Звезды

      В настоящее время известны  два основных фактора, приводящих  к потере  устойчивости и коллапсу. Во-первых, это «развал» ядер железа на 13 альфа-частиц (ядер гелия) с поглощением фотонов – так называемая фотодиссоциация железа. Во-вторых, нейтронизация вещества – захват электронов протонами с образованием нейтронов. Оба процесса становятся возможными при больших плотностях (свыше 1  т/см³), устанавливающихся в центре звезды в конце эволюции, и оба они эффективно снижают «упругость» вещества, которая фактически и противостоит сдавливающему действию сил тяготения. Как следствие, ядро теряет устойчивость и сжимается. При этом в ходе нейтронизации вещества выделяется большое количество нейтрино, уносящих основную энергию, запасённую в коллапсирующем ядре.

    В отличие от процесса катастрофического  коллапса ядра, теоретически разработанного достаточно детально, сброс оболочки звезды  не так-то просто объяснить. Скорее всего, существенную роль в этом процессе играют нейтрино.

    Как свидетельствуют компьютерные расчёты, плотность вблизи ядра настолько  высока, что даже слабо взаимодействующие  с веществом нейтрино оказываются  на какое-то время «запертыми» внешними слоями звезды. Но гравитационные силы притягивают оболочку к ядру, и складывается ситуация, похожая на ту, которая возникает при попытке налить более плотную жидкость, например воду, поверх менее плотной - керосина или масла. Этот механизм вызывает гигантские конвективные движения, и когда, в конце концов, импульс нейтрино передаётся внешней оболочке, она сбрасывается в окружающее пространство.

    Возможно, именно нейтринные конвективные движения приводят к нарушению сферической  симметрии взрыва сверхновой. Иными  словами, появляется направление, вдоль которого преимущественно выбрасывается вещество, и тогда образующийся остаток получает импульс отдачи и начинает двигаться в пространстве по инерции со скоростью до 1000 км/с. столь большие пространственные скорости отмечены у молодых нейтронных звёзд – радиопульсаров.

    5. Конец жизненного пути звезды  

    Большую часть своей жизни звезда находится  на так называемой главной последовательности диаграммы цвет – светимость (диаграммы  Герцшпрунга-Ресселла). Все остальные  стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Дальнейшая судьба звезды полностью определяется её массой.

    Для звезд главной последовательности это термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Как известно из ядерной физики, освобождаемая при этом энергия равна примерно 0,1% от энергии покоя вещества Е=mс². Здесь m- масса вещества, с- скорость света. Соотношение Е=mс² было установлено Альбертом Эйнштейном в 1917 г.

    Таким образом, полный запас термоядерной энергии в звезде составляет 0,001М_яс², где М_я - масса ядра звезды, в котором и происходят термоядерные реакции.

    Учитывая, что масса  ядра звезды пропорциональна её полной массе (М), путём расчётов получается приблизительное соотношение: продолжительность превращения водорода в гелий равна 10 М/L млрд. лет, где масса М и светимость L звезды выражены в массах и светимостях Солнца. Для звезд с массой, близкой к солнечной, L=М⁴. Отсюда следует, что время их жизни 10/М³ млрд. лет.

    Следует, что звезды с массой больше солнечной  живут гораздо меньше Солнца, а  время жизни самых массивных  звезд составляет «всего» несколько  миллионов лет. Для подавляющего же большинства звезд время жизни сравнимо или даже превышает возраст Вселенной (около 15 млрд. лет).

      Звезды разной массы приходят  в итоге к одному из трех  состояний: белые карлики, нейтронные  звезды или черные дыры.

    Белые карлики 

    После «выгорания» термоядерного топлива  в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной её части (ядре) плотность вещества становится настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды, из него состоящие вырожденными звездами.

    После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике  вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда переходит  в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга-Ресселла. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров – в  сотни радиусов Солнца – и за это время порядка 10-100 тыс. лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нём часто превышает 10⁹ кг\м³

    Ядерные реакции внутри белого карлика не идут. А свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас  тепловой энергии белого карлика  содержится в колебательных движениях  ионов, которые при температуре  ниже 15 тыс. Кельвинов образуют кристаллическую решетку. Образно говоря, белые карлики - это гигантские горячие кристаллы. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается и звезда перестаёт быть белой (по цвету) – это скорее уже бурый или коричневый карлик

    Масса белых карликов не может превышать некоторого значения –  так называемый предел Чандрасекара (по имени американского астрофизика, Субрахманьяна Чандрасекара), он равен примерно 1,4 массы Солнца. Если масса звезды больше, давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды происходит катастрофическое сжатие белого карлика – коллапс. В ходе коллапса плотность резко растёт, протоны объединяются с вырожденными электронами и образуют нейтроны, а освобождаемую гравитационную энергию уносят в основном нейтрино.

