Происхождение и развитие звезд и Солнца
Структура облаков постоянно изменяется под действием взаимных столкновений, нагрева звёздным излучением, давления межзвёздных магнитных полей. В разных частях облака плотность газа различается в тысячу раз (во столько же раз вода плотнее комнатного воздуха). Когда плотность облака (или отдельной его части) становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо коллапсировать. Размер его уменьшается все быстрее и быстрее, а плотность растёт. Небольшие неоднородности плотности в процессе коллапса усиливаются, и в итоге облако фрагментирует, т.е. распадается на части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие.
При коллапсе возрастают температура и давление газа, что препятствует дальнейшему увеличению плотности. Но пока облако прозрачно для излучения, оно легко остывает и сжатие не прекращается. Большую роль в дальнейшем играет космическая пыль. Хотя по массе она составляет всего 1% межзвездного вещества, это очень важный его компонент. В темных облаках пылинки поглощают энергию газа и перерабатывают ее в инфракрасное излучение, которое легко покидает облако, унося излишки тепла. Наконец из-за увеличения плотности отдельных фрагментов облака газ становится менее прозрачным. Остывание затрудняется, и возрастающее давление останавливает коллапс. В будущем из каждого фрагмента образуется звезда, а все вместе они составят группу молодых звезд в недрах молекулярного облака.
Коллапс плотность части облака в звезду, а чаще – в группу звезд продолжается несколько миллионов лет (сравнительно быстро по космическим масштабам). Новорождённые звёзды разогревают окружающий газ, и под действием высокого давления остатки облака разлетаются. Именно этот этап видим в туманности Ориона. Но по соседству с ней продолжается формирование будущих поколений звезд. Для света эти области совершенно непрозрачны и наблюдаются только с помощью инфракрасных и радиотелескопов.
Рождение звезды длится миллионы лет и скрыто от нас в недрах тёмных облаков, так что этот процесс практически недоступен прямому наблюдению. Астрофизики пытаются исследовать его теоретически, с помощью компьютерного моделирования. Превращение фрагмента облака в звезду сопровождается гигантским изменением физических условий: температура вещества возрастает примерно в 10б раз, а плотность — в 1020 раз. Колоссальные изменения всех характеристик формирующейся звезды составляют главную трудность теоретического рассмотрения её эволюции. На стадии подобных изменений исходный объект уже не облако, но ещё и не звезда. Поэтому его называют протозвездой (от греч. «протос» — «первый»).
В общих чертах эволюцию протозвезды можно разделить на три этапа, или фазы. Первый этап — обособление фрагмента облака и его уплотнение. Вслед за ним наступает этап быстрого сжатия. В его начале радиус протозвезды примерно в миллион раз больше солнечного. Она совершенно непрозрачна для видимого света, но прозрачна для инфракрасного излучения с длиной волны больше 10 мкм. Излучение уносит излишки тепла, выделяющегося при сжатии, так что температура не повышается и давление газа не препятствует коллапсу. Происходит быстрое сжатие, практически свободное падение вещества к центру облака.
Однако по мере сжатия протозвезда делается всё менее прозрачной, что затрудняет выход излучения и приводит к росту температуры газа. В определённый момент протозвезда становится практически непрозрачной для собственного теплового излучения. Температура, а вместе с ней и давление газа быстро возрастают, сжатие замедляется.
Повышение температуры вызывает значительные изменения свойств вещества. При температуре в несколько тысяч градусов молекулы распадаются на отдельные атомы, а при температуре около 10 тыс. градусов атомы ионизуются, т. е. разрушаются их электронные оболочки. Эти энергоёмкие процессы на некоторое время задерживают рост температуры, но затем он возобновляется. Протозвезда быстро достигает состояния, когда сила тяжести практически уравновешена внутренним давлением газа. Но поскольку тепло всё же понемногу уходит наружу, а иных источников энергии, кроме сжатия, у протозвезды нет, она продолжает потихоньку сжиматься и температура в её недрах всё увеличивается.
Наконец температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов и начинаются термоядерные реакции. Выделяющееся при этом тепло полностью компенсирует охлаждение протозвезды с поверхности. Сжатие прекращается. Протозвезда становится звездой.
Молекулярные облака, эти «фабрики по производству звезд», изготавливают звезды всевозможных типов. Диапазон масс новорожденных звезд простирается от нескольких сотых долей до 100 масс Солнца, причем маленькие звезды образуются значительно чаще, чем крупные. В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около пяти масс Солнца.
