Атмосфера Сонця. 2 страница

Існування нейтронних зір передбачив ще в 1932 р. радянський фізик Л. Ландау (1908–1968), а 1934 року – В. Бааде і Ф. Цвиккі припустили, що ці зорі є залишками вибухів наднових. Після того, як виявили зв'язок пульсарів із залишками спалахів наднових зір, була висунута гіпотеза, що пульсари і нейтронні зорі – це одні й ті самі об'єкти.

Яким чином пульсари випромінюють електромагнітні хвилі? За законом збереження моменту кількості руху, із зменшенням радіуса зорі зростає швидкість її обертання. Тому період обертання нейтронної зорі зменшується до сотих секунди (характерний період змінності пульсарів). Якщо магнітна вісь зорі не збігається з віссю обертання, то пучки випромінювання будуть обертатися з періодом, рівним періоду обертання зорі. Отже, «пульсари» — не зовсім точна назва: вони не пульсують, а обертаються.

З охолодженням і перетворення на холодну нейтронну зорю на її поверхні утворюється надзвичайно тверда і міцна кора завтовшки близько 1 км. Вона має кристалічну структуру, складену переважно з ядер заліза, і в мільйон мільярдів разів міцніша за сталь.

Чорні діри

Якщо маса зорі буде настільки велика, що навіть утворення нейтронної зорі не зупинить гравітаційного колапсу, зоря стискається настільки, що навіть електромагнітні хвилі не здатні покинути таке тіло і воно стає невидимим для спостерігача, перетворившись на чорну діру. Сила тяжіння на поверхні чорної діри така велика, що навіть швидкості світла недостатньо, щоб його подолати.

Радіус, до якого повинна стиснутись зоря для того, щоб перетворитися на чорну діру, називається гравітаційним радіусом.

Для визначення гравітаційного радіуса прирівняємо кінетичну енергію тіла Е_к з масою m, кинутого вгору з початковою швидкістю υ, до його потенціальної енергії

Для Сонця гравітаційний радіус дорівнює 2,95км, для Землі – 0,886см.

Сфера, яка описується гравітаційним радіусом називається сферою Шварцшильда.

Поблизу чорних дір спостерігаються незвичайні фізичні процеси. Величезна сила тяжіння змінює геометрію простору і часу. Простір викривлюється і прямі лінії перестають бути прямими (неевклідова геометрія). Це виявляється у викривленні світлових променів, які проходять повз чорну діру. Промені закручуються вздовж спіралі, й світло наче засмоктується у гравітаційне провалля, з якого немає виходу. Окрім зміни траєкторії руху тіл та світлових променів, змінюється ритм часу. Час уповільнює свою течію біля чорної діри, а на її межі він зупиняється взагалі.

Як побачити об'єкт, який нічого не випромінює, а тільки поглинає? Вчені називають кілька способів виявлення чорних дір. По перше, чорна діра своїм гравітаційним полем суттєво змінює траєкторії близьких зір. Зафіксовані незрозумілі на перший погляд відхилення в русі видимих об'єктів астрономи пояснюють існування «невидимої» чорної діри. По–друге, чорні діри, наче пилососи, вбирають речовину. Речовина видимої зорі може перетікати на чорну діру, утворюючи так званий акреційний диск. Під дією сильної гравітації газ починає обертатись навколо чорної діри і поступово провалюється в неї. Газ перед падінням генерує потужне рентгенівське випромінювання, яке можна зареєструвати в космічних обсерваторіях. Таким джерелом рентгенівського випромінювання є об'єкт в сузір'ї Лебедя (ЛебідьХ–1). Це, імовірно, чорна діра розміром близько 30км і масою 10 М₀.

3. Еволюція зір.

Схема «Етапи еволюції зір»

