениях наиболее яркие звезды уже покинули главную последовательность и стали красными гигантами. У наиболее старых скоплений осталась лишь нижняя часть главной последовательности, но зато богато населены звездами ветвь гигантов и следующая за ней горизонтальная ветвь.
Если сравнить между собой диаграммы Герцшпрунга – Рессела различных рассеянных скоплений, то можно легко понять, какое из них старше. Об этом судят по положению точки обрыва главной последовательности, отмечающей вершину ее сохранившейся нижней части. У двойного скопления h и Персея эта точка лежит значительно выше, чем у скоплений Плеяды и Гиады, следовательно, оно намного моложе их.
Диаграммы Герцшпрунга – Рессела шаровых скоплений указывают на их очень большой возраст, близкий к возрасту самой Галактики. Эти скопления состоят из звезд, сформировавшихся в ту далекую эпоху, когда вещество Галактики почти не содержало тяжелых элементов. Поэтому их эволюция протекает не совсем так, как у современных звезд, хотя в целом соответствует ей.
В
заключение укажем, что возраст Солнца
около 5 млрд. лет, и в настоящее время
оно находится в середине своего
эволюционного пути. Но если бы исходная
масса Солнца была всего вдвое выше, то
его эволюция уже давно закончилась бы,
и жизнь на Земле так и не успела бы
достигнуть своей вершины в образе
человека.
studfiles.net
Строение и эволюция звезд
Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Сопоставляя данные для различных звезд, можно получить общие закономерности и проверить их выполнение на примерах других звезд. Согласно современным представлениям о строении и эволюции звезд процессы, связанные с возникновением и эволюцией звезды, выглядят следующим образом.
Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются друг к другу за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический «ком» начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса «кома» велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле).
Наконец, температура становится такой большой — несколько миллионов градусов, — что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино — элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П. Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.
Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды — образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных звезд, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.
Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды — белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие — красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой — в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. От массы и химического состава исходного облака зависят светимость и цветность (спектральный класс) образовавшейся звезды.
Светимость звезды – это количество энергии, излучаемой ею в единицу времени. А ее спектральный класс характеризует цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом «синие» звезды более горячие, чем «красные», а наше «желтое» Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов. Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила «O, Be A Fine Girl, Kiss Me»), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2.
По мере «выгорания» водорода в центре звезды ее масса немного меняется. Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда превращается в так называемый «красный гигант». После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза — превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки — существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются «снаружи», и их излучение «раздувает» отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в «белый карлик». Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.
Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых — катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая.
Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен теперь как Крабовидная туманность, «медленное» распространение которой по небу наблюдается в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне – эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.
Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки «красным гигантом» превосходит массу Солнца в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется — нейтронная звезда. Согласно этой концептуальной модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью — несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары — точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности — обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.
Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат – «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет — электромагнитный сигнал — не может ни отразиться, ни выйти «наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением.
По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.
biofile.ru
Строение и эволюция звезд
Строение и эволюция звезд К содержанию Строение и эволюция звездНа протяжении веков единственным источником сведений о звездах и Вселенной был для астрономов видимый свет. Наблюдая невооруженным глазом или с помощью телескопов, они использовали только очень небольшой интервал волн из всего многообразия электромагнитного излучения, испускаемого небесными телами. Астрономия преобразилась с середины нашего века, когда прогресс физики и техники предоставил ей новые приборы и инструменты, позволяющие вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей, где длины волн составляют миллиардные доли миллиметра. Это вызвало нарастающий поток астрономических данных. Фактически все крупнейшие открытия последних лет – результат современного развития новейших областей астрономии, которая стала сейчас всеволновой. Еще с начала 30-х годов, как только возникли теоретические представления о нейтронных звездах, ожидалось, что они должны проявить себя как космические источники рентгеновского излучения. Эти ожидания оправдались через 40 лет, когда были обнаружены барстеры и удалось доказать, что их излучение рождается на поверхности горячих нейтронных звезд. Но первыми открытыми нейтронными звездами оказались пульсары, проявившие себя — совершенно неожиданно — как источники коротких импульсов радиоизлучения, следующих друг за другом с поразительно строгой периодичностью.
Летом 1967 г. в Кембриджском университете (Англия) вошел в строй новый радиотелескоп, специально построенный Э.Хьюишем и его сотрудниками для одной наблюдательной задачи — изучения мерцаний космических радиоисточников. Это явление подобно известному всем мерцанию звезд возникает из-за случайных неоднородностей плотности в среде, сквозь которую проходят электромагнитные волны по пути к нам от источника. Новый радиотелескоп позволял производить наблюдения больших участков неба, а аппаратура для обработки сигналов была способна регистрировать уровень радиопотока через каждые несколько десятых долей секунды. Эти две особенности их инструмента и позволили кембриджским радиоастрономам открыть нечто совершенно новое — пульсары. Первые отчетливо различимые серии периодических импульсов были замечены 28 ноября 1967 г. аспиранткой кембриджской группы Дж.Белл. Импульсы следовали один за другим с четко выдерживаемым периодом в 1,34 с. Это было совершенно непохоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярных мерцаний. Принимаемые сигналы напоминали скорее помеху земного происхождения. Но это и другие простые объяснения вскоре пришлось оставить. Затем, когда появились основания полагать, что импульсы имеют космическое происхождение, возникло предположение о внеземной цивилизации, посылающей на Землю свои сигналы. Предпринимались серьезные попытки распознать какой-либо код в принимаемых импульсах. Это оказалось невозможным, хотя, как рассказывают, к делу были привлечены самые квалифицированные специалисты. К тому же вскоре обнаружили еще три подобных пульсирующих радиоисточника. Становилось очевидным, что источники излучения являются естественными небесными телами. Первая публикация кембриджской группы появилась в феврале 1968 г., и уже в ней в качестве вероятных кандидатов на роль источников пульсирующего излучения упоминаются нейтронные звезды. Периодичность радиосигнала связывается с быстрым вращением нейтронной звезды. Источник вращается как фонарь маяка и это создает прерывистость видимого излучения, приходящего к нам отдельными импульсами. Открытие пульсаров отмечено Нобелевской премией по физике в 1978 г. Вслед за ним в очень короткое время было открыто несколько десятков пульсаров и периоды некоторых из них были еще короче. Сейчас известно около четырех сотен пульсаров. Подавляющее их большинство до 90% имеет периоды в пределах от 0.3до3с, так что типичным периодом пульсаров можно считать период в 1 с. Но особенно интересны пульсары-рекордсмены, период которых меньше типичного.
