Эволюция звезд

      ри  современных температурах межзвездного газа (10-30 К) его минимальная масса, которая может конденсироваться, коллапсировать, составляет не менее тысячи масс нашего Солнца. Каждый из образовавшихся фрагментов может в свою очередь разделяться на отдельные фрагменты (так называемая каскадная фрагментация). Последняя серия фрагментов и представляет собой материал, из которого непосредственно формируются звезды.

      По  мере сжатия в таком фрагменте  постепенно выделяются ядро и оболочка. Ядро - это центральная, более плотная  и компактная часть, достигшая гидростатического  равновесия.

      Оболочка - это внешняя, протяженная, продолжающая коллапсировать часть газопылевого фрагмента. (Из материала оболочки впоследствии при ее преобразовании в газопылевой диск могут образовываться окружающие звезду планеты.)

      Процесс конденсации сопровождается возрастанием магнитного поля, ростом давления газа. Долгое время оболочка остается плотной и непрозрачной, что делает рождающуюся звезду невидимой в оптическом диапазоне. (Зато ее можно зафиксировать средствами радио- и инфракрасной астрономии.)

      Так постепенно формируются протозвезды - грандиозные непрозрачные массы  межзвездного газа со сформировавшимся ядром, в которых гравитация уравновешивается силами внутреннего давления.

      С образованием протозвезды рост массы  ее ядра не прекращается. Масса ядра продолжает увеличиваться, а счет выпадения  газа на ядро из оболочки (аккреция). Силы гравитации растут и разогревают ядро, которое претерпевает качественные изменения, в том числе возрастают его светимость и давление излучения. Затем рост ядра и конденсация газа из оболочки прекращаются.

      Оболочка  постепенно «сдувается» излучением и рассеивается. А ядро со стороны приобретает вид звездного объекта. Этот процесс гравитационного сжатия длится относительно недолго (от сотен тысяч до нескольких десятков млн. лет) и заканчивается тогда, когда температура в центре достигает тех значений (10-15 млн. градусов), при которых включается другой источник энергии - термоядерные реакции.

      Сжатие  при этом прекращается, и процесс  звездообразования завершается: протозвезда  окончательно превращается в звезду.

      Теория  звездообразования не только описывает его общий ход, но и позволяет выделить факторы, которые могут замедлять или стимулировать звездообразование. К замедляющим факторам относятся:

      - незначительная масса протозвезды,

      - высокая скорость вращения газопылевого облака,

      - сильное магнитное поле и др.

      Стимулирующими  звездообразование процессами являются:

      - ударные волны, порожденные вспышками сверхновых звезд;

      - ионизационные фронты;

      - столкновение облаков;

      - звездный ветер (поток плазмы от горячих звезд) и др.

        Например, если масса протозвезды очень мала (менее 0,08 массы Солнца), то ее гравитационное сжатие происходит очень медленно, а температура в ядре никогда не достигает значений, необходимых для начала термоядерной реакции. Такие протозвезды будут сжиматься очень и очень долго (время их гравитационного сжатия превышает время жизни Галактики), постепенно превращаясь в так называемые черные карлики.  

      3. Звезда как динамическая саморегулирующаяся система 

      Таким образом, источниками энергии у  большинства звезд являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне. В ходе этих реакций водород превращается в гелий, выделяя громадное количество энергии.

      Водород - главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в  звездах настолько велики, что ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. При этом до тех пор пока в центральной зоне весь водород не выгорит, свойства звезды изменяются мало.

      В недрах звезд, при температурах более 10 млн К и огромных плотностях, газ обладает давлением в миллиарды атмосфер. В этих условиях звезда может находиться в стационарном состоянии лишь благодаря тому, что в каждом ее слое внутреннее давление газа уравновешивается действием сил тяготения.

      Если  внутри звезды температура по какой-либо причине повысится, то звезда должна раздуться, так как возрастает давление в ее недрах.

      И, наоборот, если температура внутри звезды, а значит и давление, понизится, то радиус звезды уменьшается. Такое  состояние называется гидростатическим равновесием. Следовательно, стационарная звезда представляет собой плазменный шар, находящийся в состоянии гидростатического равновесия.

      Стационарное  состояние звезд характеризуется  еще и тепловым равновесием, которое  означает, что процессы выделения  энергии в недрах звезд, процессы теплоотвода энергии из недр к поверхности и процессы излучения энергии с поверхности должны быть сбалансированы.

      Если  теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться. Это приведет к ускорению ядерных  реакций, и тепловой баланс будет вновь восстановлен.

      Таким образом, звезда представляет собой  тонко сбалансированный «организм», она оказывается саморегулирующейся системой. Причем чем звезда больше, тем быстрее она исчерпывает  свой запас энергии.

      После выгорания водорода в центральной зоне звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Постепенно они перемещаются на периферию звезды. Звезда принимает гетерогенную структуру.

      Выгоревшее  ядро начинает сжиматься, а внешняя  оболочка - расширяться. Оболочка разбухает  до колоссальных размеров, внешняя  температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

      Полагают, что на стадии красного гиганта наше Солнце увеличится настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Правда, Солнце станет красным гигантом примерно через 5 млрд. лет. Так что особых оснований для беспокойства у жителей Земли нет. Ведь солнечная система образовалась всего лишь 5 млрд. лет назад.

