§ 74. Образование галактик, звезд, планетных систем
Открылась бездна звезд полна;
Звездам числа нет, бездне дна.
М. В Ломоносов
Как и когда образовались галактики? Какой механизм ответствен за образование галактик и звезд? Может ли стать звездой Юпитер? Как образуются планетные системы?
Урок-лекция
ФОРМИРОВАНИЕ ГАЛАКТИК. Проблемой происхождения отдельных небесных тел и их систем занимается область астрономической науки, которая называется космогонией. Миллиарды галактик, огромных космических звездных систем массой от 10 5 до 10 14 масс Солнца со средней плотностью вещества в них 10 -24 г/см 3 , являются основными единицами крупномасштабной структуры Вселенной.
В начале XX в. английский астроном сэр Джеймс Джинс предложил модель формирования галактик из облаков газа, связанную с гравитационной неустойчивостью вещества. Согласно этой модели, если в однородном по плотности газе ранней Вселенной случайно обнаружится сгущение, то оно под действием сил гравитации будет сжиматься, обособляться от окружающей среды.
Процессы гравитационного обособления вещества Вселенной стали возможны только после того, как Вселенная в результате расширения охладилась до 4000 К, прошел процесс рекомбинации, вещество стало нейтральным, излучение перестало взаимодействовать с веществом и препятствовать гравитационному сжатию. Это случилось примерно через миллион лет после Большого взрыва. Изучая галактики, находящиеся на разных от нас расстояниях (в миллионы и даже миллиарды световых лет), астрономы фактически имеют возможность исследовать галактики разного возраста. Гравитационное сжатие первоначальной неоднородности происходит до тех пор, пока силы гравитации не компенсируются другими силами: давления, центробежными, связанными с вращением. При этом галактика стабилизируется. Таким образом, формирование звезд происходит в уже обособленных галактиках.
ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД. В первоначально однородной галактической среде могли образовываться гравитационные неустойчивости: случайно возникшие уплотнения газа массой более 10 5 масс Солнца под действием гравитации сжимаются и обособляются, распадаются на фрагменты, которые постепенно приобретают сферическую форму. Из них и рождаются звезды.
Сначала сжатие возникшей протозвезды происходит изотермически (при постоянной температуре), затем температура газа возрастает. Сжатие продолжается до тех пор, пока возрастающие силы давления, зависящие от температуры и плотности, не уравновесят силы гравитации. В этом случае возникает состояние гидростатического равновесия. Первый этап эволюции звезды зависит от ее массы и может длиться от нескольких сотен тысяч до нескольких сотен миллионов лет.
Если в центре протозвезды температура превысит несколько миллионов кельвинов, а давление — несколько миллиардов атмосфер, что самопроизвольно может случиться только с объектом массой не меньше 0,01 массы Солнца, в недрах звезды начнутся реакции термоядерного синтеза. Тогда звезду уже можно назвать нормальной звездой Этот этап самый длительный, хотя и его длительность зависит от массы звезды: он может длиться от 10 млн до 10 млрд лет. Маломассивные звезды, например с массой 0,1 массы Солнца,—долгожители. Они могут оставаться в состоянии равновесия на стадии нормальной звезды сотни миллиардов лет. В ядрах звезд идет превращение водорода в гелий и более тяжелые элементы (вплоть до железа в массивных звездах). Когда «горючее» (например, водород) звезды заканчивается, наступают последние стадии эволюции звезды, которые можно сравнить со старением и смертью.
Если масса звезды сравнима с массой Солнца, то по мере выгорания водорода центральные области звезды сжимаются, формируя горячее плотное ядро (средняя плотность около 10 9 кг/м 3 ). Оболочка звезды при этом раздувается, и в течение сотен тысяч лет со стороны такая звезда будет выглядеть красным гигантом, размерами с орбиту Юпитера. Потом оболочка будет сброшена, и маленький, с Землю, белый карлик будет медленно остывать в течение 10 12 лет. Такая судьба ожидает наше Солнце.
Если масса звезды не превосходит пяти масс Солнца, то она также сначала превратится в красный гигант размером в несколько десятков радиусов Солнца, а затем сбросит оболочку, которую можно будет наблюдать как планетарную туманность. Оставшаяся масса звезды (ее центральные зоны) превращается в белый карлик, который светит за счет накопленного тепла, остывает и в конце концов превращается в темный, так называемый коричневый карлик.
Массивные звезды на последней стадии своей эволюции становятся экзотическими объектами — нейтронными звездами или черными дырами. Сначала звезды массой больше пяти масс Солнца превращаются в красные сверхгиганты с радиусом в сотни радиусов Солнца, а затем взрываются. Наблюдается так называемая вспышка сверхновой звезды. Звезда начинает светиться, как миллиарды отдельных звезд (рис. 95). Повышенная яркость наблюдается десятки дней. При этом температура плазмы звезды при такой вспышке достигает миллиарда кельвинов. В этом котле синтезируются все химические элементы тяжелее железа. Ббльшая часть вещества звезды разбрасывается в межзвездное пространство, обогащая его тяжелыми химическими элементами. Из обогащенной межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. На месте взрыва может остаться либо нейтронная звезда, если масса остатка не превосходит 2,5 масс Солнца, либо черная дыра, если масса превосходит это значение.