Большой интерес представляют не только индивидуальные и кратные молодые звезды, но их коллективы. Молодые звезды сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости Галактики, что совсем не удивительно: именно там находиться слой межзвездного газа. На нашем небосводе молодые звезды большой светимости и нагретые ими газовые облака пролегли полосой Млечного Пути. Но если темной летней ночью внимательно посмотреть на небо, можно заметить, что в Млечном Пути выделятся отдельные «звездные облака». Насколько они реальны и какую степень в эволюции вещества отражают? Эти обширные группировки молодых звезд получили название звездные комплексы. Их характерные размеры – несколько сот парсек.
Исторически первым были обнаружены и исследованы более компактные группы молодых звезд – рассеянные скопления, подобные Плеядам. Эти сравнительно плотные группы из нескольких сот или тысяч звезд, связанных взаимной гравитацией, успешно противостоят разрушающему влиянию гравитационного поля Галактики. Их происхождение не вызывает споров: предками таких скоплений являются плотные ядра межзвездных молекулярных облаков. Рассеянные скопления понемногу теряют свои звезды.
Ассоциации недолговечны: через 20 – 30 млн. лет они расширяются до размера более 100 пк и их уже невозможно выделить среди звезд фона. Это создает иллюзию, что ассоциации – редкие группировки звезд. В действительности они рождаются не реже скоплений, просто разрушаются быстрее.
Большую часть своей жизни звезда находится на так называемой главной последовательности диаграммы цвет – светимость. Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звёзд, наблюдаемых в нашей Галактике, — скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Дальнейшая судьба звезды полностью определяется её массой.
Каков же будет срок жизни звезды? Иначе говоря, сколько времени она проведёт на главной последовательности? Ответить на данный вопрос не представляет труда, если знать механизм выделения энергии в звезде. Для звёзд главной последовательности это термоядерные реакции превращения водорода в гелий.
Звёзды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звёзд составляет «всего» несколько миллионов лет! Для подавляющего же большинства звёзд время жизни сравнимо или даже превышает возраст Вселенной (около 15 млрд. лет).
Теперь мы подошли к основному вопросу: во что превращаются звёзды в конце жизни и как проявляют себя их остатки? Звёзды разной массы приходят в итоге к одному из трёх состояний: белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.
Белые карлики
После «выгорания» термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной её части (ядре) плотность вещества становится настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звёзды, из него состоящие, — вырожденными звёздами '
После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров — в сотни радиусов Солнца — и за время порядка 10—100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 109 кг/м3 (тонну на кубический сантиметр!).
Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. кельвинов образуют кристаллическую решётку. Образно говоря, белые карлики - это горячие гигантские кристаллы.
Нейтронные звёзды
Большинство нейтронных звёзд образуется при коллапсе ядер звёзд массой более десяти солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением — вспышкой сверхновой звезды. Зная из наблюдений, что вспышки сверхновых в нормальной галактике происходят примерно раз в 25 лет, легко вычислить, что за время существования нашей Галактики (10 — 15 млрд. лет) в ней должно было образоваться несколько сот миллионов нейтронных звёзд! Как же они должны проявлять себя?
Молодые нейтронные звёзды быстро вращаются (периоды их вращения измеряются миллисекундами!) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твёрдой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких энергий (см. статью «Необычные объекты: нейтронные звёзды и чёрные дыры»). Эти частицы | излучают радиоволны.
С потерей энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн. лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч (один на 1500 звёзд соответствующей массы). В настоящее время наблюдается примерно 700 пульсаров.
Как и для белых карликов, для нейтронных звёзд существует предельно возможная масса (она носит название предела Оппенгеймера — Волкова). Однако строение материи при столь высоких плотностях известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера — Волкова точно не установлен, его величина зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае он не превышает трёх масс Солнца.
Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется чёрная дыра.
Ч ерные дыры
Термин «чёрная
дыра» был весьма удачно введён в науку американским физиком Джоном Уилером в
1968 г. для обозначения сколлапсировавшей звезды. Как известно, для того чтобы
преодолеть силу притяжения небесного тела с массой М и радиусом К, частица на
поверхности должна приобрести вторую космическую скорость vii =
где G — постоянная тяготения Ньютона. Если при
постоянной массе радиус уменьшается, то эта скорость возрастает и может достичь
скорости света (с) — предельной скорости для любых физических объектов, когда
радиус тела становится равным 2GМ/c2.
