Физическая природа солнца и звезд сообщение. Презентация на тему "физическая природа звезд". Не такие уж новые

Невооруженным глазом люди могут увидеть примерно

6 тыс. звезд.

Звезды различны по:

Строению

Массе

Температуре (цвету)

Возрасту

Размерам

Светимости

Масса звезд

Достоверно определить массу звезды можно, только если она является компонентом двойной звезды. В этом случае массу можно вычислить, используя обобщённый третий закон Кеплера. Но даже при этом оценка погрешности составляет от 20 % до 60 % и в значительной степени зависит от погрешности определения расстояния до звезды. Во всех прочих случаях приходится определять массу косвенно, например, из зависимости масса - светимость

Цвет и температура звезд

Легко заметить, что звезды имеют различные цвета - одни белые, другие желтые, третьи красные и т. п. Белый цвет имеют, например, Сириус и Вега, желтый - Капелла, красный - Бетельгейзе и Антарес. Звезды различных цветов имеют различные спектры и различные температуры. Подобно накаливаемому куску железа, белые звезды более горячие, а красные - менее.

Арктур

Ригель

Антарес

Светимость звезд

Звезды, как и Солнце, излучают энергию в диапазоне всех длин волн электромагнитных колебаний. Вы знаете, что светимость (L) характеризует общую мощность излучения звезды и представляет одну из важнейших ее характеристик. Светимость пропорциональна площади поверхности (фотосферы) звезды (или квадрату радиуса R) и четвертой степени эффективной темпера туры фотосферы (Т), т. е.

L = 4 π R 2 о T 4

• Исаак Ньютон (1643-1727) в 1665г. разложил свет в спектр и объяснил его природу. Уильям Волластон в 1802г. наблюдал темные линии в солнечном спектре, а в 1814г. их независимо обнаружил и подробно описал Йозеф фон ФРАУНГОФЕР (1787-1826). Выделено 754 линии в солнечном спектре.

• Распределение цветов в спектре = O B A F G K M = запомнить можно, к примеру, по тексту:

Один бритый англичанин финики жевал как морковь.

• от 380 до 470 нм имеют фиолетовый и синий цвет.
• от 470 до 500 нм - сине-зеленый.
• от 500 до 560 нм - зеленый.
• от 560 до 590 нм - желто-оранжевый.
• от 590 до 760 нм - красный.

• Сверхгиганты
• Гиганты
• Карлики

– это звезды в сотни раз больше нашего Солнца.

Звезда Бетельгейзе (Орион) превышает радиус Солнца в 400 раз.

Находится в созвездии Орион,

превышает радиус Солнца в 400 раз.

– в десятки раз больше Солнца

Регул (Лев), Альдебаран (Телец) – в 36 раз больше Солнца.

– это звезды по размерам как наше Солнце или меньше его

• Белый карлик Лейтена
• Звезда Вольф 457

• Переменные звезды изменяют свой блеск.
• Бывают также и двойные - две близко расположенные звезды, связанные взаимным притяжением.

• Эта звезда находится в созвездии Большого Пса
• Сириус можно наблюдать из любого региона Земли, за исключением самых северных её областей.
• Сириус удалён на 8,6 световых лет от Солнечной системы и является одной из ближайших к нам звёзд.

Космос - звезды и планеты, галактики и туманности — огромный загадочный мир, понять который с древних времен хотят люди. Сначала астрология, а затем и астрономия стремились познать законы протекающей на его просторах жизни. Сегодня можно смело говорить, что нам известно многое, но внушительная часть процессов и явлений имеет лишь предположительное объяснение. Физическая природа звезд — один из широко обсуждаемых вопросов в астрономии. Сегодня в целом картина ясна, однако остаются и пробелы в наших знаниях о небесных светилах.

Бесчисленное количество

Любая звезда представляет собой газовый шар, постоянно испускающий свет. Силы гравитации и внутреннего давления предотвращают его разрушение. Физическая природа звезд такова, что в ее недрах постоянно протекают Они прекращаются лишь на определенных стадиях развития светила, о чем будет сказано ниже.

При хороших погодных условиях и отсутствии искусственного освещения на небе можно разглядеть до 3000 тысяч звезд в каждом полушарии. Однако это лишь малая часть того количества, что наполняет космос. Самая близкая к нам звезда — это Солнце. Изучая его поведение, ученые очень многое узнают о светилах вообще. Наиболее близкая звезда вне Солнечной системы — Проксима Центавра. Ее отделяет от нас примерно 4,2

Параметры

Наука о звездах знает сегодня достаточно, чтобы понимать, как влияют на их эволюцию основные характеристики. Наиболее важными параметрами для любого светила являются масса и состав. Они определяют продолжительность существования, особенности прохождения разных этапов и все прочие характеристики, например, спектр, размер, блеск. Однако в силу огромного расстояния, отделяющего нас от всех звезд, кроме Солнца, не всегда есть возможность получить точные данные о них.

Масса

В современных условиях более или менее точные данные о массе звезд можно получить только в том случае, если они являются компаньонами двойной системы. Однако и такие вычисления дают достаточно высокую погрешность — от 20 до 60%. Для остальных звезд масса вычисляется косвенно. Ее выводят из различных известных соотношений (например, масса — светимость).

Физическая природа звезд с изменением этого параметра остается прежней, но многие процессы начинают течь в несколько иной плоскости. Масса непосредственно влияет на тепловое и механическое равновесие всего Чем она больше, тем значительнее газовое давление и температура в центре звезды, а также количество вырабатываемой термоядерной энергии. Для поддержания теплового равновесия светило должно излучить столько же, сколько образовалось в его недрах. Для этого происходит изменение диаметра звезды. Подобные изменения продолжаются, пока не установятся оба типа равновесия.