Розділ астрономії, що вивчає походження об'єктів космосу, називається космогонією. Ще І. Ньютон довів, що рівномірний розподіл речовини у просторі є нестійким і під дією власної гравітації відбувається ущільнення газу. Утворені з газопилового середовища Галактики згустки, які стискаються своїм гравітаційним полем, називаються протозорями. При зменшенні об'єму температура протозорі зростає і вона інтенсивно випромінює в інфрачервоному діапазоні спектра. Тривалість цієї стадії залежить від маси — від сотень тисяч років (для масивних протозір) до сотень мільйонів років (для протозір, легших за Сонце). Коли температура в надрах протозорі сягає кількох мільйонів кельвінів, розпочинаються термоядерні реакції синтезу гелію, виділяється величезна енергія, значно зростає тиск в надрах. Відтепер сила газового тиску, що підтримується високою температурою, зрівноважує сили гравітації, і стискання припиняється. Протозоря сягає стану гравітаційної рівноваги і перетворюється на молоду зорю, яка відповідно до своєї маси і світності займає певне місце на головній послідовності діаграми «спектр — світність». Масивніші зорі випромінюють сильніше і належать до ранніх спектральних класів, а зорі малої маси, відповідно, розташовуються нижче від Сонця і належать до пізніх спектральних класів. Тривалість перебування зорі на головній послідовності залежить від запасів водню (термоядерного палива) у ядрі та інтенсивності його використання. Для зір типу Сонця цей процес триває близько 10 млрд років, а для зорі масою М (у масах Сонця)

t= Що легше зоря, то триваліший час вона перебуває на головній послідовності. Наприклад, блакитний гігант (М =20M₀) використовує свій запас енергії за 1,25млн років, а червоний карлик (М = 0,5М_о) – за 80млрд років.

Після вигорання водню в надрах зорі утворюється гелієве ядро, а термоядерні реакції відбуваються в тонкому шарі на його межі. При цьому оболонка зорі розширюється. Енергія, яка надходить з надр, тепер розподіляється на більшу площу, і тому температура фотосфери падає. Зоря сходить з головної послідовності, поступово перетворюючись на гігант або надгігант.

Якщо маса зорі незначна (М < 1,4М₀), то її ядро не спроможне утримати роздуту оболонку і та поступово віддаляється, утворюючи планетарну туманність. Після остаточного розсіювання оболонки залишається лише гаряче ядро зорі – білий карлик. Ядерних джерел енергії в зорі немає, і вона ще дуже довго світить, повільно охолоджуючись. Такий шлях розвитку буде в Сонця: через 6–7млрд років: пройшовши стадію червоного гіганта, воно стане білим карликом.

Еволюція масивних зір (масою М > 1, 4M₀) проходить бурхливіше. Наприкінці свого існування така зоря може вибухнути надновою, а її ядро, різко стиснувшись, стане нейтронною зорею (1,4М₀ < М < 2М₀) або чорною дірою (М > 2М₀) (див, схему).

Скинута під час вибуху наднової оболонка стає матеріалом для утворення зір наступного покоління. Під час розвитку зорі внаслідок ядерних реакцій у її надрах можуть утворюватись усі хімічні елементи таблиці Менделєєва, зокрема, й залізо. Більш важкі елементи синтезуються тільки під час вибуху наднових. Проникаючи у хмари газу і пилу, вони входять потім до складу зір другого покоління, які утворюються із вторинної речовини Всесвіту, а водночас – до складу планет. Є всі підстави вважати, що Сонце – зоря другого покоління, створена з попелу давно згаслих зір.

Запитання для самоконтролю

1. Що таке фізично змінні зорі?

2. Як визначають відстань до змінних зір?

3. Що таке нова зоря та наднова зоря?

4. Що таке пульсар?

5. Поясніть природу нейтронної зорі.

6. Поясніть природу чорної діри.

ЛЕКЦІЯ №12

Тема.

Наша галактика. Молочний шлях. Будова Галактики. Зоряні скупчення та асоціації. Туманності

План лекції.

1. Молочний Шлях.

2. Зоряні скупчення та асоціації

3. Міжзоряний простір. Туманності.

4. Будова Галактики, її спіральна структура.

5. Місце Сонця в нашій Галактиці.

Література. Л5 (ст.148–158)

1. Молочний Шлях.

Молочний Шлях – сріблясто-біла широка смуга, яка перетинає небесну сферу. Проходить в північній півкулі зоряного неба через сузір'я Близнюків, Тельця, Кассіопеї, Цефея, Лебедя, а далі роздвоюється і двома смугами проходить через сузір'я Орла, і далі в південній півкулі неба – через сузір'я Щита, Стрільця, Змієносця і Скорпіона. Описавши дугу на відстані 25° від південного полюса світу, в Україні він з'являється над горизонтом у сузір'ях Великого Пса і Єдинорога, переходячи в північну півкулю неба через сузір'я Оріона.

Наша зоряна система – Галактика – налічує сотні мільйонів зір різної світності та кольору. Більшість зірок зосереджена у Молочному Шляху. Молочний Шлях (в Україні його називають Чумацьким Шляхом) утворюють найближчі до нас зорі Галактики. Назва його походить від гр. galakticos – «молочний». Наше Сонце разом із планетною системою також входить до складу Галактики.

