Природа и состав звезд

     "Новорожденные" звезды становятся видимыми после того, как рассеется окружавшая их газопылевая оболочка. Иногда нагреваемый газ равномерно и симметрично расширяется в пространстве вокруг звезды, но чаще, особенно у массивных звезд происходит истечение газа узкими потоками (объектами Хербига-Аро) со скоростью до 100-150 км/c: вероятно, газовые струи фокусируются протопланетными дисками (рис. 49).

     При выходе звезды на главную последовательность проходящие в ее недрах процессы могут  вызвать изменения некоторых  основных физических характеристик  звезд и обусловить их пульсации, наблюдаемые как периодическая  переменность блеска.

     "Идеальное"  формирование звезд в ходе  гравитационного сжатия протозвездного  облака без влияния каких-либо  других факторов происходит крайне  редко: так возникают звезды-гиганты  классов О и В, вращающихся вокруг своей оси со скоростью 300-500 км/с за счет неразделенного, вначале ничтожно малого момента импульса облака.

     В реальных условиях на образование звезд  оказывает влияние множество  различных факторов. Роль распространяющихся в газовом облаке ударных волн уже упоминалась. Большое значение может иметь тепловая неустойчивость вещества облака, вращение облака вокруг своей оси и наличие у него магнитного поля.

     Сжимающееся под действием гравитации изначально вращавшееся облако массой 1 М¤ и радиусом 104 R¤ ускоряет свое вращение. На любую частицу в облаке действуют сила гравитации, направленная к его центру, и центробежная сила, имеющая противоположное направление. Чем выше плотность вещества и чем меньше размеры облака, тем быстрее оно вращается, тем больше становится значение центробежной силы, препятствующей сжатию облака в плоскости вращения. Пропорционально сжатию усиливается и магнитное поле облака. Облако сплющивается в диск толщиной 1/8 радиуса облака; вещество падает вдоль оси вращения облака, целиком скапливается в диске и перестает падать к его центру.

     В этот момент под действием усилившегося магнитного поля, за счет турбулентных (вихревых) движений вещества в облаке или других причин может произойти  разделение момента импульса вещества.

     Если  скорость вращения облака была велика, оно может разорваться на два (или значительно реже три и  более) почти не вращающихся, примерно одинаковых по массе фрагмента. Каждый из них сжимается затем под  действием гравитации в протозвезду. Так образуются многие тесные двойные  и кратные звездные системы, компоненты которых обращаются вокруг общего центра тяжести и перемещаются в пространстве как единое целое. По вышеописанному сценарию формируются многие двойные  звездные системы с массой компонент 0,5-10 М¤ и периодом обращения свыше 25d.

     Часто разделения момента импульса между  внешними и внутренними зонами протозвездного облака не происходит. При дальнейшем его сжатии центробежная сила превышает  силу гравитации и центральная часть  облака "рассасывается". Образуется газопылевой тор (кольцо) с наибольшей плотностью вещества на расстоянии 68 а.е. от оси вращения, где центробежная и гравитационная силы уравновешивают друг друга. Спустя всего 10000 лет в результате динамических процессов в торе развиваются два, реже три и более, уплотнения вещества, притягивающие к себе газ и пыль внутри тора. Они сжимаются под действием гравитации и спустя 50000 лет превращаются в протозвезды. Так возникают тесные двойные системы с массой компонент 0,8-1,5 М¤ и периодом обращения около 1-1,5d, а также системы с массой компонент 2,5-8 М¤ и периодом обращения свыше 4d.

     Механизмом  образования двойных и кратных  звездных систем со сравнительно большими расстояниями между компонентами и  существенными различиями в их массе  и других характеристиках является взаимодействие протозвезд, молодых  звезд и протопланетных дисков. В  результате приливного взаимодействия звезды могут, теряя кинетическую энергию, объединяться в пары, а протопланетные диски - обретать наклон к их оси  вращения.

     По  оценкам разных ученых, 50-80 % звезд  в Галактике образуют двойные  системы, и от 5 % до 30 % - входит в состав кратных систем, состоящих из 3 и  более звезд.

     Если  основная часть момента импульса сравнительно медленно вращавшегося протозвездного облака передается внешним зонам, содержащим около 1% его массы, они станут вращаться  еще быстрее и будут быстро сжиматься; а внутренние, образующие ядро облака зоны (99% его массы) прекращают или сильно замедляют свое вращение и сжимаются далее по действием  сил гравитации, образуя протозвезду  так, как это было описано в  первой модели. Так образуются обладающие планетными системами одиночные звезды классов G, К, М, вращающиеся вокруг своей оси со скоростью до 50 км/с (до 30 % звезд Галактики).

     В последние годы современная теория звездообразования подтвердилась  обнаружением нескольких десятков формирующихся  двойных и одиночных протозвезд возрастом 103 - 104 лет.