Химический состав

Основа звезды — это водород и гелий. Кроме них, в состав в разном соотношении входят и более тяжелые элементы. «Полный набор» свидетельствует о возрасте и поколении светила, указывает на некоторые другие его свойства.

Процентное содержание более тяжелых элементов крайне мало, однако именно они влияют на скорость протекания термоядерного синтеза. Его замедление и ускорение отражается на яркости, цвете и светила. Знание химического состава звезды позволяет без труда определить время ее образования.

Рождение звезды

Процесс формирования светил еще недостаточно изучен. Полному пониманию картины мешают огромные расстояния и невозможность непосредственного наблюдения. Однако сегодня существует общепринятая концепция, описывающая рождение звезды. Кратко остановимся на ней.

По-видимому, светила образуются из межзвездного газа, сжимающегося под действием собственной гравитации. При этом энергия тяготения преобразуется в тепло — растет температура сформировавшейся глобулы. Завершается этот процесс, когда ядро разогревается до нескольких миллионов Кельвинов и запускается образование более тяжелых, чем водород, элементов (нуклеосинтез). Такой звезда остается достаточно длительное время, располагаясь на Главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела.

Красный гигант

Следующий этап эволюции начинается после исчерпания ядром всего топлива. Весь водород в центре звезды превращается в гелий и его горение продолжается во внешних оболочках светила. Космическое тело начинает изменяться. Увеличивается его светимость, внешние слои расширяются, а внутренние, наоборот, сжимаются, временно снижается яркость, падает температура поверхности. Звезда сходит с Главной последовательности и становится красным гигантом. В таком состоянии светило проводит гораздо меньшее время своей жизни, чем на предыдущей стадии.

Необратимые изменения

Вскоре (по космическим меркам) ядро снова начинает сжиматься, не выдерживая собственного веса. Возрастающая температура при этом стимулирует начало синтеза из гелия более тяжелых элементов. На таком топливе звезда также может просуществовать достаточно долго. Дальнейшие события зависят от первоначальных параметров светила. Массивные звезды проходят еще несколько стадий, когда в качестве топлива начинает выступать сначала углерод (образовался из гелия), а затем кремний (образовался из углерода). В результате переработки последнего образуется железо. К этому моменту наступает завершающая стадия жизни звезды, когда она может преобразоваться в нейтронную. Однако большинство светил после выгорания всего водорода в красном гиганте превращаются в белых карликов.

Не такие уж новые

Нужно заметить, что не всякая яркая звезда, внезапно загоревшаяся на небе, является «новорожденной». Как правило, это так называемая переменная — светило, чей блеск со временем изменяется. Объекты, обозначаемые в астрономии как «новая звезда», также не относятся к только что появившимся телам. Они относятся к катаклизмическим переменным, достаточно резко меняющим свой блеск. Однако сверхновые их в этом значительно опережают: амплитуда изменения у них может составлять до 9 величин. Впрочем, оба эти типа светил — тема для отдельных статей.

Физическая природа звезд во многом сегодня понятна, хотя нет гарантии, что новые данные не опровергнут устоявшиеся теории. Принятые гипотезы и идеи доминируют в науке лишь до того момента, пока могут объяснить наблюдаемые феномены. Каждая новая звезда, обнаруженная на просторах Вселенной, выявляет астрономии. Существующее понимание космических процессов далеко в нем есть достаточно обширные пробелы, касающиеся, например, процесса формирования черных дыр, сверхновых и так далее. Однако, независимо от состояния теории, небесные светила продолжают радовать нас по ночам. В сущности, яркая звезда не перестанет быть прекрасной, если мы полностью познаем ее природу. Или же, наоборот, прекратим всякое изучение.

Распределение цветов в спектре =К О Ж З Г С Ф = запомнить можно например по тексту: Как однажды Жак Звонарь городской сломал фонарь. Исаак Ньютон (1643-1727) в 1665 г разложил свет в спектр и объяснил его природу. Уильям Волластон в 1802 г наблюдал темные линии в солнечном спектре, а в 1814 г их независимо обнаружил и подробно описал Йозеф фон ФРАУНГОФЕР (1787-1826, Германия) (они называются линиями Фраунгофера) 754 линии в солнечном спектре. В 181 4 г он создал прибор для наблюдения спектров - спектроскоп. В 1959 г Г. КИРХГОФ, работая вместе с Р. БУНЗЕН с 1854 г, открыли спектральный анализ, назвав спектр непрерывным и сформулировали законы спектрального анализа, что послужило основой возникновения астрофизики: 1. Нагретое твердое тело дает непрерывный спектр. 2. Раскаленный газ дает эмиссионный спектр. 3. Газ, помещенный перед более горячим источником, дает темные линии поглощения. У. ХЕГГИНС первым применив спектрограф начал спектроскопию звезд. В 1863 г показал, что спектры Солнца и звезд имеют много общего и что их наблюдаемое излучение испускается горячим веществом и проходит через вышележащие слои более холодных поглощающих газов.