Уявна площина, що проходить через середину Молочного Шляху, називається галактичною площиною. З віддаленням від галактичної площини кількість зір на небесній сфері зменшується. Та й у самому Молочному Шляху світила розподілені нерівномірно. У сузір'ї Стрільця знаходиться надзвичайно збагачена зорями область Галактики – її центральна частіша, а в сузір'ях Візничого та Персея яскравість Молочного Шляху незначна – це периферія Галактики. Галактика дуже стиснута, має вигляд диска або двовипуклої лінзи. Сонце розташовано в середині Галактики, далеко від її центра, але і не на межі.

2. Зоряні скупчення та асоціації.

Зорі на небесній сфері розташовані нерівномірно, деякі з них утворюють тісні групи. В. Гершель назвав їх зоряними скупченнями.

Зоряні скупчення – це групи зір, пов'язаних загальним походженням, розташуванням у просторі і рухом, об'єднані силою всесвітнього тяжіння. Цим скупчення відрізняються від сузір'їв, які є результатом випадкового збігу положення зір на небі. Розрізняють два види зоряних скупчень: розсіяні та кулясті.

Розсіяні зоряні скупчення складаються з кількох десятків, сотень, іноді тисяч зір і мають неправильну форму. їхні діаметри становлять 10–20 св. р. Майже всі розсіяні зоряні скупчення знаходяться в районі Молочного Шляху або поблизу нього. їх виявлено близько 1200. Найбільш відомі серед них – Плеяди і Гіади у сузір'ї Тельця. До скупчення Гіади всього 40пк.

Розсіяні зоряні скупчення складаються переважно із зір головної послідовності, там практично немає червоних гігантів та надгігантів. Це свідчить про те, що вік цих утворень не більш ніж 1млрд років, тобто вони доволі «молоді». Маса розсіяних скупчень невелика, їх гравітаційне поле не може довго протидіяти руйнуванню скупчень. Проіснувавши кілька сот мільйонів років, вони «розчиняються» в океані Галактики. Спостереження вказують, що розсіяні зоряні скупчення розрізняються за хімічним складом: чим ближче до центра Галактики, тим більше в них важких елементів.

Кулясті зоряні скупчення мають сферичну або злегка сплюснуту форму та величезні розміри (до 300св. р.), складаються з сотень тисяч і навіть мільйонів зір, які групуються до центра.

На відміну від розсіяних, кулясті зоряні скупчення сконцентровані біля центра Галактики, який знаходиться у сузір'ї Стрільця, розташовані сферично–симетрично відносно нього. Нині відомо близько 150 кулястих зоряних скупчень, і відстані до них надзвичайно великі – тисячі парсек.

Кулясті скупчення – найстаріші об'єкти нашої Галактики, вони утворені одночасно з нею. Про поважний вік цих утворень свідчать, значна кількість червоних гігантів та величезна кількість маломасивних зір на пізніх етапах еволюції. Вік кулястих зоряних скупчень становить близько 12млрд років.

У кулястих зоряних скупченнях спостерігаються спалахи нових зір, зареєстровані джерела рентгенівського та радіовипромінювання – пульсари, виявлено дуже багато змінних зір – цефеїд. Саме за періодом зміни світності цефеїд вдалося визначити віддаленість кулястих зоряних скупчень від Сонця.

Народившись разом з Галактикою, кулясті зоряні скупчення практично зберегли хімічний склад тієї гігантської догалактичної хмари. Характерна особливість їх складу – низький вміст важких хімічних елементів, які утворюються лише на кінцевих стадіях еволюції зір.

Зоряні асоціації У 50–х роках XX ст. було відкрито новий вид зоряних утворень – зоряні асоціації. Вони більш розріджені, ніж скупчення, і більші за розміром (200 – 300 св. р.). Це наймолодші зоряні утворення, що складаються з дуже молодих зір. Асоціації об'єднують кілька одиниць або кілька десятків гарячих блакитних зір високої світності. Молоді біло–блакитні зорі (класів О і В) групуються в ОВ–асоціації, а молоді зорі типу Т–Тельця –– у Т–асоціації.

3. Міжзоряний простір і туманності.

