Эволюция звезд. Нейтронные звезды. Черные дыры

Эволюция звезд. Нейтронные звезды. Черные дыры

Черная дыра

Стадия протозвезды и главной последовательности. Как показывают исследования, в межзвездной среде есть протяженные газово-пылевые комплексы с массами в тысячи и десятки тысяч масс Солнца, размерами 10-100 пк (300-3 000 св.p.) и температурой несколько десятков кельвинов. Такие комплексы гравитационно неустойчивы и со временем дробятся на отдельные фрагменты. Именно из таких фрагментов вследствие гравитационного сжатия образуются протозвезды.
В начале процесса формирования протозвезды пылевые частицы и газовые молекулы падают к центру облака, потенциальная энергия гравитации переходит в кинетическую, а кинетическая, вследствие столкновений частиц, - в тепловую. Таким образом, значительная часть гравитационной энергии сжатия тратится на нагрев вещества. Газ и пылинки быстро трансформируют эту энергию в инфракрасное излучение, которое свободно покидает газово-пылевой комплекс. Поэтому протозвезды являются мощными источниками инфракрасного излучения.

 

В процессе формирования ядра со значительно большей плотностью, чем в окружающем облаке, протозвезда становится непрозрачной для собственного инфракрасного вы излучения, и температура ее недр начинает стремительно расти. Энергия от центральных к внешним зон переносится путем конвекции. На диаграмме спектр-светимость протозвезды располагаются справа от главной последовательности.
Когда температура ядра достигает нескольких миллионов кельвинов, включаются первые термоядерные реакции «выгорания» лития, бериллия, бора. Но газового давления, которое существует при таких температурах, недостаточно для прекращения сжатия.
И только через несколько сотен тысяч лет для будущих массивных звезд и через сотни миллионов лет для будущих карликовых звезд, когда температура в центре в процессе дальнейшего сжатия достигает приблизительно 10 млн К, начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий с выделением огромного количества энергии. Отныне сила газового давления, поддерживаемого высокой температурой, уравновешивает силы гравитации, и сжатие прекращается. Протозоря достигает состояния гравитационного равновесия и превращается в молодую звезду, которая по своей массе и светимости занимает определенное место на главной последовательности диаграммы спектр-светимость.
Что большая масса новорожденного звезды, тем выше температура в ее недрах (а следовательно, и на поверхности), большая ее светимость и тем выше она располагается на главной последовательности. Заря находится на ней, пока весь водород в центральных ее частях не превратится в гелий и не образуется гелиевое ядро. Для Солнца этот процесс длится 10 млрд лет, а для звезды массой M Например, для голубого гиганта с массой в 17 раз больше солнечной и температурой на поверхности 28 ООО К время пребывания на главной последовательности равен 8 млн лет, а для красного карлика с массой 0,5 солнечной и температурой поверхности С ООО К - 80 млрд лет.
Таким образом, на главной последовательности звезда проводит основную часть своего «жизнь», срок которого определяется ее начальной массой. Массивная голубая звезда с большими запасами водородного топлива живет гораздо меньше времени, чем маленький красный карлик с его мизерными запасами. Ведь интенсивность термоядерных реакций в недрах массивной звезды намного выше, чем у холодного красного карлика.
2. Уход звезды от главной последовательности. Как уже известно, после выгорания водорода в центре звезды вокруг гелиевого ядра образуется тонкий сферический энергоотделяющий слой. Он разделяет звезду на две зоны - выгоревшие ядро ??и внешнюю оболочку. Физические процессы в двух зонах заре разворачиваются по-разному.
По мере исчерпания водорода эта прослойка все дальше отодвигается от центральной зоны, увеличивая размеры и массу ядра.
Красные гиганты. В очень толстой оболочке звезды энергия путем конвекции переносится в поверхностных слоев. Мощные конвективные течения выносят в атмосферу продукты сгорания (в частности углерод и другие), которые, переходя в молекулярный состояние, интенсивно поглощают излучение из глубин, из-за чего атмосфера становится непрозрачной. Под действием большого давления излучения изнутри оболочка начинает разбухать, достигая сотен и даже тысяч радиусов Солнца толщиной. Для звезды с массой Солнца такой процесс начинается, когда масса гелиевого ядра достигает О, 4М0.
