103 (Возникновение и развитие звезд), страница 2

Вопрос о том, что представляет собой мир звезд, по-видимому является одним из первых вопросов, с которым столкнулось человечество еще на заре цивилизации. Любой человек, созерцающий звездное небо, невольно связывает между собой наиболее яркие звезды в простейшие фигуры - квадраты, треугольники, кресты, становясь невольным создателем своей собственной карты звездного неба. Этот же путь прошли и наши предки, делившие звездное небо на четко различимые сочетания звезд, называемые созвездиями. В древних культурах мы находим упоминания о первых созвездиях, отождествляемых с символами богов или мифами, дошедшие до нас в форме поэтических названий - созвездие Ориона, созвездие Гончих псов, созвездие Андромеды и т.д. Эти названия как бы символизировали представления наших предков о вечности и неизменности мироздания, постоянстве и неизменности гармонии космоса.

Звезды-гиганты и звезды-карлики

Астрономы уже составили классификацию звёзд по их светимости. Звёзды, излучающие в тысячи раз больше света, чем Солнце называются звёздами-гигантами, а звёзды с ещё более мощным излучением - сверхгигантами. Наоборот, звёзды с малой светимостью получили название звёзды-карлики.

Среди звёзд, видимых простым глазом и в небольшие телескопы, большинство составляют гиганты и сверхгиганты. Это объясняется тем, что только такие звёзды видны с огромных расстояний. На самом же деле в звёздном мире карликов намного больше, чем гигантов. В большинстве случаев эти названия говорят и о размерах, то есть о том, что гиганты очень велики, а карлики очень малы. Так, диаметр звезды Бетельгейзе в 350 раз превосходит диаметр Солнца. Есть звёзды, превосходящие Солнце по диаметру в 1000-2000 раз, а по объему в несколько миллиардов раз. Но существуют звёзды, по размерам значительно меньшие, чем Солнце. Среди них выделяются белые карлики. Первый из них по времени открытия - спутник Сириуса. Он меньше планет Урана и Нептуна, а некоторые белые карлики меньше Земли и даже Марса.

Астрономы смогли установить не только действительные размеры многих звёзд, но и их массы. Оказалось, что несмотря на огромную разницу в размерах звёзд, массы их не так сильно отличаются от массы Солнца. Редко встречаются звёзды с массой более чем в 5-10 раз, превышающей массу Солнца, как и звёзды с массой менее 0,3-0,5 солнечной. Это значит, что средняя плотность вещества (масса, делённая на объём) в звёздах-гигантах должна быть чрезвычайно мала, а в звёздах белых-карликах - она невообразимо велика. Другими словами, в одном кубическом сантиметре звезды-гиганта вещества содержится ничтожные доли грамма, а в таком же объёме звезды-карлика - тонны и даже десятки тонн.

Белые карлики

После «выгорания» термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной её части (ядре) плотность вещества становится настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звёзды, из него состоящие, — вырожденными звёздами. После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров — в сотни радиусов Солнца — и за время порядка 10—100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 109 кг/м3 (тонну на кубический сантиметр!). Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. кельвинов образуют кристаллическую решётку. Образно говоря, белые карлики - это горячие гигантские кристаллы.

Нейтронные звёзды

Большинство нейтронных звёзд образуется при коллапсе ядер звёзд массой более десяти солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением — вспышкой сверхновой звезды. Зная из наблюдений, что вспышки сверхновых в нормальной галактике происходят примерно раз в 25 лет, легко вычислить, что за время существования нашей Галактики (10 — 15 млрд. лет) в ней должно было образоваться несколько сот миллионов нейтронных звёзд! Как же они должны проявлять себя? Молодые нейтронные звёзды быстро вращаются (периоды их вращения измеряются миллисекундами!) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твёрдой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких энергий (см. статью «Необычные объекты: нейтронные звёзды и чёрные дыры»). Эти частицы | излучают радиоволны. С потерей энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн. лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч (один на 1500 звёзд соответствующей массы). В настоящее время наблюдается примерно 700 пульсаров. Как и для белых карликов, для нейтронных звёзд существует предельно возможная масса (она носит название предела Оппенгеймера — Волкова). Однако строение материи при столь высоких плотностях известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера — Волкова точно не установлен, его величина зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае он не превышает трёх масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется чёрная дыра.

