1. Эволюция звезд

  Известно, что самым распространенным элементом  во Вселенной является водород. Второй по распространенности элемент –  гелий (по числу атомов – 10% от распространенности водорода, по массе – до 30%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах – основное их количество распределено в межзвездном и межгалактическом пространстве. Водород и гелий в межзвездном пространстве находятся, в основном, в атомарном состоянии и служат «исходным сырьем» для образования звезд.

  Распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя плотность вещества в нашей Галактике – примерно 1 атом на 1 см³, но в отдельных областях  эта плотность выше, т.е. наблюдаются флуктуации плотности, которые обусловлены хаотическим движением атомов в пространстве. Таким образом, плотность вещества  в определенной области может существенно превысить среднюю. Если при этом количество вещества в данной области превосходит определенное критическое значение (приблизительно 1000 солнечных масс), то в этой области возникают сильные гравитационные поля, препятствующие разлету газо-пылевого облака – так называемой  глобулы, стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров, заставляя вещество падать к её центру облака. Падая, частицы вещества приобретают кинетическую энергию и разогревают газово-пылевое облако. Имеются многочисленные данные, подтверждающие предположение, что звезды  образуются при конденсации облаков межзвездной пыли и газа.

  Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и переходом их кинетической энергии в тепловую. В результате температура глобулы возрастает. Глобула становится зародышем будущей звезды - протозвездой и начинает светиться, так как энергия движения частиц переходит в тепло. В этой стадии протозвезда едва видна, так, как основная доля её излучения приходится на далёкую инфракрасную область.  Дальнейшее сжатие протозвезды приводит к такому повышению температуры и давления, что становятся возможными термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Протозвезда «разгорается», становится настоящей звездой и «занимает свое место» на Главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рессела. При этом силы тяготения, стремящиеся сжать вещество звезды, уравновешиваются силами внутреннего давления.  Важную роль здесь играет масса звезды. Если масса звезды велика, последняя при рождении попадает на верхнюю часть главной последовательности, диаграммы Герцшпрунга-Рессела, а если масса мала, то звезда оказывается в нижней её части.

  Не  так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды. Таким образом, впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах.

  Типичная  звезда (подобная Солнцу) большую часть  свой жизни медленно «перемещаясь»  вдоль Главной последовательности, сжигая свой водород в термоядерной топке. Солнце, например, движется так  уже 4,5 миллиарда лет, и будет оставаться на Главной последовательности еще примерно 5 миллиардов лет. Более массивные звезды эволюционируют намного быстрее.

  Когда водород в центре звезды исчерпан, она сжимается, что приводит к  увеличению температуры и началу другой термоядерной реакции – превращению гелия в углерод. При этом выделяется огромное количество энергии, и светимость звезды возрастает. Выделение энергии приводит к увеличению радиационного давления и, как следствие, к расширению внешних слоев звезды. В результате расширения вещество внешних слоев охлаждается, и излучение звезды становится все более красным, так что звезда резко смещается от главной последовательности. Расширение продолжается до тех пор, пока диаметр звезды не возрастет в 200-300 раз. Звезда при этом превращается в красного гиганта. Через пять с лишним миллиардов лет такая судьба ожидает Солнце. Вначале, все сильнее и сильнее разогреваясь, оно сожжет Землю, а затем, расширяясь, поглотит то, что от нее останется. Упрощенная диаграмма эволюции типичной звезды (эволюционный трек) приведен на рисунке 1.

  По  достижении стадии красного гиганта  звезда эволюционирует дальше, и ее положение на диаграмме Герцшпрунга  – Рессела сдвигается влево. Примерно через 1% времени жизни звезды она  пересекает Главную последовательность. Солнце, например, совершит этот путь приблизительно за  100 млн. лет. В этот период у большинства звезд нарушается динамическое равновесие, и они начинают пульсировать. Это – так называемые цефеиды.

  После стадии красного гиганта судьба звезды в значительной степени определяется ее массой М (см. схему на рисунке 2).  Звёзды с массой меньшей, чем у Солнца, очень экономно тратят запасы своего ядерного "топлива" и могут светить десятки миллиардов лет. Внешние слои звёзд, подобных нашему Солнцу, с массами не большими 1,4 масс Солнца, постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остаётся маленький и горячий белый карлик. По образному выражению …белый карлик «вызревает» внутри красного гиганта. После того, как последние запасы белого карлика будут израсходованы, он быстро охлаждается, становясь красным, а затем черным карликом.