Рентгеновские пульсары — это тесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая — яркой звездой-гигантом. Известно около двух десятков этих объектов. Первые два рентгеновских пульсара — в созвездии Геркулеса и в созвездий Центавра — открыты в 1972 г. Пульсар в Геркулесе посылает импульсы с периодом 1,24 с — это период вращения нейтронной звезды. В системе имеется еще один период — нейтронная звезда и ее компаньон совершают обращение вокруг их общего центра тяжести с периодом 1,7 дня. Орбитальный период был определен в этом случае благодаря тому (случайному) обстоятельству, что “обычная” звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается на луче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет на время рентгеновский источник. Это возможно, очевидно, тогда, когда плоскость звездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучение прекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые 1,7 дня. Длительные наблюдения позволили установить еще один третий — период рентгеновского пульсара в Геркулесе: этот период составляет 35 дней, из которых 11 дней источник светит, а 24 дня нет. Причина этого явления остается пока неизвестной. Однако при приближении к поверхности нейтронной звезды заряженные частицы плазмы начинают испытывать воздействие еще одного силового поля магнитного поля нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно перестроить аккреционный поток, сделать его направленным. Есть все основания полагать, что нейтронные звезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем, достигающим значений магнитной индукции. Но такие поля естественно получаются в результате сильного сжатия при превращении обычной звезды в нейтронную. Согласно общим соотношениям электродинамики магнитная индукция поля, силовые линии которого пронизывают данную массу вещества, усиливается при уменьшении геометрических размеров этой массы — это соотношение следует из закона сохранения магнитного потока. Стоит обратить внимание на то, что магнитная индукция нарастает при сжатии тела точно так же, как и его частота вращения. При уменьшении радиуса звезды от значения равного, например, радиусу Солнца до радиуса нейтронной звезды, магнитное поле усиливается на 10 порядков. Магнитное поле с индукцией сравнимое с полем Солнца, считается более или менее типичным для обычных звезд; у некоторых “магнитных” звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз большие, так что вполне можно ожидать, что определенная (и не слишком малая) доля нейтронных звезд действительно должна обладать очень сильным, магнитным полем. К такому заключению пришел советский астрофизик Н.С.Кардашев еще в 1964 г. По своей структуре, т.е. по геометрии силовых линий, магнитное поле пульсара похоже, как можно ожидать, на магнитное поле Земли или Солнца: у него имеются два полюса, из которых в разные стороны расходятся силовые линии. Такое поле называют дипольным. Вещество, аккрецируемое нейтронной звездой, — это звездный ветер, оно ионизовано, и поэтому взаимодействует при своем движении с ее магнитным полем. Известно, что движение заряженных частиц поперек силовых линий поля затруднено, а движение вдоль силовых линий происходит беспрепятственно. По этой причине аккрецируемое вещество движется вблизи нейтронной звезды практически по силовым линиям ее магнитного поля. Магнитное поле нейтронной звезды как бы создает воронки у ее магнитных полюсов, и в них направляется аккреционный поток. На такую возможность указали еще в 1970 г. советские астрофизики Г.С.Бисноватый-Коганта, А.М.Фридман. Благодаря этому нагрев поверхности нейтронной звезды оказывается неравномерным: у полюсов температура значительно выше, чем на всей остальной поверхности. Горячие пятна у полюсов имеют, согласно расчетам, площадь около одного квадратного километра, они и создают главным образом излучение звезды — ведь светимость очень чувствительна к температуре — она пропорциональна температуре в четвертой степени. Как и у Земли, магнитная ось нейтронной звезды наклонена к ее оси вращения. Из-за этого возникает эффект маяка: яркое пятно, то видно, то не видно наблюдателю. Излучение быстро вращающейся нейтронной звезды представляется наблюдателю прерывистым, пульсирующим. Этот эффект был предсказан теоретически советским астрофизиком В.Ф.Шварцманом за несколько лет до открытия рентгеновских пульсаров. От рентгеновских пульсаров никогда не наблюдали вспышек, подобных вспышкам барстеров. С другой стороны, от барстеров никогда не наблюдали регулярных пульсаций.Известно, что самые молодые и яркие звезды Галактики находятся в ее диске, вблизи галактической плоскости. Естественно поэтому ожидать, что и рентгеновские пульсары с их яркими звездами-гигантами располагаются преимущественно у галактической плоскости. Их общее распределение по небесной сфере должно отличаться от распределения барстеров, старых объектов, которые — как и все старые звезды Галактики — концентрируются не к ее плоскости, а к галактическому центру. Наблюдения подтверждают эти соображения: рентгеновские пульсары действительно находятся в диске Галактики, в сравнительно узком слое по обе стороны галактической плоскости. Такое же распределение на небе обнаруживают и пульсары, излучающие радиоимпульсы, — радиопульсары.
