Звезды, их образование, развитие и виды
Как рождаются звезды. Проблема звездообразования - одна из центральных в современной астрофизике. Звезды - самые распространенные во Вселенной объекты, из них состоят более крупные структурные образования - галактики. И вопрос о том, почему в разных регионах Вселенной вещество преимущественно формируется именно в звезды, при каких условиях и каким образом это совершается, не может не волновать астрономов. Тем более, что явления, происходящие в процессе образования и умирание зрение, по-видимому, тесно связаны с самыми глубокими проблемами строения и эволюции материи, в частности с явлениями, происходящими в мире элементарных частиц.
В современной астрофизике есть две основные концепции происхождения зрение. Одна из них, которая получила название «классической», исходит из того, что звезды образуются в процессе конденсации газа в холодных газопылевых комплексах, гигантских бесформенных клоччастих образованиях размерами во много десятков и сотен световых лет, состоящие главным образом из молекул водорода. Что касается пылинок, то они представляют собой мелкие твердые образования, рассеянные в космическом пространстве и имеют довольно сложную структуру, их центральную часть составляет тугоплавкая силикатное или графитовое ядро, на которое намерзли загрязненные льды. Как показывают наблюдения межзвездного поглощения света, размеры таких пылинок небольшие - от 0,1 до 1 мкм.
Формирование звезд начинается с того, что в газопылевых облаках или в какой ее части развивается так называемая гравитационная неустойчивость. Иными словами, в облаке происходит процесс нарастания возмущений плотности и скорости движения вещества, небольших отклонений этих физических величин от их средних значений для данной тучи. Из теории следует, что однородное распределение вещества при наличии сил притяжения не может быть устойчивым. Вещество должна распадаться на отдельные сгустки. По одному из основных законов физики любая физическая система всегда стремится к такому состоянию, при котором ее потенциальная энергия минимальна. При образовании сгустков и их сжатии гравитационная энергия переходит в кинетическую энергию вещества, сжимается, которая в свою очередь может переходить в тепловую энергию и излучаться. Таким образом, вследствие процесса фрагментации и движения сгустков уменьшается потенциальная энергия.
Кроме гравитационной неустойчивости, в процессе фрагментации газовых облаков определенную роль играет так называемая термохимические неустойчивость, возникающая вследствие того, что скорость образования молекул внутри газопылевого комплекса и скорость охлаждения газа за счет излучения этих молекул в радиодиапазоне отличаются одна от другой.
В дальнейшем образовании фрагменты в свою очередь делятся на еще более мелкие сгустки и так до тех пор, пока в результате гравитационного сжатия плотность этих сгустков вырастет настолько, что в их центральных частях образуются зореподибни ядра - протозори, окруженные массивными оболочками, которые продолжают сжиматься.
Как показывают расчеты, в тех случаях, когда масса сгустка превосходит три массы Солнца, вещество оболочки свободно падает на ядро. Благодаря этому, масса таких про -
тозир быстро увеличивается, возрастает их светимость. В какой момент излучения протозори становится настолько сильным, что в результате нагревания оболочки и действия светового давления оболочка рассеивается в пространстве.
Освободившиеся от оболочек ядра некоторое время еще продолжают сжиматься и излучать довольно значительное количество энергии, которая выделяется за счет гравитационного сжатия. Температура в недрах протозори возрастает и, наконец, становится достаточным для возникновения термоядерной реакции. Протозоря становится звездой.
Такой, если не вдаваться в детали, наиболее популярной в современной астрофизике есть схема образования звезд из холодного газа в газопылевых комплексах. Подтверждается она астрономическими наблюдениями? Поскольку оболочки вокруг протозир, формирующиеся, содержат большое количество пыли, насквозь они не просматриваются и это намного затрудняет наблюдение начальной стадии формирования звезд.
Однако с развитием радио-и инфракрасной астрономии появилась некоторая возможность «заглянуть» в таинственные «звездные колыбели», поскольку пыль и газ прозрачны для этих электромагнитных излучений. В ряде районов выявлены компактные зоны радио-и инфракрасного излучения, которые истолковываются сторонниками классической концепции как зоны, где содержатся чрезвычайно молодые звезды, которых в оптическом диапазоне наблюдать еще нельзя.
Конденсационной концепции соблюдающих большинство современных астрономов. Однако это обстоятельство само по себе еще не может быть окончательным доказательством ее справедливости. Тем более, что таких наблюдательных данных, подтверждающих ее однозначно, пока не существует. Еще Галилео Галилей отмечал, что в науке мнение одного может оказаться правильнее за мнение тысячи. Поэтому сейчас нельзя сбрасывать со счетов и другие точки зрения.