Через гигантские размеры поверхности температура звезды постепенно снижается, и она, передвигаясь вправо поперек главной последовательности, постепенно смещается в правый верхний угол диаграммы спектр-светимость. При этом звезды-гиганты класса В4-0 с массой более 10М превращаются в сверхгигантов, звезды классов А5-В5 с массой 2,5-ИОМ становятся гигантами, а звезды более поздних спектральных классов и меньшей массы (например, Солнце) становятся субгиганты.
И наконец слой энерговыделения отодвигается так далеко от ядра, что за низкой температуры водородные реакции значительно уменьшают свою интенсивность. Теперь температура и давление в ядре не могут поддерживаться на уровне, необходимом для противодействия силе гравитации, оно начинает сжиматься, а температура в нем за счет энергии гравитационного сжатия возрастает. В центре образуется очень плотная горячая область из гелия с небольшими примесями тяжелых элементов. Дальнейшее развитие событий зависит от начальной массы звезды. Маломассивные звезды (с массой <1,4 М), как наше Солнце и меньше него, образуют углеродно-кислородное ядро, которое находится внутри красного гиганта. Протяженная оболочка гиганта гравитационно очень слабо связана с ядром. Под действием давления излучения изнутри она или постепенно стекает в пространство, или через 10-20 тыс. лет отделяется от ядра в виде планетарной туманности, расширяясь со скоростью до 20 км / с. Горячее гелийове ядро, оставшееся становится белым карликом - компактным объектом с размерами, которые в зависимости от массы могут быть даже меньше размеров Земли в десятки раз. Его вещество находится в особом состоянии, которое именуется вырожденного газа и обладает целым рядом интересных свойств, одним из которых является независимость давления от температуры. Давление останется высоким, даже если температура вещества упадет до абсолютного нуля. Белый карлик находится в состоянии гравитационного равновесия, поскольку давление вырожденного газа уравновешивает силы гравитации. Плотность вещества белых карликов может составлять от 1 кг/см3 до 100 т/см3. На диаграмме спектр-светимость белых карликов занимают левый нижний угол, где размещены звезды очень малой светимости и с высокой температурой на поверхности.
Таким образом, диаграмма спектр-светимость приобретает глубокий физического смысла, ибо, демонстрируя зависимость звездных характеристик (температура на поверхности и в ядре, светимость, время жизни) от начальной массы звезды, дает возможность проследить весь его жизненный путь от «рождения» до «смерти ».
По-другому проходит заключительный этап эволюции массивных звезд. В зависимости от конечной массы ядра, которое образуется после исчерпания всех возможных видов термоядерного топлива, они могут закончить свой жизненный путь или в виде нейтронной звезды, или вспышкой сверхновой звезды, или в виде черной дыры.
Рассмотрим кратко каждый из вариантов.
Нейтронные звезды. Как показали теоретические расчеты, ядро ??с массой, большей чем 1,4 М, но меньше чем 2М, не может остановиться на стадии белого карлика. Как только у звезды образовалось ядро, достигло таких пределов, давление газа не может обеспечить противодействие силам гравитации и, миновав стадию белого карлика, ядро ??продолжает стремительно сжиматься практически со скоростью свободного падения. Такой процесс называется гравитационным коллапсом.