Распределение радиопульсаров на небесной сфере позволяет заключить прежде всего, что эти источники принадлежат нашей Галактике, они очевидным образом концентрируются к ее плоскости служащей экватором галактической координатной сетки. Распределение по направлениям говорит в этом случае о реальном пространственном расположении источников: такая картина может возникнуть лишь тогда, когда источники находятся в диске Галактики. Некоторые из них лежат заметно выше или ниже экватора, но они тоже расположены в диске, около плоскости Галактики, только ближе к нам, чем большинство остальных пульсаров. Близких пульсаров сравнительно мало и они не затемняют общую картину. Если радиопульсары располагаются вблизи галактической плоскости, среди самых молодых звезд Галактики, то разумно полагать, что и сами они являются молодыми. Строгая периодичность следования импульсов, расположение в плоскости Галактики и молодость — все это сближает радиопульсары с рентгеновскими пульсарами. Но во многих других отношениях они резко отличаются друг от друга. Дело не только в том, что одни испускают радиоволны, а другие рентгеновские лучи. Важнее всего то, что радиопульсары — это одиночные, а не двойные звезды. Известно всего три радиопульсара, имеющих звезду-компаньона. У всех остальных, а их более 350, никаких признаков двойственности не замечается. Отсюда немедленно следует, что физика радиопульсаров должна быть совсем иной, чем у барстеров или рентгеновских пульсаров. Принципиально иным должен быть источник их энергии — это во всяком случае не аккреция. Другой важнейший факт: спектр излучения радиопульсаров очень далек от какого-либо подобия универсальному чернотельному спектру, который характерен для излучения нагретых тел. Это означает, что излучение радиопульсаров никак не связано с нагревом нейтронной звезды, с температурой, с тепловыми процессами на ее поверхности. Излучение электромагнитных волн, не связанное с нагревом тела, называют нетепловым. Такое излучение не редкость в астрофизике, физике и технике.
Периодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью. Это самые точные часы в природе. И все же для многих пульсаров удалось зарегистрировать и регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения и происходят они крайне медленно, так что регулярность следования импульсов нарушается лишь очень слабо. Характерное время изменения периода составляет для большинства пульсаров приблизительно миллион лет; это означает, что только за миллион лет можно ожидать заметного скажем, вдвое изменения периода. Во всех известных случаях радиопульсары увеличивают, а не уменьшают свой период. Иными словами, их вращение замедляется со временем.
Еще в 1934г. В. Бааде и Ф. Цвикки указали на возможную связь между вспышками сверхновых, нейтронными звездами и космическими лучами — частицами высоких энергий, приходящими на Землю из космического пространства. Космические лучи были открыты более 60 лет назад и с тех пор служат предметом тщательного изучения. Интерес к ним связан, прежде всего, с возможностью использовать их для исследования взаимодействий элементарных частиц при высоких энергиях, недостижимых в лабораторных ускорительных устройствах. Наибольшая энергия частицы, зарегистрированная в космических лучах, тогда как на лучших современных ускорителях достигаются энергии на 8 порядков меньше. Частицы высоких энергии, приходящие к Земле из межпланетного и межзвездного пространства, порождают в земной атмосфере новые, вторичные частицы, тоже обладающие немалыми энергиями. Но более всего интересны, очевидно, исходные, первичные частицы. Они представляют собою главным образом протоны, среди них имеются в небольшом числе и атомные ядра таких элементов, как гелий, литий, бериллий, углерод, кислород и т.д., вплоть до урана. Космические лучи, распространяясь в межзвездных магнитных полях, способны создавать синхротронное излучение. Общее радиоизлучение Галактики известно с конца 40-х годов. Однако радиомощность Галактики несравненно больше. Объяснение общего радиоизлучения Галактики как синхротронного излучения электронов космических лучей предложено В.Л.Гинзбургом в 1950—1951 гг. Основной вопрос физики космических лучей с самого начала ее развития — природа их высокой энергии. Он до сих пор еще не решен. Обсуждается целый ряд интересных возможностей: ускорение частиц в межзвездных магнитных полях (как это предполагал еще в 40-е годы Э. Ферми), в оболочках, сбрасываемых при вспышках сверхновых (эта идея развивается сейчас многими авторами), в ядре Галактики или даже вне ее — в квазарах.
Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и наконец «умирают».Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе. Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947 г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954 г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959 г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды — впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах или звёздных скоплениях, оказались справедливыми. Каков же механизм их возникновения? Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось увидеть «материализацию» звёзд? Рождение звезды не может быть исключительным событием: во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел. В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чёрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чёрными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звёздами, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд. Размеры глобул огромны — до нескольких световых лет в поперечнике.
С вершины горы, вдали от мешающего нам городского света, мы увидим на небе по крайней мере 3000 звёзд. Наблюдатель с очень острым зрением при идеальных атмосферных условиях увидит в полтора раза больше звёзд. Одни из них удалены от нас на тысячу, другие — всего на несколько световых лет. Продолжительность жизни звезды зависит от её массы. Звёзды с массой меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного «топлива» и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд, подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,2 масс Солнца, постепенно расширяются и в конце концов совсем покидают ядро звезды.
На главную страницу
s99-omsk.narod.ru
Строение и эволюция звезд, планет и галактики
Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды, и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Звезды – это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. На совре-менном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звезд-ном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточенно в звездах.
Галактика представляет собой гигантское скопление звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую или вообще неправильную форму. Наша Галактика называется Млечным Путем и состоит из 120 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Её размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тысяч световых лет от центра галактики расположено Солнце.
Долгое время Галактикой ограничивалась известная часть Вселенной, но затем выяснилось, что так называемые внегалактические туманности представляют собой не что иное, как другие галактики, образующие в совокупности сверхсистему, называемую метагалактикой. Системы более высоких порядков пока нам неизвестны, и поэтому в литературе термины «метагалактика» и «Вселенная» часто употребляются как равно-значные. Метагалактика, или система галактик, включает в себя все известные косми-ческие объекты.
По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что, наша Галактика имеет четыре спиральные ветви. Ближайшей галактической системой является туман-ность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,5 млн. световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик. Галактики содержат разреженный газ и космическую пыль, но главные объекты галактик — это звезды.
Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды – раскалённые шары, подобные Солнцу, в глубинах которых вырабатывается ядерная энергия, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд. раз. Кроме звезд – гигантов существуют и звезды – карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны карлики, которые меньше Земли и даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Самой большой плотностью обладают нейтронные звезды. Поперечник такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц – нейтронов, составляет всего около 20-30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн. т/см3. По существу нейтронная звезда – это громадное атомное ядро. Нейтронные звезды быстро вращаются, и радиолуч каждой вращающейся звезды регистрируется радиотелескопом как импульс радиоизлучения. В этой связи нейтронные звезды подобного типа называются пульсарами.
