Финал космической эволюции, или как умирают звезды
Звезды начинают свою жизнь, когда в их плотных горячих ядрах начинается синтез гелия из водорода. Как только этот процесс запускается, начинается их эволюция. Гравитационное притяжение, создаваемое массой звезды пытается сжать ее до крошечной точки. Однако энергия, выделяемая при синтезе, пытается расширить ее наружу. Два этих разнонаправленных процесса создают хрупкое равновесие. И оно может сохраняться в течение миллиардов и даже триллионов лет.
Маленькие звезды живут невероятно долго. Из-за своего небольшого размера им не нужно много энергии для уравновешивания внутреннего гравитационного притяжения. Поэтому они на огненной вселенской вечеринке не рвут танцпол😀. А спокойно потягивают свои запасы водорода в темных тихих уголках космоса. Атмосферы этих звезд постоянно циркулируют, перемещая свежий водород из внешних слоев в ядро. Где он и подпитывает медленный, но уверенный термоядерный камин.
Типичный красный карлик будет сжигать свой водород в течение нескольких триллионов лет. Эдакий тихий еле тлеющий огонек, не прожигающий свою жизнь почем зря.
Но все же, рано или поздно, водород в их недрах станет иссякать. И тогда они будут постепенно становятся ярче, поскольку гравитация заставит их сжиматься все больше и больше. И в конце концов они превратятся в инертный, голубой от температуры скучный комок, состоящий из гелия и водорода. Который будет просто болтаться по Вселенной, не заботясь ни о чем, кроме своих собственных проблем. Пройдет еще несколько десятков триллионов лет. И наш герой, полностью остыв, окончательно умрет. Он станет черным мертвым объектом, который никто и никогда больше не увидит. Однако подобного еще никогда не происходило. Поскольку считается, что наша Вселенная еще слишком молода, чтобы подобные объекты в ней успели появиться.
Грандиозный финал большой звезды
Как и звезды рок-н-ролла😁, массивные звезды в нашей Вселенной умирают гораздо эффектнее. Поскольку из-за гораздо больших гравитационных сил, которые они порождают, реакции синтеза в их недрах должны происходить намного интенсивнее. Ведь только так можно поддерживать баланс с огромной гравитацией.
Несмотря на то, что они намного тяжелее своих собратьев, красных карликов, эти звезды имеют гораздо меньшую продолжительность жизни. Всего через несколько миллионов лет после рождения (что, учитывая астрономические масштабы времени, может произойти на следующей неделе), они умирают.
Но умирают эти звезды очень феерично. Они вдруг гаснут, находясь в самом расцвете сил. Их огромный размер означает, что гравитационного давления достаточно, чтобы сплавлять в термоядерном котле не только водород, но и гелий, углерод, кислород и магний. И даже кремний. Большое количество элементов периодической таблицы Менделеева вырабатывается именно внутри таких гигантских звезд. Это происходит ближе к концу их жизни.
Однако как только эти звезды образуют железное ядро, музыка прекращается, и вечеринка заканчивается. Всем спасибо, все свободны!
Тем не менее материал, окружающий железное ядро, продолжает вдавливаться в него. И поскольку термоядерный синтез ядер тяжелее железа уже не приводит к выделению энергии, гравитация начинает властвовать здесь безраздельно. Ядро звезды сжимается до такой невероятной плотности, что электроны проникают внутрь протонов и порождают нейтроны. Этот процесс превращает ядро звезды в гигантский шар из нейтронов.
Этот нейтронный шар способен — по крайней мере временно — противостоять сокрушительному коллапсу. Но все же, рано или поздно, внешняя оболочка звезды падает на ядро. И в результате довольно сложного процесса с участием потока нейтрино происходит взрыв сверхновой. Типичная сверхновая за неделю выделяет больше энергии, чем наше Солнце выработает за все 10 миллиардов лет своей жизни. Ударная волна, возникающая при взрыве, разносит по космосу элементы, из которых состоит все живое на Земле. В том числе и мы, люди.
Сверхновые — одно из самых впечатляющих зрелищ во Вселенной. Если сверхновые случаются в нашем заброшенном углу галактического леса, они достаточно яркие, чтобы их можно было бы наблюдать даже днем. И они могут быть даже ярче, чем полная Луна ночью.
Последнее шоу
Но наихудшая участь ждет звезды среднего размера. К которым относится и наше Солнце. Они слишком велики, чтобы просто тихо незаметно уйти с вечеринки. И слишком малы, чтобы вызвать взрыв сверхновой. И поэтому, полные комплексов и страхов, они превращаются в ужасных монстров, прежде чем примут свой мучительный конец.
Для этих звезд проблема заключается вот в чем: как только в их ядре образуется ядро из кислорода и углерода, вокруг него оказывается недостаточно массы, чтобы превратить это ядро во что-то более тяжелое. Поэтому звезда становится с каждым днем все жарче. Остальная часть звезды реагирует на этот ад в ядре. Она раздувается и становится красной. Так рождается красный гигант. Когда наше Солнце превратится в красного гиганта, его край почти достигнет орбиты Земли!
