Эволюция звезд

В целом картина эволюции звезд выглядит следующим образом. Возникновение звезд происходит в результате конденсации межзвездных пыли и газа, состоящего в основном из водорода. Далее следует длительный период термоядерных реакций с превращением водорода в гелий в центральной области (ядре) звезды. Принято говорить, что на этой стадии звезда находится в главной последовательности. Звезда в это время находится в равновесии, поскольку ее собственное гравитационное поле уравновешивается внутренним давлением термоядерной реакции. Чем массивнее звезда, тем более высокую температуру должна развивать термоядерная реакция для обеспечения равновесия. Поэтому массивные звезды быстрее исчерпывают свое ядерное топливо. После того как водород оказывается исчерпанным, гелиевое ядро звезды сжимается и нагревается, поэтому равновесие нарушается в сторону расширения. Хотя излучаемая энергия при этом увеличивается, плотность энергии в силу быстрого расширения падает. Поэтому температура поверхности значительно уменьшается и звезда становится красным гигантом. В его горячем ядре продолжаются реакции термоядерного синтеза с участием гелия и более тяжелых элементов, сопровождающиеся в ряде случаев сбросом водородной оболочки и образованием так называемой планетарной туманности. В этом случае оставшаяся часть звезды переходит в стадию белого карлика. Теперь уже гравитационное сжатие интенсивно разогревает звезду, во внешних слоях которой начинается водородный синтез, вызывающий ее яркое свечение. При большой начальной массе звезда может закончить свою эволюцию взрывом сверхновой.

В случае, если звезда сохранила достаточную массу вплоть до исчерпания ядерного горючего, она испытывает гравитационный коллапс, в результате чего рождается нейтронная звезда. Силы тяготения настолько сжимают вещество звезды, что атомы не просто разрушаются, но электроны «вдавливаются» в протоны. У наиболее массивных звезд гравитационный коллапс не останавливается на стадии нейтронной звезды, переходя в релятивистский гравитационный коллапс с образованием черной дыры. Гравитационный коллапс происходит при достижении в центре звезды высоких значений плотности (до 10¹⁰ г/см³) и температуры (10⁹–10¹⁰ К), когда силы тяготения при сжатии нарастают быстрее сил внутреннего давления. Процесс сжатия развивается катастрофическим образом со скоростями, близкими к скорости свободного падения. Это связано с потерями энергии на расщепление ядер, а также на рождение и излучение огромного количества нейтрино.

Нейтронные звезды имеют плотность вещества порядка плотности ядер атомов, поскольку состоят из нейтронов с малой примесью электронов, протонов и сверхтяжелых атомных ядер. Число нейтронов в них в 10–100 раз выше числа протонов вследствие нейтронизации вещества (превращения протонов в нейтроны). Открыты нейтронные звезды были в 1967 г. в виде пульсаров – источников импульсного радиоизлучения с очень высокой регулярностью повторения импульсов. Согласно современным представлениям, пульсары представляют собой нейтронные звезды, имеющие при массе порядка массы Солнца диаметры всего около 20 км и вращающиеся с периодом ~ 0,01 с.

Позднее, в 1975 г., было установлено, что нейтронные звезды проявляют себя еще и как рентгеновские пульсары, или барстеры, – источники импульсного излучения в гамма- и рентгеновском диапазонах электромагнитных волн. Предполагается, что барстер – это нейтронная звезда, являющаяся компонентом двойной звезды, второй компонент которой (красный гигант) интенсивно отдает ей свое вещество (явление аккреции). Торможение падающего (аккрецирующего) вещества у поверхности нейтронной звезды порождает направленное рентгеновское излучение, воспринимаемое наблюдателем вследствие вращения звезды в виде регулярных импульсов.

Явление вспышек сверхновых звезд теория связывает с окончанием эволюции звезд с массой, в несколько раз превышающей массу Солнца. После окончания термоядерных реакций горения водорода и гелия у них образуется углеродно-кислородное ядро. При относительно больших массах этого СО-ядра в звезде продолжается термоядерное горение углерода и более тяжелых элементов, приводящее к образованию у нее железного ядра. В конце концов дело доходит до гравитационного коллапса с возникновением нейтронной звезды или черной дыры (опять-таки в зависимости от массы на этот период).

В звездах с относительно малыми массами СО-ядра (менее примерно полутора солнечных масс) либо происходит термоядерный углеродный взрыв, приводящий к полному разлету звезды, либо развивается гравитационный коллапс, сопровождающийся образованием нейтронной звезды и сбросом оболочки. Термоядерный взрыв и сброс оболочки теория рассматривает в качестве двух механизмов вспышек сверхновых звезд двух типов.

При вспышках сверхновых звезд, особенно происходящих с полным разлетом вещества звезды, в межзвездное пространство выбрасывается большое количество углерода, кислорода и элементов «железного пика», которые в присутствии свободных нейтронов включаются в процесс нуклеосинтеза.

Образование во Вселенной всей совокупности химических элементов запустило очередной этап ее эволюции. Началось объединение атомов в молекулы, сложность которых, как известно, может быть весьма высокой. С учетом неравновесности открытых систем, строящихся из молекул, это открыло путь к микроэволюции Вселенной.

Появление тяжелых элементов обеспечило и продолжение процесса структурообразования. Это означает, в том числе, возможность образования около звезд второго и последующих поколений планетных систем, в которых и может, в отличие от межзвездного пространства, разворачиваться геологическая, химическая, а затем и биологическая эволюция. Образование планетных систем современная наука рассматривает как явление скорее типичное, чем исключительное. За последние годы с развитием техники астрофизических наблюдений получено достаточно большое количество данных, которые являются косвенными свидетельствами образования планетных систем около значительного количества звезд.

Дата добавления: 2015-07-08