Физическая природа звезд..doc

Картинками

Тема: Физическая природа звезд. Ход урока: I. Новый материал 1. Спектры звезд Распределение цветов в спектре =К О Ж З Г С Ф = запомнить можно например по тексту: Как однажды Жак Звонарь городской сломал фонарь. Исаак Ньютон (1643­1727) в 1665г разложил свет в спектр и объяснил его природу. Уильям Волластон в 1802г наблюдал темные линии в солнечном спектре, а в 1814г их независимо обнаружил и подробно описал Йозеф фон ФРАУНГОФЕР (1787­1826, Германия) (они называются линиями Фраунгофера) 754 линии в солнечном спектре. В 1814г он создал прибор для наблюдения спектров ­ спектроскоп. В 1959г Г. КИРХГОФ, работая вместе с Р. БУНЗЕН с 1854г, открыли спектральный анализ, назвав спектр непрерывным и сформулировали законы спектрального анализа, что послужило основой возникновения астрофизики: 1. Нагретое твердое тело дает непрерывный спектр. 2. Раскаленный газ дает эмиссионный спектр. 3. Газ, помещенный перед более горячим источником, дает темные линии поглощения. У. ХЕГГИНС первым применив спектрограф начал спектроскопию звезд. В 1863г показал, что спектры Солнца и звезд имеют много общего и что их наблюдаемое излучение испускается горячим веществом и проходит через вышележащие слои более холодных поглощающих газов. Спектры звезд – это их паспорт с описанием всех звездных закономерностей. По спектру звезды можно узнать ее светимость, расстояние до звезды, температуру, размер, химический состав ее атмосферы, скорость вращения вокруг оси, особенности движения вокруг общего центра тяжести. 2. Цвет звезд ЦВЕТ ­ свойство света вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения. Свет разных длин волн  возбуждает разные цветовые ощущения: от 380 до 470 нм имеют фиолетовый и синий цвет, от 470 до 500 нм - сине­зеленый, от 500 до 560 нм - зеленый, от 560 до 590 нм - желто­оранжевый, от 590 до 760 нм - красный. Однако цвет сложного излучения не определяется однозначно его спектральным составом. Глаз чувствителен к длине волны, несущей максимальную энергию λмах=b/T (закон Вина, 1896г). В начале 20­го столетия (1903-1907гг) Эйнар Герцшпрунг (1873­1967, Дания) первым определяет цвета сотен ярких звезд. 3. Температура звезд

Непосредственно связана с цветом и спектральной классификацией. Первое измерение температуры звезд произведено в 1909г германским астрономом Ю. Шейнер. Температура определяется по спектрам с помощью закона Вина [ поверхности большинства звезд составляет от 2500 К до 50000 К. Хотя например недавно открытая звезда HD 93129A в созвездии Кормы имеет температуру поверхности 220000 К! Самые холодные ­ Гранатовая звезда (m Цефея) и Мира (o Кита) имеют температуру 2300К, а e Возничего А ­ 1600 К. .Т=b, где b=0,2897*107Å.К ­ постоянная Вина]. Температура видимой λ max 4. Спектральная классификация В 1862г Анжело Секки (1818­1878, Италия) дает первую спектральную классическую звезд по цвету, указав 4 типа: Белые, Желтоватые, Красные, Очень красные Гарвардская спектральная классификация впервые была представлена в Каталоге звездных спектров Генри Дрэпера (1884г), подготовленного под руководством Э. Пикеринга. Буквенное обозначение спектров от горячих к холодным звездам выглядит так: O B A F G K M. Между каждыми двумя классами введены подклассы, обозначенные цифрами от 0 до 9. К 1924г классификация окончательно была установлена Энной Кэннон. O5=40000 K А0=11000 В0=25000 M0=3600 K F0=7600 G0=600 K0=5120 К К 0 желтый F ­­­ G ­­­ K K оранжевы й красный K ­­­ M голубой О cр.30000K ­­­ белый В ср.15000K ­­­ А ср.8500K ­­­ ср.6600К ср.5500К ср.4100К ср.2800К Порядок спектров можно запомнить по терминологии: = Один бритый англичанин финики жевал как морковь= Солнце – G2V (V – это классификация по светимости ­ т.е. последовательности). Эта цифра добавлена с 1953 года. | Таблица 13 – там указаны спектры звезд |. 5. Химический состав звезд Определяется по спектру (интенсивности фраунгоферовых линий в спектре).Разнообразие спектров звезд объясняется прежде всего их разной температурой, кроме того вид спектра зависит от давления и плотности фотосферы, наличием магнитного поля, особенностями химического состава. Звезды состоят в основном из водорода и гелия (95­98% массы) и других ионизированных атомов, а у холодных в атмосфере присутствуют нейтральные атомы и даже молекулы. 6. Светимость звезд Звезды излучают энергию во всем диапазоне длин волн, а светимость L= Tσ 44 Rπ 2­ общая мощность излучения звезды. L = 3,876*1026Вт/с. В 1857г Норман Погсон в Оксфорде устанавливает формулу L1/L2=2,512М2­М1. Сравнивая звезду с Солнцем, получим формулу L/L=2,512 М­М, откуда логарифмируя получим lgL=0,4 (M ­M) Светимость звезд в большинстве 1,3.10­5L 50 измерено) с помощью интерферометра Майкельсона. Впервые измерен угловой диаметр 1920г = Альберт Майкельсон и Франсис Пиз. Ориона­ Бетельгейзе 3декабря α