Звезды обладают различными поверхностными температурами, соответственно меня-ется и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды – с температурой около 3-4 тыс. градусов – красного цвета. Наше Солнце, поверхность которого «нагрета» до 6 тыс. градусов, имеет желто-зеленый цвет. Самые горячие звезды, с температурой, превосходя-щей 12 тыс. градусов, — белые и голубоватые.
Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверх новых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии – в миллиарды раз больше, чем выделяет Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превраща-ясь в газовую туманность.
Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг её центра, по очень сложным орбитам. С огромной скоростью – около 250 км/с – движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшие к Солнцу звезды –
a – Центавра и Сириус. Возраст солнечной системы около 5 млрд. лет.
К интересным небесным телам, которым часто приписывались сверхъестественные значения, относятся кометы. Кометы – это небесные тела неправильной формы, которые состоят изо льда с вкраплениями каменных и железных глыб, имеющих размеры порядка нескольких десятков километров. Когда комета приближается к Солнцу, то ледяная поверхность кометы нагревается, и лед начинает потихоньку таять и испаряться. Из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнеч-ного излучения и солнечного ветра обуславливает образование хвоста, иногда достига-ющего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое простран-ство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго, тысячелетия и столетия.
Современная модель расширяющейся Вселенной столкнулась с теоретическими проблемами, разрешение которых способствовало прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватало всей массы Вселенной. Из этого возраже-ния родилась в 1939 году гипотеза о наличии во Вселенной так называемых «черных дыр», которые невозможно увидеть, но которые хранят в себе 9/10 всей массы Вселен-ной, т.е. столько, сколько недоставало.
Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для её преодоление надо бы развить скорость большую, чем скорость света, а это невозможно. Поэтому «черные дыры» ничего не выпускают наружу и не отражают, и стало быть их невозможно обнаружить. В черной дыре пространство искривляется, а время замедля-ется. Если сжатие продолжается дальше, то на каком-то её этапе начинаются незатуха-ющие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предполагается, что «черные дыры» находятся в ядрах галактики, являясь сверхмощным источником энергии.
Образование планет являются частью образования звезд. Поэтому особенности планет как объектов мегамира можно понять лишь в рамках общего космологического процесса, в силу которого вблизи определенных звезд возникает система планет, вращающиеся вокруг них. Поскольку вследствие громадных космических расстояний планетные системы других звезд не наблюдает, то проблема происхождения планет рассматривается на модели происхождения планет Солнечной системы.
Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким философом И.Кантом и французским математиком Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космологическая гипотеза Канта — Лапласа, хотя разрабатыва-лись они независимо друг от друга. Кант утверждал, что Солнце, планеты и их спутники возникли из первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равно-мерно заполнявшей мировое пространство. Под влиянием сил притяжения, присущих частицам материи, из этих частиц образовались отдельные скопления становившиеся центрами притяжения. Из одного такого крупного центра скопления образовалось Солнце, вокруг него расположились частицы в виде туманностей, которые начали двигаться по кругу. В круговых туманностях образовались зародыши планет, которые начали вращать-ся также вокруг своей оси.
Приблизительно через 50 лет после этого Лаплас высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космологическое учение. Гипотеза Лапласа основывалась на том, что Солнечная система образовалась из уже вращающейся газовой туманности. По теории Канта, Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имела предварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимая трудность: невозможно было объяснить, как могло образоваться правильное вращательное движение небесных тел. Гипотеза Канта – Лапласа получила широкое признание в первой половине ХIХ в., но потом оказалось, что ряд факторов не укладывается в её рамки. Пытаясь решить возникшие трудности, английский астрофизик Дж. Джинс предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой гипотезы. Например, известно, что каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание закономерности строения Солнечной системы, кажется невозможным, чтобы планеты были лишь осколками, оставшимися после космической катастрофы.
Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским астрофизиком Х. Альфвеном и английским ученым Ф.Хойлом. Согласно их гипотезе, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подвер-женного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, в результате чего образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.
students-library.com
Как происходит эволюция звезд
Как и любые тела в природе, звезды тоже не могут оставаться неизменными. Они рождаются, развиваются и, наконец, «умирают». Эволюция звезд занимает миллиарды лет, а вот по поводу времени их образования ведутся споры. Раньше астрономы считали, что процесс их «рождения» из звездной пыли требует миллионы лет, но не так давно были получены фотографии области неба из состава Большой Туманности Ориона. За несколько лет там возникло небольшое звездное скопление.
На снимках 1947 года в этом месте была зафиксирована небольшая группа звездоподобных объектов. К 1954 году некоторые из них уже стали продолговатыми, а еще через пять лет эти объекты распались на отдельные. Так впервые процесс рождения звезд проходил буквально на глазах у астрономов.
Давайте подробно разберем, как проходит строение и эволюция звезд, с чего начинается и чем заканчивается их бесконечная, по людским меркам, жизнь.
Традиционно ученые предполагают, что звезды образуются в результате конденсации облаков газо-пылевой среды. Под действием гравитационных сил из образовавшихся облаков формируется непрозрачный газовый шар, плотный по своей структуре. Его внутреннее давление не может уравновесить сжимающие его гравитационные силы. Постепенно шар сжимается настолько, что температура звездных недр повышается, и давление горячего газа внутри шара уравновешивает внешние силы. После этого сжатие прекращается. Длительность этого процесса зависит от массы звезды и обычно составляет от двух до нескольких сотен миллионов лет.
Строение звезд предполагает очень высокую температуру в их недрах, что способствует беспрерывным термоядерным процессам (водород, который их образует, превращается в гелий). Именно эти процессы являются причиной интенсивного излучения звезд. Время, за которое они расходуют имеющийся запас водорода, определяется их массой. От этого же зависит и длительность излучения.
Когда запасы водорода истощаются, эволюция звезд подходит к этапу образования красного гиганта. Это происходит следующим образом. После прекращения выделения энергии гравитационные силы начинают сжимать ядро. При этом звезда значительно увеличивается в размерах. Светимость также возрастает, поскольку процесс термоядерных реакций продолжается, но только в тонком слое на границе ядра.
