Эволюция звезд (карлики, нейтронные звезды, черные дыры)
Звезды находятся в плазменном состоянии. Они разогреты до миллионов градусов. Внутри звезд происходит термоядерная реакция. Зыезды-это фабрики элементов.
Эволюция звезд. Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвездного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура газовой глобулы возрастает.
Сжатие звезды приводит к повышению температуры в ее ядре; когда она достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Ресселла, пока не закончатся запасы топлива в ее ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.
В этот период структура звезды начинает заметно меняться.Ее светимость растет, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда масса ее изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; возрастающая при этом температура стимулирует термоядерное превращение гелия в более тяжелые элементы.
Белые карлики и нейтронные звезды. Вскоре после гелиевой вспышки загораются углерод и кислород; каждое из этих событий вызывает сильную перестройку звезды и ее быстрое перемещение по диаграмме Герцшпрунга — Рессела. Размер атмосферы звезды увеличивается еще больше, и она начинает интенсивно терять газ в виде разлетающихся потоков звездного ветра. Судьба центральной части звезды полностью зависит от ее исходной массы: ядро звезды может закончить свою эволюцию как белый карлик, нейтронная звезда пульсар или черная дыра.
Подавляющее большинство звезд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится темной и невидимой.
У звезд более массивных, чем Солнце, давление вырожденных электронов не может сдержать сжатие ядра, и оно продолжается до тех пор, пока большинство частиц не превратится в нейтроны, упакованные так плотно, что размер звезды измеряется километрами, а плотность в 100 млн. раз превышает плотность воды. Такой объект называют нейтронной звездой; его равновесие поддерживается давлением вырожденного нейтронного вещества.
Черные дыры. У звезд более массивных, чем предшественники нейтронных звезд, ядра испытывают полный гравитационной коллапс.
30) Планетарные системы.
Современные представления о происхождении планет.
Проблема происхождения планет — очень сложная и далеко еще не решенная проблема, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и других естественных наук прежде всего наук о Земле. Дело в том, что пока можно исследовать только единственную планетарную систему, окружающую наше Солнце. Как выглядят более молодые и более старые системы, вероятно существующие вокруг других звезд, неизвестно. Чтобы правильно объяснить происхождение планет, необходимо также знать, как образовалось Солнце и другие звезды, потому что планетарные системы возникают вокруг звезд в результате закономерных процессов развития материи.
Наиболее важные выводы планетной космогонии сводятся к следующему:
планеты сформировались в результате объединения твердых холодных тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда -то окружала Солнце. Эту туманность часто называют допланетным или протопланетным облаком. Считается, что солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неизвестно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от протосолнца.
формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие уплощение вращающейся туманности, ее удаление от протосолнца, столкновение частиц, их укрупнение и т.д. Изменялась температура вещества, туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с протосолнцем. Взаимодействие солнечного излучения с веществом протопланетного облака привело к тому, что наиболее легкие и многочисленные частицы оказались вдали от Солнца там, где сейчас планеты-гиганты.
спутники планет а значит, и наша Луна возникли, по-видимому, из роя частиц, окружающих планеты, то есть тоже из вещества протопланетной туманности. Пояс астероидов возник там, где притяжение Юпитера препятствовало формированию крупной планеты.
Основная идея современной планетной космогонии — это то, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц
31. Концепции происхождения и эволюции Солнечной системы и Земли.
Первоначально существовали наивные легенды о сотворении мира некоей божественной силой. Затем Земля в работах ученых приобрела очертания шара который являлся центром Вселенной. Потом в XVI веке появилось учение Н.Коперника которое поместило Землю в ряд планет вращающихся вокруг Солнца. Это был первый шаг в подлинно научном решении вопроса о происхождении Земли.
Гипотеза Канта-Лапласа.
Она связана с именами французского математика Пьера Лапласа и немецкого философа Иммануила Канта работавших в конце XVIII века. Они полагали что прародительницей Солнечной системы является раскаленная газово-пылевая туманность медленно вращавшаяся вокруг плотного ядра в центре. Под влиянием сил взаимного притяжения туманность начала сплющиваться у полюсов и превращаться в огромный диск. Плотность его не была равномерной поэтому в диске произошло расслоение на отдельные газовые кольца. В дальнейшем каждое кольцо начало сгущаться и превращаться в единый газовый сгусток вращающийся вокруг своей оси. Впоследствии сгустки остыли и превратились в планеты а кольца вокруг них — в спутники.
Основная часть туманности осталась в центре до сих пор не остыла и стала Солнцем. Уже в XIX веке обнаружилась недостаточность этой гипотезы так как она не всегда могла объяснить новые данные в науке но ценность ее все еще велика.
