Эволюция звезд
должаться до нулевых
размеров и бесконечной плотности объекта. Последние условие даёт
возможность другой вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не
исключено, что сингулярность перейдёт в эту новую вселенную. Она даже может
появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.
Некоторые учёные рассматривают образование чёрной дыры как маленькую
модель того, что, согласно предсказаниям общей теории относительности, в
конечном счёте может случиться со Вселенной. Общепризнано, что мы живём в
неизменно расширяющейся Вселенной, и один из наиболее важных и насущных
вопросов науки касается природы Вселенной, её прошлого и будущего. Без
сомнения, все современные результаты наблюдений указывают на расширение
Вселенной. однако на сегодня один из самых каверзных вопросов таков:
замедляется ли скорость этого расширения, и если да, то не сожмётся ли
Вселенная через десятки миллиардов лет, образуя сингулярность. По-видимому,
когда-нибудь мы сможем выяснить, по какому пути следует Вселенная, но, быть
может, много раньше, изучая информацию, которая просачивается при рождении
чёрных дыр, и те физические законы, которые управляют их судьбой, мы сможем
предсказать окончательную судьбу Вселенной.
Почти всю свою жизнь звезда сохраняет температуру и размер
практически постоянными. Значение главной последовательности заключается в
том, что большинство обычных звёзд оказываются нормальными, то есть
лишёнными каких-либо особенностей. Мы вправе ожидать, что эти звёзды
подчиняются определённым зависимостям, подобным, например, упомянутой
главной последовательности. Большинство звёзд оказываются на этой наклонной
линии - главной последовательности, потому, что звезда может прийти на эту
линию всего лишь за несколько сотен тысяч лет, а покинув её, прожить ещё
несколько сотен миллионов лет, большинство звёзд заведомо остаётся на
главной последовательности в течение миллиардов лет. Рождение и смерть -
ничтожно малые мгновенья в жизни звезды. Наше Солнце, являющееся обычной
звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5-6 млрд. лет
и, по-видимому, проведёт на ней ещё столько же времени, так как звёзды с
такой массой и таким химическим составом, как у Солнца, живут 10-12 млрд.
лет. Звёзды много меньшей массы находятся на главной последовательности
примерно 50 млрд. лет. Если же масса звезды в 30 раз превосходит солнечную,
то время её пребывания на главной последовательности составит всего около 1
млн. лет.
Вернёмся к рассмотрению процессов, происходящих при рождении звезды: она
продолжает сжиматься, сжатие сопровождается возрастанием температуры.
Температура ползёт вверх, и вот огромный газовый шар начинает светиться,
его уже можно наблюдать на фоне тёмного ночного неба как тусклый
красноватый диск. Значительная доля энергии его излучения по-прежнему
приходится на инфракрасную область спектра. Но это ещё не звезда. По мере
того как вещество протозвезды уплотняется, оно всё быстрее падает к центру,
разогревая ядро звезды до всё более высоких температур. Наконец температура
достигает 10 млн. К, и тогда начинают протекать термоядерные реакции -
источник энергии всех звёзд во Вселенной. Как только термоядерные процессы
включаются в действие, космическое тело превращается в полноценную звезду.
Сжимаясь, пыль и газ образуют протозвезду ; её вещество представляет
собой типичный образец вещества окружающей нас части космического
пространства. Говоря об образце вещества Вселенной, мы подразумеваем, что
этот кусочек межзвёзной среды на 89% состоит из водорода, на 10%-из гелия;
такие элементы, как кислород, азот, углерод, неон и т. п. составляют в нём
менее 1%, а все металлы, вместе взятые, - не более 0,25%. Таким образом,
звезда в основном состоит из тех элементов, которые чаще всего встречаются
во Вселенной. И поскольку богаче всего во Вселенной представлен водород,
то, конечно, любые термоядерные реакции должны протекать с его участием.
Кое-где встречаются уголки космического пространства с повышенным
содержанием тяжёлых элементов, но это лишь местные аномалии - остатки
давних звёздных взрывов, разбросавших и рассеявших в окрестности тяжёлые
элементы. Мы не будем останавливаться на таких аномальных областях с
повышенной концентрацией тяжёлых элементов, а сосредоточим внимание на
звёздах, состоящих в основном из водорода.
Когда температура в центре протозвезды достигает 10 млн. К, начинаются
сложные (но детально изученные) термоядерные реакции, в ходе которых из
ядер водорода (протонов) образуются ядра гелия; каждые четыре протона,
объединяясь, создают атом гелия. Сначала, когда соединяются друг с другом
два протона, возникает атом тяжёлого водорода, или дейтерия. Затем
последний сталкивается с третьим протоном, и в результате реакции рождается
лёгкий изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон.
