Астрономія. Профільний рівень. 11 клас. Пришляк

Тема. Утворення та еволюція зір

1. Еволюція зір. Протозорі. Білі карлики. Нейтронні зорі

Еволюція зір. Протозорі. Астрономи створили теорію еволюції зір завдяки тому, що в космосі можна спостерігати мільярди зір різного віку. Всесвіт — це своєрідний космічний парк, у якому зорі народжуються, певний час світять, а потім гинуть. Важко побачити зорю до її народження, поки вона не почне світитися у видимій частині спектра. Зорі зароджуються разом із планетами з розріджених газопилових хмар, які утворюються після вибуху старих зір.

За допомогою сучасних телескопів астрономи виявили в космосі сотні таких величезних газопилових туманностей, де зараз відбувається утворення молодих світів (рис. 1.1). Наприклад, такі своєрідні «ясла» новонароджених зір можна побачити в сузір’ї Оріон (рис. 1.2) та зоряному скупченні Плеяди (рис. 1.3).

Доля зорі та тривалість її життя залежать від початкової маси зародка зорі — протозорі. Якщо вона була в кілька разів більшою, 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 6000 К.

Протозорі з масою у 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 не перетворяться на зорі — вони будуть випромінювати енергію тільки в інфрачервоній частині спектра. Такі космічні тіла ми спостерігаємо навіть у Сонячній системі — це планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Нептун. Можливо, що в міжзоряному просторі кількість таких холодних інфрачервоних тіл (їх ще називають коричневі карлики) може бути набагато більшою, ніж видимих зір.

Білі карлики. Нейтронні зорі. Білі карлики — зорі низької світності з масами, порівняними із масою Сонця, та високо ефективними температурами. Назва «білі карлики» пов’язана з кольором перших відкритих представників цього класу — Сіріуса В і 40 Ерідана В (рис. 1.4).

Сучасні теоретичні розрахунки показують, що нейтронні зорі і пульсари — це одні й ті самі об’єкти. Внаслідок стискування нейтронної зорі має виконуватися закон збереження моменту імпульсу. Цей закон часто демонструють на льоду фігуристи, коли треба викликати швидке обертання свого тіла навколо осі. Спортсмени спочатку починають повільно обертатися навколо осі з витягнутими в різні сторони руками. Потім поступово руки підводять до тулуба, при цьому кутова швидкість обертання різко зростає. Таке саме зростання кутової швидкості спостерігається при зменшенні радіуса зорі. Наприклад, зараз Сонце обертається навколо своєї осі з періодом приблизно 28 діб. Якби радіус Сонця зменшився до 10 км, то його період обертання дорівнював би 1 с. При гравітаційному стисненні настільки зростає напруженість магнітного поля зорі, що вона «випускає» випромінювання тільки через магнітні полюси у вигляді своєрідних «прожекторів», які описують у космосі величезний конус. Можливо, що в Галактиці існують мільйони нейтронних зір, але зареєстровано понад 2,5 тис. у вигляді пульсарів (рис. 1.5), адже більшість таких «прожекторів» не спрямована на Землю.

Рис. 1.1. За допомогою сучасних телескопів астрономи виявили в космосі сотні величезних газопилових туманностей, де зараз відбувається утворення молодих світів

Рис. 1.2. Туманність у сузір'ї Оріон можна побачити неозброєним оком. Відстань до неї близько 1000 св. років

Рис. 1.3. Туманність у зоряному скупченні Плеяди, з якої утворюються нові зорі

Рис. 1.4. Білий карлик Сіріус В поруч з зорею Сіріус А (Сіріус В — точка у лівому нижньому квадраті)

Рис. 1.5. Один Із зареєстрованих пульсарів

Контрольні запитання

  • 1. Яка зоря молодша: Нова чи протозоря?
  • 2. Яку характеристику зорі підкреслює термін «білий карлик» — низьку світність чи низьку температуру?
  • 4. Опишіть процес утворення протозорі.
  • 5. Чому нейтронна зоря має таку назву?
  • 6. Поясніть, чому протозоря припиняє стиснення.
  • 7. За рахунок якої енергії світяться білі карлики, якщо всередині їх не відбуваються ядерні реакції?