Гипотеза О.Ю.Шмидта
Советский геофизик О.Ю.Шмидт несколько иначе представлял себе развитие Солнечной системы работая в первой половине XX века. Согласно его гипотезе Солнце путешествуя по Галактике проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли.
Из лав выделялись газы. Они образовали первичную атмосферу которая еще не содержала кислорода. При дальнейшем постепенном остывании атмосферы произошла конденсация водяных паров что привело к выпадению дождей и образованию первичного океана. Это произошло около 4 5-5 млрд. лет назад. Позднее началось формирование суши которая представляет собой утолщенные относительно легкие части литосферных плит поднимающихся выше уровня океана.
Гипотеза Ж.Бюффона
Далеко не все были согласны с эволюционным сценарием происхождения планет вокруг Солнца. Еще в XVIII веке французский естествоиспытатель Жорж Бюффон высказал предположение поддержанное и развитое американскими физиками Чемберленом и Мультоном. Суть этих предположений такова: когда-то в окрестностях Солнца пронеслась другая звезда. Ее притяжение вызвало на Солнце огромную приливную волну вытянувшуюся в пространстве на сотни миллионов километров. Оторвавшись эта волна стала закручиваться вокруг Солнца и распадаться на сгустки каждый из которых сформировал свою планету.
Гипотеза Ф.Хойла (XX век)
Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно ей у Солнца была звезда-близнец которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство меньшая — осталась на орбите Солнца и образовала планеты.
можно считать установленным что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти одновременно) из единой материальной среды из единого газово-пылевого облака.
Согласно В. Е. Хаину, наиболее вероятный «сценарий» образования Солнечной системы включает следующие этапы:
1) образование Солнца и уплотненной вращающейся околосолнечной туманности из межзвездного газопылевого облака, вероятно, под влиянием близкого взрыва «сверхновой» звезды;
2) эволюция Солнца и околосолнечной туманности с передачей электромагнитным или турбулентно-конвективным способом МКД от Солнца планетам;
3) конденсация «пыльной плазмы» в кольца вокруг Солнца, а материала колец в планетезимали (сгущения);
4) дальнейшая конденсация планетезималей в планеты;
5) повторение подобного процесса вокруг планет с образованием их спутников.
Внутренние планеты в процессе эволюции утратили летучие вещества из-за близости к Солнцу (нагрев, действие солнечного ветра) и состоят из железосиликатного каменного материала. Их атмосфера вторичного происхождения – продукт дегазации недр в процессе вулканизма.
Внешние планеты и их спутники состоят в значительной степени изо льда и замерзших легких газов – водорода, аммиака, метана Причину разогрева видят в энергии дифференциации вещества Земли по плотности и радиоактивного распада.
Источник
Эволюция звезд
Астрономы создали теорию эволюции звезд благодаря тому, что в космосе можно наблюдать миллиарды звезд разного возраста. Это немного похоже на то, как за несколько часов можно описать рост и развитие дерева, которое растет десятки лет,- надо только пойти в лес и изучить деревья разных возрастов. Вселенная – это своеобразный космический парк, в котором звезды рождаются, некоторое время светят, а затем погибают.
Зарождение звезд
Трудно увидеть звезду до ее рождения, пока она не начинает светиться в видимой части спектра. Звезды зарождаются вместе с планетами с разреженных газопылевых облаков, которые образуются после взрыва старых звезд. При помощи современных телескопов астрономы обнаружили сотни таких огромных газопылевых туманностей, где происходит образование молодых миров. Например, такие своеобразные «ясли» новорожденных звезд можно увидеть в созвездии Орион и звездном скоплении Плеяды.
Судьба звезды и продолжительность ее жизни зависят от начальной массы зародыша звезды – протозвезды. Если она была в несколько раз больше, чем масса Солнца, то во время гравитационного сжатия образуются горячие звезды спектральных классов О и В. Протозвезды с такой начальной массой, как масса Солнца, во время гравитационного сжатия нагреваются до температуры 6 000 К. Протозвезды с массой в несколько раз меньшей, чем солнечная, могут превратиться только в красных карликов. Наименьшая масса, необходимая для начала термоядерных реакций в недрах звезды, равна почти 0,08 массы Солнца. Объекты меньшей массы никогда в звезды не превратятся – они будут излучать энергию только в инфракрасной части спектра. Такие космические тела мы наблюдаем даже в Солнечной системе – это планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Нептун. Возможно, что в межзвездном пространстве количество таких холодных инфракрасных тел (их еще называют коричневыми карликами) может быть намного больше чем видимых звезд.
