Звезды и их судьба
пенсируется
приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными
или др. источниками.
Температуры обычных звезд меняются от нескольких тыс. градусов на
поверхности до десяти млн. градусов и более в центре. При таких
температурах вещество состоит из почти полностью ионизованных атомов,
благодаря чему оказывается возможным в расчётах звёздных моделей применять
уравнения состояния идеального газа. При исследованиях внутреннего строения
звезд существенное значение имеют предпосылки об источниках энергии,
химическом составе и о механизме переноса энергии.
Основным механизмом переноса энергии в является лучистая
теплопроводность. При этом диффузия тепла из более горячих внутренних
областей звезды наружу происходит посредством квантов ультрафиолетового
излучения, испускаемого горячим газом. Эти кванты поглощаются в др. частях
звезды и снова излучаются; по мере перехода во внешние, более холодные слои
частота излучения уменьшается. Скорость диффузии определяется средней
величиной пробега кванта, которая зависит от прозрачности звёздного
вещества, характеризуемой коэффициент поглощения. Основными механизмами
поглощения в звезде являются фотоэлектрическое поглощение и рассеяние
свободными электронами.
Лучистая теплопроводность является основным видом переноса энергии для
большинства звезд. Однако в некоторых частях звезд, а в звездах с малой
массой - почти во всём объёме, существенную роль играет конвективный
перенос энергии, т. е. перенос тепла массами газа, поднимающимися и
спускающимися под влиянием различия температуры. Конвективный перенос, если
он действует, гораздо эффективнее лучистого, но конвекция возникает только
там, где водород или гелий ионизованы частично: в этом случае энергия их
рекомбинации поддерживает движение газовых масс. У Солнца зона конвекции
занимает слой от поверхности до глубины, равной около 0,1 его радиуса: ниже
этого слоя водород и гелий ионизованы уже полностью. У холодных звезд
полная ионизация наступает на большей глубине, так что конвективная зона у
них толще и охватывает большую часть объёма. Наоборот, у горячих водород и
гелий полностью ионизованы, начиная почти от самой поверхности, поэтому у
них нет внешней конвективной зоны. Однако они имеют конвективное ядро, где
движения поддерживаются теплом, выделяющимся при ядерных реакциях.
Звёзды-гиганты и сверхгиганты устроены иначе, чем звезды главной
последовательности. Маленькое плотное ядро их (1% радиуса) содержит 20-30%
массы, а остальная часть представляет собой протяжённую разреженную
оболочку, простирающуюся на расстояния, составляющие десятки и сотни
солнечных радиусов. температуры ядер достигают 100 млн. градусов и более.
Белые карлики по существу представляют собой те же ядра гигантов, но
лишённые оболочки и остывшие до 8-10 тыс. градусов. Плотный газ ядер и
белых карликов обладает особыми свойствами, отличными от свойств идеального
газа. В нём энергия передаётся не излучением, а электронной
теплопроводностью, как в металлах. Давление такого газа зависит не от
температуры, а только от плотности, поэтому равновесие сохраняется даже при
остывании звезды, не имеющей источников энергии.
Химический состав вещества недр звезды. на ранних стадиях их развития
сходен с химическим составом звёздных атмосфер, который определяется из
спектроскопических наблюдений (диффузионное разделение может произойти лишь
за время, значительно превосходящее время жизни звезд). С течением времени
ядерные реакции изменяют химический состав звёздных недр и внутреннее
строение меняется.
Происхождение и эволюция звезд.
Сейчас твердо установлено, что звезды и звездные скопления имеют
разный возраст, от величины порядка 1010 лет (шаровые звездные скопления)
до 106 лет для самых молодых (рассеянные звездные скопления и звездные
ассоциации). Мы будем подробно говорить об этом ниже. Многие исследователи
предполагают, что звезды образуются из диффузной межзвездной среды. В
пользу этого говорит положение молодых звезд в пространстве - они
сконцентрированы в спиральных ветвях галактик, там же, где и межзвездная
газопылевая материя. Диффузная среда удерживается в спиральных ветвях
галактическим магнитным полем. Звезды этим слабым полем удерживаться не
могут. Поэтому более старые звезды меньше связаны со спиралями. Молодые
звезды образуют часто комплексы, такие, как комплекс Ориона, в который
входит несколько тысяч молодых звезд. В комплексах наряду со звездами
содержится большое количество газа и пыли. Газ в этих комплексах быстро
расширяется, а это значит, что раньше он представлял собой более плотную
массу.