Этот процесс сопровождается повышением температуры сжимающегося гелиевого ядра и превращением ядер гелия в ядра углерода.
По прогнозам, наше Солнце может превратиться в красного гиганта через восемь миллиардов лет. Радиус его при этом увеличится в несколько десятков раз, а светимость вырастет в сотни раз по сравнению с нынешними показателями.
Продолжительность жизни звезды, как уже отмечалось, зависит от ее массы. Объекты с массой, которая меньше солнечной, очень экономно «расходуют» запасы своего ядерного топлива, поэтому могут светить десятки миллиардов лет.
Эволюция звезд заканчивается образованием белых карликов. Это происходит с теми из них, чья масса близка к массе Солнца, т.е. не превышает 1,2 от нее.
Гигантские звезды, как правило, быстро истощают свой запас ядерного горючего. Это сопровождается значительной потерей массы, в частности, за счет сброса внешних оболочек. В результате остается только постепенно остывающая центральная часть, в которой ядерные реакции полностью прекратились. Со временем такие звезды прекращают свое излучение и становятся невидимыми.
Но иногда нормальная эволюция и строение звезд нарушается. Чаще всего это касается массивных объектов, исчерпавших все виды термоядерного горючего. Тогда они могут преобразовываться в нейтронные, сверхновые звезды или черные дыры. И чем больше ученые узнают об этих объектах, тем больше возникает новых вопросов.
fb.ru
Строение и эволюция звезд и планет
Строение и эволюция звезд и планет
Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации
Тюменская Государственная Сельскохозяйственная Академия
Кафедра философии
Контрольная работа по дисциплине “Концепции современного естествознания”
Тема: Строение и эволюция звезд и планет.
Выполнила:
Тюмень 2003г.
Возникновение и эволюция звезд
Межзвездный газ
Потребовалось тысячелетнее развитие науки, чтобы человечество осознало простой и вместе с тем величественный факт, что звезды — это объекты, более или менее похожие на Солнце, но только отстоящие от нас на несравненно большие расстояния.
Почти половину столетия межзвездный газ исследовался главным образом путем анализа образующихся в нем линий поглощения. Выяснилось, например, что довольно часто эти линии имеют сложную структуру, то есть состоят из нескольких близко расположенных друг к другу компонент. Каждая такая компонента возникает при поглощении света звезды в каком-нибудь определенном облаке межзвездной среды, причем облака движутся друг относительно друга со скоростью, близкой к 10 км/сек. Это и приводит благодаря эффекту Доплера к незначительному смещению длин волн линий поглощения.
Химический состав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно близким к химическому составу Солнца и звезд. Преобладающими элементами являются водород и гелий, между тем как остальные элементы мы можем рассматривать как «примеси».
Межзвездная пыль
До сих пор, говоря о межзвездной среде, мы имели ввиду только межзвездный газ, но имеется и другой компонент. Речь идет о межзвездной пыли. Мы уже упоминали выше, что еще в прошлом столетии дебатировался вопрос о прозрачности межзвездного пространства. Только около 1930 года с несомненностью было доказано, что межзвездное пространство действительно не совсем прозрачно. Поглощающая свет субстанция сосредоточена в довольно тонком слое около галактической плоскости. Сильнее всего поглощаются синие и фиолетовые лучи, между тем как поглощение в красных лучах сравнительно невелико.
Что же это за субстанция? Сейчас уже представляется доказанным, что поглощение света обусловлено межзвездной пылью, то есть твердыми микроскопическими частицами вещества, размерами меньше микрона. Эти пылинки имеют сложный химический состав. Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени «ориентируются», то есть направления их вытянутости имеют тенденцию «выстраиваться» в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным.
Стадии звездной эволюции
Этот процесс является закономерным, то есть неизбежным. В самом деле, тепловая неустойчивость межзвездной среды неизбежно ведет к ее фрагментации, то есть к разделению на отдельные, сравнительно плотные облака и межоблачную среду. Однако собственная сила тяжести не может сжать облака — для этого они недостаточно плотны и велики. Но тут «вступает в игру» межзвездное магнитное поле. В системе силовых линий этого поля неизбежно образуются довольно глубокие «ямы», куда «стекаются» облака межзвездной среды. Это приводит к образованию огромных газово-пылевых комплексов. В таких комплексах образуется слой холодного газа, так как ионизирующее межзвездный углерод ультрафиолетовое излучение звезд сильно поглощается находящейся в плотном комплексе космической пылью, а нейтральные атомы углерода сильно охлаждают межзвездный газ и «термостатируют» его при очень низкой температуре — порядка 5-10 градусов Кельвина. Так как в холодном слое давление газа равно внешнему давлению окружающего более нагретого газа, то плотность в этом слое значительно выше и достигает нескольких тысяч атомов на кубический сантиметр. Под влиянием собственной гравитации холодный слой, после того как он достигнет толщины около одного парсека, начнет «фрагментировать» на отдельные, еще более плотные сгустки, которые под воздействием собственной гравитации будут продолжать сжиматься. Таким вполне естественным образом в межзвездной среде возникают ассоциации протозвезд. Каждая такая протозвезда эволюционирует со скоростью, зависящей от ее массы.
Когда существенная часть массы газа превратиться в звезды, межзвездное магнитное поле, которое своим давлением поддерживало газово-пылевой комплекс, естественно, не будет оказывать воздействия на звезды и молодые протозвезды. Под влиянием гравитационного притяжения Галактики они начнут падать к галактической плоскости. Таким образом, молодые звездные ассоциации всегда должны приближаться к галактической плоскости.
Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды — впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах. Этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми.
Каков же механизм их возникновения? Почему за многие годы астрономических визуальных и фотографических наблюдений неба только сейчас впервые удалось увидеть «материализацию» звёзд? Рождение звезды не может быть исключительным событием: во многих участках неба существуют условия, необходимые для появления этих тел.