Рис. 95. Крабовидная туманность — остаток вспышки сверхновой звезды
ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ. Согпасно современным представлениям, рождение Солнца и рождение планет — это единый процесс. Все объекты Солнечной системы сформировались из газопылевой туманности в результате гравитационной неустойчивости. По одной из гипотез, сжатие этой туманности было стимулировано ударными волнами, возникшими в результате взрыва сверхновой звезды, произошедшего вблизи Солнечной системы. Сжатие центральной части облака привело к образованию Солнца, а на периферии вращающегося и становящегося из-за этого все более плоским облака начали формироваться планеты. При этом строительным материалом планет служили относительно небольшие твердые куски вещества. Сталкиваясь, многие из них слипались, увеличиваясь в размерах, или разрушались. Крупные куски притягивали к себе мелкие. В результате примерно за 100 мпн лет вокруг Солнца образовались и Земля, и другие планеты, а также их спутники, астероиды, кометы.
Астрономы обнаружили десятки других планетных систем. Не все они похожи на нашу Солнечную систему. У большинства обнаруженных планетных систем большие планеты с массой, как у Юпитера, находятся по непонятным пока причинам вблизи центральной звезды, а не на периферии.
Основными процессами, связанными с эволюцией галактик, звезд, планетных систем, управляет гравитация. Сжатие обьектов прекращается, когда уравновешиваются силы гравитации и давления. В недрах нормальной звезды идут реакции термоядерного синтеза. Конечными стадиями эволюции звезд в зависимости от их массы могут стать белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Газовые и газопылевые туманности, обладающие моментом вращения, порождают вращающиеся, достаточно плоские системы (спиральные галактики, планетные системы и др.)
- К каким последствиям может привести ситуация гравитационной неустой чивости массивных газовых облаков?
- При каких условиях прекращается сжатие протозвезды?
- Что такое нормальная звезда?
- Может ли стать звездой Юпитер, если его масса в тысячу раз меньше массы Солнца?
Источник
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 50. Образование галактик, звёзд, планетных систем
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Как и когда образовались галактики?
- Какой механизм ответствен за образование галактик и звезд?
- Может ли стать звездой Юпитер?
- Как образуются планетные системы?
- Какие процессы происходят в недрах звезд и какова их роль в эволюции Вселенной?
Глоссарий по теме:
Космогония – область астрономической науки, изучающая происхождение и развитие отдельных небесных тел и их систем.
Протозвезда – от греч. protos – первый, условное название тел, из которых формируются звезды.
Нормальная звезда – шарообразные объекты космоса, реализующие своё физическое состояние равновесия посредством осуществления в своей глубине (в недрах) термоядерных реакций синтеза.
Белый карлик – тип звезды, которая по величине сравнима с Землёй, однако, по массе соизмерима с Солнцем. В результате, плотность её чрезвычайно велика и превышает плотность любого земного вещества. Поэтому нормальная атомная структура полностью разрушена, и электроны с ядрами плотно упакованы. Имеют низкую яркость и постепенно остывают, становясь холодными, темными объектами. Они представляют собой заключительную стадию эволюции звёзд с малой массой, после того, как звезды лишаются наружного слоя.
Нейтронная звезда – очень маленькая звезда с большой плотностью, состоящая из нейтронов. Является последней стадией эволюции многих звёзд. Нейтронные звезды образуются, когда массивная звезда вспыхивает в качестве сверхновой звезды, взрывая свои внешние оболочки и сжимая ядро до такой степени, что содержащиеся в нем протоны и электроны превращаются в нейтроны. Эти звезды наблюдают как пульсары.
Чёрная дыра – состояние вещества, при котором свет (излучение) неспособен преодолеть гравитационный барьер, возникший при определённых сверхвысокого сжатия массивных звёзд в период последней стадии их существования (жизни). Термин предложил в 1968 г. Астрофизик из США Дж. Уилер. В составе галактики Млечный путь возможно наличие 109 черных дыр.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 225 – 229.
Эволюция звезд. Портал Астронет [Электронный ресурс]// доступ : http://www.astronet.ru/db/msg/1188340
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Вселенная представляет собой огромную самоорганизующуюся систему. В ходе эволюции происходило упорядочивание и усложнение её структуры. В расширяющейся однородной Вселенной возникали флуктуаций, которые привели к образованию различных структур от планет и звёзд до метагалактик. Ведущую роль в самоорганизации Вселенной играет гравитационное взаимодействие. Происхождение и развитие космических объектов и их систем изучает наука космогония.
