Cтроение и эволюция звезд

Облик Вселенной

Вселенная имеет четко выраженную структуру.

Однако понятия классической механики, (масса, размер) для неё не имеют смысла: Вселенная ни с чем не взаимодействует. Вселенную описывают как термодинамическую систему, употребляя такие понятия как

– плотность,

– давление,

– температура,

– химический состав.

Именно они и определят облик Вселенной(табл.7.4.) как единого целого.

Таблица 7.4.

Облик Вселенной

Химический состав	Средняя температура	Плотность
H— 75 % He— 23 % O— 1 % C— 0,5 %	2,725К	10^−29 г/см^3 Из них: Темная энергия — 74 % Темная материя — 22 % Барионное вещество — 4 %

Облик формируется множеством процессов. Самый крупный из них —расширение Вселенной. Его природа— гравитационное взаимодействие всех существующих объектов. Именно от его хода зависит будущее Вселенной на самых больших масштабах.

По данным WMAP (космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва), наблюдаемая Вселенная является плоской. Исходя из этого, согласно модели Фридмана, средняя плотность Вселенной равна критической: ρ = ρ с. Однако барионная (обычная, доступная прямым наблюдениям) материя даёт в эту плотность довольно малый вклад: лишь (4,54±0,01) %, или 0,25 атома водорода на кубический метр. Два других компонента, дающих гораздо больший вклад в плотность, — тёмная материя (22,6 %) и тёмная энергия (73 %). Вклад релятивистских частиц, т.е. фотонов микроволнового фона, в настоящее время крайне мал: 0,0050 %.

Одно из важнейших свойств Вселенной — она расширяется, причём ускоренно. Чем дальше расположен объект от нашей галактики, тем быстрее он от нас удаляется.

Структура видимого вещества Вселенной:

a. Галактики

b. Группы (скопления)галактик

c. Сверхскопления галактик

d. Сверхскопления сосредоточены в основном внутри плоских слоёв Между слоями находится пространство, практически свободное от галактик. Размеры сверхскоплений достигают сотен миллионов световых лет. Сверхскопления настолько большие, что не являются гравитационно-связанными и, поэтому, принимают участие в расширении Хаббла.

В очень больших масштабах Вселенная имеет ячеистую структуру, напоминающую «ноздреватую» структуру хлеба. Однако на ещё бо́льших расстояниях (свыше 1 млрд световых лет) вещество во Вселенной распределено однородно.

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.

Эволюцию физико-химических характеристик звезд астрономы изучают на основе зависимости их светимости от цвета (зависит от температуры) (рис.8.1). Cоставлена астрономами Герцшпрунгом и Расселом в начале XX века. Звёзды в координатах светимость (или излучение энергии) – температура поверхности подчиняются некоторым закономерностям.

Светимость — полная энергия, излучаемая астрономическим объектом в единицу времени. Измеряется в абсолютных единицах (СИ— Вт;) либо в единицах светимости Солнца. Светимость не зависит от расстояния до объекта, от него зависит только видимая звёздная величина.

На диаграмме звезды группируются в последовательности:

o -главную (проходит через середину диаграммы),

o -сверхгигантов,

o -ярких и слабых гигантов,

o -субгигантов,

o -субкарликов и белых карликов

Большинство попадает на чётко выраженную полосу – главную последовательность. В том числе и Солнце. В них происходит ядерное горение водорода. Это самая долгая стадия в жизни звёзд – занимает около 90% времени, соответственно около 90% звёзд находятся на главной последовательности.

Последовательность эволюции звезд:

(1) газовое облако;

(2) протозвезда, облако вращается, сжимается, нагревается, но ещё не настолько, чтобы начались ядерные реакции;

(3) горение водорода с образованием гелия;

(4) горение гелия и более тяжёлых элементов;

(5) кладбище звёзд массой меньше 8 Солнечных.

Рисунок 8.1.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее 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. 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.

В этот период структура звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается — звезда становится красным гигантом, которые образуют ветвь на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. На этой ветви звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности.

Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод, углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).

Относительно краткая эволюция красных гигантов приводит, в зависимости от их массы, к образованию (рис.8.2):

1 - белых карликов,

2 - нейтронных звёзд,

3 - чёрных дыр.

В двух последних случаях завершение эволюции звёзд сопровождается катастрофическими событиями — вспышками сверхновых.

Красные гиганты и сверхгиганты —звёзды с довольно низкой эффективной температурой (3000 — 5000 К), однако с огромной светимостью.

1.Белый карлик – очень плотные горячие тела малых размеров

Подавляющее большинство звёзд, и Солнце в том числе, заканчивают так свою эволюцию. Размер звезды ↓ в сотню раз, а плотность становится в миллион раз > плотности воды. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится тёмной и невидимой.

2.Нейтронная звезда. Если масса звезды > критического предела, то гравитационное сжатие продолжается. Сорванные колоссальным давлением электроны «впечатываются» в протоны, образуя нейтроны. Постепенно вся звезда в основном будет состоять из нейтронов. Имеют гигантскую плотность при радиусе всего в несколько км., близкую к плотности атомного ядра

Рисунок 8.2

Эволюция звезд

3. Если же масса звезды настолько велика, что даже образование нейтронной звезды не сдержит гравитационного коллапса, то конечный этап ее эволюции – космический провал черной дыры.

Сверхно́вые звёзды — звёзды, заканчивающие свою эволюцию в катастрофическом взрывном процессе. Термином «сверхновые» были названы звёзды, которые вспыхивали гораздо (на порядки) сильнее так называемых «новых звёзд». На самом деле, ни те, ни другие физически новыми не являются, всегда вспыхивают уже существующие звёзды.

Дата добавления: 2014-01-06