Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
ЯК НАРОДЖУЮТЬСЯ ТА ЖИВУТЬ ЗОРІ?
Діаграма спектр — світність демонструє залежність зоряних параметрів (температура на поверхні й у ядрі, світність, тривалість життя) від початкової маси зорі та дає змогу прослідкувати весь її життєвий шлях від «народження» до «смерті».
Зоря починає своє існування, як холодна, розріджена туманність міжзоряного газу. Потім ця туманність стискається внаслідок тяжіння й поступово набуває форму кулі (мал. 8.11). Коли температура в центрі досягає близько 10 000 000 K, починаються термоядерні реакції, і стиснення припиняється, бо внаслідок цих реакцій виникає тиск, який перешкоджає подальшому стисненню зорі. Протозоря стає повноцінною зорею. Якщо протозоря була в кілька разів більша, ніж маса Сонця, то під час гравітаційного стиснення утворюються гарячі зорі спектральних класів О та В. Протозорі з такою початковою масою, як маса Сонця, під час гравітаційного стиснення нагріваються до температури 6 000 K — зорі класів F і G. Протозорі з масою в кілька разів меншою, ніж сонячна, можуть перетворитися тільки на червоних карликів. Найменша маса, яка необхідна для початку термоядерних реакцій у надрах зорі, дорівнює майже 0,08 маси Сонця. Об’єкти меншої маси ніколи на зорі не перетворяться — вони будуть випромінювати енергію тільки в інфрачервоній частині спектра. Такі космічні тіла ми спостерігаємо навіть у Сонячній системі — це планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Нептун (їх ще називають коричневими карликами). (У загальному випадку формується не одна така протозоря, а кілька, і в майбутньому група стає зоряним скупченням. Також навколо протозорі утворюються менші згустки, які потім перетворюються на планети.)
Мал. 8.11. Схематичне зображення зміни співвідношення сил гравітації (чорні стрілочки) та сил тиску газів (червоні стрілочки) упродовж життя зорі
Утворені зорі «посідають» свої місця на головній послідовності. Настає найстабільніша фаза їхнього життя, коли в ядрах зір відбувається синтез атомів Гелію з атомів Гідрогену. Ця фаза становить майже 90 % тривалості життя будь-якої зорі.
Зорі на головній послідовності перебувають у стані гравітаційної рівноваги, коли зовнішні шари за рахунок гравітації тиснуть до центра, у той час як тиск нагрітих газів діє в протилежному напрямку — від центра (мал. 8.11). Такий процес триває доти, доки половина Гідрогену в ядрі не перетвориться на Гелій, і тоді інтенсивність термоядерних реакцій може зменшитися, що відповідно вплине на параметри зорі та її «переміщення» на діаграмі.
Розрахунки показують, що якщо маса зорі менша від половини маси Сонця (червоний карлик), подальші ядерні реакції в ній не відбуваються, і вона поступово згасає. Маленькі червоні карлики можуть мерехтіти на небі понад 1011 років. Такі зорі, як Сонце, у стані рівноваги світять не менше ніж 10 млрд років.
Якщо маса зорі на головній послідовності більша за половину маси Сонця, але менша від маси двох Сонць, то після того, як водень у ядрі здебільшого «вигорить», термоядерні реакції вже не виробляють достатню кількість енергії, зоря знову починає стискатися, поки ядро знову не розігріється до температури, за якої починається вже інша термоядерна реакція — Гелій перетворюється на Карбон з виділенням більшої кількості енергії. Світність зорі зростає в десятки разів, вона розширюється («розпухає») та пересувається на діаграмі Герцшпрунга — Рассела вправо, до області червоних гігантів. Коли ж закінчиться й Гелій, зорі просто «скидають» частину своєї маси (так формуються планетарні туманності). І тут усе залежить від маси зорі (мал. 8.12).
Мал. 8.12. Кінцеві стадії зір
Протягом свого тривалого життя кожна зоря може як збільшувати, так і зменшувати всі свої основні параметри — температуру, світність та радіус.
