ЗВЕЗДНАЯ ФОРМА БЫТИЯ КОСМИЧЕСКОЙ МАТЕРИИ

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится в звездном состоянии. 97% вещества в нашей галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с различной характеристикой движения. У многих других галактик звездная материя составляет более чем 99,9% их массы.

В недрах звезд при температуре порядка 10 млн. градусов и при очень высокой плотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почти полностью отделены от своих атомов. Оставшиеся ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород при участии углерода превращается в гелий. Эти превращения являются источником колоссального количества энергии, уносимого излучением звезд.

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшие звездные системы состоят из двух, трех, четырех, пяти и более звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести (кратные системы). Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузионной материи, источником которой являются сами звезды, выбрасывающие ее в космическое пространство в виде мощных потоков газа.

Звезды объединяются также в еще большие группы – звездные скопления, которые могут иметь «рассеянную» или «шаровую» структуру. Рассеянные скопления насчитывают несколько сотен отдельных звезд (Рис.3.2), а шаровые – многие сотни тысяч (Рис.3.3).

Рис.3.2. Рассеянное звездное скопление М7 в Скорпионе.

М7 состоит примерно из 100 звезд. В скоплении доминируют голубые звезды.

Его возраст – около 200 млн. лет, размер – около 25 световых лет, расстояние до скопления – около 1000 световых лет. Внизу рисунка видны темные облака пыли.

Перечисленные звездные системы являются частями более общей системы – галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. По своей форме галактики разделяются на три основных типа: эллиптические (Рис.3.6), спиральные и неправильные (Рис.3.7). В неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения газов тенденции к вращению, ведущие к образованию спиральных ветвей. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 млрд. галактик.

Галактика, внутри которой расположена Солнечная система – Млечный Путь (Рис. 3.4), является спиральной системой, состоящей из 400 млрд. звезд. Она имеет форму утолщенного диска, от которого отходят спиральные рукава. Наибольший диаметр равен 120 тыс. световых лет. Толщина в 10–15 раз меньше. Масса нашей Галактики равна 200 млрд. масс Солнца. Возраст нашей Галактики около 15 млрд. лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью 220 км/с. Солнце делает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет.

Рис.3.3.Шаровое звездное скопление М3.

Одно из самых больших и ярких шаровых скоплений. Содержит около полумиллиона звезд, большинство из которых старые и красные. Размер скопления 150 световых лет. Расстояние до Земли 100тысяч световых лет.

Наша Галактика состоит из звезд и диффузионной материи. В ней насчитывается около 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд. По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что наша Галактика имеет четыре спиральные ветви.

Рис.3.4. Млечный Путь.

В центре Млечного Пути находится очень яркое ядро, окружающее гигантскую черную дыру. В спиральных рукавах рассеяны скопления молодых голубых звезд. Спиральные рукава находятся в диске, основную часть массы которого составляют относительно слабые звезды и разреженный газ – большей частью водород.

Ближайшей к нам галактической системой является туман-

ность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,7 млн. световых лет. Туманность Андромеды более чем в два раза превышает размеры нашей Галактики. Нашу Галактику и туманность Андромеды (Рис. 3.5) можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик.

Галактики встречаются в виде так называемых «облаков» или скоплений галактик (Рис.3.8; 3.9 и 3.10). Эти «облака» содержат до нескольких тысяч отдельных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на существование определенной упорядоченной системы Метагалактики. Метагалактика включает в себя все известные космические объекты.

Рис.3.5. Туманность Андромеды.

Насчитывает около триллиона звезд. Размер галактики превышает 200 тысяч световых лет. Возможно, в центре галактики находится сверхмассивная черная дыра, масса которой в 5 миллионов раз превышает массу Солнца. В спиральных рукавах сосредоточены яркие молодые звезды.

Хотя в мощные телескопы удается увидеть только галактики, в темных пространствах между ними, несомненно, присутствует вещество. Кроме межзвездного вещества, Вселенная насыщена излучением и быстрыми частицами различных типов. Сюда входят электромагнитное гравитационное излучения, потоки нейтрино и космические лучи, состоящие из различных субатомных частиц.

