0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как происходит эволюция звёзд

Содержание

Как происходит эволюция звёзд

Практически любо тело во Вселенной имеет свой жизненный цикл. Собственно говоря, светила не исключения. Они также рождаются и умирают, как и другие тела. Правда, жизненный путь звезд, то есть последовательные изменения в течение всей её жизни, очень долгий. Ниже мы как раз рассмотрим какие основные этапы включает в себя эволюция звёзд.

Как известно, звезда — это гигантский раскаленный газовый шар, находящийся в состоянии равновесия. Внутри этого шара происходят термоядерные реакции, в результате которых вырабатывается энергия и излучается свет.

Проксима Центавра

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Происхождение и эволюция галактик и звезд. Эволюция Вселенной»

«Все изменяется, ничто не исчезает»

В данной теме разговор пойдёт о том, как рождаются, живут и умирают звезды, как изменяется Вселенная.

Солнце имеет свой жизненный цикл. Оно образовалось в результате гравитационного сжатия плотного газопылевого облака. По мере сжатия температура и плотность облака возрастает, и оно испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра. Облако в этом состоянии называется протозвездой. Температура в недрах протозвезды постепенно возрастает, и когда она достигает нескольких миллионов кельвинов, начинается термоядерная реакция, в результате которой из водорода синтезируется гелий. Протозвезда превращается в обычную звезду главной последовательности. Как уже говорилось, Солнце относится к главной последовательности, а его возраст составляет примерно 4,5 миллиарда лет. После того, как водород на Солнце закончится, оно начнет раздуваться, превращаясь в красный гигант. Размеры Солнца возрастут в десятки раз, оно поглотит Меркурий и Венеру, и уничтожит жизнь на Земле. Это произойдет приблизительно через 5 миллиардов лет. Температура ядра станет настолько высока, что начнет происходить реакция превращения гелия в углерод. Раздувшаяся оболочка Солнца будет уже слишком слабо притягиваться ядром и постепенно рассеется, образовав так называемую планетарную туманность. После того, как оболочка окончательно рассеется, останется только ядро – белый карлик. Этот белый карлик будет очень медленно остывать, постепенно превращаясь в черный карлик.

Эволюция Солнца

Следует заметить, что есть и другие варианты эволюции звезд, в зависимости от их массы. Итак, основные стадии эволюции звезд таковы: сначала образуется плотное газопылевое облако, которое под действием собственной гравитации коллапсирует в протозвезду. После начала термоядерной реакции в горячем ядре, протозвезда превращается в звезду главной последовательности. Когда в звезде заканчивается водород, она начинает раздуваться, превращаясь в красного гиганта или сверхгиганта. А вот после этого есть несколько вариантов развития событий. Один из них был только что рассмотрен – это превращение звезды в белый карлик, а затем и в черный карлик. Такой путь развития характерен для звезд, масса которых не превышает две солнечные массы. Ядра более массивных звезд могут колоссально сжаться под действием собственной гравитации, что приведет к превращению протонов в нейтроны. Этот объект будет называться нейтронной звездой.

Для сверхмассивных звезд возможен несколько иной вариант развития событий: ядро сверхгиганта начинает сжиматься, в результате чего, вновь увеличивается плотность и температура. Это приводит к новой последовательности термоядерных реакций, в процессе которых синтезируются все более тяжелые элементы. В конечном итоге, синтезируется железо 56 (Fe-56), обладающее самым большим дефектом масс, поэтому дальнейшее образование других веществ с выделением энергии уже невозможно. Когда железное ядро достигает определенных размеров, вновь происходит коллапс ядра. Буквально через несколько секунд после этого происходит взрыв сверхновой звезды. На сегодняшний день еще неизвестно, что именно приводит к взрыву, но этот взрыв выносит значительную часть накопленного материала вместе со струями нейтрино в межзвездное пространство. Выброшенное вещество может послужить материалом для образования новых звезд. От начальной звезды остается нейтронная звезда. Но если звезда обладала достаточно большой массой, то коллапс может продолжаться даже после образования нейтронной звезды. Тогда звезда становится черной дырой. Согласно общей теории относительности, черные дыры могут искажать пространство и замедлять время в непосредственной близости от себя. На данный момент, многие вопросы о сверхновых, нейтронных звездах и черных дырах остаются открытыми.