Звезда в состоянии гравитационного равновесия
В течение своей долгой жизни каждая звезда может как увеличивать, так и уменьшать свои основные параметры – температуру, светимость и радиус. Звезды главной последовательности находятся в состоянии гравитационного равновесия , когда внешние слои за счет гравитации давят к центру, в то время как давление нагретых газов действует в противоположном направлении – от центра. Звезда в состоянии гравитационного равновесия не изменяет своих параметров, поскольку интенсивное излучение энергии с поверхности компенсируется источником энергии в недрах – термоядерными реакциями. Такой процесс продолжается до тех пор, пока половина водорода в ядре не превратится в гелий, и тогда интенсивность термоядерных реакций уменьшится. Продолжительность такой стационарной фазы в жизни звезды, когда ее параметры долгое время остаются постоянными, зависит опять же от ее массы. Расчеты показывают, что такие звезды как Солнце, в состоянии равновесия светят не менее 10 млрд лет. Более массивные звезды спектральных классов О, В, в недрах которых термоядерные реакции протекают интенсивнее, в равновесии светят 100 млн лет, а дольше всего «мерцают» маленькие красные карлики – их возраст может превосходить 10^11 лет.
Переменные звезды
Переменные звезды в течение некоторого времени могут изменять свою яркость. Различают следующие типы переменных звезд:
Блеск звезды может изменятся в кратных системах, когда происходят периодические затмения объектов, имеющих разную светимость. Примером такой переменной звезды является Алголь – известная двойная звезда Персея;
Другой тип переменных звезд называют физическими переменными. Изменение яркости таких звезд связано с тем, что термоядерные реакции в недрах звезды со временем будут протекать не так интенсивно, тогда нарушения гравитационного равновесия будет заметно в изменении ее размеров и температуры на поверхности – на диаграмме спектр-светимость такие звезды не имеют постоянного положения и смещаются с главной последовательности вправо.
Из различных типов физически переменных звезд привлекают внимание цефеиды. Их название происходит от созвездия, в котором впервые заметили такую переменную звезду — Цефея. Расчеты периода изменения яркости показали, что цефеиды меняют свой радиус, поэтому их можно считать своеобразными маятниками, которые колеблются в своем гравитационном поле. Период пульсаций зависит от массы и радиуса звезды, например Цефея пульсирует с периодом 5,4 суток. Пульсации приводят к тому, что цефеида со временем превращается в гиганта, который может постепенно сбрасывать свою оболочку. Такие объекты астрономы ошибочно назвали планетарными пульсациями – когда-то считали, что так рождается новая планетная система. Горячее ядро такой планетарной туманности постепенно снижается и превращается в белый карлик.
Новые и Сверхновые звезды
Звезды с массой в несколько раз большей, чем солнечная, заканчивают свою жизнь грандиозным взрывом. В 1054 г. Китайские астрономы наблюдали чрезвычайно яркую новую звезду , которую было видно днем в течении нескольких недель. Эту необычную звезду также заметили летописцы Киевской Руси, так как это был год смерти Ярослава Мудрого. Считалось, что появление новой звезды предсказывало «Божье знамение» на печальное событие в жизни Руси. Сегодня на том месте, где вспыхнула эта таинственная звезда, видна туманность Краб. Звезды спектральных классов О и В, которые в течении нескольких дней увеличивают свою яркость в сотни миллионов раз, называют Новыми. Иногда Новая излучает почти столько же энергии, сколько выделяют все звезды в галактике – такие звезды называются Сверхновыми. Туманность Краб в созвездии Тельца является остатком такой Сверхновой, вспыхнувшей 4 июля 1054 года. Вернее, если учесть, что туманность Краб находится на расстоянии 6500 световых лет от Земли, то вспышка сверхновой произошла ещё 7500 лет назад.
Последнюю вспышку Сверхновой астрономы наблюдали в прошлом тысячелетии 24 февраля 1987 года в соседней галактике – Большом Магеллановом Облаке. Взорвалась гигантская звезда спектрального класса В, которая несколько недель светила ярче всех звезд в галактике. Примерно за 20 часов перед вспышкой Сверхновой была зарегистрирована ударная волна нейтринного потока, который длился 13 секунд и по мощности был в десятки тысяч раз больше, чем энергия в оптическом диапазоне. Таким образом, в 1987 году астрономы впервые получили информацию о далеком космическом событии, которое произошло почти 200 000 лет назад.
После вспышки звезды все планеты, обращающиеся вокруг нее, испаряются и превращаются в газопылевую туманность, из которой в будущем может образоваться новое поколение звезд. То есть во Вселенной наблюдается своеобразный круговорот вещества: звезды – вспышка звезд – туманность – и снова рождение молодых звезд.