Межзвездное пространство заполнено газом и пылью. Основной компонент межзвездного газа – водород. На втором месте – гелий, значительно меньше в ней углерода, азота, кислорода и других химических элементов. Тяжелые элементы попадают в космос как остатки взрывов сверхновых звезд.

Метагалактика – совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды, доступная наблюдениям часть Вселенной. Одно из важнейших свойств Метагалактики – ее постоянное расширение, разлет скоплений галактик. Об этом свойстве свидетельствует «красное» смещение в спектрах галактик и реликтовое излучение (фоновое, внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре 3 К).

Рис.3.6. Эллиптическая галактика Центавр А

Другое свойство – равномерное распределение в ней вещества. В современном состоянии Метагалактика – однородна и изотропна, т. е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Маловероятно, что она была такой и в прошлом. В самом начале расширения могли существовать неоднородность и анизотропия.

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство? Многие ученые считают нашу расширяющуюся Метагалактику единственной. Другие высказывают мысли о множественности Метагалактик, множественности Вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свой тип нестационарности, организации и др.

Совокупность всех наблюдаемых на небе объектов называют Метагалактикой, однако, чаще к этой совокупности применяют термин «Вселенная». В течение многих лет существовало убеждение, что размеры Метагалактики (приблизительно 10²⁸ см) – границы мира, поэтому ее следует отождествлять с Вселенной, а под Вселенной понимали все сущее.

Рис.3.7. Неправильная галактика Leo A.

Удалена от нас на 2,5 миллиона световых лет в направлении созвездия Льва. Галактика имеет в поперечнике 10 световых лет.

Однако в последнее время в космологии утвердилась точка зрения, что Метагалактика – лишь небольшая часть нашего мира и поэтому отождествление Метагалактики с Вселенной неправомерно. Метагалактикой называют совокупность объектов, расположенных в пространственном объеме радиусом примерно 10²⁸ см. Метагалактикой иногда называют ограниченный горизонтом видимости наблюдаемый мир радиусом около 15 млрд. световых лет. Вселенная – это совокупность объектов, познаваемых в данный момент времени. Это понятие отражает уровень наших знаний о мире. С другой точки зрения, Вселенная – это весь не ограниченный горизонтом видимости материальный мир. Вне Вселенной никакие другие формы материи не могут существовать. Вселенная охватывает все.

Масса Метагалактики оценивается величиной 6х10⁹ М_с, где

М_с – масса Солнца, М_с = 10³³ г.

Рис.3.8. Большое Магелланово Облако.

Неправильная галактика, находящаяся от нас на расстоянии 180 тысяч световых лет в созвездии Золотой Рыбы. Ее размер – около 15 тысяч световых лет. Красное пятно слева – туманность Тарантул, огромная область звездообразования.

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Эволюция звезд – это изменение со временем физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд. Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд в удовлетворительном согласии с данными астрономических наблюдений.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава, который, в свою очередь, зависит от времени, когда образовалась звезда и от ее положения в Галактике. Звезды первого поколения сформировались из вещества, состав которого определялся космологическими условиями (около 70% водорода, 30% гелия, ничтожная примесь дейтерия и лития).

В ходе эволюции звезд первого поколения образовались тяжелые элементы, которые были выброшены в межзвездное пространство в результате истечения вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды последующих поколений сформировались из вещества, содержащего 3 – 4% тяжелых элементов.

Рис.3.9. Скопление галактик Эйбл 1185.

Большинство галактик в скоплении – эллиптические, хотя отчетливо видны спиральные, линзовидные и неправильные. Слева на рисунке – две сталкивающиеся галактики, вместе называемые Гитара, разрывают друг друга под действием гравитационных сил. Каждое пятнышко на рисунке представляет собой галактику, содержащую в себе миллиарды звезд. Скопление удалено от нас на расстояние 400 миллионов световых лет.

Рождение звезды – это образование объекта, излучение которого поддерживается за счет собственных источников энергии. Процесс звездообразования продолжается непрерывно, он происходит и в настоящее время.

Для объяснения структуры мегамира наиболее важным является гравитационное взаимодействие. В газопылевых туманностях под действием сил гравитации происходит формирование неустойчивых неоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течением времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной звезды, а звездных ассоциаций.