Згідно з астрофізичними даними, 98 % маси усієї Галактики сконцентровано у зорях. Решта – 2 % речовини припадає на газ і пил. Вони надзвичайно розріджені (1 частинка на 10 см³) і розподілені нерівномірно в Галактиці. На світлому фоні Молочного Шляху можна побачити темні частині з незначною кількістю світил. А від сузір'я Лебедя в напрямі на сузір'я Скорпіона Молочний Шлях складається з двох гілок, розділених так званим Великим Провалом. Ця темна смуга – велетенське скупчення пилу, сконцентрованого поблизу галактичної площини. Газопилові хмари екранують світло зір, розташованих у них та за ними. Іноді з пилу і газу формуються туманності.

Міжзоряний простір заповнений газом і пилом. Основним компонентом є газ, що складається з атомів та молекул. Пил становить близько 1 % маси міжзоряного простору. Розрізняюсь хмари атомарного нейтрального водню та хмари молекулярного водню. Хмари атомарного нейтрального водню мають температуру близько 70 К (–200°С) і невелику густину (кілька десятків атомів в 1 см³ простору). Більш холодні і густі хмари молекулярного водню зовсім непрозорі для видимого світла. Саме в них і зосереджена більша частина холодного міжзоряного газу та пилу.

Величезні згущення пилу та газу, які мають неправильну форму, називаються дифузними туманностям. їхня маса може сягати 10 000 мас сонця, густина дуже мала (10–100 частинок в 1 см³), а розміри величезні (10–100пк). Вони непрозорі для світла далеких зір.

У дифузних газопилових туманностях виникають і формуються молоді зорі. Дифузні туманності поділяються на світлі і темні.

Значна кількість темних туманностей знаходиться у площині Молочного Шляху, що створює ефект Великого Провалу. Найвідоміші темні дифузні туманності – Вугільний Мішок у сузір'ї Стрільця, Кінська Голова у сузір'ї Оріона.

Якщо в туманності або біля неї є яскрава зоря, то газ і пил відбивають та розсіюють її світло. Туманність при цьому виглядає світлою.

Якщо поблизу газової туманності знаходиться гаряча блакитна зоря, то відбувається іонізація газу ультрафіолетовим випромінюванням, що змушує газ світитися так само, як це відбувається в полярних сяйвах на Землі. Тоді до відбитого пилом світла додається власне випромінювання газів туманності. Колір газових туманностей буває різним (зеленкуватий, рожевий та ін.) залежно від температури, густини та хімічного складу газу.

Найвідомішою серед світлих туманностей є велика туманність Оріона розміром близько 20 св. р. Відстань до неї 1000св. р.

Газові туманності бувають правильної форми: волокнисті та планетарні. Вважають, що вони формуються зі скинутих зорями оболонок на завершальних етапах розвитку.

Волокнисті туманності (напр. Крабоподібна туманність у сузір'ї Тельця) є залишками спалаху наднових зір. Планетарні туманності мають форму кільця, в центрі якого розташована зоря – білий карлик. Вони утворюються з оболонок, скинутих червоними гігантами. Такі туманності поширюються із швидкостями 20–40 км/с, через 10–20 тисяч років після виникнення вони розсіюються у просторі і стають невидимими. Планетарні туманності світяться за рахунок ультрафіолетового випромінювання тих зір, чиїми оболонками вони колись були (напр., Туманність Равлик із сузір'я Водолія).

Колообіг газу та пилу в Галактиці

Отже, зорі нашої Галактики, сформувавшись із газу та пилу в дифузних туманностях, на кінцевих стадіях розвитку скидаючи оболонку або вибухаючи, значну частину своєї речовини повертають у міжзоряний простір у вигляді волокнистих чи планетарних туманностей.

4. Будова Галактики та її спіральна структура.

При спостереженні за галактикою М31 Туманність Андромеди німецький астроном В.Бааде (1893–1960) припустив, що наша Галактика – Молочний Шлях – має подібну структуру. За сучасними уявленнями наша Галактика має дві складові – плоску і сферичну.

Сферична підсистема – гало чи корона – складається переважно з газу, газових хмар і дуже старих неяскравих зір, поодиноких або згрупованих у вигляді кулястих скупчень. Радіус гало, за даними космічного телескопа ім. Габбла, дорівнює 300000св. р. Об'єкти гало, концентруючись до центра Галактики, утворюють балдж (з англ. bulge – «опуклість») у межах кількох тисяч світлових років від центра Галактики. Рухаючись по витягнутих еліптичних орбітах, зорі гало дуже повільно обертаються навколо центра Галактики (мал. 19).