В результате тщательного изучения фотографий туманных участков Млечного Пути удалось обнаружить маленькие чёрные пятнышки неправильной формы, или глобулы, представляющие собой массивные скопления пыли и газа. Они выглядят чёрными, так как не испускают собственного света и находятся между нами и яркими звёздами, свет от которых они заслоняют. Эти газово-пылевые облака содержат частицы пыли, очень сильно поглощающие свет, идущий от расположенных за ними звёзд. Размеры глобул огромны — до нескольких световых лет в поперечнике. Несмотря на то, что вещество в этих скоплениях очень разрежено, общий объём их настолько велик, что его вполне хватает для формирования небольших скоплений звёзд, по массе близких к Солнцу. Для того чтобы представить себе, как из глобул возникают звёзды, вспомним, что все звёзды излучают и их излучение оказывает давление. Разработаны чувствительные инструменты, которые реагируют на давление солнечного света, проникающего сквозь толщу земной атмосферы. В чёрной глобуле под действием давления излучения, испускаемого окружающими звёздами, происходит сжатие и уплотнение вещества. Внутри глобулы гуляет «ветер», разметающий по всем направлениям газ и пылевые частицы, так что вещество глобулы пребывает в непрерывном турбулентном движении.
Глобулу можно рассматривать как турбулентную газово-пылевую массу, на которую со всех сторон давит излучение. Под действием этого давления объём, заполняемый газом и пылью, будет сжиматься, становясь, всё меньше и меньше. Такое сжатие протекает в течение некоторого времени, зависящего от окружающих глобулу источников излучения и интенсивности последнего. Гравитационные силы, возникающие из-за концентрации массы в центре глобулы, тоже стремятся сжать глобулу, заставляя вещество падать к её центру. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако.
Падение вещества может длиться сотни лет. Вначале оно происходит медленно, неторопливо, поскольку гравитационные силы, притягивающие частицы к центру, ещё очень слабы. Через некоторое время, когда глобула становится меньше, а поле тяготения усиливается, падение начинает происходить быстрее. Но, как мы уже знаем, глобула огромна, не менее светового года в диаметре. Это значит, что расстояние от её внешней границы до центра может превышать 10 триллионов километров. Если частица от края глобулы начнёт падать к центру со скоростью немногим менее 2км/с, то центра она достигнет только через 200 000 лет. Наблюдения показывают, что скорости движения газа и пылевых частиц на самом деле гораздо больше, а потому гравитационное сжатие происходит значительно быстрее.
Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц перешла в тепло, нагрела пыль и газ.
В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область. Звезда ещё не родилась, но зародыш её уже появился. Астрономам пока неизвестно, сколько времени требуется протозвезде, чтобы достигнуть той стадии, когда она начинает светиться как тусклый красный шар и становится видимой. По различным оценкам, это время колеблется от тысяч до нескольких миллионов лет. Однако, помня о появлении звёзд в Большой Туманности Ориона, стоит, пожалуй, считать, что наиболее близка к реальности оценка, которая даёт минимальное значение времени.
Среди многочисленных небесных светил, изучаемых современной астрономией, особое место занимают планеты. Ведь все мы хорошо знаем, что Земля, на которой мы живем, является планетой, так что планеты-тела, в основном подобные нашей Земле.
Но в мире планет мы не встретим даже двух, совершенно похожих друг на друга. Разнообразие физических условий на планетах очень велико. Расстояние планеты от Солнца (а значит, и количество солнечного тепла, и температура поверхности), её размеры, напряжение силы тяжести на поверхности, ориентировка оси вращения, определяющая смену времён года, наличие и состав атмосферы, внутреннее строение и многие другие свойства различны у всех девяти планет Солнечной системы.
Как показывает изучение условий, при которых возможно зарождение и дальнейшее развитие живой материи, только на планетах мы можем искать признаки существования органической жизни. Вот почему изучение планет, помимо общего интереса, имеет большое значение с точки зрения космической биологии.
Изучение планет имеет большое значение, кроме астрономии, и для других областей науки, в первую очередь наук о Земле-геологии и геофизики, а также для космогонии-науки о происхождении и развитии небесных тел, в том числе и нашей Земли.
Современные представления о планетах сложились не сразу. Для этого понадобилось много веков накопления и развития знаний и упорной борьбы новых, прогрессивных знаний с взглядами старыми, отживающими.
В древних представлениях о Вселенной Земля считалась плоской, а планеты рассматривались лишь как светящиеся точки на небесном своде, отличавшиеся от звёзд только тем, что они перемещались между ними, переходя из созвездия в созвездие. За это планеты и получили название, означающее «блуждающие». Наблюдателям древности, было, известно пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн.
Даже после того как была установлена шарообразная форма Земли, и были впервые определены её размеры (Эратосфеном в III в. до н. э.), после того как стала очевидна ограниченность Земли в пространстве, о природе планет ни чего не было известно. И всё же во взглядах выдающихся мыслителей древности: Анаксагора, Демокрита, Эпикура, Лукреция мы встретим идеи о материальности и бесконечности Вселенной, заполненной бесчисленным количеством миров, подобных нашему, причём многие из них могут быть населены живыми существами. Эти мыслители высказывали весьма интересные идеи и о природе небесных тел.
Образование планет.
.Вернемся к спутникам нашего Солнца, к тем обрывкам туманности, которые оторвались от центрального сгустка под действием центробежной силы и начали кружиться вокруг него. Именно здесь создаются условия, способствующие разделению легких и тяжелых частиц туманности. Происходит нечто похожее на наш древний способ добычи золота промывкой из золотоносного песка или на просеивание зерна в молотилках. Струя воды или воздуха уносит легкие частицы, оставляя тяжелые. Облака-спутники находятся на очень разных расстояниях от Солнца. Далекие оно почти не греет. Зато в близких — его жар испаряет все способное испариться. А его ослепительный ярчайший свет, работая как своеобразный «ветер»,выдувает из них все испарившееся, вообще все легкое, оставляя лишь то, что потяжелее, что «не сдвинешь с места».Поэтому здесь почти не остается легких газов — водорода и гелия, основной составляющей газо-пылевой туманности. Мало остается и других «летучих» веществ. Все это уносится горячим «ветром» вдаль. В результате через некоторое время химический состав облаков-спутников становится совершенно разным. В далеких — он почти не изменился. А в тех, что кружатся вблизи источающего жар и свет Солнца, остался лишь «прокаленный» и «обдутый» материал — выделенная «драгоценная жизненно важная примесь» тяжелых элементов. Материал для создания обитаемой планеты готов. Начинается процесс превращения «материала» в «изделие», частиц туманности — в планеты.
