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

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,