Кожен з нас хоча б раз у житті дивився в зоряне небо. Хтось дивився на цю красу, відчуваючи романтичні почуття, інший намагався зрозуміти, звідки береться вся ця краса. Життя в космосі, на відміну від життя на нашій планеті, тече на іншій швидкості. Час в космічному просторі живе своїми категоріями, відстані і розміри у Всесвіті колосальні. Ми рідко замислюємося над тим, що на наших очах постійно відбувається еволюція галактик і зірок. Кожен об'єкт в безкрайньому космосі є наслідком певних фізичних процесів. У галактик, у зірок і навіть у планет є основні фази розвитку.
Наша планета і ми всі залежимо від нашого світила. Як довго Сонце буде радувати нас своїм теплом, вдихаючи життя в Сонячну систему? Що чекає нас у майбутньому через мільйони і мільярди років? У зв'язку з цим, цікаво більше дізнатися про те, які етапи еволюції астрономічних об'єктів, звідки беруться зірки і чим закінчується життя цих чудових світил в нічному небі.
Походження, народження і еволюція зірок
Еволюція зірок і планет, що населяють нашу галактику Чумацький Шлях і весь Всесвіт, здебільшого непогано вивчена. У космосі є непорушним діють закони фізики, які допомагають зрозуміти походження космічних об'єктів. Спиратися в даному випадку прийнято на теорію Великого Вибуху, яка зараз є домінуючою доктриною про процес походження Всесвіту. Подія, яка приголомшила світобудову і призвело до формування всесвіту, за космічними мірками блискавично. Для космосу від народження зірки до її загибелі проходять миті. Величезні відстані створюють ілюзію сталості Всесвіту. Спалахнула далеко зірка світить нам мільярди років, в той час її вже може і не бути.
Теорія еволюції галактики і зірок є розвитком теорії Великого Вибуху. Вчення про народження зірок і виникненні зоряних систем відрізняється масштабами того, що відбувається і тимчасовими рамками, які, на відміну від Всесвіту в цілому, можливо спостерігати сучасними засобами науки.
Вивчаючи життєвий цикл зірок можна на прикладі найближчого до нас світила. Сонце - одна із сотні трильйонів зірок у нашому полі зору. До того ж відстань від Землі до Сонця (150 млн. Км) надає унікальну можливість вивчити об'єкт, не залишаючи меж Сонячної системи. Отримана інформація дозволить детально розібратися з тим, як влаштовані інші зірки, як швидко ці гігантські джерела тепла виснажуються, які стадії розвитку зірки і яким буде фінал цієї блискучої життя - тихий і тьмяний або блискучий, вибуховий.
Після Великого вибуху частинки сформували міжзоряні хмари, які стали «пологовим будинком» для трильйонів зірок. Характерно, що всі зірки народжувалися в один і той же час в результаті стиснення і розширення. Стиснення в хмарах космічного газу виникало під впливом власної гравітації і аналогічних процесів у нових зірок по сусідству. Розширення виникло в результаті внутрішнього тиску міжзоряного газу і під дією магнітних полів всередині газової хмари. При цьому хмара вільно оберталося навколо свого центру мас.
Хмари газу, що утворилися після вибуху, на 98% складаються з атомарного і молекулярного водню і гелію. Тільки 2% в цьому масиві доводиться на пилові і тверді мікроскопічні частинки. Раніше вважалося, що в центрі будь-якої зірки лежить ядро заліза, розпеченого до температури в мільйон градусів. Саме цим аспектом і пояснювалася гігантська маса світила.
У протистоянні фізичних сил переважали сили стиснення, так як світло, що виникає в результаті виділення енергії, не проникає всередину газової хмари. Світло разом з частиною виділеної енергії поширюється назовні, створюючи всередині щільного скупчення газу мінусову температуру і зону низького тиску. Перебуваючи в такому стані, космічний газ стрімко стискається, вплив сил гравітаційного тяжіння призводить до того, що частинки починають формувати зоряне речовина. Коли скупчення газу щільне, інтенсивне стиснення призводить до того, що утворюються зоряне скупчення. Коли розміри газової хмари незначні, стискання призводить до утворення одиночної зірки.
