Эволюция и химический состав вселенной

   А. Эйнштейн также занимался этой проблемой  и нашел выход в том, что  модифицировал уравнения теории тяготения, таким образом, что силы притяжения уравновешивались некими введенными им силами отталкивания, которые должны, по его предположению, действовать между всеми телами во Вселенной (наряду с силами притяжения). Так он несколько незаконно получил статистические решения, описывающие стационарную Вселенную. На опубликованную в конце июня 1922 года в немецком «Физическом журнале» работу Фридмана он опубликовал там же ответ, в котором указал, что он нашел в расчетах А. Фридмана ошибку, а правильные решения дают стационарную Вселенную. Только почти через год (в мае 1923 года)

А. Эйнштейна  удалось убедить в правоте  А. Фридмана, и он публично признал  это.

   В процессе образования вещества во Вселенной  большая роль отводится нейтрино. На первом этапе (в первые секунды после Взрыва) нейтрино выравнивает случайно возникающие неоднородности плотности вещества во Вселенной. Это было возможно потому, что нейтрино имели большие энергии (скорости, близкие к скорости света). Но выравнивание плотности вещества происходит только в малых пространственных масштабах (по космическим понятиям). Однако с течением времени из-за расширения Вселенной нейтрино теряют свою энергию. Примерно спустя 300 световых лет после начала расширения нейтрино, попадающие в сгущение плотности (комок), уже неспособны из него выбраться, у них не хватает для этого энергии. Больше они не препятствуют образованию неоднородностей вещества Вселенной. 
 
 
 
 

2. Эволюция  звёзд

2.1 Формирование звезд  из газа

   Одна  из гипотез предполагает, что звезды образуются из газового вещества, того газового вещества, которое и сейчас наблюдается в Галактике. Начиная  с момента, когда масса и плотность  газового вещества достигают определенного, критического значения, газовое вещество под действием своего собственного притяжения начинает сжиматься и  уплотняться. При этом вначале образуется холодный газовый шар. Но сжатие продолжается, и температура газового шара растет. Потенциальная энергия частиц в  поле притяжения газового шара при  приближении к центру становится меньше. Часть потенциальной энергии  переходит в тепловую энергию.

   Тогда же газовый шар нагреется, он станет отдавать тепловую энергию через излучение с поверхностных слоев. Поэтому он будет охлаждаться вначале в поверхностном слое, а затем и в более глубоких слоях. Если бы в этом газовом шаре (звезде) не появились новые источники энергии, то процесс сжатия довольно быстро привел бы к исчезновению энергии и угасанию звезды. Всю энергию унесло бы излучение. Но на самом деле процесс этот более сложный. В результате сжатия центральные области звезды разогреваются до очень высоких температур. Они расположены очень глубоко и поэтому почти не испытывают влияния охлаждения, которое вызывается излучением с поверхностных слоев. Когда же температура центральной области достигает нескольких миллионов градусов, в ней начинают протекать термоядерные реакции. Они сопровождаются выделением большого количества энергии.

   Таким образом, первый период образования  звезды — это период сжатия. Он длится до того момента, пока в центральной  области звезды не начнут протекать  термоядерные реакции. В продолжение  периода сжатия температура звезды повышается. Поэтому спектральный класс звезды становится более ранним. Что же касается светимости звезды, то в период сжатия ее увеличению будут способствовать увеличение температуры поверхности, а также увеличение прозрачности разогревшегося вещества. Поэтому из звезды будет непосредственно выходить излучение более глубоких и горячих слоев. Но работает и обратный механизм. Уменьшение радиуса звезды будет уменьшать светимость. Специалисты оценили совокупное действие всех механизмов и пришли к заключению, что в период сжатия звезды все же происходит небольшое увеличение светимости звезды. Именно поэтому на диаграмме спектр — светимость эволюция в период сжатия протекает вдоль линий, которые проходят справа налево и немного поднимаются вверх. Это показано на рисунке 17. Различие линий эволюции на диаграмме определяется различием масс газовых облаков, из которых образовались звезды. Чем больше масса, тем больше светимость, тем выше на диаграмме проходит линия эволюции.

   Когда период сжатия подходит к концу и  внутри звезды начинают протекать температурные  реакции, все звезды оказываются  на главной последовательности диаграммы  спектр — светимость. В термоядерной реакции водород превращается в  гелий. При этом четыре протона (четыре ядра атома водорода) образуют ядро атома гелия. Получившийся излишек  массы превращается в энергию: примерно 0,007 массы вещества при этой реакции  превращается в энергию излучения.

   Несложно  подсчитать, через какое время  наша звезда — Солнце израсходует  на излучение всю свою массу. Расчеты  дают величину 1011 лет. Это сто миллиардов лет.