  Новые и сверхновые звезды. Когда в звезде с М < 1,4 М_С израсходуются остатки ядерного горючего она так же, как и «легкая» звезда начинает двигаться вниз на H-R диаграмме. При этом выделение энергии и светимость звезды уменьшаются, однако, прежде чем произойдет значительное охлаждение звезды, она может пройти стадию неустойчивости, на протяжении которой происходят извержения вещества звезды в пространство. При каждом таком извержении происходит резкое увеличение светимости. Такие звезды называются новыми. Наиболее мощные взрывы называются Сверхновыми звездами. В нашей галактике вспышки Сверхновых были зафиксированы в 1054, 1572, 1604 годах. Кроме этого, обнаружено около 10 туманностей – остатков от вспышек Сверхновых, наиболее известной из которых является Крабовидная туманность в созвездии Тельца. В телескопы наблюдались многочисленные сверхновые в других галактиках.

  Нейтронные  звезды. После взрыва сверхновой ее оболочка сбрасывается, и, распространяясь в разные стороны, образует туманность, в центре которой образуется весьма плотная нейтронная звезда.  Вещество такой  звезды состоит, в основном,  из нейтронов. Эта «нейтронизация» вещества происходит за счет гравитационного коллапса, т.е. сверхмощного сжатия звезды. Нейтронные звезды пульсируют с малым периодом (около 0.001с), однако существуют нейтронные звезды с периодом пульсации порядка 1,4с. Они называются пульсарами. Типичным примером пульсара является нейтронная звезда в Крабовидной Туманности.

  Черные  дыры. При массах звезд от 2 до 10 М_С весьма возможна ситуация, когда после вспышки Сверхновой давление нейтронов уже не может предотвратить гравитационный коллапс. И когда скорость падения в поле тяжести такой звезды становится равной скорости света, гравитационный коллапс неизбежен, и звезда продолжает сжиматься до бесконечности (теоретически – до точечного размера). Для такой звезды существует понятие «гравитационного радиуса» r_g, соответствующему критическому размеру звезды. Сфера соответствующего радиуса называется сферой Шварцшильда (в честь немецкого ученого К. Шварцшильда). С точки зрения классической механики гравитационный радиус – это радиус такого тела, из поля тяжести которого не может вырваться свет.  Таким образом, когда звезда, сжимаясь достигает критического размера, она перестает излучать, сохраняя способность притягивать («засасывать») все, что оказывается в поле ее тяготения. За это она и получила название «черная дыра».

  Впервые существование во Вселенной объектов, обладающих таким полем тяготения, что ничто материальное не может вырваться из их плена, было предсказано еще в 1796 г. Лапласом. Однако вывод о существование черных дыр следует из ОТО (отсюда второе название черных дыр – отоны). Интересно, что сам Альберт Эйнштейн,  создавший общую теорию относительности и гравитации, в 1939 году опубликовал статью,  где доказывал невозможность их существования. Через несколько месяцев после публикации Эйнштейна появилась статья Роберта Оппенгеймера и его студента Снайдера, в которой на основе теории Эйнштейна было показано, как могут возникать черные дыры.

  В настоящее  время теория черных дыр  разработана  в настоящее время достаточно подробно, однако базируется она на совсем ином фундаменте — квантово-статистической механике. Без эффектов, предсказанных именно  квантовой статистикой, каждый астрономический объект мог бы случайно «свалиться» в черную дыру и мир был бы совсем не таким, каков он на самом деле.

  Можно ли обнаружить черные дыры – ведь они  не испускают никакого излучения?. Оказывается можно – косвенным путем. Выше уже говорилось о кратных звездных системах (двойных, тройных звездах). Если одним из компонентов тесной звездной системы является черная дыра, невидимая, но обладающая массой, она будет засасывать вещество звезды-спутника, действуя как «прожорливый вампир». Газовый диск вокруг черной дыры разогревается до десятков миллионов градусов Кельвина и становится исключительно мощным источником рентгеновского излучения. Это излучение и можно обнаружить, и оно действительно обнаруживается. Сейчас «подозреваемыми» на черные дыры являются объекты в созвездиях Лебедь, Стрелец, Скорпион и др. Общее же количество черных дыр во Вселенной должно быть очень большим (в одной нашей Галактике их может быть сотни миллионов).