2) Через светимость звезды L=4 Rπ 2 Tσ 4в сравнении с Солнцем. 3) По наблюдениям затмения звезды Луной определяют угловой размер, зная расстояние до звезды. По своим размерам, звезды делятся (название: карлики, гиганты и сверхгиганты ввел Генри Рессел в 1913г, а открыл их в 1905г Эйнар Герцшпрунг, введя название "белый карлик"), введены с 1953 года на: Гиганты (III) Субгиганты (IV) Сверхгиганты (I)   Яркие гиганты (II)    Карлики главной последовательности (V)   Субкарлики (VI) Белые карлики (VII) Размеры звезд колеблются в очень широких пределах от 104 м до 1012 м. Гранатовая звезда m Цефея имеет диаметр 1,6 млрд. км; красный сверхгигант e Возничего А имеет размеры в 2700R ­ 5,7 млрд. км! Звезды Лейтена и Вольф­475 меньше Земли, а нейтронные звезды имеют размеры 10 ­ 15 км. 8. Масса звезд ­ одна из важнейших характеристик звезд, указывающая на ее эволюцию, т.е. определяет жизненный путь звезды. Способы определения: 1. Зависимость масса­светимость, установленная астрофизиком А.С. Эддингтон (1882­1942, Англия). L m≈ 3,9 ρ ρ α =6,4*10 2. Использование 3 уточненного закона Кеплера, если звезды физически двойные (§26) Теоретически масса звезд 0,005M (предел Кумара 0,08M) 105 50–100 102–103 0,000001 104–105 105 106 <0,000001 0,001

Федеральное агенство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Челябинский государственный педагогический университет» (ГОУ ВПО «ЧГПУ»)

РЕФЕРАТ ПО КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Тема: Физическая природа звезд

Выполнила: Рапохина Т. И.
543 группа
Проверила: Баркова В.В.

Челябинск – 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………… ………………3
Глава 1. Что такое звезда………………………………………………………4

Сущность звезд…………………………………………………………….. .4
Рождение звезд………………………………………………………………7

1.2 Эволюция звезд……………… …………………………………………… 10
1.3 Конец звезды……………………………………………………………… .14
Глава 2. Физическая природа звезд…………………………………………..24
2.1 Светимость ………………………………………………… …………….24
2.2 Температура………………………………………………… …………..…26
2.3 Спектры и химический состав звезд…………………………….…… ……27
2.4 Средние плотности звезд………………………………………………….28
2.5 Радиус звезд………………………………………………………………… .39
2.6 Масса звезд………………………………………………………………… 30
Заключение…………………………………………………… ………………..32
Список литературы………………………………… …………………………33
Приложение…………………………………………………… ………………34

ВВЕДЕНИЕ

Ничего нет более простого, чем звезда...
(А. С. Эддингтон)

Испокон веков Человек старался дать название предметам и явлениям, которые его окружали. Это относится и к небесным телам. Сначала названия получили самые яркие, хорошо видимые звёзды, с течением времени – и другие.
Открытие звёзд, видимый блеск которых со временем меняется, привело к специальным обозначениям. Они обозначаются прописными латинскими буквами, за которыми следует название созвездия в родительном падеже. Но первая переменная звезда, обнаруженная в каком-то созвездии, обозначается не буквой A. Отсчёт ведётся от буквы R. Следующая звезда обозначается буквой S и так далее. Когда все буквы алфавита исчерпаны, начинается новый круг, то есть после Z снова используется A. При этом буквы могут удваиваться, например «RR». «R Льва» означает, что это первая открытая переменная звезда в созвездии Льва.
Звезды очень интересны для меня, поэтому я решила написать реферат именно на эту тему.
Звезды - это далекие солнца, по этому, изучая природу звезд, мы будем сравнивать их физические характеристики с физическими характеристиками Солнца.

Глава 1. ЧТО ТАКОЕ ЗВЕЗДА
1.1 СУЩНОСТЬ ЗВЕЗД
При внимательном разглядывании звезда представляется светящейся точкой, иногда с расходящимися лучами. Явление лучей связано с особенностью зрения и не имеет отношения к физической природе звезды.
Любая звезда - это удаленное от нас солнце. Ближайшая из звезд - Проксима - находится в 270000 раз дальше от нас, чем Солнце. Самая яркая звезда неба Сириус в созвездии Большой Пёс, расположенная на расстоянии 8x1013км, имеет примерно такую же яркость, как и 100-ваттная электрическая лампочка на расстоянии 8 км (если не учитывать ослабление света в атмосфере). Но для того, чтобы лампочка была видна под таким же углом, под которым виден диск далёкого Сириуса, ее диаметр должен быть равен 1 мм!
При хорошей видимости и нормальном зрении над горизонтом одновременно можно увидеть около 2500 звёзд. Имеют собственные имена 275 звезд, например, Алголь, Альдебаран, Антарес, Альтаир, Арктур, Бетельгейзе, Вега, Гемма, Дубхе, Канопус (вторая по яркости звезда), Капелла, Мицар, Полярная (путеводная звезда), Регул, Ригель, Сириус, Спика, Сердце Карла, Тайгета, Фомальгаут, Шеат, Этамин, Электра и др.
Вопрос, сколько звезд в данном созвездии, лишен смысла, так как ему недостает конкретности. Для ответа необходимо знать остроту зрения наблюдателя, время, когда ведутся наблюдения (от этого зависит яркость неба), высоту созвездия (у горизонта трудно обнаружить слабую звезду из-за атмосферного ослабления света), место наблюдения (в горах атмосфера чище, прозрачнее - поэтому видно больше звезд) и т.д. В среднем на одно созвездие приходится примерно 60 звезд, наблюдаемых невооруженным глазом (у Млечного Пути и в больших созвездиях - больше всего). Например, в созвездии Лебедь можно насчитать до 150 звёзд (область Млечного Пути); а в созвездии Лев - только 70. В небольшом созвездии Треугольник видно всего 15 звезд.
Если же учитывать звезды до 100 раз более слабые, чем самые слабые звезды, ещё различимые зорким наблюдателем, то в среднем на одно созвездие будет приходится около 10000 звезд.
Звезды различаются не только по их яркости, но и по цвету. Например, Альдебаран (созвездие Телец), Антарес (Скорпион), Бетельгейзе (Орион) и Арктур (Волопас) - красные, а Вега (Лира), Регул (Лев), Спика (Дева) и Сириус (Большой Пёс) - белые и голубоватые.
Звезды мерцают. Это явление хорошо заметно у горизонта. Причина мерцания - оптическая неоднородность атмосферы. Прежде, чем попасть в глаз наблюдателя, свет звезды пересекает в атмосфере множество мелких неоднородностей. По своим оптическим свойствам они похожи на линзы, концентрирующие или рассеивающие свет. Непрерывное перемещение таких линз и является причиной мерцания.
Причину изменения цвета при мерцании поясняет рис.6, из которого видно, что синий (с) и красный (к) свет от одной и той же звезды перед тем, как попасть в глаз наблюдателя (О), проходит в атмосфере неравные пути. Это - следствие неодинакового преломления в атмосфере синего и красного света. Несогласованность колебаний яркости (вызванных разными неоднородностями) приводит к разбалансировке цветов.