Рис.3.10. Туманность Киля (NGC 3372).

Туманность находится на расстоянии 7500 световых лет от Земли. В центре – пылевая туманность Замочная скважина. Правее и выше туманности Замочная скважина – переменная звезда η Киля, которая в 100 раз массивнее Солнца.

Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежные силы этого движения противодействуют силам притяжения, ведущим к дальнейшей концентрации.

К молодым относятся звезды, которые находятся еще в стадии первоначального гравитационного сжатия. Температура в центре таких звезд еще недостаточна для протекания ядерных реакций, свечение звезд происходит только за счет превращения гравитационной энергии в теплоту. Гравитационное сжатие – первый этап эволюции звезд. Оно приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры начала термоядерной реакции (10 – 15 млн. К) – превращения водорода в гелий.

Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерных процессов, происходящих внутри звезд.

Энергия, образующаяся внутри звезды, позволяет ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет. При этом водород превращается в более тяжелые элементы, прежде всего в гелий. Таким образом, источником энергии у большинства звезд являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне звезды. Водород – главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего. До тех пор, пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.

После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое около поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка – расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой. Звезда переходит в стадию красного гиганта (Рис. 3.11). С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Полагают, что наше Солнце при переходе в стадию красного гиганта может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Правда, Солнце станет красным гигантом через 8 млрд. лет.

Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра. На этом этапе при температуре 150 млн. градусов в ходе ядерных реакций осуществляется синтез химических элементов. В результате роста давления, пульсаций и других процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Когда внутренние термоядерные источники энергии полностью истощаются, дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.

При массе меньше 1,4 массы Солнца звезда переходит в стационарное состояние с очень большой плотностью (сотни тонн на 1 см³). Такие звезды называются белыми карликами (Рис. 3.12).

Рис. 3.11. Красный гигант Бетельгейзе и Солнце

Тепловые запасы звезды постепенно истощаются, звезда медленно охлаждается, что сопровождается выбросами оболочки звезд в межзвездное пространство. Звезда постепенно изменяет свой цвет от белого к желтому, затем к красному, наконец, она перестает излучать, становится маленьким безжизненным объектом, мертвой холодной звездой, размеры которой меньше размеров Земли, а масса сравнима с массой Солнца. Плотность такой звезды в миллиарды раз больше плотности воды. Такие звезды называются черными карликами. Так заканчивают свое существование большинство звезд.

При массе звезды более 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии становится невозможным, т.к. давление внутри звезды не может уравновесить силу тяготения. Начинается гравитационный коллапс- сжатие вещества к центру звезды под действием гравитационных сил.

Рис. 3.12. Сравнение белого карлика с Землей

Если отталкивание частиц и другие причины останавливает коллапс, то происходит мощный взрыв ─ вспышка сверхновой звезды с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство и образованием газовых туманностей (Рис. 3.13).

Астрономы зафиксировали вспышки сверхновых в 1054, 1572, 1604 годах. В 1885 году появление сверхновой было отмечено в туманности Андромеды. Ее блеск превышал блеск всей Галактики и оказался в 4 млрд. раз более интенсивным, чем блеск Солнца.

Рис. 3.13. Сверхновая 1987 А

Уже к 1980 г. было открыто более 500 вспышек сверхновых звезд, но ни одна не наблюдалась в нашей Галактике. Астрофизики подсчитали, что в нашей Галактике сверхновые звезды вспыхивают с периодом 10 млн. лет в непосредственной близости от Солнца.

Дозы космического излучения на Земле при этом могут превышать нормальный уровень в 7000 раз. Это приведет к серьезнейшим мутациям в живых организмах на нашей планете. Некоторые ученые так объясняют внезапную гибель динозавров.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела – нейтронной звезды или черной дыры. Плотность нейтронной звезды очень велика, выше плотности атомных ядер- 10¹⁵ г/см³. Температура такой звезды достигает 1 млрд К. Нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. Для звезд, у которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Поэтому нейтронные звезды называют пульсарами. Первые пульсары были открыты в 1967г. В настоящее время известны сотни нейтронных звезд.