В сумятице, которая царит в ядре звезды, быстро движущиеся атомы лёгкого
гелия иногда сталкиваются друг с другом, в результате чего появляется атом
обычного гелия, состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Два лишних
протона возвращаются обратно в горячую смесь, чтобы когда-нибудь опять
вступить в реакцию, порождающую гелий. В этом процессе около 0,7% массы
превращается в энергию. Описанная цепочка реакций - один из важных
термоядерных циклов, протекающих в ядрах звёзд при температуре около 10
млн. К. Некоторые астрономы считают, что при более низких температурах
могут протекать другие реакции, в которых участвуют литий, бериллий и бор.
Но они тут же делают оговорку, что если такие реакции и имеют место, то их
относительный вклад в генерацию энергии незначителен.
Когда температура в недрах звезды снова увеличивается, в действие
вступает ещё одна важная реакция, в которой в качестве катализатора
участвует углерод. Начавшись с водорода и углерода-12, такая реакция
приводит к образованию азота-13, который спонтанно распадается на углерод-
13 - изотоп углерода, более тяжёлый, чем тот, с которого реакция
начиналась.Углерод-13 захватывает ещё один протон, превращаясь в азот-14.
Последний подобным же путём становится кислородом-15. Этот элемент также
неустойчив и в результате спонтанного распада превращается в азот-15. И
наконец азот-15, присоединив к себе четвёртый протон, распадается на
углерод-12 и гелий.
Таким образом, побочным продуктом этих термоядерных реакций является
углерод-12, который может вновь положить начало реакциям данного типа.
Объединение четырёх протонов приводит к образованию одного атома гелия, а
разница в массе четырёх протонов и одного атома гелия, составляющая около
0,7% от первоначальной массы, проявляется в виде энергии излучения звезды.
На Солнце каждую секунду 564 млн. т водорода превращается в 560 млн. т
гелия, а разница - 4 млн. т вещества - превращается в энергию и излучается
в пространство. Важно, что механизм генерации энергии в звезде зависит от
температуры.
Именно температура ядра звезды определяет скорость процессов. Астрономы
считают, что при температуре около 13 млн. К углеродный цикл относительно
несущественен. Следовательно, при такой температуре преобладает протон-
протонный цикл. При увеличении температуры до 16 млн. К, вероятно, оба
цикла дают равный вклад в процесс генерации энергии. Когда же температура
ядра поднимается выше 20 млн. К, преобладающим становится углеродный цикл.
Как только энергия звезды начинает обеспечиваться за счёт ядерных
реакций, гравитационное сжатие, с которого начался весь процесс,
прекращается. Теперь самоподдерживающаяся реакция может продолжаться в
течение времени, длительность которого зависит от начальной массы звезды и
составляет примерно от 1 млн. лет до 100 млрд. лет и больше. Именно в этот
период звезда достигает главной последовательности и начинает свою долгую
жизнь, протекающую почти без изменений. Целую вечность проводит звезда в
этой стадии. Ничего особенного с ней не происходит, она не привлекает к
себе пристального внимания. Теперь это всего-навсего полноценный член
звёздной колонии, затерянный среди множества собратьев.
Однако процессы, протекающие в ядре звезды, несут в себе зародыши её
грядущего разрушения. Когда дерево или уголь сгорают в камине, выделяется
тепло, а в качестве продуктов отхода образуются дым и зола. В "камине"
звёздного ядра водород - это уголь, а гелий - зола. Если из камина время от
времени не удалять золу, то она может забить его и огонь потухнет.
Если в ядре звезды вещество не перемешивается, в термоядерных реакциях
начинают принимать участие слои, непосредственно примыкающие к гелиевому
ядру, что обеспечивает звезду энергией. Однако со временем запасы водорода
в этих слоях иссякают и ядро разрастается всё больше и больше. Наконец
достигается состояние, когда в ядре совсем не остаётся водорода. Обычные
реакции превращения водорода в гелий прекращаются ; звезда покидает главную
последовательность и вступает в сравнительно короткий (но интересный)
отрезок своего жизненного пути, отмеченный необычайно бурными реакциями.
Когда водорода становится мало и он больше не может участвовать в
реакциях, источник энергии иссякает. Но, как мы уже знаем, звезда
представляет собой тонко сбалансированный механизм, в котором давление,
раздувающее звезду изнутри, полностью уравновешено гравитационным
притяжением. Следовательно, когда генерация энергии ослабевает, давление
излучения резко
| | скачать работу |
Эволюция звезд |