Коротка характеристика того, що відбувається полягає в тому, що майбутнє світило проходить два етапи - швидке і повільне стиснення до стану протозірки. Говорячи простою і зрозумілою мовою, швидке стиснення є падінням зоряної речовини до центру протозвезди. Повільне стиснення відбувається вже на тлі утворився центру протозвезди. Протягом наступних сотень тисяч років нове утворення скорочується в розмірах, а його щільність збільшується в мільйони разів. Поступово протозвезда стає непрозорою через високої щільності зоряної речовини, а триваюче стиснення запускає механізм внутрішніх реакцій. Зростання внутрішнього тиску і температур призводить до утворення у майбутньої зірки власного центру ваги.
В такому стані протозвезда перебуває мільйони років, повільно віддаючи тепло і поступово стискаючись, зменшуючись в розмірах. В результаті вимальовуються контури нової зірки, а щільність його речовини стає порівнянна з щільністю води.
В середньому щільність нашої зірки становить 1,4 кг / см3 - практично така ж, як щільність води в солоному Мертвому морі. У центрі Сонце має щільність 100 кг / см3. Зоряне речовина знаходиться не в рідкому стані, а перебуває в вигляді плазми.
Під впливом величезного тиску і температури приблизно в 100 мільйонів До починаються термоядерні реакції водневого циклу. Стиснення припиняється, маса об'єкта зростає, коли енергія гравітації переходить в термоядерний горіння водню. З цього моменту нова зірка, випромінюючи енергію, починає втрачати масу.
Вищеописаний варіант освіти зірки - всього лише примітивна схема, яка описує початковий етап еволюції і народження зірки. Сьогодні такі процеси в нашій галактиці і у всьому Всесвіті практично непомітні через інтенсивного виснаження зоряного матеріалу. За всю свідому історію спостережень за нашою Галактикою були відзначені лише поодинокі появи нових зірок. У масштабах Всесвіту ця цифра може бути збільшена в сотні і в тисячі разів.
Більшу частину свого життя протозвезди приховані від людського ока пилової оболонкою. Випромінювання ядра можна спостерігати тільки в інфрачервоному діапазоні, який є єдиною можливістю бачити народження зірки. Наприклад, в Туманності Оріона в 1967 році вчені-астрофізики в інфрачервоному діапазоні виявили нову зірку, температура випромінювання якої становила 700 градусів Кельвіна. Згодом з'ясувалося, що місцем народження протозвезд є компактні джерела, які є не тільки в нашій галактиці, але і в інших віддалених від нас куточках Всесвіту. Крім інфрачервоного випромінювання місця народження нових зірок відзначені інтенсивними радіосигналами.
Процес вивчення і схема еволюції зірок
Весь процес пізнання зірок можна умовно розділити на кілька етапів. На самому початку слід визначити відстань до зірки. Інформація про те, як далеко від нас знаходиться зірка, як довго йде від неї світло, дає уявлення про те, що відбувалося зі світилом протягом усього цього часу. Після того, як людина навчилася вимірювати відстань до далеких зірок, стало ясно, що зірки - це те ж самі сонця, тільки різних розмірів і з різною долею. Знаючи відстань до зірки, за рівнем світла і кількості випромінюваної енергії можна простежити процес термоядерного синтезу зірки.
Слідом за визначенням відстані до зірки можна за допомогою спектрального аналізу розрахувати хімічний склад світила і дізнатися його структуру і вік. Завдяки появі спектрографа у вчених виявилася можливість вивчити природу світла зірок. Цим приладом можна визначити і виміряти газовий склад зоряної речовини, яким володіє зірка на різних етапах свого існування.
Вивчаючи спектральний аналіз енергії Сонця та інших зірок, вчені прийшли до висновку, що еволюція зірок і планет має спільне коріння. Всі космічні тіла мають однотипний, подібний хімічний склад і відбулися з однієї і тієї ж матерії, що виникла в результаті Великого Вибуху.
Зоряне речовина складається з тих же хімічних елементів (аж до заліза), що і наша планета. Різниця тільки в кількості тих чи інших елементів і в процесах, що відбуваються на Сонці і всередині земної тверді. Це і відрізняє зірки від інших об'єктів у Всесвіті. Походження зірок слід також розглядати в контексті іншої фізичної дисципліни - квантової механіки. За цією теорією, матерія, яка визначає зоряне речовина, складається з постійно діляться атомів і елементарних частинок, що створюють свій мікросвіт. У цьому світлі викликає інтерес структура, склад, будова і еволюція зірок. Як з'ясувалося, основна маса нашої зірки і багатьох інших зірок припадає лише на два елементи - водень і гелій. Теоретична модель, що описує будову зірки, дозволить зрозуміти їх будову і головна відмінність від інших космічних об'єктів.
Головна особливість полягає в тому, що багато об'єктів у Всесвіті мають певний розмір і форму, тоді як зірка може в міру свого розвитку міняти розмір. Гарячий газ являє собою з'єднання атомів, слабо пов'язаних один з одним. Через мільйони років після формування зірки починається охолодження поверхневого шару зоряної речовини. Більшу частину свого енергії зірка віддає в космічний простір, зменшуючись або збільшуючись в розмірах. Передача тепла і енергії відбувається з внутрішніх областей зірки до поверхні, впливаючи на інтенсивність випромінювання. Іншими словами, одна і та ж зірка в різні періоди свого існування виглядає по-різному. Термоядерні процеси на основі реакцій водневого циклу сприяють перетворенню легких атомів водню в більш важкі елементи - гелій і вуглець. На думку астрофізиків і вчених-ядерників, подібна термоядерна реакція є найефективнішою за кількістю тепла, що виділяється.
Чому ж термоядерний синтез ядра не закінчується вибухом такого реактора? Вся справа в тому, що сили гравітаційного поля в ньому можуть утримувати зоряне речовина в межах стабілізованого обсягу. З цього можна зробити однозначний висновок: будь-яка зірка являє собою масивне тіло, яке зберігає свої розміри завдяки балансу між силами гравітації і енергією термоядерних реакцій. Результатом такої ідеальної природної моделі є джерело тепла, здатний працювати тривалий час. Передбачається, що перші форми життя на Землі з'явилися 3 млрд. Років тому. Сонце в ті далекі часи гріло нашу планету так само, як і зараз. Отже, наша зірка мало чим змінилася, незважаючи на те, що масштаби випромінюваного тепла і сонячної енергії колосальні - більше 3-4 млн. Тонн щосекунди.
Неважко підрахувати, скільки за всі роки свого існування наша зірка втратила у вазі. Це буде величезна цифра, однак через свою величезної маси і високої щільності такі втрати в масштабах Всесвіту виглядають нікчемними.
Стадії еволюції зірок
Доля світила в знаходиться в залежності від початкової маси зірки і її хімічного складу. Поки в ядрі зосереджені основні запаси водню, зірка перебуває в так званій головної послідовності. Як тільки намітилася тенденція на збільшення розмірів зірки, значить, вичерпався основне джерело для термоядерного синтезу. Почався тривалий фінальний шлях трансформації небесного тіла.
Утворилися у Всесвіті світила спочатку діляться на три найпоширеніші типи:
- нормальні зірки (жовті карлики);
- зірки-карлики;
- зірки-гіганти.
Зірки з малою масою (карлики) повільно спалюють запаси водню і проживають своє життя досить спокійно.
Таких зірок більшість у Всесвіті і до них відноситься наша зірка - жовтий карлик. З настанням старості жовтий карлик стає червоним гігантом або надгігантом.
Виходячи з теорії походження зірок, процес формування зірок у Всесвіті не закінчилася. Найяскравіші зірки в нашій галактиці є не тільки найбільшими, в порівнянні з Сонцем, а й наймолодшими. Астрофізики та астрономи називають такі зірки блакитними надгігантами. Зрештою, їх очікує одна і та ж доля, яку переживають трильйони інших зірок. Спочатку стрімке народження, блискуча і затята життя, після якої настає період повільного згасання. Зірки такого розміру, як Сонце, мають тривалий життєвий цикл, перебуваючи в головній послідовності (в середній її частині).
Використовуючи дані про масу зірки, можна припустити її еволюційний шлях розвитку. Наочна ілюстрація даної теорії - еволюція нашої зірки. Ніщо не буває вічним. В результаті термоядерного синтезу водень перетворюється в гелій, отже, його початкові запаси витрачаються і зменшуються. Колись, дуже не скоро, ці запаси закінчаться. Судячи з того, що наше Сонце продовжує світити вже більше 5 млрд. Років, не змінюючись в своїх розмірах, зрілий вік зірки ще може тривати приблизно такий же період.
Виснаження запасів водню призведе до того, що під впливом гравітації ядро сонця почне стрімко скорочуватися. Щільність ядра стане дуже високою, в результаті чого термоядерні процеси перемістяться в прилеглі до ядра шари. Подібний стан називається колапсом, який може бути викликаний проходженням термоядерних реакцій у верхніх шарах зірки. В результаті високого тиску запускаються термоядерні реакції за участю гелію.
Запасів водню і гелію в цій частині зірки вистачить ще на мільйони років. Ще дуже нескоро виснаження запасів водню призведе до збільшення інтенсивність випромінювання, до збільшення розмірів оболонки і розмірів самої зірки. Як наслідок, наше Сонце стане дуже великим. Якщо уявити цю картину через десятки мільярдів років, то замість сліпучого яскравого диска на небі буде висіти жаркий червоний диск гігантських розмірів. Червоні гіганти - це природна фаза еволюції зірки, її перехідний стан в розряд змінних зірок.
В результаті такої трансформації скоротиться відстань від Землі до Сонця, так що Земля потрапить в зону впливу сонячної корони і почне «смажитися» в ній. Температура на поверхні планети виросте в десятки разів, що призведе до зникнення атмосфери і до випаровування води. В результаті планета перетвориться на мляву кам'янисту пустелю.
Фінальні стадії еволюції зірок
Досягнувши фази червоного гіганта, нормальна зірка під впливом гравітаційних процесів стає білим карликом. Якщо маса зірки приблизно дорівнює масі нашого Сонця, всі основні процеси в ній відбуватимуться спокійно, без імпульсів і вибухових реакцій. Білий карлик буде вмирати довго, вигорить дотла.
У випадках, коли зірка спочатку мала масу більше сонячної в 1,4 рази, білий карлик не фінальною стадією. При великій масі всередині зірки починаються процеси ущільнення зоряної речовини на атомному, молекулярному рівні. Протони перетворюються в нейтрони, щільність зірки збільшується, а її розміри стрімко зменшуються.
Відомі науці нейтронні зірки мають діаметр в 10-15 км. При таких малих розмірах нейтронна зірка має колосальну масу. Один кубічний сантиметр зоряної речовини може важити мільярди тонн.
У тому випадку, якщо ми мали спочатку справу із зіркою великої маси, фінальний етап еволюції приймає інші форми. Доля масивної зірки - чорна діра - об'єкт з невивченою природою і непередбачуваною поведінкою. Величезна маса зірки сприяє збільшенню гравітаційних сил, що приводять у рух сили стиснення. Призупинити цей процес не представляється можливим. Щільність матерії зростає до тих пір, поки не перетворюється в нескінченність, утворюючи сингулярне простір (теорія відносності Ейнштейна). Радіус такої зірки в кінцевому підсумку стане дорівнює нулю, ставши чорною дірою в космічному просторі. Чорних дір було б значно більше, якби в космосі більшу частину простору займали масивні і надмасивні зірки.
Слід зазначити, що при трансформації червоного гіганта в нейтронну зірку або в чорну діру, Всесвіт може пережити унікальне явище - народження нового космічного об'єкта.
Народження наднової - найбільш вражаюча фінальна стадія еволюції зірок. Здесь действует естественный закон природы: прекращение существование одного тела дает начало новой жизни. Период такого цикла, как рождение сверхновой, в основном касается массивных звезд. Израсходовавшиеся запасы водорода приводят к тому, что в процесс термоядерного синтеза включается гелий и углерод. В результате этой реакции давление снова растет, а в центре звезды образуется ядро железа. Под воздействием сильнейших гравитационных сил центр массы смещается в центральную часть звезды. Ядро становится настолько тяжелым, что неспособно противостоять собственной гравитации. Как следствие, начинается стремительное расширение ядра, приводящее к мгновенному взрыву. Рождение сверхновой - это взрыв, ударная волна чудовищной силы, яркая вспышка в бескрайних просторах Вселенной.
Следует отметить, что наше Солнце не является массивной звездой, поэтому подобная судьба ее не грозит, не стоит бояться такого финала и нашей планете. В большинстве случаев взрывы сверхновых происходят в далеких галактиках, с чем и связано их достаточно редкое обнаружение.
На закінчення
Эволюция звезд - это процесс, который растянут по времени на десятки миллиардов лет. Наше представление о происходящих процессах - всего лишь математическая и физическая модель, теория. Земное время является лишь мгновением в огромном временном цикле, которым живет наша Вселенная. Мы можем только наблюдать то, что происходило миллиарды лет назад и предполагать, с чем могут столкнуться последующие поколения землян.