Расчеты показывают, что для звезды, вдвое более массивной, чем Солнце, через некоторое время гравитационный коллапс несколько замедляется и начинается образование горячей нейтронной звезды - имеющиеся электроны объединяются с протонами, образуя нейтроны. При достижении температуры Т = 1012 К и плотности 1 млрд т/см3 гравитационный коллапс вообще прекращается, ибо силы гравитации уравновешиваются силой давления нейтронного газа, и вся огромная масса звезды сосредоточена в небольшом объеме диаметром около 10 километров. С охлаждением и превращением в холодную нейтронную звезду на ее поверхности образуется чрезвычайно твердая и прочная кора примерно километровой толщины. Она имеет кристаллическую структуру, составленную в основном из ядер железа, и в миллион миллиардов раз прочнее стали. Под корой нейтроны образуют жидкость, которая без всякого сопротивления может течь вечно. Заметим, что в процессе катастрофического сжатия звездного ядра вместе с увеличением плотности и уменьшением радиуса, согласно закону сохранения момента количества движения, увеличивается скорость его вращения. При коллапсе от размеров в тысячу километров до десяти километров период вращения уменьшается до сотых и даже тысячных долей секунды, а также очень сильно уплотняется магнитное поле. На поверхности нейтронной звезды, где еще есть свободные электроны, мощное магнитное поле разгоняет их до скоростей, близких к скорости света, и выбрасывает в окружающее пространство. При этом электроны излучают в направлении своего движения, образуя два узких пучка электромагнитных волн различных диапазонов.
Планеты-гиганты, как правило, магнитные полюса не совпадают с полюсами вращения, и пучки вращаются вокруг оси с периодом равным периоду вращения звезды. Если конусы излучения, описывая круги в пространстве, пробегают по земной поверхности, мы наблюдаем их как пульсирующее радио-, оптическое, рентгеновское или гамма-излучения. Так объясняется явление пульсаров. Итак, название «пульсары» не совсем точное, ведь эти объекты не пульсируют, а вращаются.
Вспышки сверхновых. Не все массивные звезды с приведенными ранее массами ядер превращаются в нейтронные звезды. По расчетам, при критической массе ядра, близкой к значению 1,44 М0, в момент прекращения гравитационного коллапса может образоваться очень сжатый ядро ??и сравнительно мало сжатая оболочка. Если прекращение гравитационного коллапса произошло достаточно резко (например, из-за резкого увеличения центробежной силы, способной уравновесить силу гравитации), внешние слои, продолжая падать к центру, наталкиваются на плотное ядро, резко тормозятся, и вся кинетическая энергия падения превращается в тепло. Температура на поверхности ядра резко возрастает до значений 7-8 млрд К, возникает сверхмощная ударная волна, которая «отскакивает» от поверхности ядра и движется теперь в обратном направлении - от центральных зон к периферии. Такая волна разогревает вещество оболочки до значений, при которых в ней начинаются термоядерные реакции с образованием всех элементов таблицы Менделеева. Цепная реакция может охватить и все ядро. При этом практически мгновенно выделяется огромное количество энергии, то есть происходит колоссальной мощности взрыва, в ходе которого сдирается большая часть внешних слоев звезды, вещество с огромной скоростью (до 10-20 тыс. км / с) выбрасывается в пространство, а из остатков формируется нейтронная звезда .
За увеличения излучающей поверхности блеск звезды увеличивается в сотни миллионов и даже миллиарды раз, вследствие чего мы наблюдаем ее как вспышка сверхновой. После расширения и охлаждения выброшенного вещества видимый блеск сверхновой спадает. А потом еще сотни, а то и тысячи лет на месте взрыва наблюдается волокнистая туманность. Именно такое мы наблюдаем в уже упоминавшейся Крабовидной туманности - волокна, которые стремительно продолжают разлетаться во все стороны от крошечной нейтронной звезды-пульсара размером около 10 км.
Однако самым удивительным оказывается конечный путь массивных звезд с массами ядер, вдвое больше массы Солнца. Вблизи черных дыр наблюдаются необычные физические процессы. Огромная сила тяжести изменяет геометрию пространства и времени. Пространство как прогибается, как прогибается упругая пленка под тяжелой пулей, и прямые линии перестают быть прямыми. Это проявляется в искривлении световых лучей, проходящих мимо черную дыру. Мы привыкли считать луч света эталоном прямой, и вот этот эталон, подчиняясь огромном притяжению, изгибается вокруг черной дыры, а следовательно, прямой линией здесь будет та, которая точно следует за ходом луча. Понятно, что геометрия такого пространства будет отличаться от евклидовой. Например, за искривления пространства луч света, обойдя черную дыру, может вернуться назад, и наблюдатель без всякого зеркала увидит предметы за своей спиной. Ближе к черной дыре лучи закручиваются вдоль спирали, и свет будто засасывается в гравитационное пропасть, из которого нет выхода.