Читать еще:  Ил-14 — обзор, история создания и технические характеристики

Во Вселенной существует множество галактик, которые, как выяснилось, разбегаются. Это косвенно подтверждает модель расширяющейся Вселенной. Исходя из этой модели и из расстояния до галактик, удалось определить радиус наблюдаемой Вселенной с помощью закона Хаббла. Также, с помощью этого закона был вычислен примерный возраст наблюдаемой Вселенной. Но как образовалась Вселенная? Конечно, на сегодняшний день никто не может дать точный ответ на этот вопрос. Разбегание галактик напоминает разлет вещества при взрыве, поэтому, теория, описывающая расширяющуюся Вселенную, получила называние теории Большого взрыва.

Большой взрыв – это общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной (то есть, начало её расширения). Ветвь астрономии, изучающая вопросы, связанные с эволюцией Вселенной, называется космологией. Существует еще одна важная космологическая модель – это модель горячей Вселенной. Эта модель описывает ранние этапы развития Вселенной. Плотность и температура Вселенной спустя несколько секунд после Большого взрыва были настолько огромны, что ни о каких галактиках и звездах не могло быть и речи. По мере расширения Вселенной, её температура и плотность уменьшались, начали образовываться первые звезды, а спустя некоторое время – галактики.

Конечно, можно задать резонный вопрос: если вся Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, тогда что взорвалось? В сложности ответа на этот вопрос, пожалуй, и состоит основная проблема космологии. На сегодняшний день, Большой взрыв объясняется возникновением, так называемой, космологической сингулярностигравитационной сингулярности, характеризующейся бесконечной плотностью и температурой. Сегодня ученые не могут с уверенностью объяснить происхождение этой сингулярности, да и вообще, не совсем ясно, что собой представляет гравитационная сингулярность. Считается, что ответы на эти вопросы сможет дать теория квантовой гравитации.

Исходя из наблюдаемых процессов, происходящих во Вселенной, существует еще одно довольно интересное предположение. Известно, что звезды рано или поздно умирают, превращаясь в белые, а затем и черные карлики. Некоторые звезды могут превратиться в нейтронную звезду или в черную дыру. Одновременно с этим из газовых облаков образуются всё новые и новые звезды. Но, когда-нибудь галактики исчерпают всю энергию, и строительный материал для звезд закончится. Все существующие звезды дойдут до последних стадий эволюции: останутся только белые и черные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Скопления галактик начнут сливаться в одну большую галактику. Черные дыры, находившиеся в центрах галактик, начнут поглощать все больше и больше вещества, постепенно разрастаясь и сливаясь друг с другом. В конце концов, скопления черных дыр образуют гигантскую черную дыру с невообразимо мощным гравитационным полем. Возможно, столь мощное гравитационное поле заставит эту черную дыру сжаться в ту самую гравитационную сингулярность, о которой говорилось. В этом случае, всё вернётся к начальной точке – то есть, произойдет еще один Большой взрыв.

Помимо того, что происходило с Вселенной до нынешнего момента, не менее интересно и её будущее. На этот счет есть несколько точек зрения, в зависимости от массы, энергии, плотности Вселенной, а также, скорости её расширения. По современным оценкам, критическое значение плотности вещества вычисляется по формуле

Подставив все константы в данное выражение, получим, что критическая плотность Вселенной равна

Считается, что если средняя плотность Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием. То есть, Вселенная вновь сожмется в одну точку и, вероятно, вновь произойдет Большой взрыв. Если же плотность Вселенной меньше критической, то она не перестанет расширяться. По сегодняшним оценкам, плотность Вселенной примерно в 5 раз меньше критической плотности, что отбрасывает теорию о Большом сжатии. Но спешить с такими выводами, всё же, не стоит. Есть основания полагать, что существует так называемая скрытая масса, которая может изменить современную оценку плотности Вселенной. Например, основываясь на современных данных, не удается объяснить аномально большую скорость вращения внешних областей галактик. Считается, что, возможно, это поможет объяснить существование темной материи – гипотетической материи, не испускающей электромагнитного излучения и не взаимодействующей с ним. Прямое наблюдение такой материи невозможно, но существует несколько косвенных признаков её существования – например, гравитационные эффекты, создаваемые некоторыми астрофизическими объектами.

