Звезды. От рождения до смерти

1. Звезды. Общее
2. От рождения до смерти
3. Двойные звезды
4. Сверхмассивные черные дыры и квазары
5. Галактический Армагеддон

Рождение звезд

Все начинается смутно и облачно, из облака газа. Точнее сказать, из облака водорода с незначительным количеством примесей, типа гелия или лития. Постепенно, под воздействием собственной гравитации (а облако, надо сказать, массу имеет весьма значительную) облако сжимается и уплотняется. Процесс этот весьма небыстрый, поскольку газовое облако имеет крайне низкую плотность и весьма вбольшие размеры. Но вот оно сжалось до вполне компактных размеров (в звездном масштабе, разумеется), примерно до размеров Солнечной системы.

Сжатие все ускоряется, поскольку размеры уменьшаются, масса концентрируется, а как мы знаем, сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния. Это протозвезда. Почему прото? Потому что она пока холодна как рыба, если так можно выразиться. Звездой это облако газа станет лишь после запуска термоядерных реакций, но об этом позже.

Под воздейстием собственной силы тяжести облако все сжимается, сжимается, от сжатия начинает разогреваться, давление начинает расти. Звезда зажглась? Нет, этого мало. Скажем, Юпитер и Сатурн тоже состоят из газа, и водорода там очень даже немало, но все же планеты, не звезды. Вывод: звезде нужна минимальная масса для “старта”.
Эта граница находится на уровне 0,1 массы Солнца (единицы измерения массы звезд). Только такая протозвезда разогреется достаточно сильно и будет иметь достаточное давление для запуска главной термоядерной реакции: водородно-гелиевой.

Звёзды, имеющие большую массу, чем масса Солнца, в процессе эволюции сжимаются и становятся ещё более горячими. Однако слишком горячие большие звёзды неустойчивы. Физическая причина этой неустойчивости состоит в том, что сила давления излучения и сила давления звёздного вещества внутри звезды превышает силу гравитационного сжатия звезды. Расчёты показывают, что максимальная масса звёзд составляет 70 масс Солнца. Иными словами, если протозвезда будет иметь массу порядка 100 солнечных, то звезды из нее никак не получится, а получится эдакая гипербомба, которая взорвется практически сразу же после “зажигания”.

К слову, возвращаясь к предыдущему посту, относительно диаграммы Герцшпрунга-Рессела, главная последовательность состоит из звезд с водородно-гелиевой реакцией. Причем вся кривая находится в прямой зависимости от массы звезды – чем больше масса, тем левее на диаграмме звезда. Сириус, ярчайшая звезда нашего неба, имеет спектральный класс A1 и массу в 2,4 солнечных. Солнце имеет спектральный класс G3.

Жизнь и смерть звезд

После того, как звезда встала на главную последовательность (зажглась), ей еще миллионы или миллиарды лет предстоить прожить на ней. Срок жизни определяет масса звезды (впрочем масса определяет вообще все для одиночных звезд).
Для Солнца срок жизни составляет порядка 10 млрд лет. Посколько Солнце зажглось примерно 4.5 млрд лет назад, то ему прожить осталось еще 5-5,5. Для Сириуса (а конкретно Сириуса А, поскольку Сириус двойная система) с массой 2,4 солнечной срок жизни уже “всего” 1 млрд лет. А все потому что увеличение массы в 2,4 раза ему дают
“Светимость: 26,1 светимостей Солнца
Температура поверхности: 9900 К ” (против ~6000K у Солнца)

Со временем запасы водорода, необходимого для термоядерных реакций, истощаются и подходит момент, когда водородно-гелиевая реакция уже не состоянии поддерживать стабильное состояние звезды. Наступает второй важнейший переломный момент в жизни звезды. Звезда снова начинает сжиматься под действием собственной силы тяжести и сильно разогревается, давление растет. И тут все зависит от массы зевзды снова – что же ждет ее?

Сжатие и разогрев приводят к запуску следующей по очереди термоядерной реакции – тройной гелиевой:
“При температурах порядка 108 K кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be8:

He4 + He4 = Be8

Большая часть Be8 снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be8 с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C12:

Be8 + He4 = C12 + 7,3 МэВ.”

Образуется красный гигант, размерами достигащий орбиты Земли.