Кроме изменения траекторий движения тел и световых лучей, меняется сам ритм световых колебаний и других процессов. Представим себе фантастический звездолет, который, летучие до черной дыры, ежесекундно посылает на Землю сигнал. С приближением к цели мы заметим, что сигналы начинают приходить со все большим опозданием, будто передатчик работает все медленнее. И вот уже между сигналами вместо секундного интервала проходят недели, месяцы, годы, тысячи и миллионы лет. Оказывается, само время замедляет свое течение около черной дыры, а на ее границе он останавливается вообще, впрочем, как и свет. Это означает, что мы никогда не воспримем от зорельоте последнего сигнала, он пошлет прежде чем попадет в черную дыру, как никогда не увидим самого этого события.
Как увидеть то, чего видеть нельзя, что ничего не излучает, а только поглощает? Обнаружить такой объект можно с побочными признаками. Если он является компонентом двойной системы, то по отклонению видимого компонента от прямолинейного движения, а при наличии его спектра - за колебаниями спектральных линий относительно среднего положения можно определить массу черной дыры и период обращения. А если вещество видимой звезды еще и перетекает в черную дыру, образуя акреционный диск, и газ перед падением генерирует мощное рентгеновское излучение, то можно зарегистрировать и его. Такие рентгеновские источники излучения уже зарегистрированы на космических обсерваториях - например, источник Лебедь XI.
Но вернемся к нашему гипотетическому звездолета. Его никак не касается тот факт, что для наблюдателя его падение в черную дыру никогда не произойдет. Сам он, подчиняясь колоссальной силе тяжести, неизбежно и с нарастающей скоростью пересечет горизонт событий. По его часами пройдет не вечность, а коротенькое мгновение. И если для внешнего наблюдателя события вблизи черной дыры замирают, то для того, кто падает, наоборот, все происходящее в окружающем мире, стремительно ускоряет свой ход. И прежде чем попасть в черную дыру, он увидит весь дальнейший ход событий во Вселенной.
3. «Звездный пепел для нас» (Образование химических элементов). Внимательно изучив химический состав живого вещества, обратим внимание на то, что, кроме четырех основных химических элементов - водорода, углерода, кислорода и азота, составляющие 95% состава живого вещества и роднят ее с звездными мирами, есть еще кальций, фосфор, хлор, сера, натрий, йод, железо, а также микроэлементы: марганец, молибден, кремний, фтор, цинк и медь, то есть элементы, значительно менее распространены во Вселенной, чем первые четыре.
Но без них было бы невозможным существование тех форм жизни, которые мы видим на Земле, как и самой планеты Земля. Как образовались эти и тяжелые химические реакции и элементы?
Мы уже знаем, что на первых стадиях эволюции в звездах в основном идет процесс превращения водорода в гелий по схеме 4ьН -> 4Не. После того как водород в недрах звезды выгорает, и она покидает главную последовательность, сформировав гелиевое ядро ??с температурой -150 млн К, следующей стадией в образовании элементов является так называемый тройной а-процесс, Таким образом, только за взрывов сверхновых межзвездная среда обогащается скрытыми ранее в недрах звезд тяжелыми элементами. Проникая в облака газа и пыли, они входят затем в состав зрение второго поколения, которые образуются из вторичного вещества Вселенной, а вместе с тем и в состав планет. Видимо, именно такая вспышка сверхновой произошел когда в окрестностях того газово-пылевого комплекса, из которого впоследствии образовались Солнце - звезда второго поколения - и Солнечная система. Значение взрывов сверхновых для развития жизни трудно переоценить. Итак, то, что мы созданы из пепла давно угасших звезд - не просто красивая фраза. Она очень точно отражает происходящие во Вселенной.