      Для красного гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высокая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра.

      На  этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций  осуществляется синтез более тяжелых, чем гелий, химических элементов.

      Только  очень крупные среди небесных тел (примерно в 80 раз превышающие массу Юпитера) становятся звездами, меньшие (примерно в 17 раз меньше Юпитера) становятся планетами.

      Есть  и тела средней массы, они слишком  крупные, чтобы относиться к классу планет, и слишком маленькие и  холодные для того, чтобы в их недрах происходили ядерные реакции, характерные для звезд.

      Эти небесные тела темного цвета обладают слабой светимостью, их довольно сложно различить на небе. Они получили название «коричневые карлики».

      Итак, звезда формируется из облаков, состоящих из межзвездного газа. Как уже отмечалось, довольно длительное время звезда пребывает в уравновешенном состоянии. Затем наступает период нестабильности.

      Дальнейшая  судьба звезды зависит от различных  факторов. Рассмотрим гипотетическую звезду небольшого размера, масса которой составляет от 0,1 до 4 солнечных масс. Характерной чертой звезд, имеющих малую массу, является отсутствие конвекции во внутренних слоях, т.е. вещества, входящие в состав звезды, не смешиваются, как это происходит у звезд, обладающих большой массой.

      Это означает, что, когда водород в  ядре заканчивается, новых запасов  этого элемента во внешних слоях  нет. Водород, сгорая, превращается в  гелий. Понемногу ядро разогревается, поверхностные слои, дестабилизируют  собственную структуру, и звезда, как можно видеть по диаграмме Г-Р, медленно выходит из фазы Главной последовательности.

      В новой фазе плотность материи  внутри звезды повышается, состав ядра «дегенерирует», в результате появляется особая консистенция. Она отличается от нормальной материи. 

      4. Роль межзвездной среды в звездной эволюции 

      Большую роль в динамике звездных процессов, в звездной эволюции играет межзвездная  среда, тесно связанная со звездами: в межзвездной среде они рождаются, а «умирая», отдают ей свое вещество.

      Таким образом, между звездами и межзвездной  средой происходит кругооборот вещества: межзвездная среда > звезды > межзвездная  среда. В ходе такого кругооборота межзвездная  среда обогащается создаваемыми в недрах звезд химическими элементами.

      Около 85% всех химических элементов тяжелее гелия возникло на заре нашей Галактики, примерно 15 млрд лет назад. ВТО время происходил интенсивный процесс звездообразования, а время жизни, эволюции массивных звезд было относительно коротким. Лишь 10-13% химических элементов (тяжелого гелия) имеют возраст менее 5 млрд лет.

      Хотя  даже в мощные оптические телескопы  мы видим в нашем галактическом  пространстве лишь звезды и разделяющую  их темную «бездну», на самом деле межзвездное  галактическое пространство не является абсолютной пустотой, оно заполнено материей, веществом и полем.

      Вопрос  только в том, что каковы формы  этой материи, в каком состоянии  здесь находятся вещество и поле.

      Межзвездная среда состоит на 90% из межзвездного газа, который довольно равномерно перемешан с межзвездной пылью (около 1% массы межзвездной среды), а также космических лучей, пронизывается межзвездными магнитными полями, потоками нейтрино, гравитационного и электромагнитного излучения.

      Все компоненты межзвездной среды влияют друг на друга (космические лучи и электромагнитное поле ионизируют и нагревают межзвездный газ, магнитное поле определяет движение газа и др.)

      Проявляет себя межзвездная среда в ослаблении, рассеянии, поляризации света, поглощении света в отдельных линиях спектра, радиоизлучении, инфракрасном, рентгеновском и гамма-излучениях, через оптическое свечение некоторых туманностей и др.

      Основная  составляющая межзвездной среды - межзвездный  газ, который, как и вещество звезд, состоит главным образом из атомов водорода (около 90% всех атомов) и гелия (около 8%); 2% представлены остальными химическими элементами (преимущественно кислород, углерод, азот, сера, железо и др.). Общая масса молекулярного газа в нашей Галактике равна примерно 4 млрд масс Солнца, что составляет примерно 2% всей массы вещества Галактики. Из этого вещества ежегодно образуется примерно 10 новых звезд!

      Межзвездный газ существует как в атомарном, так и в молекулярном состоянии (наиболее плотные и холодные части  молекулярного газа). При этом он обычно перемешан с межзвездной пылью (которая представляет собой твердые мельчайшие тугоплавкие частицы, содержащие водород, кислород, азот, силикаты, железо), образуя газопылевые образования, облака.

      Революционное значение для космохимии имело открытие в газопылевых облаках различных органических соединений - углеводородов, спиртов, эфиров, даже аминокислот и других соединений, в которых молекулы содержат до 18 атомов углерода.

      К настоящему времени в межзвездном  газе открыто свыше 40 органических молекул. Чаще всего они встречаются в местах наибольшей концентрации газопылевого вещества. Естественно возникает предположение, что органические молекулы из межзвездных газопылевых облаков могли способствовать возникновению простейших форм жизни на Земле.

      Газопылевые облака находятся под воздействием различных сил (гравитационных, электромагнитных, ударных волн, турбулентности и др.), которые либо замедляют, либо ускоряют неизбежный процесс их гравитационного сжатия и постепенного превращения в протозвезды.