Рис.6.
В отличие от общего мерцания, цветовое можно заметить только у звезд близких к горизонту.
У некоторых звезд, названных переменными звездами, изменения яркости происходят гораздо более медленно и плавно, чем при мерцании, рис. 7. Например, звезда Алголь (Дьявол) в созвездии Персей меняет свою яркость с периодом 2,867 суток. Причины “переменности” звезд многообразны. Если две звезды обращаются вокруг общего центра масс, то одна из них может периодически закрывать другую (случай Алголя). Кроме того, некоторые звезды меняют яркость в процессе пульсации. У других звезд яркость изменяется при взрывах на поверхности. Иногда взрывается вся звезда (тогда наблюдается сверхновая звезда, светимость которой в миллиарды раз превосходит солнечную).

Рис.7.
Движения звезд друг относительно друга со скоростями в десятки километров в секунду приводят к постепенному изменению звездных узоров на небе. Однако продолжительность жизни человека слишком мала, чтобы такие изменения удалось заметить при наблюдениях невооружённым глазом.

1.2 РОЖДЕНИЕ ЗВЕЗД

Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу утверждения, что звезды образуются путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд из этой среды продолжается и в настоящее время. Выяснение этого обстоятельства является одним из крупнейших достижений современной астрономии. Еще сравнительно недавно считали, что все звезды образовались почти одновременно много миллиардов лет назад. Крушению этих метафизических представлений способствовал, прежде всего, прогресс наблюдательной астрономии и развитие теории строения и эволюции звезд. В результате стало ясно, что многие наблюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли тогда, когда на Земле уже был человек.
Важным аргументом в пользу вывода о том, что звезды образуются из межзвездной газово-пылевой среды, служит расположение групп заведомо молодых звезд (так называемых «ассоциаций») в спиральных ветвях Галактики. Дело в том, что согласно радиоастрономическим наблюдениям межзвездный газ концентрируется преимущественно в спиральных рукавах галактик. В частности, это имеет место и в нашей Галактике. Более того, из детальных «радио изображений» некоторых близких к нам галактик следует, что наибольшая плотность межзвездного газа наблюдается на внутренних (по отношению к центру соответствующей галактики) краях спирали, что находит естественное объяснение, на деталях которого мы здесь останавливаться не будем. Но именно в этих частях спиралей наблюдаются методами оптической астрономии «зоны Н Н», т. е. облака ионизованного межзвездного газа. Причиной ионизации таких облаков может быть только ультрафиолетовое излучение массивных горячих звезд - объектов заведомо молодых.
Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. В прошлом веке и в начале этого века предлагались различные гипотезы о природе источников энергии Солнца и звезд. Некоторые ученые, например, считали, что источником солнечной энергии является непрерывное выпадение на его поверхность метеоров, другие искали источник в непрерывном сжатии Солнца. Освобождающаяся при таком процессе потенциальная энергия могла бы, при некоторых условиях» перейти в излучение. Как мы увидим, ниже, этот источник на раннем этапе эволюции звезды может быть довольно эффективным, но он никак не может обеспечить излучение Солнца в течение требуемого времени.
Успехи ядерной физики позволили решить проблему источников звездной энергии еще в конце тридцатых годов нашего столетия. Таким источником являются термоядерные реакции синтеза, происходящие в недрах звезд при господствующей там очень высокой температуре (порядка десяти миллионов градусов).
В результате этих реакций, скорость которых сильно зависит от температуры, протоны превращаются в ядра гелия, а освобождающаяся энергия медленно "просачивается" сквозь недра звезд и в конце концов, значительно трансформированная, излучается в мировое пространство. Это исключительно мощный источник. Если предположить, что первоначально Солнце состояло только из водорода, который в результате термоядерных реакций целиком превратится в гелий, то выделившееся количество энергии составит примерно 10 52 эрг. Таким образом, для поддержания излучения на наблюдаемом уровне в течение миллиардов лет достаточно, чтобы Солнце "израсходовало" не свыше 10% своего первоначального запаса водорода.
Теперь мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Строго говоря, этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжения отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься. Некоторые астрономы раньше считали, что такие протозвезды наблюдаются в отдельных туманностях в виде очень темных компактных образований, так называемых глобул. Успехи радиоастрономии, однако, заставили отказаться от такой довольно наивной точки зрения. Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам. Весьма вероятно, (что на этом самом раннем этапе эволюции звезды вокруг нее образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты.
При сжатии протозвезды температура ее повышается и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным. Коль скоро поток излучения с единицы поверхности пропорционален четвертой степени температуры (закон Стефана - Больцмана), температура поверхностных слоев звезды сравнительно низка, между тем как ее светимость почти такая же, как у обычной звезды с той же массой. Поэтому на диаграмме "спектр -светимость" такие звезды расположатся вправо от главной последовательности, т. е. попадут в область красных гигантов или красных карликов, в зависимости от значений их первоначальных масс.
В дальнейшем протозвезда продолжает сжиматься. Ее разморы становятся меньше, а поверхностная температура растет вследствие чего спектр становится все более ранним. Таким образом, двигаясь по диаграмме "спектр - светимость", протозвезда довольно быстро "сядет" на главную последовательность. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для тою, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давление газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение и газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой.