Во всяком случае в современной астрофизике существует еще одна концепция звездообразования, которое в течение ряда лет разрабатывает школа академика В. А. Амбарцумяна. По названию обсерватории, директором которой он является, эта концепция получила наименование Бюраканская. ее сторонники считают, что звезды образуются в результате распада на части более плотных, а возможно и сверхплотных объектов. Эти объекты могут быть остатками той «первобытной» вещества, из которого образовалась наша Вселенная.
В отличие от классической концепции Бюраканская в физическом и математическом плане разработана не так подробно. Однако академик Амбарцумян считает, что-такая разработка заблаговременная, поскольку здесь речь идет о найпотаем-ниши космические процессы, по которым у нас еще очень мало фактов.
В споре этих двух концепций речь идет по сути не только о пути формирования звезд, но и о направленности эволюционных процессов во Вселенной вообще: идут ли они от разреженных состояний к более плотных или, наоборот, - от плотных к разреженных?
Методические соображения. Различаются и те исследовательские программы, которые подчиняются сторонники противоборствующих концепций. Тогда как «классики» считают, что в основе разработки астрофизической теории должно лежать метод построения математических и физических моделей, даже при отсутствии необходимой полноты наблюдательных данных, «бюраканци» считают, что теория должна строиться только на основе фактов, а к созданию конкретных теоретических моделей следует приступать только тогда, когда данные наблюдений позволяют при построении теории обойтись практически без произвольных дополнительных предположений.
Следует отметить, что возникновение различных, иногда противоположных направлений в науке при решении сложных фундаментальных проблем и острых дискуссий между их сторонниками - вполне нормальное явление. К сожалению, острота полемики заставляет противоборствующие стороны
полностью отвергать концепции, которые противостоят им. Однако только дальнейшие исследования могут показать, какая точка зрения ближе к истине. И дискуссия о путях эволюционных процессов во Вселенной не является исключением. К тому же не исключено, что в бесконечном разнообразии Вселенной при одних условиях формирования новых космических объектов может происходить конденсационным путем, а других - быть следствием распада.
Как было уже сказано, основная часть жизни подавляющего большинства зрение - это период, когда в их недрах происходит термоядерная реакция синтеза более тяжелых элементов из более легких. На этом этапе равновесие звезды поддерживается равновесием между давлением раскаленного газа в ее недрах, который стремится расширить звезду, и силами тяготения, стремящиеся ее сжать.
При этом, если термоядерные реакции в недрах звезды почему ускоряются ^ поступление тепла из ее глубин до поверхности превышает теплоотдачу в мировое пространство, то температура в недрах звезды повышается, давление газа растет и звезда начинает расширяться. Центральная зона охлаждается, и термоядерная реакция приходит в норму. Напротив, если теплоотдача в окружающее пространство оказывается выше, чем энерговыделения, то звезда начинает охлаждаться, давление в ее недрах падал и силы тяготения начинают сжимать звезду. Благодаря этому недрах звезды разогреваются, термоядерная реакция ускоряется и тепловое равновесие, а одновременно и баланс сил внутри звезды приходят в норму. Итак, звезды - это саморегулирующиеся системы, созданные самой природой.
Новый, по сути заключительный, период в существовании звезды наступает тогда, когда ее основное ядерное топливо - водород полностью исчерпывается. В процессе термоядерной реакции в центральной части звезды образуется гелиевая ядро. Потом это ядро начинает сжиматься, а внешние слои - оболочка звезды - расширяться. Заря переходит в стадию
красного гиганта. В ее недрах по мере дальнейшего сжатия одни термоядерные реакции заслоняют другие с участием все более тяжелых элементов. И происходит это до тех пор, пока не будут исчерпаны все термоядерные источники энергии.
Дальнейшая судьба умирающей звезды зависит от ее массы. Звезды, масса которых близка к солнечной или немного превышает ее, превращаются в так называемые белые карлики, т.е. в звезды с радиусами в сотни раз меньше радиуса Солнца. Плотность вещества таких звезд намного превышает плотность солнечного вещества. В каждом кубическом сантиметре пространства белых карликов помещаются десятки и сотни тонн вещества.
Белый карлик - устойчивое образование. Его равновесие поддерживается, однако, внутренним давлением не обычного, а электронного газа, строящийся большим количеством свободных электронов. Плотность этого газа вполне достаточная для того, чтобы прекратить гравитационное сжатие звезды. В таком Гави существенно проявляются квантовые эффекты, и физики навивають его «вырожденным». По этой причине и белых карликов нередко навивають «вырожденными звездами».
Температура поверхности самых горячих вырожденных карликов может достигать 50-100 тыс. кельвинов. Под тонкой атмосферой такой звезды расположена плотная масса, имел до самого центра одинаковую температуру. Потери энергии на излучение в белых карликов сравнительно небольшие, поэтому такие звезды охлаждаются чрезвычайно медленно.