    Нейтронные  звезды

    Большинство нейтронных звезд образуются при  коллапсе ядер звезд массой более 10 солнечных. Их рождение сопровождается грандиозным небесным явлением –  вспышкой сверхновой звезды.

    Молодые нейтронные звёзды быстро вращаются, (периоды вращения измеряются миллисекундами) и обладают сильным магнитным полем. Вращение вместе с магнитным полем создают мощные электрические поля, которые вырывают заряженные частицы из твёрдой поверхности нейтронной звезды и ускоряют их до очень высоких энергий. Эти частицы излучают радиоволны.

    С потерей энергии вращение нейтронной звезды тормозится, электрический потенциал, создаваемый магнитным полем, падает. При некотором его значении заряженные частицы перестают рождаться  и радиопульсар «затухает». Это происходит за время около 10 млн. лет, поэтому действующих пульсаров в Галактике должно быть несколько сот тысяч. В настоящее время наблюдается примерно 700 пульсаров.

    Как и для белых карликов, для нейтронных звезд существует предельно возможная масса (она носит название предела Оппенгеймера – Волкова). Однако строение материи при столь высоких плотностях известно плохо. Поэтому предел Оппенгеймера – Волкова точно не установлен, его величина зависит от сделанных предположений о типе и взаимодействии частиц внутри нейтронной звезды. Но в любом случае он не превышает трёх масс Солнца.

    Если  масса нейтронной звезды превосходит  это значение, никакое давление вещества не может противодействовать силам  гравитации. Звезда становится неустойчивой и быстро коллапсирует. Так образуется чёрная дыра.

    Чёрные  дыры 

    Термин  «чёрная дыра» был весьма удачно введён в науку американским физиком  Джоном Уилером в 1968 г. для обозначения  сколлапсировавшей звезды.

    На  достаточно больших расстояниях  чёрная дыра проявляет себя как обычное гравитирующее тело той же массы. Поверхности в традиционном понимании у чёрных дыр быть не может. Самые «экзотические»  с точки зрения образования и физических проявлений космические объекты – чёрные дыры – устроены гораздо проще, чем обычные звезды или планеты. У них нет химического состава, их строение не связано с различными типами взаимодействия вещества – они описываются только уравнениями гравитации Эйнштейна. Кроме массы чёрная дыра может ещё характеризоваться моментом количества движения и электрическим зарядом. 

    Имеются косвенные доказательства существования  чёрных дыр более чем в 10 тесных двойных рентгеновских звёздах. В пользу этого известно, во-первых, отсутствие известных проявлений твёрдой  поверхности, характерных для рентгеновского пульсара или рентгеновского барстера (например, периодических импульсов в излучении), и, во-вторых, большая масса невидимого компонента двойной системы (больше трёх масс Солнца). 
 
 
 
 
 
 
 
 

    6. Заключение 

    За  период немногим более двух столетий представление о звёздах изменилось кардинально. Из непостижимо далёких и равнодушных светящих точек на небе они превратились в предмет всестороннего физического исследования. Как бы отвечая на упрёк де Сент-Экзюпери, взгляд учёных на эту проблему выразил американский физик Ричард Фейнман: «Поэты утверждают, что наука лишает звёзды красоты. Для неё звёзды – просто газовые шары. Совсем не просто. Я тоже любуюсь звёздами и чувствую их красоту. Вот только кто из нас видит больше?».

    Благодаря развитию наблюдательных технологий астрономы получили возможность исследовать не только видимое, но и не видимое глазу излучение звёзд. Сейчас уже многое известно об их строении и эволюции, хотя немало остаётся и непонятного. Ещё впереди то время, когда исполнится мечта создателя современной науки о звёздах Артура Эддингтона и мы, наконец «сможем понять такую простую вещь, как звезда». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    7. Литература  

    1.Энциклопедия  для детей. Т.8. Астрономия. – 2-е  изд., испр. /Глав. ред. М.Д. Аксёнова. – М.: Аванта+, 1998.

    2. И.С. Шкловский. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – М.: Наука, 1997.

    3.  Куликовский Т.П.. Звездная астрономия. М., 1978.

    4.Новиков. И.Д. Эволюция вселенной. М., 1983.

    5.Шкловский  И.С. Звезды, их рождение, жизнь  и смерть. М.: Наука, 1977.

    6. Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов/М.: Академический проспект, 2001.

7.Мур  П. Астрономия с Патриком Муром.  Пер. с англ. К. Савельева/М.: ФАИР-ПРЕСС, 2001.

    8. Стрелков В. Г. Физика и логика эфирной вселенной. – М., 2000.

    9. Эйнштейн А. Эволюция физики/М.: Устойчивый мир, 2001.