Великолепные колонны, состоящие главным образом из газообразного водорода и пыли дают начало новорождённым звёздам внутри туманности Орла.

Фото: NASA, ESA, STcI, J Hester and P Scowen (Arizon State University)

1.3 ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Чтобы пройти самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше - несколько сот миллионов лет. Так как время эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту самую раннюю фазу развития звезды обнаружить трудно. Все же звезды в такой стадии, по-видимому, наблюдаются. Мы имеем в виду очень интересные звезды типа Т Тельца, обычно погруженные в темные туманности.
В 5966 г. совершенно неожиданно выявилась возможность наблюдать протозвезды на ранних стадиях их эволюции. Велико же было удивление радиоастрономов, когда при обзоре неба на волне 18 см, соответствующей радиолинии ОН, были обнаружены яркие, чрезвычайно компактные (т. е. имеющие малые угловые размеры) источники. Это было настолько неожиданно, что первое время отказывались даже верить, что столь яркие радиолинии могут принадлежать молекуле гидроксила. Была высказана гипотеза, что эти линии принадлежат какой-то неизвестной субстанции, которой сразу же дали "подходящее" имя "мистериум". Однако "мистериум" очень скоро разделил судьбу своих оптических "братьев" - "небулия" и "короння". Дело в том, что многие десятилетия яркие линии туманностей и солнечной короны не поддавались отождествлению с какими бы то ни было известными спектральными линиями. Поэтому их приписывали неким, неизвестным на земле, гипотетическим элементам - "небулию" и "коронию". В 1939-1941 гг. было убедительно показано, что загадочные линии "корония" принадлежат многократно ионизованным атомам железа, никеля и кальция.
Если для "развенчания" "небулия" и "корония" потребовались десятилетия, то уже через несколько недель после открытия стало ясно, что линии "мистериума" принадлежат обыкновенному гидроксилу, но только находящемуся в необыкновенных условиях.
Итак, источники "мистериума" - это гигантские, природные космические мазеры, работающие на волне линии гидроксила, длина которой 18 см. Именно в мазерах (а на оптических и инфракрасных частотах - в лазерах) достигается огромная яркость в линии, причем спектральная ширина ее мала. Как известно, усиление излучения в линиях благодаря такому эффекту возможно тогда, когда среда, в которой распространяется излучение, каким-либо способом "активирована". Это означает, что некоторый "сторонний" источник энергии (так называемая "накачка") делает концентрацию атомов или молекул на исходном (верхнем) уровне аномально высокой. Без постоянно действующей "накачки" мазер или лазер невозможны. Вопрос о природе механизма "накачки" космических мазеров, пока еде окончательно не решен. Однако скорее всего "накачкой" служит достаточно мощное инфракрасное излучение. Другим возможным механизмом «накачки» могут быть некоторые химические реакции.
Механизм "накачки" этих мазеров пока еще не совсем ясен, все же можно составить себе грубое представление о физических условиях в облаках, излучающих мазерным механизмом линию 18 см. Прежде всего, оказывается, что эти облака довольно плотны: в кубическом сантиметре там имеется по крайней мере 10 8 -10 9 частиц, причем существенная (а может быть и большая) часть их - молекулы. Температура вряд ли превышает две тысячи градусов, скорее всего она порядка 1000 градусов. Эти свойства резко отличны от свойств даже самых плотных облаков межзвездного газа. Учитывая еще сравнительно небольшие размеры облаков, мы невольно приходим к выводу, что они скорее напоминают протяженные, довольно холодные атмосферы звезд - сверхгигантов. Очень похоже, что эти облака есть не что иное, как ранняя стадия развития протозвезд, следующая сразу за их конденсацией из межзвездной среды. В пользу этого утверждения (которое автор этой книги высказал еще в 1966 г.) говорят и другие факты. В туманностях, где наблюдаются космические мазеры, видны молодые горячие звезды. Следовательно, там недавно закончился и, скорее всего, продолжается и в настоящее время, процесс звездообразования. Пожалуй, самое любопытное это то, что, как показывают радиоастрономические наблюдения, космические мазеры этого типа как бы "погружены" в небольшие, очень плотные облака ионизованного водорода. В этих облаках имеется много космической пыли, что делает их ненаблюдаемыми в оптическом диапазоне. Такие "коконы" ионизуются молодой, горячей звездой, находящейся внутри них. При исследовании процессов звездообразования весьма полезной оказалась инфракрасная астрономия. Ведь для инфракрасных лучей межзвездное поглощение света не так существенно.
Мы можем теперь представить следующую картину: из облака межзвездной среды, путем его конденсации, образуются несколько сгустков разной массы, эволюционирующих в протозвезды. Скорость эволюции различна: для более массивных сгустков она будет больше. Поэтому раньше всего превратится в горячую звезду наиболее массивный сгусток, между тем как остальные будут более или менее долго задерживаться на стадии протозвезды. Их-то мы и наблюдаем как источники мазерного излучения в непосредственной близости от "новорожденной" горячей звезды, ионизующей не сконденсировавший в сгустки водород "кокона". Разумеется, эта грубая схема будет в дальнейшем уточняться, причем, конечно, в нее будут внесены существенные изменения. Но факт остается фактом: неожиданно оказалось, что некоторое время (скорее всего - сравнительно короткое) новорожденные протозвезды, образно выражаясь, "кричат" о своем появлении на свет, пользуясь новейшими методами квантовой радиофизики (т. е. мазерами).
Оказавшись на главной последовательности и перестав сжигаться, звезда длительно излучает практически не меняя своего положения на диаграмме "спектр - светимость". Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет собой как бы геометрическое место точек на диаграмме "спектр - светимость", где звезда (в зависимости от ее массы) может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям. Место звезды на главной последовательности определяется ее массой. Следует заметить, что имеется еще один параметр, определяющий положение равновесной излучающей звезды на диаграмме "спектр- светимость". Таким параметром является первоначальный химический состав звезды. Если относительное содержание тяжелых элементов уменьшится, звезда "ляжет" на диаграмме ниже. Именно этим обстоятельством объясняется наличие последовательности субкарликов. Как уже говорилось выше, относительное содержание тяжелых элементов у этих звезд в десятки раз меньше, чем у звезд главной последовательности.
Время пребывания звезды на главной последовательности определяется ее первоначальной массой. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность и она довольно быстро расходует запасы своего водородного "горючего". Так, например, звезды главной последовательности с массой, превышающей солнечную в несколько десятков раз (это горячие голубые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на этой последовательности всего лишь несколько миллионов лет, в то время как звезды с массой, близкой к солнечной, находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет.
"Выгорание" водорода (т. е. превращение его в гелий при термоядерных реакциях) происходит только в центральных областях звезды. Это объясняется тем, что звездное вещество перемешивается лишь в центральных областях звезды, где идут ядерные реакции, в то время как наружные слон сохраняют относительное содержание водорода неизменным. Так как количество водорода в центральных областях звезды ограниченно, рано или поздно (в зависимости от массы звезды) он там практически весь "выгорит". Расчеты показывают, что масса и радиус центральной ее области, в которой идут ядерные реакции, постепенно уменьшаются, при этом звезда медленно перемещается на диаграмме "спектр - светимость" вправо. Этот процесс происходит значительно быстрее у сравнительно массивных звезд.
Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре "выгорит"? Так как выделение энергии в центральных областях звезды прекращается, температура и давление не могут поддерживаться там на уровне, необходимом для противодействия силе тяготения, сжимающей звезду. Ядро звезды начнет сжиматься, а температура его будет повышаться. Образуется очень плотная горячая область, состоящая из гелия (в который превратился водород) с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в таком состоянии носит название "вырожденного". Он обладает рядом интересных свойств. В этой плотной горячей области ядерные реакции происходить не будут, но они будут довольно интенсивно протекать на периферии ядра, в сравнительно тонком слое. Звезда как бы "разбухает", и начнет "сходить" с главной последовательности, переходя в области красных гигантов. Далее, оказывается, что звезды гиганты с меньшим содержанием тяжелых элементов будут иметь при одинаковых размерах более высокую светимость.