Этап первый — слипание частиц. В далеких облаках — спутниках многочисленные молекулы легких газов и редкие легкие пылинки понемногу собираются в огромные рыхлые шары малой плотности. В дальнейшем это планеты группы Юпитера. В облаках-спутниках, близких к Солнцу, тяжелые пылинки слипаются в плотные каменистые комки. Они объединяются в огромные массивные скалистые глыбы, чудовищными серыми угловатыми громадами плывущие по орбитам вокруг своей звезды. Двигаясь по разным, иногда пересекающимся орбитам, эти «астероиды», размером в десятки километров каждый, сталкиваются. Если на небольшой относительной скорости, то как бы «вдавливаются» один в другой,»нагромождаются», «налипают» один на другой. Объединяются в более крупные. Если на большой скорости, то мнут, крошат друг друга, порождая новую «мелочь»,бесчисленные обломки, осколки, которые вновь проходят долгий путь объединения. Сотни миллионов лет идет этот процесс слияния мелких частиц в крупные небесные тела. По мере увеличения своих размеров они становятся все более шарообразными. Растет масса — возрастает сила тяжести на их поверхности. Верхние слои давят на внутренние. Выступающие части оказываются грузом более тяжелым и постепенно погружаются в толщу нижележащих масс, раздвигая их под собой. Те, отходя в стороны, заполняют собой впадины. Грубый «ком» постепенно сглаживается. В результате вблизи Солнца образуются несколько сравнительно небольших по размеру, но очень плотных, состоящих из очень тяжелого материала, планет земной группы. Среди них — Земля. Все они резко отличаются от планет группы Юпитера богатством химического состава, обилием тяжелых элементов, большим удельным весом. Теперь посмотрим на Землю. На звездном фоне, освещенный с одной стороны яркими солнечными лучами, плывет перед нами огромный каменный шар. Он ещё не гладкий не ровный. Ещё торчат кое-где выступы слепивших его глыб. Еще «читаются» не полностью заплывшие «швы» между ними. Пока это еще «грубая работа».Но вот что интересно. Уже есть атмосфера. Чуть мутноватая, очевидно, от пыли, но без облаков. Это выдавленные из недр планеты водород и гелий, которые в свое время прилипли к каменистым частицам и каким-то чудом уцелели, не были «сдуты» солнечными лучами. Первичная атмосфера Земли. Долго она не продержится.»Не мытьем, так катаньем» Солнце уничтожит её. Легкие подвижные молекулы водорода и гелия под действием нагрева солнечными лучами будут постепенно улетучиваться в космос. Этот процесс называется «диссипацией»
Этап второй-разогревание. 0Внутри планеты, в смеси с другими оказываются зажатыми,»запертыми» радиоактивные вещества. Они отличаются тем, что непрерывно выделяют тепло, чуть заметно нагреваются. Но в толще планеты этому теплу некуда выйти, нет вентиляции, нет омывающей влаги. Над ними — мощная «шуба» из вышележащих слоев. Тепло накапливается. От этого радиоактивного разогрева начинается размягчение всей толщи планеты. В размягченном виде вещества, в свое время хаотично, бессистемно
слепившие её, начинают теперь распределятся по весу Тяжелые постепенно опускаются, тонут к центру. Легкие выдавливаются ими, поднимаются выше, всплывают все ближе к поверхности. Постепенно планета приобретает строение, подобное теперешней нашей Земле,- в центре, сжатой чудовищным весом навалившихся сверху слоев, тяжелое ядро. Оно окружено «мантией» толстым слоем вещества полегче весом. И наконец, снаружи совсем тонкая, толщиной всего в несколько десятков километров,»кора»,состоящая из наиболее легких горных пород. Радиоактивные вещества в основном содержатся в легких породах. Поэтому теперь они скопились в «коре», греют её. Основное тепло с поверхности планеты уходит в космос,- от планеты «чуть повеяло теплом». А на глубине десятков километров тепло сохраняется, разогревая горные породы.
Этап третий — вулканическая деятельность. 0 В некоторых местах недра планеты накаляются докрасна. Потом даже больше. Камни плавятся, превращаются в раскаленную, светящуюся оранжево-белым светом огненную кашу »магму».В толще коры ей тесно. В ней полно сжатых газов, которые готовы были бы взорвать, разбросать всю эту магму во все стороны огненными брызгами. Но сил для этого не хватает. Слишком крепка и тяжела окружающая и придавившая сверху кора планеты. И огненная магма, пытаясь хоть как-нибудь вырваться наверх, на свободу, нащупывает между сжимающими её глыбами слабые места, протискивается в щели, подплавляя их стенки своим жаром. И понемногу с годами, столетиями набирая силу, поднимается из глубин к поверхности планеты. И вот победа! «Канал» пробит! Сотрясая скалы, с грохотом вырывается из недр столб огня. Клубы дыма и пара вздымаются к небу. Летят вверх камни и пепел. Огненная магма, которая называется теперь «лава»,выливается на поверхности планеты, растекается в стороны. Происходит извержение вулкана. Таких «пробитых изнутри дырок» на планете много. Они помогают молодой планете «бороться с перегревом».Через них она освобождается от накопившейся огненной магмы,»выдыхает»распирающие её горячие газы в основном углекислый газ и водяной пар, а с ними — разные примеси, такие, как метан, аммиак. Постепенно в атмосфере почти исчезли водород и гелий, и она стала состоять в основном из вулканических газов. Кислорода в ней пока нет и в помине. Для жизни эта атмосфера совершенно непригодна. Очень важно, что вулканы выбрасывают на поверхность большое количество водяного пара. Он собирается в облака. Из них на поверхность планеты льются дожди. Вода стекает в низины, накапливается. И понемногу на планете образуются озера, моря, океаны, в которых может развиться жизнь.