“Ядерные реакции в красных гигантах происходят не только в ядре: по мере выгорания водорода в ядре, нуклеосинтез гелия распространяется на ещё богатые водородом области звезды, образуя сферический слой на границе бедных и богатых водородом областей. Аналогичная ситуация возникает и с тройной гелиевой реакцией: по мере выгорания гелия в ядре она также сосредотачивается в сферическом слое на границе между бедными и богатыми гелием областями. Светимость звёзд с такими «двухслойными» областями нуклеосинтеза значительно возрастает, достигая порядка нескольких тысяч светимостей Солнца, звезда при этом «раздувается», увеличивая свой диаметр до размеров земной орбиты. Зона нуклеосинтеза гелия поднимается к поверхности звезды: доля массы внутри этой зоны составляет ~70 % массы звезды. «Раздувание» сопровождается достаточно интенсивным истечением вещества с поверхности звезды, такие объекты наблюдаются как протопланетарные туманности“.

Процесс этот приводит к нестабильности внутри звезды и последующему сбросу внешних слоев. Внешняя часть звезды просто разлетается с огромными скоростями, а на месте остается “белый карлик”, весьма интересный объект.
Белый карлик – объект с массой порядка 0,5-1 солнечной (но не более 1,4 солнечной), но размерами порядка земных. Плотность вещества белого карлика, как несложно подсчитать, достигает 100 кг/куб.см. Белыми карлики называют потому что он имеют исключительно высокую температуру поверхности (25000 К), но при этом и исключительно малую поверхность, поэтому очень низкую светимость. Поскольку реакций в них больше не происходит, их единственная участь – медленно остывать. Именно это и ждет наше Солнце.
Ближайший к нам белый карлик – Сириус B, вторая компонента системы Сириуса.

Звезды бОльшей массы по исчерпанию ресурсов для тройной гелиевой реакции переключаются на синтез все более тяжелых элементов вплоть до железа. Железо – последний химический элемент, синтез которого экзотермичен (сопровождается выделением энергии). Все более тяжелые элементы образуются как побочные продукты с поглощением энергии.

После окончательного выгорания топлива происходит так называемая вспышка “сверхновой” звезды, сопровождающаяся выбросом огромного количества вещества и энергии. Если будет интересно, расскажу о видах “новых” и “сверхновых” звезд и механизмах взрывов.

Самое главное: если вам будут утверждать, что вы всего лишь создание божье из глины – смело плюньте в лицо этому человеку. Вы не из глины, любой человек – частичка самой настоящей звезды. Во всей Вселенной нет иных источников тяжелых элементов.

Остается ядро звезды, но для белого карлика оно уже слишком массивно. Образуется нейтронная звезда с массой порядка солнечной и размером порядка 10 км (массы всех известных нейтронных звёзд близки к 1,4 массы Солнца, однако теоретически допустимы нейтронные звёзды с массами от 0,1 до примерно 2,5 солнечных масс). Сила гравитации этой “звезды” такова, что электроны вдавливаются в ядра и образуется сплошное нейтронное вещество. При этом сохраняется момент вращения и в самом начале своего существования в качестве нейтронной звезды эти объекты могут вращаться со скоростью 600 об/сек. Классический пример нейтронной звезды и сброшенной ей оболчки – это Крабовидная Туманность (сверхновая 1054 года).

Во Вселенной астрономами были обнаружены интересные объекты, названные пульсарами за то, что строго периодично от них приходили всплески электромагнитного излучения. Позднее было объяснено, что пульсар – это нейтронная звезда, а всплеск происходит в момент когда магнитный полюс направлен в сторону Земли. Как мы помним, ось вращения и магнитная ось совсем не обязательно совпадают. Иными словами, каждая нейтронная звезда пульсар, но не каждый пульсар мы видим.

Если же масса оставшегося ядра не менее 2,5 до 5,6 солнечной (по разным моделям), то образуется “черная дыра”. Поскольку в данном случае вступает в полной мере в дело квантовые эффекты, то данный объект уже даже нельзя в полной мере назвать объектом. Черная дыра — область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Горизонтом событий называют поверхность (в математическом смысле, а не поверхность объекта) вокруг черной дыры, на которой вторая космическая скорость равна скорости света, т.е. все, что находится внутри, покинуть эту область не может. Черные дыры обнаружены в достаточном для изучения количестве, но они обнаружены не сами по себе, а благодаря побочным факторам. Впрочем, о них мы будем подробно говорить позже.