Эволюция звезды класса G на примере Солнца:

1.4 КОНЕЦ ЗВЕЗДЫ
Что произойдет со звездами, когда реакция "гелий - углерод" в центральных областях исчерпает себя, так же как и водородная реакция в тонком слое, окружающем горячее плотное ядро? Какая стадия эволюции наступит вслед за стадией красного гиганта?

Белые карлики

Совокупность данных наблюдений, а также ряд теоретических соображений говорят о том, что на этом этапе эволюции звезды, масса которых меньше, чем 1,2 массы Солнца, существенную часть своей массы, образующую их наружную оболочку, "сбрасывают". Такой процесс мы наблюдаем, по-видимому, как образование так называемых "планетарных туманностей". После того как от звезды отделится со сравнительно небольшой скоростью наружная оболочка, "обнажатся" ее внутренние, очень горячие слои. При этом отделившаяся оболочка будет расширяться, все дальше и дальше отходя от звезды.
Мощное ультрафиолетовое излучение звезды - ядра планетарной туманности - будет ионизовать атомы в оболочке, возбуждая их свечение. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится в белый карлик.
Таким образом белые карлики как бы "вызревают" внутри звезд - красных гигантов - и "появляются на свет" после отделения наружных слоев гигантских звезд. В других случаях сбрасывание наружных слоев может происходить не путем образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения атомов. Так или иначе белые карлики, в которых весь водород "выгорел" и ядерные реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Логическим выводом отсюда является признание генетической связи между самыми поздними этапами эволюции звезд и белыми карликами.