Расстояние от нас до звезд

Ещё в древние времена астрономы поняли, что звёзды находятся дальше от Земли, чем Луна и другие планеты. Наблюдая небо, они замечали, что Луна, перемещаясь по небу, закрывает то одну, то другую звезду, но ни одна звезда не бывает перед Луной. Иногда и планеты, например, Юпитер, загораживают звёзды. Значит, звёзды находятся дальше планет.

Коперник указал, что звёзды находятся на огромных расстояниях и только поэтому не могут быть замечены те смещения положений звёзд на небе, которые неизбежно должны быть в силу движения Земли со звёздами в мировом пространстве. Такие смещения астрономы не могли подметить ещё почти три века после Коперника, несмотря на то, что за это время были достигнуты огромные успехи в конструкции астрономических инструментов и в точности наблюдений. В середине XVIII века выдающиеся учёные Брадлей в Англии и Ламберт в Германии пришли к выводу о том, что расстояния даже до ближайших звёзд в сотни тысяч раз превышают расстояния от Земли до Солнца. Но точно измерить расстояние они всё-таки не смогли.

Впервые в истории астрономии российский астроном Василий Яковлевич Струве измерил расстояние до звезды. Он много раз измерял положение звезды Веги и пришёл к выводу, что Вега за полгода смещается на угол около дуги. Под столь малым углом с Веги должен быть виден диаметр земной орбиты, то есть двойное расстояние от Земли до Солнца, а само это расстояние видно под углом 1/8 секунды дуги.

Круг делится на 360 градусов по 60 угловых минут в каждом градусе, а каждая минута на 60 секунд, значит в круге 1 296 000 угловых секунд. Если радиус земной орбиты с Веги виден под углом 1/8 доли секунды, или около 1/10000000 доли окружности (астрономы называют это число параллаксом данной звезды), значит, расстояние до этой звезды составляет почти 250 триллионов километров. Такие числа употреблять неудобно, поэтому для выражения больших расстояний астрономы применяют более крупные единицы - световой год. Так обозначается расстояние, которое луч света проходит за один год со скоростью 300 000 километров в секунду. Световой год - это около 9,5 триллионов километров.

Астрономы пользуются и другой мерой расстояний до звёзд. Если круг содержит 1 296 000 угловых секунд, то его радиус или радиан составляет 206 265 угловых секунд или 57 градусов. Если бы радиус земной орбиты осматривался с какого-нибудь небесного тела под углом в 1 секунду окружности, то это значило бы, что расстояние до этого тела в 206 265 раз превышает расстояние до земной орбиты и составляет около 31 триллиона километра. Эту величину астрономы назвали параллакс-секунда или сокращённо парсек.

Вега находится от нас на расстоянии 8 парсек или 26,5 светового года. Вега действительно одна из сравнительно близких к нам звёзд, но не самая близкая.

К настоящему времени таким способом установлены расстояния до многих тысяч звёзд. Но, при всей точности, которой достигли астрономы в измерении звёздных параллаксов, этот способ применим только для определения расстояния до сравнительно близких звёзд. Для далёких звёзд, отстоящих от нас на сотни, тысячи и десятки тысяч световых лет, он не годится, потому что углы оказываются настолько малыми, что не поддаются измерению. Астрономы нашли и другие вполне достоверные способы для измерения расстояний более далёких звёзд. В результате теперь известны точные расстояния до десятков тысяч отдельных звёзд, а до ещё большего числа звёзд расстояние можно оценить приближённо. Если звёзды можно видеть с невообразимо больших расстояний, значит, они должны иметь огромную силу света - светимость.