Якщо маса зорі незначна (не перевищує 1,4 маси Сонця), то її ядро не спроможне втримати роздуту оболонку, і та поступово віддаляється, утворюючи планетарну туманність. Після остаточного розсіювання оболонки залишається лише гаряче ядро зорі — білий карлик. Ядерних джерел енергії в зорі немає, і вона ще дуже довго світить під час повільного охолодження. Такий шлях розвитку буде в Сонця: через 6—7 млрд років, пройшовши стадію червоного гіганта, воно стане білим карликом (мал. 8.13).
Мал. 8.13. Еволюція Сонця
Еволюція масивних зір проходить бурхливіше. Наприкінці свого існування така зоря може вибухнути надновою, а її ядро, різко стиснувшись, стане нейтронною зорею або чорною дірою.
Отже, білий карлик і нейтронна зоря — це зорі, що народжуються після вибуху попередньої зорі, яка завершує свій еволюційний шлях.
Мал. 8.14. а — пульсар, б — «космічний канібалізм»
Нейтронні зорі можуть мати діаметр усього 20 км, що, відповідно, зумовлює величезну їхню густину, за якої вільні електрони ніби «удавлюються» у протони. Щоб ви збагнули: маса лише однієї ложечки такого матеріалу становитиме мільярд тонн. Гравітація на такому об’єкті у 2 мільярди разів сильніша за земну. У міру стискання такі зорі сильно розкручуються й починають випромінювати радіохвилі з певною досить стабільною частотою. Саме так і було виявлено реальне існування нейтронних зір у 1967 р., яке теоретично передбачив і розрахував ще 1932 р. Лев Ландау.
Випромінювання від нейтронної зорі поширюється в простір на величезні відстані у вигляді конусів. Конуси випромінювання, наче прожектори, обертаються разом із зорею і з таким самим періодом, що й вона. Якщо Земля потрапляє в такий конус, ми маємо змогу реєструвати пульсуючі сигнали від нейтронної зорі, тому її ще називають пульсаром, або радіо-пульсаром (мал. 8.14, а).
А ще нейтронна зоря може стати справжнім «космічнім канібалом». Так, у Всесвіті є подвійні зорі — зорі, що під дією взаємних сил тяжіння обертаються навколо спільного центра мас, утворивши єдину динамічну систему. Якщо одна із зір стане нейтронною зорею, а інша, наприклад, червоним гігантом, то потужне гравітаційне поле першої почне захоплювати речовину зорі-сусідки. «Космічний канібалізм» є досить поширеним явищем у Всесвіті, зорі захоплюють власні планети, білі карлики — зорю-сусідку, що перебуває на головній послідовності або є холодним гігантом (мал. 8.14, б).
Повернувшись до еволюційних процесів, ми докладніше розглянемо, що таке нові та наднові зорі, їхнє значення для еволюції Всесвіту в цілому.
Засвітила темрява вогні,
Вкрилась ластовинням сонна нічка.
Місяць посміхається мені,
Розвела мости висока річка.
Там домівка кожної зорі,
Рідна стежка і своя родина.
І тому над нами угорі
Височіє лиш одна картина.
Там пливуть світи далеких зір,
Там великі групи звуть — сузір’я.
Хочеш вір, а хочеш перевір,
Там живуть легенди і повір’я.
Там до Андромеди мчить Пегас,
Знайдеш слід Персея і Цефея...
Палить люльку в небі Волопас,
І вітання шле Кассіопея.
Там побачиш Лебедя й Орла,
І Дракона, й Лева з Геркулесом...
Там усім Ведмедиця Мала
Маяком зоріє піднебесним.
Наталя Карпенко. Сузір’я
Стануть у пригоді кожному вночі
Зоряні Ведмеді — зоряні ковші.
У ковша малого зірочка ясна
На ім’я Північна, знана й провідна.
Дивиться на північ зоряний маяк.
Зірочка покаже подорожнім шлях.
Бік ліворуч — захід, а праворуч — схід,
Курс напроти — півдня променіє світ.
Наталя Карпенко. Зоряні ведмеді
Усміхаються зорі в далекій імлі —
І блакитні, і жовті, й червоні!