Если конечная масса белого карлика превышает 2–3 массы Солнца, то гравитационное сжатие ведет к образованию черной дыры. Термин «черная дыра» введен Дж. Уилером в 1968г. Однако представление о подобных объектах возникло на несколько столетий раньше, после открытия И. Ньютоном в 1687 г. закона всемирного тяготения. В 1783 г. Дж. Митчелл предположил, что в природе должны существовать темные звезды, гравитационное поле которых столь сильно, что свет не может вырваться из них наружу. В 1798 г. такая же идея была высказана П. Лапласом. В 1916 г. физик Шварцшильд, решая уравнения Эйнштейна, пришел к выводу о возможности существования объектов с необычными свойствами, позже названные черными дырами. Черная дыра – область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни частицы, ни излучение. В соответствии с общей теорией относительности характерный размер черной дыры определяется гравитационным радиусом: R_g =2GM/c², где М – масса объекта, с – скорость света в вакууме, G – постоянная тяготения. Гравитационный радиус Земли равен 9 мм, Солнца 3 км. Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом событий черной дыры. У вращающихся черных дыр радиус горизонта событий меньше гравитационного радиуса. Особый интерес вызывает возможность захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности (Рис. 3.14).

Теория допускает существование черных дыр массой 3 –50 масс Солнца, образующихся на поздних стадиях эволюции массивных звезд с массой более 3 масс Солнца, сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик массой в миллионы и миллиарды масс Солнца, первичных (реликтовых) черных дыр, формировавшихся на ранних стадиях эволюции Вселенной. До наших дней должны были дожить реликтовые черные дыры массой более 10¹⁵ г (масса средней горы на Земле) из-за действия механизма квантового испарения черных дыр, предложенного С. Хоукингом. Астрономы обнаруживают черные дыры по мощному рентгеновскому излучению.

Рис. 3.14. Черная дыра

Примером такого типа звезд является мощный рентгеновский источник Лебедь Х-1. Часто черные дыры встречаются в рентгеновских двойных звездных системах. Уже обнаружены десятки черных дыр звездной массы. В случае тесной двойной звезды гравитационное воздействие черной дыры притягивает газ с поверхности обычной звезды, образуя диск вокруг нее (Рис. 3.15).

Рис. 3.15. Вращающаяся черная дыра

Температура газа в этом вращающемся диске может достигать 10 млн. градусов. При этой температуре газ излучает в рентгеновском диапазоне. По этому излучению можно определить наличие в данном месте черной дыры (Рис. 3.16).

Рис. 3.16. Рентгеновский джет от черной дыры

Особый интерес представляют сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик. На основании изучения рентгеновского изображения центра нашей Галактики, полученного с помощью спутника CHANDRA, установлено наличие сверхмассивной черной дыры, масса которой в 4 млн. раз превышает массу Солнца. В результате последних исследований американским астрономам удалось обнаружить уникальную сверхтяжелую черную дыру, расположенную в центре очень отдаленной галактики, масса которой в 10 млрд. раз превышает массу Солнца. Для того чтобы достичь таких невообразимо огромных размеров и плотности, черная дыра должна была формироваться на протяжении многих миллиардов лет, непрерывно притягивая и поглощая материю. Ученые оценивают ее возраст в 12,7 млрд. лет, т.е. она начала формироваться примерно через один миллиард лет после Большого взрыва. К настоящему времени обнаружено около 200 сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.

С эволюцией звезд тесно связан вопрос о происхождении химических элементов. Если водород и гелий являются элементами, которые остались от ранних стадий эволюции расширяющейся Вселенной, то более тяжелые химические элементы могли образоваться только в недрах звезд при термоядерных реакциях. Внутри звезд при термоядерных реакциях может образоваться до 30 химических элементов.

В конце эволюции в зависимости от массы звезда либо взрывается, либо сбрасывает более спокойно вещество, уже обогащенное тяжелыми химическими элементами. При этом образуются остальные элементы периодической системы. Из обогащенной тяжелыми элементами межзвездной среды образуются звезды следующих поколений. Например, Солнце – звезда второго поколения, образовавшаяся из вещества, уже однажды побывавшего в недрах звезд и обогащенного тяжелыми элементами. Поэтому о возрасте звезд можно судить по их химическому составу, определенному методом спектрального анализа.