Формирование галактик. По модели Дж. Джинса галактики образуются из газопылевых облаков в результате возникновения гравитационной неустойчивости. Уплотнение в какой-либо части материи Вселенной приводят к возрастанию взаимного притяжения частиц и в конечном итоге к обособлению вещества и формированию макротел. Гравитация возрастает до тех пор, пока не будет скомпенсирована другими силами (центробежными, давления). В результате образуются предшественники галактик – протогалактики. Протогалактики по своей структуре не однородны. Поэтому внутри их образуются свои уплотнения протозвезды, которые приводят к появлению звёзд.
Эволюция звёзд. Появившись в результате сгущения газово-пылевых туманностей протогалактик, протозвёзды под действием гравитации продолжают сжиматься. Повышение давления приводит к их разогреву. При достижении температуры в несколько миллионов кельвинов в недрах протозвезды начинаются термоядерные реакции. Тогда её можно считать нормальной звездой. Продолжительность этого первого этапа эволюции звёзд зависит от массы и может протекать сотни тысяч и миллионов лет.
Сформировавшись из облаков горячего газа, звёзды в течение долгого времени сохраняют устойчивость благодаря балансу между выделением тепла в термоядерных реакциях и гравитационным притяжением. Стадия нормальной звезды длится пока не будет использовано все топливо (например, водород) в реакциях термоядерного синтеза. В ходе которого формируются атомы всех элементов вплоть до железа.
Если масса звезды сопоставима массе Солнца, то её развитие приведёт к формированию так называемого — белого карлика. Синтезируемые тяжелы ядра атомов концентрируются в центральной области звезды, образуя плотное ядро. Оболочки звезды значительно раздуваются. Наступает стадия красного гиганта, (до размера орбиты Юпитера) и в конечном итоге будут сброшены. Раскалённое ядро (размером с Землю), продолжается светиться ещё примерно 10 12 лет.
Звёзды массой, не превышающей пяти масс Солнца в итоге, превращаются в коричневого карлика. Размеры стадии красного гиганта сопоставимы с несколькими десятками радиусов Солнца. А взорвавшиеся оболочки наблюдаются как планетарные туманности.
Более массивные звезды увеличиваются в размерах на стадии красного гиганта до сотни радиусов Солнца. Их взрыв называют вспышкой сверхновой. Сверхвысокие температуры (миллиарды кельвинов) позволяют синтезироваться элементам тяжелее железа. При взрыве, эти элементы обогащают межзвёздное пространство. Сверхвысокое сжатие образует ядро такой плотности, что протоны и электроны превращаются в нейтроны, тогда на месте взрыва такой звезды остаётся нейтронная звезда. Если масса оставшегося ядра сверхмассивной звезды превысит 2,5 массы Солнца, то гравитация такого тела будет настолько велика, что любое излучение не сможет его покинуть. Такие объекты называют черными дырами.
В недрах звёзд происходит основная эволюция вещества Вселенной. Образование многообразия химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Наличие звёзд подчёркивает необратимость процессов эволюции вещества во Вселенной.
Формирование планетарных систем. Согласно современным представлениям, рождение звёзд и планет представляет собой единый процесс. Так образование Солнечной системы связывают с гравитационной неустойчивостью туманности из газа и пыли, от взрыва сверхновой звезды. Скопление вещества в центре туманности привело к формированию Солнца. На периферии формировались предшественники планет. Они сталкивались, разрушались. Более мелкие обломки притягивались крупными, их размеры увеличивались, что за 100 млн лет в конечном итоге привело к формированию знакомых нам планет, а также малых тел Солнечной системы.
На сегодняшний день обнаружено огромное количество планетарных систем. Место центральной звезды некоторых систем занимают массивные планеты или даже пары звёзд. В некоторых планетарных системах, пока по необъяснимым причинам, большие планеты (сопоставимых с Юпитером) располагаются ближе к центру, а не на периферии, как в Солнечной системе.
Конечно, наши рассуждения всего лишь иллюстрируют модельные представления современной науки. Но однозначно то, что в процессе самоорганизации и эволюции Вселенной – звезды, планетарные системы рождаются, живут и умирают, подчиняясь фундаментальным законам природы. И этот процесс непрерывен и бесконечен.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Выберите один правильный ответ.
Реакции синтеза тяжёлых элементов при слиянии лёгких ядер, происходящие в недрах звёзд называются:
Пояснение: поскольку реакции происходят между ядрами при сверхвысоких температурах, такие реакции получили названия термоядерные
Задание 2. Составьте схему из элементов, иллюстрирующую эволюцию звёзд
Маленькая звезда; Планетарная туманность; Нейтронная звезда; Сверхновая звезда; Белый карлик; Красный супергигант; Звёздное облако с протозвёздами; Чёрная дыра; Маленькая звезда; Сверхновая;
Источник