Эта фаза красного гиганта нестабильна. И звезды, подобные нашему Солнцу, будут коллапсировать и повторно надуваться снова и снова. Эта агония может продолжаться миллионы лет. При этом каждое событие будет запускать ветры, уносящие большую часть солнечной массы в звездную систему.
Однако рано или поздно, корчась с предсмертных судорогах, звезда среднего размера выбросит последние остатки своего внутреннего содержимого. Они образуют новую планетарную туманность. Она представляет собой тонкие облака газа и пыли, окружающие обнаженное ядро, состоящее из углерода и кислорода. Оставшееся ядро получит новое имя: белый карлик.
Этот объект будет некоторое время освещать окружающую его планетарную туманность. Но это будет продолжаться недолго. Примерно 10 000 лет. После этого звездный труп окончательно остынет…
Несмотря на то, что планетарные туманности кажутся прекрасными и этим сбивают с толку при наблюдении их в телескоп, они являются продуктом насильственной, мучительной смерти звезды.
Источник
Как умирают звезды?
Звезды начинают свою жизнь в огромных газопылевых облаках, когда под воздействием гравитации те сжимаются настолько, что температуры внутри начинает хватать для зажигания ядерного синтеза водорода. И, как только стартует этот процесс, звезда вступает в игру со смертью. Мощная гравитация массивного светила пытается сжать его до крошечной точки, но энергия, выделяемая при синтезе, вырывается наружу, создавая хрупкое равновесие, которое может сохраняться в течение миллионов, миллиардов и даже триллионов лет.
Чем меньше звезда — тем дольше она проживет. Маленьким звездам банально не нужно много энергии для уравновешивания внутреннего гравитационного притяжения, поэтому они только слегка потягивают свои запасы водорода, как мохито на пляже. В качестве дополнительного «жизненного бонуса» атмосферы этих звезд постоянно циркулируют, заставляя свежий водород из внешних слоев проникать в ядро, где он помогает подпитывать термоядерный синтез.
В общем, типичный красный карлик будет мееедленно сжигать водород в своем ядре в течение триллионов лет. Да, такие звезды могут увидеть рождение и смерть Солнца. Они вообще могут увидеть закат Вселенной, когда ярких светил больше не останется, и космос погрузится во тьму.
Красные карлики достаточно малы, чтобы планеты рядом с ними существенно снижали их яркость — потенциальный способ нахождения экзопланет.
По мере того, как эти маленькие звезды стареют, они постепенно становятся ярче и горячее, пока не начнут расплываться, превращаясь в инертные скучные комки гелия и водорода, который просто болтаются во Вселенной. Судьба явно незавидная, зато жизнь тихая и размеренная.
Перейдем на другой конец шкалы, в гости к молодым и горячим гигантам и сверхгигантам, коих существует достаточно много (самые распространенные — голубые и красные). Жизнь таких огромных звезд, которые нередко в десятки раз тяжелее нашего Солнца, протекает бурно: из-за их огромной массы реакции синтеза в их недрах должны происходить крайне активно, чтобы поддерживать баланс с гравитацией.
В итоге, несмотря на то, что они намного тяжелее своих собратьев — красных карликов, эти звезды имеют гораздо более короткую продолжительность жизни: всего лишь несколько миллионов лет. Это смешная цифра даже по земным меркам: со времен гибели динозавров во Вселенной могло смениться с десяток поколений голубых гигантов.
Голубой сверхгигант Гамма Ориона, красный сверхгигант Алгол В, Солнце и планеты.
Но при этом их короткая жизнь оказывается невероятно полезной для всего космоса. Их огромные размеры и высокие температуры в недрах позволяют им проводить реакции синтеза не только с водородом, но и гелием. И углеродом. И даже кислородом, магнием и кремнием. Такие звезды способны создавать чуть ли не половину таблицы Менделеева к концу своей жизни.
Смерть таких огромных звезд происходит так же эпично, как и их жизнь. Как только тяжелых элементов в них становится достаточно, чтобы образовать железное ядро, синтез прекращается, и вечеринка заканчивается. Так как больше нечему противостоять гравитации, весь материал, окружающий ядро, вдавливается в него. Однако плавление железа не выделяет достаточного количества энергии, чтобы противодействовать этому процессу. В итоге ядро сжимается до такой невероятной плотности, что электроны оказываются просто вынужденными объединиться с протонами, превращая все ядро в гигантский шар нейтронов.
Этот нейтронный шар оказывается способен некоторое время противостоять сокрушительным силам гравитации, но все равно в итоге сдается, вызывая мощнейший взрыв сверхновой. Для понимания масштабов: сверхновая за неделю способна выделить больше энергии, чем наше Солнце за все 10 миллиардов лет своей жизни.
Последствия такого взрыва ожидаемо катастрофические: про выживание планетной системы даже говорить не приходится, может хорошо достаться даже соседним звездам. Ударная волна и материал, выброшенный во время взрыва, создают целые пузыри газа в межзвездной среде, разрушают туманности и даже выбрасывают материал из самих галактик.
Взрыв сверхновой в соседней галактике M82.
