Строение и эволюция звезд

Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что Солнце дает необходимую для нашего существования энергию и состоит по большей части из водорода. Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, — самый простой «кирпичик», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину: чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах. Солнечный свет излучается фотосферой в результате цепочки механизмов передачи энергии термоядерных реакций.

Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода, очень массивные звезды производят углерод — главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны звезды. Земля производит все необходимые вещества для поддержания жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос наука ответить не может, но она может заставить пас еще раз задуматься над ним. Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек комуто нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной — значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, не отрываясь от реальности нашего бытия.

Принятие модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло на модели образования небесных тел. Сейчас общепринято, что звезды происходят из «мини-островов», о которых говорилось в главе 7. Как только водородное облако становится звездой, выходящее из него излучение начинает противодействовать сжатию. «В процессе взаимодействия между веществом и излучением устанавливается равновесие; давление направленного наружу излучения точно уравновешивается давлением гравитации, создаваемой веществом. Это состояние чрезвычайно устойчиво, и дальнейшее сжатие звезды предотвращено до тех пор, пока в ее центре производится достаточное количество излучения. Размер звезд остается постоянным, пока происходит слияние водорода в гелий. Это равновесие объясняет, почему Солнце настолько устойчиво и не свертывается в себя или не взрывается»¹.

Модель расширяющейся Вселенной встретилась с некоторыми трудностями обоснования, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 г. гипотеза о наличии во Вселенной невидимых «черных дыр», которые хранят ⁹/₁₀ ^мас" сы Вселенной (т.е. столько, сколько недостает). Дж. Уилер назвал их черными дырами, потому что они не излучают свет, а любой объект, приблизившийся к ним на слишком малое расстояние, никогда не возвращается назад.

Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Быстрое гравитационное сжатие называется гравитационным коллапсом. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость большую, чем скорость света, что невозможно по теории относительности. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает и, стало быть, ее невозможно обнаружить. Границей «черной дыры» является горизонт события, находясь на котором можно еще не быть поглощенным ею. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Различают три возможных типа «черных дыр»: 1) образующиеся на поздних стадиях эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные «черные дыры» в ядрах галактик; 3) первичные «черные дыры», образовавшиеся на ранних стадиях развития Вселенной. Поскольку теоретически Вселенная может порождать другие Вселенные из своих «черных дыр», появилась гипотеза множественности Вселенных (мультимира), которую в настоящее время невозможно эмпирически подтвердить или опровергнуть. Существует и гипотеза испарения «черных дыр», в результате которого они исчезают. Сами черные дыры еще не обнаружены, хотя астрономы ведут наблюдения над «кандидатами» в черные дыры.

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию звезды, и не испускающие — планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Промежуточное между звездой и планетой тело — коричневый карлик. В его недрах нет термоядерных реакций из-за низкой температуры, но он светится за счет гравитационного сжатия (интервал масс 0,01—0,008 массы Солнца). В 1995 г. у одной из звезд удалось открыть планету, вращающуюся вокруг нее. В настоящее время считается, что планетные системы существуют вокруг нескольких миллиардов звезд. Условия на некоторых планетах могут быть благоприятными для существования на них жизни (так называемые зоны жизни).

Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятков миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино. Звезды — это «фабрики» по производству химических элементов и источники света и жизни. Большинство звезд состоит из водорода и гелия, и в их недрах происходит термоядерная реакция превращения водорода в гелий, которая имела место и в течение Большого взрыва. Большие массивные звезды производят непрерывную цепочку термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и т. д., вплоть до элементов группы железа. Этот процесс происходил в недрах звезд миллиарды лет после Большого взрыва, в течение которого могли быть произведены только водород и гелий. Более тяжелые, чем водород и гелий, элементы синтезируются и при вспышках сверхновых звезд.

Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр, — переменные звезды (Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн лет. Существуют очень крупные звезды — красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет V50000 ^()Т солнечного (10—20 км); они называются так, потому что состоят из огромного сгустка нейтронов. Нейтронные звезды образуются из звезд с определенной массой железных ядер на поздних стадиях их эволюции.

Когда горючее исчерпывается, звезда начинает коллапсировать. Электроны останавливают коллапс обычной звезды. В недрах более массивных звезд гравитационное давление уменьшает расстояние между частицами до такого, в пределах которого начинает действовать слабая сила. Протоны начинают объединяться с электронами, превращаясь в нейтроны. Последние предотвращают дальнейший коллапс. «Внешние области звезды выбрасываются во внешнее пространство, и огромное количество энергии освобождается в таком процессе. Яркость звезды увеличивается на много порядков. Когда смотрят издалека, звезда кажется взорвавшейся, и такое явление называют вспышкой сверхновой. Это то самое время, когда производятся самые тяжелые элементы из-за экстремальных температур, которые достигаются в этот период»¹. «Быстрое сжатие (коллапс) железного ядра звезды… приводит к образованию нейтронной звезды радиусом около 10 км и плотностью вещества, достигающей сотен миллионов см³*.^[1][2] Энергия вращения преобразуется в направленное радиоизлучение, благодаря которому эти объекты были обнаружены в 1967 г. и названы пульсарами. Пульсары — космические источники радио-оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов 0,03—4 с, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд.

А в 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) — самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их.

К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).

Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс. Таким образом, помимо Большого взрыва есть еще и меньшие взрывы, в результате которых рождаются звезды.

В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» — звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7 до 30 тыс. градусов) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.

Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет.

Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра».

Процесс эволюции звезд представлен на рис 2.

Белые карлики и нейтронные звезды затем могут снова участвовать в процессе звездообразования. Наличие в спектре нашего Солнца следов углерода, кислорода и других элементов, которые не могли образоваться на самом Солнце, свидетельствует о том, что оно сформировалось из материала, некогда входившего в состав вырабатывавших тяжелые химические элементы звезд. Что касается «черных дыр», то помимо гипотезы образования из них новых вселенных, существует гипотеза об их постепенном испарении и последующем исчезновении.

Рис. 2. Эволюция звезд.

• [1] Линдсей Д. Э. Указ. соч. С. 205.
• [2] Черепащук А. М, Чернин А. Д. Указ. соч. С. 71.