Центр симетрії гало Молочного Шляху збігається з центром галактичного диска. Вік населення гало перевищує 12 млрд років, його приймають за вік самої Галактики.

Плоска підсистема – диск – складається переважно з газу, молодих зір та їх скупчень віком не більш ніж 1 млрд років. Діаметр диска 100 000св.р., товщина центральної зони 10 000св.р, кількість зір у диска 400 млрд, а його маса 150млрд. M₀. Порівняно з гало диск обертається набагато швидше. До того ж, швидкість його обертання не однакова на різних відстанях від центра.

Ядро – центр Галактики – повністю приховане від нас товстим шаром поглинаючої матерії. Дослідження ядра стало можливим тільки в інфрачервоному та радіодіапазоні, хвилі яких поглинаються меншою мірою. Ядро, розташоване у напрямку сузір'я Стрільця, має діаметр 4000 св. р. Концентрація зір у ядрі дуже висока. Висунуто гіпотезу про існування в центрі Галактики дуже масивної чорної діри, оточеної щільним газопиловим диском. У центрі Галактики знаходиться яскраве радіоджерело Стрілець А, походження якого пов'язують з активністю ядра.

Спіральна структура Галактики

Наша Галактика має чітко виражену спіральну структуру. Доведено, що вона має дві спіральні гілки (або рукава). Вони сприймаються нами у вигляді Молочного Шляху. (Певний час вважалось, що існує 4 спіральних рукави, але тепер доведено, що два з них є розгалуженням одного з основних спіральних рукавів.) Швидкість обертання зір навколо центра Галактики різна. Із віддаленням від центра вона спочатку зростає, в околицях Сонця набуває найбільшого значення — 250км/с, а далі повільно зменшується.

Вздовж спіральних рукавів переважно зосереджені молоді зорі, розсіяні зоряні скупчення та асоціації, а також густі хмари міжзоряного газу, в яких триває утворення зір (населення І типу). В спіральних рукавах триває бурхливе життя.

Гало населяють переважно зорі кулястих скупчень (населення II типу). Вияви зоряної активності тут надзвичайно рідкі.

5. Місце Сонця в галактиці.

Сонце – одна із зір Галактики, розташована на відстані 30 000 св. р. від її центра. Сонце разом зі своєю планетною системою обертається навколо центра Галактики зі швидкістю 250 км/с і робить повний оберт орієнтовно за 200 млн. років. Цей час називають галактичним роком.

Сонце розташоване між двома спіральними рукавами – рукавом Стрільця і рукавом Персея – і ніколи не потрапляє в них. Майже все зоряне населення диска то потрапляє всередину спіральних рукавів, то виходить із них. Єдине місце, де швидкість зір та рукавів збігається, – це коротаційне коло. Саме поблизу нього і розташоване Сонце.

Таке розміщення у відносно спокійній частині Галактики є надзвичайно важливою умовою виникнення та існування життя на Землі. Якби ми потрапили в спіральний рукав, бурхливі процеси, що породжують смертоносне випромінювання, знищили б усе живе на Землі. Наприклад, якщо б на відстані 10пк від Землі спалахнула наднова, то через 10 000років туманність, утворена після вибуху, сягнула б Сонячної системи і на десятки тисяч років огорнула б її. Це привело б до вимирання живих організмів. Це могло бути причиною вимирання динозаврів, адже за час існування Сонця на відстані 10–20пк спалахнуло близько десятка наднових зір.

Отже, Сонце існує у відносно спокійному місці Галактики впродовж мільярдів років і тому має надзвичайно сприятливі умови, які дали змогу зберегти життя на планеті Земля (мал. 20).

Мал. 20. Спіральна структура нашої Галактики

Запитання для самоконтролю.

1. Що таке Молочний Шлях, який ми спостерігаємо на небі?

2. Чим відрізняються розсіяні та кулясті зоряні скупчення?

3. Які туманності за природою вам відомі?

4. Охарактеризуйте будову та структуру нашої Галактики.

5. Чому місце Сонця в нашій Галактиці вважається привілейованим?

ЛЕКЦІЯ №13

Тема.

Світ галактик. Квазари. Проблеми космології

План лекції.

1. Галактики та квазари.

2. Закон Габбла

3. Космологія та її основний принцип.

Література. Л5 (ст. 160–170); Л4 (ст.160–167)

Дата добавления: 2014-12-07