2. Кінцева стадія еволюції Сонця. Чорні діри. Чорні діри зоряних мас в подвійних системах. Надмасивна чорна діра в центрі Галактики

Кінцева стадія еволюції Сонця. Теоретичні розрахунки показують, що такі зорі, як Сонце, ніколи не стануть чорними дірами, оскільки вони мають недостатню масу для гравітаційного стиснення до критичного радіуса (рис. 2.1).

У стані гравітаційної рівноваги Сонце може світити 1010 років, але ми не можемо точно визначити його вік, тобто скільки часу пройшло від його утворення. Щоправда, за допомогою радіоактивного розпаду важких хімічних елементів можна визначити приблизний вік Землі — 4,5 млрд років, але Сонце могло утворитися раніше, ніж сформувалися планети. Якщо все-таки зорі й планети формуються одночасно, то Сонце може світити в майбутньому ще 5 млрд років.

Після того як у ядрі весь гідроген перетвориться на гелій, порушиться рівновага в надрах Сонця, і воно може перетворитись у змінну пульсуючу зорю — цефеїду. Потім через нестабільність радіус Сонця почне збільшуватись, а температура фотосфери знизиться до 4000 К — Сонце перетвориться на червоного гіганта. На небосхилі Землі буде світитися велетенська червона куля, кутовий діаметр якої збільшиться в 10 разів у порівнянні із сучасним Сонцем і буде сягати 5°. Блакитного неба на Землі не стане, тому що світність майбутнього Сонця зросте в десятки разів, а температура на поверхні нашої планети буде більш ніж 1000 К. Википлять океани, і Земля перетвориться на страшну гарячу пустелю, чимось схожу на сучасну Венеру.

Рис. 2.1. Схема еволюції Сонця

Рис. 2.2. Горизонт події чорної діри

У Сонячній системі така температура, яка зараз на Землі, буде тільки на околицях — на супутниках Сатурна і Урана. У стадії червоного гіганта Сонце буде світити приблизно 100 млн років, після чого верхня оболонка відірветься від ядра і почне розширюватись у міжзоряний простір у вигляді планетарної туманності. При розширенні напевно випаруються всі планети земної групи, і на місці Сонця залишиться білий карлик — маленьке гаряче ядро, у якому колись протікали термоядерні реакції. Радіус білого карлика буде не більший, ніж у Землі, але густина сягатиме 1010 кг/м3. Білий карлик не має джерел енергії, тому температура його поверхні поступово знизиться, і остання стадія еволюції нашого Сонця — холодний білий карлик.

Чорні діри. Чорні діри утворюються на останній стадії еволюції зір із масою більш ніж ЗМ. Така дивна назва пов’язана з тим, що з чорної діри назовні не може вирватися ані випромінювання, ані елементарна частинка. Межу простору, за яку не виходить світло, називають горизонтом події чорної діри (рис. 2.2). Радіус чорної діри залежить від її маси і може бути від кількох сантиметрів або метрів до мільярдів кілометрів.

Для того, щоб тяжіння не дало змоги випромінюванню вирватися за горизонт подій, маса М, що створює це поле, має стиснутися до об’єму з радіусом, який менший від гравітаційного радіуса.

Гравітаційний радіус обчислюють за формулою:

де G — гравітаційна стала, с — швидкість світла.

При стисненні об’єкта у кулю з радіусом рівним радіусу Шварцшильда або менший за нього, відбувається незворотний гравітаційний колапс, тобто об’єкт перетворюється на чорну діру (рис. 2.3, 2.4). Сфера Шварцшильда є межею чорної діри, що виникає під час стиснення сферичної маси, яка не обертається.