Возраст звезд

Возраст небесных тел определяют разными методами. Самый точный из них состоит в определении возраста горных пород по отношению количества в ней радиоактивного элемента урана к количеству свинца. Свинец является конечным продуктом самопроизвольного распада урана. Скорость этого процесса известна точно, и изменить ее нельзя никакими способами. Чем меньше урана осталось и чем больше свинца накопилось в породе, тем больше ее возраст. Самые древние горные породы в земной коре имеют возраст, очевидно, несколько раньше, чем земная кора. Изучение окаменелых остатков животных и растений показывает, что за последние сотни миллионов лет излучение Солнца существенно не изменилось. Значит, Солнце должно быть старше Земли. Есть звезды, которые, как доказал впервые академик В. А. Амбарцумян, много моложе, чем Земля. По темпу расходования энергии горячими сверхгигантами можно судить о том, что возможные запасы их энергии позволяют им расходовать еще так щедро лишь короткое время. Значит, горячие сверхгиганты молоды - им 1млн.-10млн. лет.

Молодые звезды находятся в спиральных ветвях галактики, как и газовые туманности, из вещества которых возникают звезды. Туманности удерживается в ветвях магнитным полем, звезд же магнитное поле удержать не может. Звезды, не успевшие рассеяться из ветви, молоды. Выходя из ветви, они стареют. Звезды шаровых скоплений, по современной теории внутреннего строения и эволюции звезд, самые старые. Им может быть до 10млрд. лет. Ясно, что звездная система – галактики должны быть старше, чем звезды, из которых они состоят. Возраст большинства из них должен быть не меньше, чем 10млрд. лет. В звездной Вселенной происходит не только медленные изменения, но и быстрые, даже катастрофические. Например, за время порядка года обычная, по-видимому, звезда вспыхивает, как «сверхновые», и за то же примерно время спадает в блеске. В результате она, вероятно, превращается в крохотную звезду, состоящую из нейтронов и вращающуюся с периодом порядка секунды и быстрее. Ее плотность (при спаде) возрастает до плотности атомных ядер и нейтронов, и она становиться мощнейшим излучателем радио - и рентгеновских лучей, которые, как ее свет, пульсируют с периодом вращения звезды. Примером такого пульсара, как их называют, служит слабая звездочка в центре расширяющейся Крабовидной радиотуманности. Остатков вспышек сверхновых звезд в виде пульсаров и радиотуманностей, подобных Крабовидной, известно уже много.

Заключение

Каких бы высот не достигла наука и техника будущих веков, многие фундаментальные открытия останутся заслугой века нынешнего. Только один раз можно открыть мир галактик, обнаружить расширение Вселенной и реликтовое излучение, оставшееся нам в наследство от прошлых времён, когда в природе ещё не было звёзд, узнать примерный возраст Солнца и других звёзд, убедиться в существовании протозвёзд, вырожденных и нейтронных звёзд, чёрных дыр, обнаружить планеты у других звёзд, узнать о странных свойствах пульсаров, активных ядер галактик... И всё это было сделано за последние десятилетия. В настоящее время живёт фактически первое поколение людей, которое знает, каково расстояние до самых далёких наблюдаемых объектов, как они эволюционируют, и какой возраст могут иметь. Это не означает, что будущим поколениям осталось только уточнять детали. Нет, чем больше мы знаем, тем чаще соприкасаемся с Неизвестным, так что число проблем, требующих решения, не уменьшается. Например, до сих пор почти ничего не известно о материи, которая не излучает или почти не излучает никаких электромагнитных волн и потому не воспринимается современными приборами, хотя её, по некоторым данным, должно быть во Вселенной даже больше, чем «видимой» материи. Мы почти ничего не знаем о планетах вблизи других звёзд, плохо представляем себе природу многих наблюдаемых явлений. Астрономии XXI в., по-видимому, предстоит освоить новые «окна во Вселенную — нейтринное и гравитационное излучение. Возможно, что будут обнаружены и другие, неизвестные пока виды излучения. Наверное, стоит упомянуть ещё одну проблему, которая волнует многих. При каких условиях на планетах возможно зарождение жизни, как часто это происходит и как окружающий космос влияет на развитие живых организмов? Быть может, уже грядущий век даст ответы и на эти вопросы.

Список литературы

1) Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия. – 2-е изд., Э68 испр. / Гл. ред. М.Д. Аксенова. – М.: Аванта+, 2000. – 688 с.: ил.

2) Б.А. Воронцов-Вельяминов. Учебник Астрономия. – М.: Просвещение, 1979.

3) Энциклопедия Астрономия стр.608.

4) Концепция современного естествознания. Под ред. С.Х. Карпенков. М.,2004.