Также, не так давно было введено понятие тёмной энергии, без которой не удавалось объяснить наблюдаемое расширение Вселенной с ускорением. Под темной энергией подразумевается космологическая константа, то есть, постоянная энергетическая плотность, которая равномерно заполняет Вселенную. Иными словами, существование тёмной энергии говорит нам о том, что полного вакуума не существует. На сегодняшний день, ни одно из надежных наблюдательных данных не противоречит существованию темной энергии.

Конечно, в данной теме немного вышли за рамки школьной физики, но, всё же, рассмотрим основные этапы развития Вселенной и сегодняшние представления человечества о ней. Поскольку Вселенная расширяется с момента Большого взрыва, этапы развития Вселенной разделены на этапы расширения. Первый этап называется Планковской эпохой – период с того момента, когда начинают работать законы современной физики до инфляционной стадии (гравитационное взаимодействие отделяется от остальных видов взаимодействий). Инфляционная стадия – это стадия резкого увеличения и сильного нагрева Вселенной. После этого наступает стадия радиационного доминирования – основная стадия развития ранней Вселенной. На этой стадии появляются некоторые виды излучения, понижается температура, начинают выделяться остальные виды взаимодействий, энергия переходит в массу, образуя кварки – то есть, начинает появляться материя. Образуются известные нам сегодня химические элементы. После этого наступает эпоха доминирования вещества: электромагнитное излучение отделяется от вещества, начинают формироваться звезды и галактики. И, наконец, Вселенная переходит в стадию доминирования темной энергии – это является текущей эпохой.

Читать еще:  Револьверы разных стран мира

Как видно, многие вопросы до сих пор остаются открытыми, и неизвестно, можно ли вообще понять, как образовалась Вселенная, находясь внутри неё. Тем не менее, сегодня были рассмотрены основные этапы эволюции звезд. В результате коллапса газопылевого облака под действием гравитационных сил, образуется протозвезда. Когда температура ядра протозвезды становится достаточно высока, начинается термоядерная реакция, и протозвезда становится звездой главной последовательности. Когда в звезде заканчивается водород, из гелия начинают синтезироваться более тяжелые элементы. Звезда расширяется и становится красным гигантом или сверхгигантом. После этого, возможны несколько вариантов развития событий, в зависимости от массы звезды. Либо после того, как оболочка звезды рассеивается, она образует планетарную туманность, а потом оставшееся ядро становится белым карликом, либо звезда превращается в нейтронную звезду или черную дыру.

Сегодня эволюция Вселенной описывается теорией Большого взрыва и моделью горячей Вселенной. Также, на сегодняшний день, наблюдения говорят о том, что Вселенная расширяется с ускорением. О будущем Вселенной существует множество теорий, ни одна из которых, на данном этапе развития науки, не может быть доказана.

Процесс изучения и схема эволюции звезд

Весь процесс познания звезд можно разделить условно на несколько этапов. В самом начале следует определить расстояние до звезды. Информация о том, как далеко от нас находится звезда, сколько идет от нее свет, дает представление о том, что происходило со светилом на протяжении всего этого времени. После того, как человек научился измерять расстояние до далеких звезд, стало ясно, что звезды – это то же самое Солнце, только разных размеров и с разной судьбой. Зная расстояние до звезды, по уровню света и количеству излучаемой энергии можно проследить процесс термоядерного синтеза выделяющей энергию звезды.

Термоядерный синтез на Солнце

Вслед за определением расстояния до звезды, можно с помощью спектрального анализа определить химический состав светила и узнать его структуру и возраст. Благодаря появлению спектрографа у ученых проявилась возможность изучить природу света звезд. Этим прибором, можно определить и измерить газовый состав звездного вещества, которым обладает звезда на разных этапах своего существования.