Сам процесс формирования звезд из диффузной среды остается пока не
вполне ясным. Если в некотором объеме, заполненном газом и пылью, масса
диффузной материи по каким-то причинам превзойдет определенную критическую
величину, то материя в этом объеме начнет сжиматься под действием сил
тяготения. Это явление называется гравитационной конденсацией.
Величина критической массы зависит от плотности, температуры и
среднего молекулярного веса. Расчеты показывают, что необходимые условия
могут создаться лишь в исключительных случаях, когда плотность диффузной
материи становится достаточно большой. Такие условия могут возникать в
результате случайных флуктуаций, однако не исключено, что увеличение
плотности может происходить и в результате некоторых регулярных процессов.
Наиболее плотными областями диффузной материи являются, по-видимому,
глобулы и "слоновые хоботы" - темные компактные, непрозрачные образования,
наблюдаемые на фоне светлых туманностей. Глобулы имеют вид круглых
пятнышек, "слоновые хоботы" - узких полосок, которые вклиниваются в светлую
материю (рис. 243). Глобулы и "слоновые хоботы" являются наиболее
вероятными предками звезд, хотя прямыми доказательствами этого мы не
располагаем. В качестве косвенного подтверждения могут рассматриваться
кометообразные туманности. Эти туманности выглядят подобно конусу кометного
хвоста. В голове такой туманности обычно находится звезда типа Т Тельца -
молодая сжимающаяся звезда. Возникает мысль, что звезда образовалась внутри
туманности. В то же время сама туманность напоминает по форме и
расположению "слоновые хоботы".
Очень многое в процессе звездообразования остается не ясным. Не все
исследователи соглашаются, например, с тем, что звезды образуются из
диффузной межзвездной материи. Советский астроном акад. В. А. Амбарцумян
считает, что звезды образуются в результате расширения плотных тел
неизвестной природы, которые непосредственно не наблюдаются.
Допустим, по каким-то причинам облако межзвездной материи достигло
критической массы и начался процесс гравитационной конденсации. Пылевые
частицы и газовые молекулы падают к центру облака, потенциальная энергия
гравитации переходит в кинетическую, а кинетическая энергия в результате
столкновений - в тепло. Облако нагревается и вследствие увеличения
температуры возрастает его излучение. Оно превращается в протозвезду
(звезда в начальной стадии развития). Судя по тому, что молодые звезды
наблюдаются группами, можно думать, что в начале процесса гравитационной
конденсации облако межзвездной материи разбивается на несколько частей и
одновременно образуется несколько протозвезд.
Полный поток энергии, излучаемой протозвездой, определяется, как можно
показать, обычным законом масса - светимость, но размеры протозвезды
значительно больше.
Поэтому температура ее поверхности много меньше, чем у обычной звезды
такой же массы, и на диаграмме спектр - светимость протозвезды должны
располагаться справа от главной последовательности. По мере сжатия
протозвезды температура ее увеличивается, и она перемещается по диаграмме
Герцшпрунга - Рессела сначала вниз, потом влево, почти параллельно оси
абсцисс. Когда температура в недрах звезды достигает нескольких миллионов
градусов, начинаются термоядерные реакции.
Сначала "выгорает" дейтерий, а затем литий, бериллий и бор. Сжатие в
результате выделения дополнительной энергии замедляется, но не прекращается
совсем, так как эти элементы быстро оказываются израсходованными. Когда
температура повышается еще больше, начинают действовать протонные реакции
(для звезд с массой, меньшей 1,5 M¤) или углеродно-азотный цикл (для звезд
с большей массой). Эти реакции могут поддерживаться длительное время,
сжатие прекращается и протозвезда превращается в обычную звезду главной
последовательности. Давление внутри звезды уравновешивает притяжение, и она
оказывается в устойчивом состоянии.
Время гравитационного сжатия звезд сравнительно невелико. Оно зависит
от массы протозвезды. Чем больше масса, тем быстрее протекает процесс
гравитационной конденсации. Протозвезды, имеющие такую же массу, как
Солнце, сжимаются за 108 лет. Так как сжатие происходит быстро, наблюдать
звезды в этой первой наиболее ранней стадии эволюции трудно.
Предполагается, что в этой стадии находятся неправильные переменные звезды
типа Т Тельца.
Известно несколько рассеянных звездных скоплений, состоящих из звезд
классов О и В и переменных типа Т Тельца. Такие звезды еще не пришли в
состояние равновесия, и этим, вероятно, объясняется типичный для них
неправильный характер
| |  скачать работу |
Звезды и их судьба |