     Поскольку причинами изменения блеска физических переменных звезд является изменение  их поверхностной температуры и  размеров, изучение данного материала  способствует формированию понятия "светимость". Следует обратить внимание учащихся на общность (универсальность) применения законов физики к описанию качественно  различных явлений и процессов: так, зависимость между цветом (температурой) и периодом колебаний цефеид может быть описана при помощи уравнения колебаний математического маятника.

     Физические  переменные звезды

     Сложность физических процессов, происходящих в недрах звезд на начальных и конечных этапах их эволюции делает неустойчивыми ряд их важнейших характеристик: размеры, светимость, температуру и т. д., в результате чего земные наблюдатели регистрируют изменения блеска этих звезд.

     Звезды, переменность блеска которых обусловлена  происходящими в их недрах процессами, называются физическими переменными. В зависимости от характера переменности их разделяют на несколько групп.

     Пульсирующие  переменные испытывают плавные и  непрерывные изменения блеска, связанные  с колебаниями их радиусов и поверхностных  температур около некоторого среднего значения. При сферически-симметричных пульсациях звезда периодически сжимается  и расширяется, сохраняя форму шара; при не радиальных колебаниях она  принимает форму то вытянутого, то сплюснутого эллипсоида.

     В простейшем случае равномерное сжатие звезды со всех сторон приводит к возрастанию  газового давления в недрах звезды. Возросшее давление будет "расталкивать" звездное вещество и диаметр звезды превысит ее равновесное значение, после чего сила тяжести окажется больше давления газа и будет возвращать его в направлении центра звезды: звезда начнет пульсировать. Период колебаний  звезды при том или ином виде пульсаций  определяется в основном средней  плотностью вещества r cр (полной массой и размерами звезды): .

     Пульсации звезд могут вызвать происходящие в их недрах процессы при выходе звезд на главную последовательность. Таковы цефеиды и лириды.

     Цефеиды (звезды классов F и G) регулярно изменяют свой блеск с амплитудой от 0,5m до 1,5m в течение от 1-3 до 11-30 суток. Так, d Цефея изменяет блеск от 3,5m до 4,3m с периодом 5,37 суток. Средний радиус звезды (около 30 R¤ ) то увеличивается, то уменьшается на 7 % (1,4× 106 км), вместе с ним изменяется температура звезды и ее спектральный класс. Такой режим колебаний "обычных" цефеид называется фундаментальным. У "аномальных" цефеид (таких, как Полярная звезда) внешние и внутренние слои атмосферы колеблются в противофазе - режиме первого обертона. Чем выше светимость цефеиды, тем больше период изменения блеска Р: благодаря этому можно, изменив Р, определить расстояние до звезды или группы звезд в которой она находится (рис. 52-53), - поэтому цефеиды называют "маяками Вселенной". В настоящее время в Галактике известно более 700 цефеид.

     Лириды - звезды-гиганты ранних спектральных классов пульсируют с периодом 0,05-1,2 суток с амплитудами от 0,5m до 2m.

     Существуют  и другие виды пульсирующих переменных.

     У взрывающихся (эруптивных) переменных изменения блеска связаны с внезапным  выделением энергии в результате взрывоподобных процессов, связанных  с различными выбросами вещества из звезд. Таковы молодые переменные звезды типа Т Тельца, UV Кита, и др., а также старые Новые и новоподобные звезды.

     Некоторая небольшая переменность физических характеристик, видимо, свойственна  всем звездам на протяжение всей их эволюции. К группе таких явлений относится солнечная активность, аналоги которой обнаружены у сотен звезд поздних спектральных классов. У отдельных желтых, оранжевых звезд и красных карликов пятна покрывают до 30-40 % площади поверхности (у Солнца – до 0,5 %), что вызывает более чем 10 % колебания блеска.

     Звезды  с просматривающейся, но сильно нарушающейся периодичностью блеска (в основном, гиганты и сверхгиганты поздних  спектральных классов) называют полуправильными переменными. Неправильные переменные звезды изменяют блеск без признаков периодичности. Причинами изменения блеска может быть истечение вещества с образованием колец и дисков в экваториальной области быстровращающихся звезд (g Кассиопеи и другие). 

Заключение 

     Звезды  эволюционируют, и их эволюция необратима, так как все в природе находится в состоянии беспрерывного изменения. Внешние характеристики звезды меняются в течение всей ее жизни. Грандиозные неравновесные процессы происходят в пульсирующих звездах — цефеидах. В недрах звезд происходят мощные термоядерные процессы, обеспечивающие выделение огромного количества энергии. В конечные этапы жизни звезд в них возникают некие упорядоченные состояния, которые не могут быть описаны классической физикой. В нейтронных звездах и белых карликах вещество переходит в новые квантовые состояния, которые ограничивают энергетические потери.

         Обнаружить эти изменения –  вот основная задача теории  звездной эволюции.   

       Библиографический список 

     1 http://worldastronomy.narod.ru/

     2 http://ru.wikipedia.org/wiki/%C7%E2%E5%E7%E4%E0

     3 http://spacetown.narod.ru/index.files/nauka/5.htm

     4 http://www.zauchka.ru/