Белые карлики с углеродной атмосферой

На расстоянии 500 световых лет от Земли в созвездии Водолея находится умирающая звезда типа Солнца. За последние несколько тысяч лет эта звезда породила туманность Улитку - хорошо изученную близкую планетарную туманность. Планетарная туманность является обычной конечной стадией эволюции для звезд этого типа. На этом изображении туманности Улитка, сделанном инфракрасной космической обсерваторией показано излучение, приходящее преимущественно от расширяющихся оболочек молекулярного водорода. Пыль, которая обычно присутствует в таких туманностях, должна интенсивно излучать также в инфракрасном диапазоне. Однако кажется, что она отсутствует в этой туманности. Причина может находиться в самой центральной звезде - белом карлике. Эта маленькая, но очень горячая звезда излучает энергию в коротковолновом ультрафиолетовом диапазоне и поэтому не видна на инфракрасном изображении. Астрономы полагают, что со временем это интенсивное ультрафиолетовое излучение могло разрушить пыль. Ожидается, что Солнце также будет проходить стадию планетарной туманности через 5 миллиардов лет.

На первый взгляд, туманность Улитка (или NGC 7293) имеет простую круглую форму. Од-нако теперь стало ясно, что эта хорошо исследованная планетарная туманность, порожденная похожей на Солнце звездой, приближающейся к концу своей жизни, обладает удивительно сложной структурой. Ее протяженные петли и похожие на кометы газопылевые сгустки были исследованы на изображениях, полученных космическим телескопом Хаббла. Однако это четкое изображение туманности Улитка было получено на телескопе с диаметром объектива всего в 16 дюймов (40.6 см), оснащенным камерой и набором широкополосных и узкополосных фильтров. На цветном составном изображении можно увидеть вызывающие интерес детали структуры, включая сине-зеленые радиальные полоски, или спицы, длиной ~1 световой год, которые делают туманность похожей на космическое колесо велосипеда. Присутствие спиц, по-видимому, свидетельствует, что сама туманность Улитка – старая, проэволюционировавшая планетарная туманность. Туманность находится на расстоянии всего в 700 световых лет от Земли в созвездии Водолея.

Черные карлики

Постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые "черные" карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд. Однако финал жизни сравнительно массивных звезд может быть значительно, более драматическим.

Нейтронные звезды

Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то такая звезда, достигнув стадии белого карлика, на том не остановится. Гравитационные силы в этом случае очень велики, что электроны вдавливаются внутрь атомных ядер. В результате изотопы превращаются в нейтроны способные прилетать друг к другу без всяких промежутков. Плотность нейтронных звезд превосходит даже плотность белых карликов; но если масса материала не превосходит 3 солнечных масс, нейтроны, как и электроны, способны сами предотвратить дальнейшее сжатие. Типичная нейтронная звезда имеет в поперечнике всего лишь от 10 до 15 км, а один кубический сантиметр ее вещества весит около миллиарда тонн. Помимо неслыханно громадной плотности, нейтронные звезды обладают еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая на столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнитное поле. В общем, вращаются все звезды, но когда звезда сжимается, скорость ее вращения возрастает - точно так же, как фигурист на льду вращается гораздо быстрее, когда прижимает к себе руки. Нейтронная звезда совершает несколько оборотов в секунду. Наряду с этим исключительно быстрым вращением, нейтронные звезды имеют магнитное поле, в миллионы раз более сильное, чем у Земли.

Хаббл увидел одиночную нейтронную звезду в космосе.

Пульсары

Первые пульсары были открыты в 1968 г., когда радиоастрономы обнаружили регулярные сигналы, идущие к нам из четырех точек Галактики. Ученые были поражены тем фактом, что какие-то природные объекты могут излучать радиоимпульсы в таком правильном и быстром ритме. Вначале правда, ненадолго астрономы заподозрили участие неких мыслящих существ, обитающих в глубинах Галактики. Но вскоре было найдено естественное объяснение. В мощном магнитном поле нейтронной звезды движущиеся по спирали электроны генерируют радиоволны, которые излучаются узким пучком, как луч прожектора. Звезда быстро вращается, и радиолуч пересекает линию нашего наблюдения, словно маяк. Некоторые пульсары излучают не только радиоволны, но и световые, рентгеновские и гамма-лучи. Период самых медленных пульсаров около четырех секунд, а самых быстрых - тысячные доли секунды. Вращение этих нейтронных звезд было по каким-то причинам еще более ускорено; возможно, они входят в двойные системы.
Благодаря проекту распределенных вычислений Einstein@Home на 2012 год найдено 63 пульсара.

Темный пульсар

Сверхновые

Звезды, массы которых не достигают 1,4 солнечной, умирают тихо и безмятежно. А что происходит с более массивными звездами? Как возникают нейтронные звезды и черные дыры? Катастрофический взрыв, которым заканчивается жизнь массивной звезды, - это воистину впечатляющее событие. Это самое мощное из природных явлений, совершающихся в звездах. В мгновение высвобождается больше энергии, чем излучает ее наше Солнце за 10 миллиардов лет. Световой поток, посылаемый одной гибнущей звездой, эквивалентен целой галактике, а ведь видимый свет составляет лишь малую долю полной энергии. Остатки взорвавшейся звезды разлетаются прочь со скоростями до 20 000 км в секунду.
Такие грандиозные звездные взрывы называются сверхновыми. Сверхновые - довольно редкое явление. Каждый год и других галактиках обнаруживают от 20 до 30 сверхновых, главным образом в результате систематического поиска. За столетие в каждой галактике их может быть от одной до четырех. Однако в нашей собственной Галактике сверхновых не наблюдали с 1604 г. Может быть, они и были, но остались невидимыми из-за большого количества пыли в Млечном Пути.

Взрыв сверхновой звезды.

Черные дыры

ОТ звезды, имеющей массу больше, чем три солнечных, и радиус больше 8,85километра, свет уже не сможет уйти от нее в пространство. Уходящий от поверхности луч искривляется в поле силы тяжести так сильно, что возвращается обратно на поверхность. Кванты света
и т.д.................