Эволюция звезд с малой массой

Пройдя стационарный период, который соответствует фазе главной последовательности, звезда начинает терять свою стабильность, и дальнейшая судьба у нее может быть различной.

Рассмотрим случай звезды маленькой массы, то есть имеющей массу в 4—5 раз меньше солнечной. Ее особенность такова: в самых глубоких слоях отсутствует конвекция, то есть материя, из которой она состоит, не столь активна, как это, напротив, имеет место у звезд большой массы.

Это означает, что, когда водород в ядре начинает иссякать, реакция не перемещается к более верхним слоям, а продолжает происходить вокруг ядра, где водород очень медленно превращается в гелий.

Однако ядро гелия раскаляется, верхние слои звезды упорядочиваются, перестраивая свою структуру, а светило на диаграмме Герцшпрунга — Рессела медленно покидает главную последовательность. Плотность материи в центре звезды увеличивается, а вещество в ядре вырождается, то есть приобретает особую консистенцию, отличную от консистенции обычного вещества.

Планетарная туманность М27 Гантель: яркий «пузырь» – сброшенная оболочка звезды

Звезда на диаграмме Герцшпрунга — Рессела смещается вправо, а затем вверх, двигаясь в область красных гигантов. Ее размеры значительно увеличиваются, а температура внешних слоев уменьшается благодаря эффекту расширения.

А вот температура ядра снижается, поэтому ядерная реакция уже не может идти из-за того, что температура недостаточна для синтеза гелия. Подобный синтез сопровождается так называемой вспышкой гелия. Звезда на диаграмме продолжает перемещаться вправо, в то место, где на оси абсцисс диаграммы находятся шаровые скопления.

В углеродном ядре температура растет до момента, когда, если звезда обладает достаточной массой, углерод начинает гореть, а затем взрывается. Происходит это или нет, во время последней стадии материя поверхности звезды теряет массу. Эта потеря может происходить на разных фазах или единовременно, когда верхние слои звезды стремятся наружу, образовывая большой шар.

В последнем случае образуется планетарная туманность, то есть сферическая оболочка материи, распространяющаяся в космос Ядро звезды, если при последующих сжатиях и расширениях оно испускает количество материи, превышающее 1,4 солнечной массы, становится белым карликом, из чего можно сделать вывод о ее медленном угасании.

Считается, что, поскольку охлаждение идет очень медленно, с рождения Вселенной ни один белый карлик еще не дошел до термической смерти.

Конечная стадия эволюции звезд, масса которых равна или меньше солнечной – звезда типа белый карлик.

Рождение и эволюция звезд: гигантская фабрика вселенной

Звёздная эволюция в астрономии – последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. в течение таких колоссальных промежутков времени изменения оказываются весьма значительными.

Цикл жизни звёзды

Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью. Большая часть «пустого» пространства в галактике в действительности содержит от 0,1 до 1 молекулы на см 3 . Молекулярное облако же имеет плотность около миллиона молекул на см 3 . Масса такого облака превышает массу Солнца в 100 000–10 000 000 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике.

Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемом звёздной колыбелью.

Пока облако свободно обращается вокруг центра родной галактики, ничего не происходит. Однако из-за неоднородности гравитационного поля в нём могут возникнуть возмущения, приводящие к локальным концентрациям массы. Такие возмущения вызывают гравитационный коллапс облака. Один из сценариев, приводящих к этому – столкновение двух облаков. Другим событием, вызывающим коллапс, может быть прохождение облака через плотный рукав спиральной галактики. Также критическим фактором может стать взрыв близлежащей сверхновой звезды, ударная волна которого столкнётся с молекулярным облаком на огромной скорости. Кроме того, возможно столкновение галактик, способное вызвать всплеск звёздообразования, по мере того, как газовые облака в каждой из галактик сжимаются в результате столкновения. В общем, любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут запустить процесс звездообразования.

Читать еще:  Карабин впо-136: отзывы, цена, технические характеристики, обзор

любые неоднородности в силах, действующих на массу облака, могут запустить процесс звездообразования.