   Сжатие  звезды прекращается потому, что от термоядерных реакций поступает  энергия, которая противодействует сжатию. Она компенсирует расход энергии  на излучение. Пока все будет происходить  именно таким образом, звезда будет  сохранять постоянными свои основные физические характеристики — радиус, температуру, светимость. Она будет оставаться на диаграмме спектр — светимость на линии главной последовательности. Но через какое-то время водород в центральной части звезды кончится. В результате радиус звезды должен увеличиться, а температура ее уменьшится. Светимость при этом несколько увеличится. Это значит, что звезда начнет смещаться с главной последовательности вправо и вверх. Скорость этого смещения зависит от скорости выгорания водорода, которая, в свою очередь, в очень сильной степени зависит от температуры. Скорость протекания термоядерных реакций приблизительно пропорциональна 15-й степени температуры! Поэтому те звезды, у которых в центральных областях достигается более высокая температура, быстрее сходят с главной последовательности и быстрее перемещаются на диаграмме вправо и вверх. С другой стороны, температура центральных областей выше у звезд с большими массами. В этих звездах сильное поле тяготения и больше потенциальная энергия тяготения. Именно эта энергия превращается при сжатии в тепловую энергию.

   По  указанным причинам звезды больших  масс и больших светимостей сходят с главной последовательности вправо и вверх быстрее. При этом они  перемещаются в направлении той  части диаграммы, где расположена  ветвь гигантов. На рисунке 1 показано, что звезды больших масс и, следовательно, больших светимостей эволюционируют быстрее, превращаясь в красных гигантов, когда звезды меньших масс еще только немного отошли от линии главной последовательности.

Рисунок 1. Эволюционные перемещения звезд на диаграмме спектр - светимость после исчерпания водорода в центральных областях

   Наступает момент, когда весь водород в звезде-гиганте  выгорел. При этом они достигнут  стадии красного гиганта. Тогда сжатие их ядра, которое состоит из гелия, приведет к дальнейшему повышению  температуры. Она увеличивается  до значений более 100 миллионов градусов. Тогда начинается новая термоядерная реакция, в результате которой образуются ядра атома углерода из трех ядер атомов гелия. И эта реакция сопровождается потерей массы и выделением энергии  излучения. В результате температура  звезды увеличивается. Звезда начинает свое новое перемещение на диаграмме  спектр — светимость.

2.2 Красные гиганты, белые карлики и туманности

   Указанные три небесных объекта генетически  связаны между собой, можно сказать, между ними имеются родственные  связи. На определенной стадии своей  эволюции огромный красный гигант (радиус его больше радиуса Солнца в 21 раз) сбрасывает с себя внешнюю часть  вещества и вместо него остается только голое ядро красного гиганта радиусом всего около 10 километров, но со сверхплотным веществом внутри. Это белый карлик. Сброшенное красным гигантом вещество (газ) определенное время остается видимым  и является не чем иным, как туманностью. На рисунке 8 показана туманность «Летящая». Эту связь красных гигантов, белых  карликов и туманностей установил  советский астрофизик И.С. Шкловский.

   Красные гиганты и белые карлики отличаются от всех других обычных звезд тем, что в них не соблюдается известная  связь между светимостью и  поверхностной температурой. У красных  гигантов поверхностная температура  сравнительно невелика (всего 3500 К), тогда  как светимость очень высокая. Если бы красные гиганты были обычными звездами, то они при их поверхностной  температуре светились бы намного  менее ярко. Эта особенность красных  гигантов обусловлена их строением, тем, что они добывают энергию  для своего свечения совсем другим путем, нежели обычные звезды.

   Красный гигант — звезда старая, в которой  водород весь выгорел в результате ядерных реакций и превратился  в гелий. Дальнейшие реакции превращения гелия в более тяжелые химические элементы идти там не могут из-за недостаточной для этого температуры.

   Ядро  красного гиганта очень небольшое: его радиус составляет всего около  одной тысячной радиуса самой  звезды. Следует сказать, что по мере эволюции звезды масса и размеры  ее конвективного ядра постепенно уменьшаются. Но в ядре плотность вещества огромная (около 300 килограммов в кубическом сантиметре). Температура вещества ядра звезды составляет сорок миллионов  кельвинов. И тем не менее ядро красного гиганта не является термоядерной печью, которая снабжает энергией всю звезду. В нем до этого успело выгореть все горючее. Поскольку в ядре нет бурных процессов, связанных с термоядерными реакциями, температура во всех его частях одинакова, то есть оно является изотермичным.

   Энергия красного гиганта вырабатывается в  весьма тонкой оболочке (толщина ее намного меньше толщины ядра звезды), которая окружает ядро. В этом слое температура вещества звезды уменьшается  от 40 миллионов кельвинов в ядре до 25 миллионов кельвинов снаружи  слоя. Плотность вещества в этой оболочке в несколько тысяч раз  меньше, чем в ядре звезды. Энергия  в этом слое выделяется в результате происходящих там температурных  реакций углеродно-азотного цикла. Характерным для этих реакций  является то, что углерод в них  не расходуется, хотя и участвует  в реакциях. Он является катализатором. Цикл реакций начинается взаимодействием  углерода с ядром водорода — протоном, а заканчивается (в шестой реакции) образованием того же ядра углерода, но вместе с ядром гелия (то есть альфа-частицей). «Сухой остаток» этих реакций —  превращение довольно сложным путем  водорода в гелий и выделение  при этом соответствующей энергии.