Не злічити тих зір! І великі, й малі!
І у кожної промінь в долоні!
Надгарячі — блакитним вогнем мерехтять,
Випромінюють срібло гарячі.
Теплі зорі ліхтариком жовтим горять,
А холодні — червоної вдачі.
Наталя Карпенко. Усміхаються зорі
Нові й наднові зорі є прикладом вибухових процесів у зорях, що завершують еволюційний шлях. Якщо блиск зорі зростає в тисячі й навіть мільйони разів (у середньому на 12 зоряних величин), їх називають новими зорями. Причина вибухів нових зір — «космічний канібалізм» між білим карликом і зорею, яка ще перебуває на головній послідовності або є холодним гігантом. У міру накопичення Гідрогену і збільшення температури й густини на поверхні білого карлика починаються термоядерні реакції, які відбуваються надзвичайно швидко, й енергія вивільняється вибухово. Скинута газова оболонка розширюється, унаслідок чого зростає блиск зорі, що й спостерігають як появу нової. Після спалаху перетікання газу на білий карлик починається знову, і через деякий час (до 1000 років) спалах повторюється.
Спалах наднової зорі має незрівнянно більші масштаби, ніж спалах Нової. Адже її блиск зростає на десятки зоряних величин упродовж кількох діб. У видимій частині нашої Галактики явище наднової трапляється раз на 200—300 років. Проте такі події можна спостерігати по кілька на рік, це спалахи в мільярдах інших галактик. Поява наднової в іншій галактиці демонструє всю грандіозність цього явища, адже часом її блиск у максимумі перевищує сумарну яскравість усієї зоряної системи, у якій вона спалахнула.
Перша наднова була відкрита у 185 р. китайськими астрономами. У 1054 р. — у сузір’ї Тельця (сьогодні на тому місці видно туманність Краб), 1572 р. — у Кассіопеї, її спостерігав Тихо Браге, тому її називають надновою Тихо Браге, у 1604 р. — у Змієносці її спостерігав Іоган Кеплер, відповідно її називають надновою Кеплера. Наймолодшим відкривачем наднової стала десятирічна мешканка Канади Кетрін Ґрей, яка відкрила наднову SN 2010lt 2 січня 2011 р.
Наднові також виникають у подвійних системах. Але на відміну від Нових, коли термоядерна реакція охоплює лише поверхневі шари зорі, у разі Наднових потужний термоядерний вибух охоплює зорю в цілому й може зруйнувати її дощенту. Трапляється, але набагато рідше, що в тісних подвійних системах утворюються Наднові не внаслідок термоядерного вибуху, а внаслідок гравітаційного колапсу одного з компонентів.
Оболонка, скинута під час вибуху наднової, стає матеріалом для утворення зір наступного покоління. Під час розвитку зорі внаслідок ядерних реакцій у її надрах можуть утворюватися всі хімічні елементи періодичної системи до Феруму включно. Важчі елементи синтезуються лише під час вибуху наднових. Тому є всі підстави вважати, що Сонце — зоря другого покоління, у якій є домішки речовини, що свого часу побувала в надрах зір першого покоління.
Окрім того, після вибуху зорі всі планети, які оберталися навколо неї, випаровуються та перетворюються на газопилову туманність, з якої також у майбутньому може утворитися нове покоління зір.
У Всесвіті відбувається своєрідний кругообіг речовини: зорі — вибух зір — туманність — і знову народження молодих зір (мал. 8.15).
Мал. 8.15. Колообіг речовини у Всесвіті
Чорні діри утворюються на останній стадії еволюції зір з масою, більшою ніж маса трьох Сонць. Така дивна назва пов’язана з тим, що їхня гравітація настільки велика, що навіть фотони не можуть її подолати, тому ніякими методами, окрім гравітаційних, зафіксувати такий об’єкт неможливо. Було відкрито кілька подвійних зоряних систем, у яких одна із зір невидима, але має існувати, тому що вона змушує своєю гравітаційною силою іншу, видиму зорю, обертатися навколо їхнього спільного центра маси, тож ці невидимі зорі є ймовірними кандидатами в чорні діри.
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України