Это так называемый гравитационный радиус — Rg. Поскольку информация может передаваться
не более чем со скоростью света, коллапсирующее тело, как говорят, уходит за
горизонт событий для далёкого наблюдателя.
На достаточно больших расстояниях чёрная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у чёрных дыр быть не может. Удивительно, но самые «экзотические» с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты — чёрные дыры — устроены гораздо проще, чем обычные звёзды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества — они описываются только уравнениями гравитации Эйнштейна. Кроме массы чёрная дыра может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом.
Но если чёрные дыры не светят, то как же можно судить о реальности этих объектов во Вселенной? Единственный путь — наблюдать воздействие их гравитационного поля на другие тела.
Имеются косвенные доказательства существования чёрных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звёздах. В пользу этого говорят, во-первых, отсутствие известных проявлений твёрдой поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера (например, периодических импульсов в излучении), и, во вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трёх масс Солнца).
Последние достижения рентгеновской астрономии позволяют исследовать рентгеновское излучение очень быстрой (миллисекундной) переменности. В оптической астрономии появилась возможность регистрации очень слабых потоков света. Всё это даёт надежду, что в начале XXI в. будет получено прямое доказательство существования в Галактике чёрных дыр звёздной массы. А возможно, обнаружение чёрных дыр будет связано с совершенно новым направлением звёздной науки — гравитационно-волновой астрономией. Уже разрабатываются гравитационно-волновые детекторы, которые позволят регистрировать необычайно слабые гравитационные волны от систем, содержащих чёрные дыры. Скорее всего, первые обнаруженные таким методом объекты окажутся двойными чёрными дырами, сливающимися друг с другом из-за потерь энергии орбитального движения на гравитационное излучение.
Заключение
Каких бы высот не достигла наука и техника будущих веков, многие фундаментальные открытия останутся заслугой века нынешнего. Только один раз можно открыть мир галактик, обнаружить расширение Вселенной и реликтовое излучение, оставшееся нам в наследство от прошлых времён, когда в природе ещё не было звёзд, узнать примерный возраст Солнца и других звёзд, убедиться в существовании протозвёзд, вырожденных и нейтронных звёзд, чёрных дыр, обнаружить планеты у других звёзд, узнать о странных свойствах пульсаров, активных ядер галактик... И всё это было сделано за последние десятилетия.
В настоящее время живёт фактически первое поколение людей, которое знает, каково расстояние до самых далёких наблюдаемых объектов, как они эволюционируют и какой возраст могут иметь. Это не означает, что будущим поколениям осталось только уточнять детали. Нет, чем больше мы знаем, тем чаще соприкасаемся с Неизвестным, так что число проблем, требующих решения, не уменьшается. Например, до сих пор почти ничего не известно о материи, которая не излучает или почти не излучает никаких электромагнитных волн и потому не воспринимается современными приборами, хотя её, по некоторым данным, должно быть во Вселенной даже больше, чем «видимой» материи. Мы почти ничего не знаем о планетах вблизи других звёзд, плохо представляем себе природу многих наблюдаемых явлений. Астрономии XXI в., по-видимому, предстоит освоить новые «окна во Вселенную — нейтринное и гравитационное излучение. Возможно, что будут обнаружены и другие, неизвестные пока виды излучения.
Наверное, стоит упомянуть ещё одну проблему, которая волнует многих. При каких условиях на планетах возможно зарождение жизни, как часто это происходит и как окружающий космос влияет на развитие живых организмов? Быть может, уже грядущий век даст ответы и на эти вопросы.
Перспективы развития астрономии связаны со строительством новых гигантских обсерваторий, часть из которых расположится на Земле, другие — в космосе. Только в космосе возможно обеспечить всеволновые наблюдения, исключить помехи, ограничивающие наземные исследования, создать телескопы с разрешением в миллиардные доли угловой секунды.
Астрономия — не изолированная наука, она тесно связана с другими областями знания, и прежде всего — с физикой, ведь законы физики справедливы не только на Земле, но и за её пределами. Поэтому объяснения явлений, протекающих в космическом пространстве, разрабатываются на основе физики. С другой стороны, и сама физика развивается, используя астрономические данные. Нет ни одной фундаментальной физической теории, которая не прошла бы или не проходила в настоящее время проверку астрономическими наблюдениями.
Астрономия — это такое поле приложения человеческих сил и интересов, которое может увлечь любого: и мечтателя, и деятеля, и физика, и лирика. Вот оно над вами — вечное звёздное небо, преисполненное несказанной красоты и высокой