Строение и эволюция небесных тел

Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основыва­ется на небулярной модели образования сол­нечной системы, выдвинутой еще французским физиком и математи­ком Пьером Лапласом (1749 – 1827) и развитой немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем посте­пенного сжатия первоначальной туманности. Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселен­ной существенным образом повлияло и на модели образования не­бесных тел и привело советского физика и астрофизика Виктора Амбарцумяна (р. 1908) к гипотезе о возникнове­нии галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного дозвездного вещества (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц – гиперонов), находящегося в ядрах галактик. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды, и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, кос­мическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огром­ной проницающей способности – нейтрино.

В ночном небе невооруженным глазом можно увидеть около 3000 – 6000 звезд, в настоящее время наблюдению ученых доступно около 2 млрд. звезд, всего же во Вселенной насчитывается 10²² звезд. В космическом пространстве звезды распределены не равномерно. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т.д.), звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов), галактики – грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150-200 млрд. звезд)*. Звезды различают по размеру, массе, строению, химическому составу, температуре, светимости и др. Самые большие звезды превосходят размер Солнца в сотни раз, звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше. В звездах сосредоточено 98-99% видимого вещества Метагалактики. Вещество звезд представляет собой плазму – ионизированный газ, в котором положительные ионы и отрицательные электроны в среднем нейтрализуют друг друга.

Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым химическим элементом, из которого в недрах звезд образуются в процессе термоядерных реакций более сложные атомы. Причем, чем больше масса звезды, тем более сложные (более тяжелые) атомы синтезируются в ее недрах. Например, три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и т.д. вплоть до образования атомов железа. Более тяжелые элементы требуют участия в реакциях заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрыве звезды – вспышка Сверхновой. Наше Солнце как обычная звезда «производит» только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды «производят» углерод и атомы других элементов.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и исходного химического состава. В эволюции звезд выделяют несколько этапов. Под действием сил притяжения и магнитного поля происходит сгущение газо-пылевой материи, которая, достигнув критической массы, начинает сжиматься (гравитационная конденсация). Частицы пыли и молекулы газа поступают к центру образовавшегося «облака». При этом энергия гравитации, превращается в кинетическую, а та – в тепловую. «Облако» нагревается, начинает светиться, в результате чего рождается протозвезда.

На начальной стадии эволюции звезда состоит в основном из водорода, который при температуре 10 – 30 млн. ºС в результате термоядерных реакций превращается в гелий. На этом этапе притяжение уравновешивается внутренним давлением. В таком состоянии звезда – желтый карлик – может находиться миллиарды лет без заметных изменений. На стадии желтого карлика в настоящее время находится Солнце.

По мере наполнения ядра звезды гелием она начинает сжиматься. Это приводит к повышению температуры и распространению ядерных процессов на вышележащие слои. Температура достигает 100-150 и выше млн. ºС. В ядре начинается процесс превращения гелия в углерод, затем – азот, неон, магний и т.д. Под действием температуры давление внутри звезды увеличивается, что приводит к увеличению ее размеров. При этом возрастает светимость. Звезда превращается в красного гиганта. Для красных гигантов характерно пульсирующее изменение объема, при котором происходит выброс вещества в межзвездное пространство. Полагают, что на этой стадии наше Солнце увеличится на столько, что заполнит орбиту Меркурия (это произойдет примерно через 8 млрд. лет).

Когда ядерные реакции начинаются в наружных слоях звезды, она взрывается как новая, а затем как сверхновая звезда. На этой стадии межзвездное пространство обогащается нейтрино, гелием и другими химическими элементами. В непосредственной близости от Солнца в нашей Галактике сверхновые звезды вспыхивают с периодом 10 млн. лет. Дозы космического излучения при этом могут превышать нормальные для Земли в 7 тыс. раз, что приводит к серьезным мутациям живых организмов на нашей планете.

По мере исчерпания водорода, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса оста­ется прежней), наступает ее коллапс. Дальнейшая «судьба» звезды зависит от ее массы. При массе менее 1,4 массы Солнца звезда превращается в белого карлика, имеющего относительно высокую температуру поверхности (7 – 30 тыс. К) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца. Материя белого карлика сжимается до такого сверхплотного состояния, что атомы «раздавливаются» на протоны и электроны. Когда энергия звезды иссекает она тускнеет, перестает излучать и начинает непрерывное путешествие в космическом пространстве в виде маленького (меньше размеров Земли) темного холодного объекта – черного карлика, плотность которого в миллиарды раз выше плотности воды.

При взрыве сверхновых звезд массой до 2 солнечных часть материи может остаться в виде сверхплотного тела, в котором электроны вдавливаются в протоны, и основная масса вещества представляет собой сгусток нейтронов. Так рождаются нейтронные звезды (пульсары) – самые маленькие и самые плотные из известных звезд (10¹⁵ г/см³), излучающие мало света. Масса нейтронных звезд, близка к массе Солнца, но радиус составляет всего 1/50000 от солнечного (10 – 20 км). Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Нейтронные звезды интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. На конечном этапе существования нейтронная звезда, исчерпав ресурсы, тускнеет, а на ее месте оста­ется газовая туманность.

Если звезда имела сверхкрупные размеры (свыше 2 солнечных), то в конце ее эволю­ции она превращается в черную дыру*. Размеры этих объектов различны от массы галактики (10⁴⁴ г) до песчинки массой 10^{-5 г (звезды массой 10 масс Солнца коллапсируют в черную дыру радиусом всего 30 км). В черной дыре в результате сжатия вещества растет концентрация ее массы, при этом сила тяготения на поверхности становится очень велика. Черные дыры ничего не выпускают наружу и не отражают, поэтому их крайне сложно обнаружить современными средствами наблюдения за космическими объектами. Об их присутствии и свойствах судят по рентгеновскому излучению газа, попадающего в поле тяготения черной дыры**}. Черные дыры являются уникальными объектами Вселенной. Они обладают бесконечной плотностью материи, где время кончается. Черная дыра сильно искривляет пространство, благодаря чему, вероятно, может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь другой вселенной. Таким образом, космические путешественники будущего, используя черные дыры, смогут путешествовать в пространстве и времени. При поглощении черной дырой окружающего вещества его энергия превращается в другие виды энергии. Со временем черные дыры испаряются. Это происходит за счет испускания частиц из пространства, находящегося перед горизонтом черной дыры. Черная дыра массой в десять масс Солнца испарится за 10⁶⁹ лет.

Дата добавления: 2014-01-07