Пульсары и нейтронные звезды
Современные теоретические расчеты показывают, что пульсары и нейтронные звезды – одни и те же объекты. Вследствие сжатия нейтронной звезды должен действовать закон сохранения момента импульса. Этот закон часто используют на льду фигуристы, когда надо вызвать быстрое вращение тела вокруг своей оси. Спортсмены сначала начинают медленно обращаться вокруг оси с вытянутыми в стороны руками. Затем постепенно подводят руки к туловищу, при этом угловая скорость обращения резко возрастает. Такой же рост угловой скорости наблюдается при уменьшении радиуса звезды. Например, сейчас Солнце обращается вокруг своей оси с периодом примерно 28 суток. Если бы радиус Солнца уменьшился до 10 км, то его период обращения равнялся бы 1 секунде.
При гравитационном сжатии возрастает напряженность магнитного поля звезды, она «выпускает» излучение только через магнитные полюса в виде своеобразных «прожекторов» , которые описывают в космосе огромный конус. Возможно, что в Галактике существуют миллионы нейтронных звезд, но зарегистрировано только несколько сотен в виде пульсаров поскольку большинство таких «прожекторов» не направлены на Землю.
Черные дыры
Черные дыры образуются на последней стадии эволюции звезд с массой большей чем 3 Солнечных. Такое странное название связано с тем, что эти тела должны быть невидимыми, так как не выпускают за свои пределы свет. Кроме того, такие объекты втягивают все из окружающего пространства. Если космический корабль попадет на границу черной дыры, то вырваться из ее поля тяготения он не сможет, потому что вторая космическая скорость у ее поверхности равна скорости света 300 000 км/с. Если в формулы первой и второй космических скоростей подставить скорость света, то получим предел, до которого может сжиматься звезда, пока вторая космическая скорость у ее поверхности не достигнет скорости света.
Из полученной формулы можно определить критический радиус любого космического тела с известной массой. Например, для Земли таковым этим является 1 см, а для Солнца – 3 км – такой объект не будет выпускать из гравитационного поля даже квантов света, поэтому он становится невидимым, и от него мы не можем получить информацию при помощи электромагнитных волн. Подобных черных дыр, или своеобразных звездных могил, в космосе может насчитываться даже больше, чем обычных звезд. Получить информацию о черной дыре можно при помощи гравитационного поля, которое не может исчезнуть бесследно.
Эволюция Солнца
Теоретические расчеты показывают, что такие звезды, как Солнце, никогда не станут черными дырами, поскольку они имеют недостаточную массу для гравитационного сжатия до критического радиуса. В состоянии гравитационного равновесия Солнце может светить 10^10, но мы не можем точно определить его возраст, то есть сколько времени прошло от момента его образования. Правда, при помощи радиоактивного распада тяжелых химических элементов можно определить примерный возраст Земли – 4,5 млрд лет, но Солнце могло образоваться раньше, чем сформировались планеты. Если все же звезды и планеты формируются одновременно, то Солнце может светить в будущем ещё 5 млрд лет. После того как в ядре весь водород превратится в гелий, нарушится равновесие в недрах Солнца, и оно может превратиться в переменную пульсирующую звезду – цефеиду. Затем из-за нестабильности радиус Солнца начнет увеличиваться, а температура фотосферы снизится до 4000 К – Солнце превратится в красного гиганта. На небосклоне Земли будет светить гигантский красный шар, угловой диаметр которого увеличится в 10 раз по сравнению с современным Солнцем и будет достигать 5 градусов. Голубого неба на Земле не станет, потому что светимость будущего Солнца вырастет в десятки раз, а температура на поверхности нашей планеты будет больше чем 1000 К. Выкипят океаны, и Земля превратится в страшную горячую пустыню, чем-то похожую на современную Венеру. В Солнечной системе такая температура, которая сейчас на Земле, будет только на окраинах – на спутниках Сатурна и Урана. В стадии красного гиганта Солнце будет светить примерно 100 млн лет, после чего верхняя оболочка оторвется от ядра и начнет расширяться в межзвездное пространство в виде планетарной туманности. При расширении наверняка испарятся все планеты земной группы, и на месте Солнца останется белый карлик – маленькое горячее ядро, в котором когда-то протекали термоядерные реакции. Радиус белого карлика будет не больше, чем у радиуса Земли, но плотность достигнет 10^10 кг/м^3. Белый карлик не имеет источников энергии, поэтому температура его поверхности постепенно понизится. Последняя стадия эволюции нашего Солнца – холодный черный карлик.
Обобщение
В космосе постоянно происходит рождение молодых звезд из газопылевых туманностей и взрывы старых, когда образуются новые туманности. Солнечная система образовалась 5 млрд лет назад из гигантского газопылевого облака, возникшего на месте старой звезды. В состоянии равновесия Солнце будет светить ещё несколько миллиардов лет, а потом превратится в красный гигант, который уничтожит все живое на Земле.
Источник