   Выделяющаяся  энергия передается от оболочки, где  происходят термоядерные реакции, наружу путем лучеиспускания. Но таким путем  она может пробиться только на расстояние около одной десятой  радиуса звезды. Дальше лучистый перенос  энергии становится неэффективным  из-за большой непрозрачности вещества звезды. Поэтому дальнейший перенос  энергии наружу происходит путем  конвекции вещества. У Солнца, например, конвективная зона занимает относительно небольшой по толщине слой, тогда как у красного гиганта большая часть «тела» звезды находится в состоянии конвекции.

   Описанное строение красного гиганта очень  оптимально в смысле долговечности  звезды. То, что звезда имеет очень  плотное ядро, позволяет ей очень  продолжительное время удерживать остальное вещество звезды, находящееся  выше. Столь плотное ядро практически  не сжимается, поэтому оно не нагревается. В течение длительного времени  в ядре звезды не наступает термоядерная реакция превращения гелия в  углерод. Эта реакция идет при  температурах порядка сотен миллионов  кельвинов. Она идет в несколько  этапов. Вначале сталкивающиеся ядра гелия будут образовывать радиоактивный  изотоп бериллия, который при столкновении с еще одной альфа-частицей с высокой энергией образует устойчивый изотоп углерода. При этом выделяется очень большая энергия: 7,3 миллиона электрон-вольт.

   Когда температура ядра красного гиганта  по каким-то причинам увеличится до необходимой  величины — сотен миллионов кельвинов, начнется превращение гелия в  углерод, при котором выделяется огромное количество энергии. Это так  называемая гелиевая вспышка звезды. Когда в ядре выгорит весь гелий, реакция продолжается только в относительно тонком слое, который окружает выгоревшее во второй раз ядро. Напомним, что  ядро окружено и другой оболочкой  большего радиуса, в которой идут термоядерные реакции углеродно-азотного цикла, причем водород продолжает превращаться в гелий. Было установлено, что масса  гелиевого ядра красного гиганта  перед началом гелиевой вспышки  практически не зависит от полной массы звезды и составляет около  половины массы Солнца.

   После гелиевой вспышки (точнее, после выгорания  гелия в самом ядре) красный  гигант становится звездой с «двухслойным»  источником ядерной энергии. Оба  слоя описаны выше. С увеличением  выделения энергии внутри звезды увеличивается и ее светимость. Светимость красного гиганта достигает нескольких тысяч светимостей Солнца (вместо 225 раз до гелиевой вспышки). В результате всего этого звезда «раздувается», а радиус ее катастрофически растет. Если вначале он был равен 21 радиусу  Солнца, то сейчас размеры красного гиганта едва вместились бы внутри орбиты Земли.

   Водородная  оболочка постепенно смещается наружу. Со временем внутри нее (в ядре) сосредоточено  уже 70 % всей массы звезды. Красный  гигант с двумя слоями энерговыделения может еще продержаться около миллиона лет. После затухания ядерных реакций наружная оболочка звезды отторгается от ядра и превращается в туманность. В веществе образовавшейся планетарной туманности много водорода. Планетарная туманность расширяется со скоростью около 30 км/с. На основании этого факта можно подсчитать, что отрыв наружных слоев звезды произошел на расстоянии от ядра около одной астрономической единицы (когда звезда сравнялась в размерах с орбитой Земли). В этих расчетах принималось, что масса внутренней части звезды равна 0,8 массы Солнца.

   Почему  и как происходит сброс наружных слоев красных гигантов? Полной теории этого явления в настоящее  время еще нет. Вопрос очень непростой. Но ясны причины, которые могли бы вызвать этот сброс. Одна из них —  очень высокое световое давление, создаваемое излучением ядра звезды. Отрыв оболочки может произойти  и в результате неустойчивостей  ее вещества. Поскольку размеры оболочки огромны, то такая неустойчивость должна вызвать колебательные процессы, что, в свою очередь, должно привести к изменению теплового режима вещества оболочки. Отрыв оболочки звезды от ядра мог бы произойти  и в результате сильной конвективной неустойчивости. Она могла развиться  как результат ионизации водорода под фотосферой звезды. Так или  иначе отрыв оболочки от ядра происходит, и образуется планетарная туманность. Но красные гиганты поставляют в межзвездную среду не только туманности, но и пылевые частицы — космическую пыль. Пылинки образуются в холодных протяженных атмосферах красных гигантов. Здесь для этого имеются условия, поскольку значительная часть газа находится в молекулярном состоянии. Это подтверждается измерениями инфракрасного излучения от планетарных туманностей. Результаты этих измерений показывают, что имеется значительный избыток этого излучения, исходящего от пылевых частиц. Из газовой среды пылинки образоваться не могут, поскольку газ является горячим и хорошо перемешанным.