Образование солнечной системы
Вот уже два века проблема происхождения Солнечной системы волнует выдающихся мыслителей нашей планеты. Этой проблемой занимались, начиная от философа Канта и математика Лапласа, плеяда астрономов и физиков XIX и XX столетий.
И все же мы до сих пор довольно далеки от решения этой проблемы. Но за последние три десятилетия прояснился вопрос о путях эволюции звезд. И хотя детали рождения звезды из газово-пылевой туманности еще далеко не ясны, мы теперь четко представляем, что с ней происходит на протяжении миллиардов лет дальнейшей эволюции.
Переходя к изложению различных космогонических гипотез, сменявших одна другую на протяжении двух последних столетий, начнем с гипотезы великого немецкого философа Канта и теории, которую спустя несколько десятилетий независимо предложил французский математик Лаплас. Предпосылки к созданию этих теорий выдержали испытание временем.
Точки зрения Канта и Лапласа в ряде важных вопросов резко отличались. Кант исходил из эволюционного развития холодной пылевой туманности, в ходе которого сперва возникло центральное массивное тело — будущее Солнце, а потом планеты, в то время как Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей с высокой скоростью вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, вращалась все быстрее и быстрее. Из-за больших центробежных сил от него последовательно отделялись кольца. Потом они конденсировались, образуя планеты.
Таким образом, согласно гипотезе Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различия, общей важной особенностью является представление, что Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Поэтому и принято называть эту концепцию “гипотезой Канта-Лапласа”.
Однако эта теория сталкивается с трудностью. Наша Солнечная система, состоящая из девяти планет разных размеров и масс, обладает особенностью: необычное распределение момента количества движения между центральным телом — Солнцем и планетами.
Момент количества движения есть одна из важнейших характеристик всякой изолированной от внешнего мира механической системы. Именно как такую систему можно рассмотреть Солнце и окружающие его планеты. Момент количества движения можно определить как “запас вращения” системы. Это вращение складывается из орбитального движения планет и вращения вокруг осей Солнца и планет.
Львиная доля момента количества движения Солнечной системы сосредоточена в орбитальном движении планет-гигантов Юпитера и Сатурна.
С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно. В эпоху, когда от первоначальной, быстро вращающейся туманности отделилось кольцо, слои туманности, из которых потом сконденсировалось Солнце, имели (на единицу массы) примерно такой же момент, как вещество отделившегося кольца (так как угловые скорости кольца и оставшихся частей были примерно одинаковы). Так как масса последнего была значительно меньше основной туманности (“протосолнца”), то полный момент количества движения кольца должен быть много меньше, чем у “протосолнца”. В гипотезе Лапласа отсутствует какой-либо механизм передачи момента от “протосолнца” к кольцу. Поэтому в течение всей дальнейшей эволюции момент количества движения “протосолнца”, а затем и Солнца должен быть много больше, чем у колец и образовавшихся из них планет. Но этот вывод противоречит с фактическим распределением количества движения между Солнцем и планетами.
Для гипотезы Лапласа эта трудность оказалась непреодолимой.
Остановимся на гипотезе Джинса, получившей распространение в первой трети текущего столетия. Она полностью противоположна гипотезе Канта-Лапласа. Если последняя рисует образование планетарных систем как единственный закономерный процесс эволюции от простого к сложному, то в гипотезе Джинса образование таких систем есть дело случая.
Исходная материя, из которой потом образовались планеты, была выброшена из Солнца (которое к тому времени было уже достаточно “старым” и похожим на нынешнее) при случайном прохождении вблизи него некоторой звезды. Это прохождение был настолько близким, что его можно рассматривать практически как столкновение. Благодаря приливным силам со стороны налетевшей на Солнце звезды, из поверхностных слоев Солнца выброшена струя газа. Эта струя останется в сфере притяжения Солнца и после того, как звезда уйдет от Солнца. Потом струя сконденсируется и даст начало планетам.
Если бы гипотеза Джинса была правильной, число планетарных систем, образовавшихся за десять миллиардов лет ее эволюции, можно было пересчитать по пальцам. Но планетарных систем фактически много, следовательно, эта гипотеза несостоятельна. И ниоткуда не следует, что выброшенная из Солнца струя горячего газа может сконденсироваться в планеты. Таким образом, космологическая гипотеза Джинса оказалась несостоятельной.
Список литературы:
1. И. С. Шкловский. Звезды: их рождение, жизнь и смерть
2. П. И. Бакулин. Курс общей астрономии
3. Ю. Н. Ефремов. В глубины Вселенной
4.Энцеклопедический 0 словарь юного астронома,М.:Педагогика,1980 г. Астрономия: Учеб. для 11 кл. сред шк ., М:Провсещение,1990 г.
5.Клушанцев П.В. 2″ 0Одиноки ли мы во вселенной? 2″ 0:Дет.лит.,1981г. Эврика-89 ,М:Мол.гвардия,1991 г.
Поиски жизни в Солнечной системе: Пер.с англ. М.:Мир,1988 г.
diplomba.ru
37. Строение и эволюция звезд.
На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих др. галактик, если не у большинства, звездная субстанция составляет более чем 99,9% их массы.
Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды.
Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, к звездам – плотным плазменным телам с температурой в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений.
Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет за счет превращения водорода в более тяжелые элементы, и прежде всего в гелий.
Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы — так называемые кратные системы состоят из двух, трех, четырех, пяти и больше звезд, образующихся вокруг общего центра тяжести.
Звезды объединены также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Скопления звезд, также не являются неизменными и вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения.
38. Солнечная система и ее происхождение.
Солнечная система представляет собой групп небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероиды), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел.К 1979 г. было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца.
Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом Кантом и французским математиком Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта-Лапласа. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи, находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.
Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрафизика Дж.Х.Джинса. Он предложил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты.
Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком Х.Альфвеном и англ.астрофизиком Ф.Хойлом. Считается, что именно электромагнитные силы сыграли решающую роль при зарождении Солнечной системы.
Теория происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, однозначно решить вопрос об их достоверности на своевременном этапе развития науки невозможно. Во всех теориях имеются противоречия и неясные места.
studfiles.net