В ходе протекания этого процесса неоднородности молекулярного облака будут сжиматься под действием собственного тяготения и постепенно принимать форму шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает.

Когда температура в центре достигает 15–20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой.

Последующие стадии эволюции звезды почти полностью зависят от её массы, и лишь в самом конце эволюции звезды свою роль может сыграть ее химический состав.

Первая стадия жизни звезды подобна солнечной – в ней доминируют реакции водородного цикла.

В таком состоянии она пребывает бо́льшую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.

Маленькие и холодные красные карлики медленно сжигают запасы водорода и остаются на главной последовательности десятки миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты сходят с главной последовательности уже через несколько десятков миллионов (а некоторые спустя всего несколько миллионов) лет после формирования.

В настоящее время достоверно неизвестно, что происходит с лёгкими звёздами после истощения запаса водорода в их недрах. Поскольку возраст вселенной составляет 13,8 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива в таких звёздах, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звёздах.

Согласно теоретическим представлениям, некоторые из легких звезд, теряя свое вещество (звездный ветер), будут постепенно испаряться, становясь все меньше и меньше. Другие – красные карлики, будут медленно остывать миллиарды лет, продолжая слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра.

Звёзды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет.

Считается, что Солнце все ещё на ней, так как оно находится в середине своего жизненного цикла. Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она покидает главную последовательность.

Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она покидает главную последовательность.

Без давления, возникавшего в ходе термоядерных реакций и уравновешивавшего внутреннюю гравитацию, звезда снова начинает сжиматься, как уже было ранее в процессе её формирования.

Температура и давление снова растут, но, в отличие от стадии протозвезды, до гораздо более высокого уровня.

Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре приблизительно в 100 миллионов К не начнутся термоядерные реакции с участием гелия, в ходе которых происходит превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий – в углерод, углерод – в кислород, кислород – в кремний, и наконец – кремний в железо).

Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре приблизительно в 100 миллионов К не начнутся термоядерные реакции с участием гелия

Возобновившееся на новом уровне термоядерное «горение» вещества становится причиной чудовищного расширения звезды. Звезда «распухает», становясь очень «рыхлой», и её размер увеличивается приблизительно в 100 раз.

Звезда становится красным гигантом, а фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет.

То, что происходит далее также зависит от массы звезды.

У звезд средней величины реакция термоядерного сжигания гелия может приводить к взрывному сбросу внешних слоев звезды с образованием из них планетарной туманности. Ядро звезды, в котором прекращаются термоядерные реакции, остывая, превращается в гелиевый белый карлик, как правило, имеющий массу до 0,5—0,6 Солнечных масс и диаметр порядка диаметра Земли.

Для массивных и сверхмассивных звезд (с массой от пяти Солнечных масс и более) происходящие в их ядре процессы по мере нарастания гравитационного сжатия приводят к взрыву сверхновой звезды с выделением огромной энергии. Взрыв сопровождается выбросом значительной массы вещества звезды в межзвёздное пространство. Это вещество в дальнейшем участвует в образовании новых звёзд, планет или спутников. Именно благодаря сверхновым Вселенная в целом и каждая галактика в частности, химически эволюционирует. Оставшееся после взрыва ядро звезды может закончить свою эволюцию как нейтронная звезда (пульсар), если масса звезды на поздних стадиях превышает предел Чандрасекара (1,44 Солнечной массы), либо как чёрная дыра, если масса звезды превышает предел Оппенгеймера – Волкова (оценочные значения 2,5-3 Солнечных масс).

Процесс звездной эволюции во Вселенной непрерывен и цикличен – угасают старые звезды, на смену им зажигаются новые.

По современным научным представлениям, из звездного вещества образовались элементы, необходимые для возникновения планет и жизни на Земле. Хотя единой общепринятой точки зрения на то, как возникла жизнь, пока нет.

ЕЩЁ МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ:

  • Пред
  • След

1″ :pagination=»pagination» :callback=»loadData» :options=»paginationOptions»>

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector