Эволюция звезд

Звездная эволюция в астрономии -- последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение ее жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. За такие колоссальные промежутки времени звезда претерпевает значительные изменения.

Эволюция звезд проходит несколько стадий Бондарев В.П. Концепции современного естествознания. М., 2003. С.254.:

· возникновение звезды в результате конденсации межзвездных пыли и газа, богатого водородом;

· стадия термоядерных реакций превращения водорода в гелий в центре звезды (наиболее длительная);

· при исчерпании в центре водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется; даже при увеличении светимости температура поверхности падает - звезда становится красным гигантом;

· термоядерное загорание гелия и более тяжелых элементов в ядре звезды, сопряженное в ряде случаев со сбросом водородной оболочки и образованием так называемой планетарной туманности;

· остывание остатка звезды, переход в стадию белого карлика.

Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвездного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура газового шара возрастает. Когда температура в ядре достигает нескольких миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга -- Расселла, пока не закончатся запасы топлива в ее ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра.

В этот период структура звезды начинает заметно меняться. Ее светимость растет, внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается -- звезда становится красным гигантом. На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда масса ее изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно тяжела, возрастающая при этом температура может вызвать термоядерное превращение гелия в более тяжелые элементы Агекян Т.А. Звезды, Галактики, Метагалактика. - М.: Наука, 1970. С.43-44..

Эволюция звезды начинается в гигантском молекулярном облаке, также называемым звездной колыбелью. Большая часть «пустого» пространства в галактике в действительности содержит от 0,1 до 1 молекулы на смі. Молекулярное облако же имеет плотность около миллиона молекул на смі. Масса такого облака превышает массу Солнца в 100 000--10 000 000 раз благодаря своему размеру: от 50 до 300 световых лет в поперечнике.

Звезды на начальной стадии своего существования, как правило, скрыты от взгляда внутри плотного облака пыли и газа. Часто силуэты таких звездообразующих коконов можно наблюдать на фоне яркого излучения окружающего газа. Такие образования получили название глобул Бока.

Очень малая доля протозвезд не достигает достаточной для реакций термоядерного синтеза температуры. Такие звезды получили название «коричневые карлики», их масса не превышает одной десятой солнечной. Такие звезды быстро умирают, постепенно остывая за несколько сотен миллионов лет. В некоторых наиболее массивных протозвездах температура в из-за сильного сжатия может достигнуть 10 миллионов К, делая возможным синтез гелия из водорода. Такая звезда начинает светиться. Начало термоядерных реакций устанавливает гидростатическое равновесие, предотвращая ядро от дальнейшего гравитационного коллапса. Далее звезда может существовать в стабильном состоянии.

Среди сформировавшихся звезд встречается огромное многообразие цветов и размеров. По спектральному классу они варьируются от горячих голубых до холодных красных, по массе -- от 0,5 до более чем 20 солнечных масс. Светимость и цвет звезды зависит от температуры ее поверхности, которая, в свою очередь, определяется массой. Как правило, новые звезды «занимают свое место» на главной последовательности согласно диаграмме Герцшпрунга -- Рассела. Речь не идет о физическом перемещении звезды -- только о ее положении на указанной диаграмме, зависящем от параметров звезды. То есть, речь идет, фактически, лишь об изменении параметров звезды.

Маленькие, холодные красные карлики медленно сжигают запасы водорода и остаются на главной последовательности сотни миллиардов лет, в то время как массивные сверхгиганты уйдут с главной последовательности уже через несколько миллионов лет после формирования.

Звезды среднего размера, такие как Солнце, остаются на главной последовательности в среднем 10 миллиардов лет. Считается, что Солнце все еще на ней, так как оно находится в середине своего жизненного цикла. Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она уходит с главной последовательности Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной (пер. с англ. Я. Зельдовича). - М.: Энергоиздат, 1981. С. 76..

По прошествии от миллиона до миллиарда лет, в зависимости от начальной массы, звезда истощает водородные ресурсы ядра. В больших и горячих звездах это происходит гораздо быстрее, чем в маленьких и более холодных. Истощение запаса водорода приводит к остановке термоядерных реакций.

Без давления, которое производилось этими реакциями и уравновешивало силу собственного притяжения звезды, внешние слои начинают сжиматься к ядру. Температура и давление повышаются как во время формирования протозвезды, но на этот раз до гораздо более высокого уровня. Коллапс продолжается до тех пор, пока при температуре приблизительно в 100 миллионов К не начнутся термоядерные реакции с участием гелия.

Очень горячее ядро становится причиной чудовищного расширения звезды. Ее размер увеличивается приблизительно в 100 раз. Таким образом звезда становится красным гигантом, и фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет. Практически все красные гиганты являются переменными звездами.

На сегодняшний день достоверно неизвестно, что происходит с легкими звездами после истощения запаса водорода. Поскольку возраст вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звездах.

Некоторые звезды могут синтезировать гелий лишь в некоторых активных участках, что вызывает нестабильность и сильные солнечные ветры. В этом случае образования планетарной туманности не происходит, а звезда лишь испаряется, становясь даже меньше чем коричневый карлик.

Но звезда с массой менее 0,5 солнечной никогда не будет в состоянии синтезировать гелий даже после того, как в ядре прекратятся реакции с участием водорода. Звездная оболочка у них недостаточно массивна, чтобы преодолеть давление, производимое ядром. К таким звездам относятся красные карлики, такие как Проксима Центавра, живущие до сотен миллиардов лет. После прекращения в их ядре термоядерных реакций, они будут продолжать слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра на протяжении еще многих миллиардов лет.

При достижении звездой средней величины (от 0,4 до 3,4 солнечных масс) фазы красного гиганта, ее внешние слои продолжают расширяться, ядро сжиматься, и начинаются реакции синтеза углерода из гелия. Синтез высвобождает много энергии, давая звезде временную отсрочку. Для звезды по размеру схожей с Солнцем, этот процесс может занять около миллиарда лет.

Подавляющее большинство звезд, и Солнце в том числе, заканчивают эволюцию, сжимаясь до тех пор, пока давление вырожденных электронов не уравновесит гравитацию. В этом состоянии, когда размер звезды уменьшается в сотню раз, а плотность становится в миллион раз выше плотности воды, звезду называют белым карликом. Она лишена источников энергии и, постепенно остывая, становится темной и невидимой.

Процессы, протекающие при образовании сверхновой звезды, до сих пор изучаются, и пока в этом вопросе нет ясности. Также стоит под вопросом, что же на самом деле остается от изначальной звезды. Тем не менее, рассматриваются два варианта:

Такие звезды, известные, как нейтронные звезды, чрезвычайно малы -- не более размера крупного города, и имеют невообразимо высокую плотность. Период их обращения становится чрезвычайно мал по мере уменьшения размера звезды (благодаря сохранению момента импульса). Некоторые совершают 600 оборотов в секунду. Когда ось, соединяющая северный и южный магнитный полюса этой быстро вращающейся звезды, указывает на Землю, можно зафиксировать импульс излучения, повторяющийся через промежутки времени, равные периоду обращения звезды. Такие нейтронные звезды получили название 'пульсары', и стали первыми открытыми нейтронными звездами.

Распространено мнение, что не все сверхновые становятся нейтронными звездами. Если звезда обладает достаточно большой массой, то сами нейтроны могут обрушиться внутрь и начнется коллапс звезды, пока ее радиус не станет меньше Шварцшильдовского. После этого звезда становится черной дырой.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13 - 20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на «эры» Лавриненко В.Н. Концепции современного естествознания. М., 2002. С.121..

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10¹⁰ до 3000 градусов по Кельвину, плотность - с 10⁴ г/см³ до 10²¹ г/см³. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики. звезда астрономия термоядерный гелий

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной начиная с момента 10⁴⁵ с после начала расширения.

В настоящее время установлено, что звезды и звездные скопления имеют разный возраст - от 1010 лет (шаровые звездные скопления) до 106 лет для самых молодых (рассеянные звездные скопления и звездные ассоциации). В этой картине еще много неясного, многое подлежит уточнению, однако в главных чертах она представляется достаточно обоснованной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