Это одно из самых захватывающих зрелищ во всей Вселенной. Последние описанные сверхновые, взорвавшиеся в Млечном пути, были неделями хорошо видны даже днем. А сверхновые, взрывающиеся в соседних галактиках, нередко светят ярче их самих.
Однако, как бы удивительно это не звучало, такие разрушительные взрывы. даруют жизнь. В них синтезируется вся таблица Менделеева, разлетаясь после этого с ударной волной по галактике. В результате образуются новые газопылевые облака, из которых рождаются новые звезды и планеты, и цикл повторяется.
Но что же происходит с остатками самих сверхгигантов? Выбор у них небольшой: если их масса сравнительно мала, то они так и остаются крайне сжатыми шарами из нейтронов — нейтронными звездами с гигантской плотностью. Если же масса оказывается достаточной, рождается новая черная дыра.
Наихудшая участь постигает звезды среднего размера — такие, как наше Солнце. Слишком большие, чтобы спокойно уйти в ночь, и слишком маленькие, чтобы вызвать взрыв сверхновой, они вместо этого превращаются в ужасных монстров, которые перед смертью выворачиваются наизнанку.
Для этих средних звезд (которых во Вселенной больше 90%) проблема заключается в том, что, как только в ядре начинает образоваться шар из кислорода и углерода, вокруг него оказывается недостаточно массы, чтобы превратить его в железное ядро. Так что он просто растет, становясь с каждым днем все жарче. Остальная часть звезды реагирует на этот ад в ядре, раздуваясь и превращая звезду в красного гиганта. Когда наше Солнце достигнет этой фазы, оно вполне может дотянуться до орбиты Земли, тем самым прекратив ее историю.
Эта фаза красного гиганта крайне нестабильна, и звезды, подобные нашему Солнцу, будут раздуваться, коллапсировать и повторно надуваться снова и снова, при этом при каждой итерации будут возникать солнечные ветра, уносящие часть материала в Солнечную систему. В своей последней агонии звезда среднего размера при очередном разрастании буквально лопается, образуя горячую планетарную туманность, окружающую теперь обнаженное ядро из углерода и кислорода в центре. Такие звездные останки зовутся белыми карликами.
В дальнейшем белый карлик еще некоторое время освещает планетарную туманность, прежде чем звездный труп не остывает слишком сильно, чтобы позволить такие световые шоу. Несмотря на то, что планетарные туманности выглядят очень красивыми в телескоп — не обманывайтесь, они являются продуктом мучительной смерти звезды.
Но стадия белого карлика — еще не конец. В течение сотен миллиардов лет у него еще будет достаточно тепла, чтобы хотя бы слегка светиться в ИК-диапазоне. И только после этого, растеряв абсолютно все тепло, он превратится в черного карлика, который будет абсолютно не различим на фоне Вселенной.
Источник
Гибель Вселенной — как и когда это будет происходить
Существует множество мнений на этот счет, но недавно физик-теоретик из Университета штата Иллинойс сделал важное заявление. Его расчеты говорят о том, что последним событием во Вселенной станут взрывы черных карликов. Сверхновые черные карлики приведут к так называемой «тепловой смерти». Но не волнуйтесь, к тому времени нас уже давно не будет, ведь Землю поглотит разросшееся до невиданных ранее масштабов Солнце.
Как зарождалась Вселенная — короткий экскурс
Принято считать, что точкой отсчета является Большой взрыв: около 13,7 миллиарда лет назад все вещество находилось в одной точке нулевого размера. Эта субстанция имела бесконечную плотность и температуру, после чего началось ее расширение.
Сперва появились элементарные частицы, которые дали жизнь протонам и нейтронам, которые в свою очередь стали основной ядер легких изотопов. До появления первых звезд с момента Большого взрыва прошло не менее 550 миллионов лет, затем они начали собираться в галактики.
Если говорить о Солнечной системе, то она начала формироваться только спустя 9 миллиардов лет после Большого взрыва. Фрагменты одного из газопылевых облаков в разных его частях начали сжиматься, формируя шарообразные объекты. Затем центральная часть зажглась, став Солнцем, а остальные элементы превратились в планеты. Сейчас Солнечная система находится в стабильном состоянии — когда этот баланс нарушится, сказать сложно.
К примеру, по подсчетам ученых, спустя 2,5 миллиарда лет от сегодняшнего дня Млечный путь и Галактика Андромеды столкнутся, но увидеть это мы не сможем. Почему? Примерно через миллиард лет наше светило совсем немного увеличится в размерах, но этого окажется достаточно, чтобы выжечь все живое на Земле.
Само Солнце просуществует еще миллиарды лет и постоянно расширяясь, расходуя запасы водородного топлива, в конце своего пути оно увеличится в 250 – 300 раз относительно нынешних габаритов. До схлопывания в белый карлик звезда успеет поглотить Землю — ориентировочно это событие произойдет через 7,5 млрд лет.
Настанет эпоха догорания, когда Солнце, уменьшившись в несколько раз, еще миллиарды лет будет выглядеть как крохотное белое светило. Постепенно остывая, оно превратится в черного карлика, но станет ли оно сверхновой? Пока точного ответа нет.
Источник