Попри те, що безпосередньо спостерігати чорну діру неможливо, її наявність може бути встановлено через взаємодію з іншою речовиною, світлом або іншим електромагнітним випромінюванням. Із зоряних рухів може бути обчислено масу та положення невидимого компонента. Було відкрито кілька подвійних зоряних систем, в яких одна із зір невидима, але має існувати, тому що вона змушує своєю гравітаційною силою іншу, видиму, зорю обертатися навколо їхнього спільного центра мас. Таким чином, ці невидимі зорі є ймовірними кандидатами в чорні діри. Астрономи ідентифікували численних кандидатів у чорні діри зоряних мас у подвійних системах, вивчаючи рух їхніх компаньйонів таким чином.

Чорна діра — об'єкт, маса М якого стиснута всередині його сфери Шварцшильда

Гравітаційний радіус, Сфера (радіус) Шварцшильда — радіус сферичного тіла, при якому його друга космічна швидкість дорівнює швидкості світла

Рис. 2.3. Комп'ютерна модель сфери Шварцшильда

У 2019 р. отримано перше пряме зображення чорної діри. Також їх спостерігають непрямими методами за викривленням світла в колі їхньої гравітації.

Чорні діри зоряних мас у подвійних системах. Чорні діри зоряних мас спостерігаються у складі тісних подвійних систем. Речовина зорі-супутника перетікає на чорну діру по спіралі. При цьому утворюється акреційний диск, який випромінює в рентгенівському й гамма-діапазонах. Перша чорна діра була відкрита 1967 р. в сузір’ї Лебедя. До 2004 р. рентгенівський космічний телескоп RXTE вірогідно виявив 15 чорних дір в подвійних зоряних системах в нашій Галактиці.

Маси велетенських чорних дір у ядрах галактик визначають за швидкостями руху зір. Станом на 2004 р. так визначено маси центральних чорних дір у 30 галактиках, зокрема і в нашій. Також чорні діри можуть бути виявлені завдяки явищу гравітаційного лінзування (при проходженні чорної діри між звичайною зорею і спостерігачем відбувається візуальне збільшення яскравості зорі, оскільки гравітаційне поле чорної діри викривляє світлові промені). Це явище також називають кільцями Айнштайна.

Рис. 2.4. Простір-час всередині сфери Шварцшильда: 1. Звичайний простір ззовні кротовини. 2. Тунель між областями простору. 3. Шлях променя світла звичайним простором. 4. Шлях променя світла через кротовину. 5. Вхід у кротовину

Акреція — падіння речовини на гравітуюче тіло із навколишнього середовища

Уявіть собі, що космічний корабель наближається до чорної діри. Його швидкість має поступово зростати до швидкості світла. Але згідно з теорією відносності швидкість матеріального тіла, маса спокою якого відрізняється від нуля, ніколи не досягне швидкості світла. Тобто за земним годинником уявний космічний корабель ніколи не долетить до межі чорної діри, тому що час для космонавтів на борту корабля буде сповільнюватися. Якщо космонавти будуть підтримувати зв’язок із Землею за допомогою радіо, то сповільнення часу проявиться у тому, що сигнали з корабля будуть надходити все рідше і рідше. З іншого боку, космонавти на космічному кораблі спостерігатимуть зовсім інший плин часу — сигнали від землян будуть надходити все частіше і частіше. Тобто космонавти на кораблі, який падає у чорну діру, могли б побачити далеке майбутнє нашого світу, але вони не зможуть передати нам інформацію про наше майбутнє, адже сигнал через межу чорної діри ніколи не досягне Землі.

Дізнайтеся про гіпотетичні антиподи чорних дір.

Надмасивна чорна діра в центрі Галактики. Центр Галактики містить компактний об’єкт із дуже великою масою (близько 4,3 млн М), розташований у напрямку сузір’я Стрільця. Цей об’єкт має назву Стрілець А* (англ. Sagittarius А*, рис. 2.4), більшість вчених вважає його надмасивною чорною дірою (рис. 2.5).

У 2002 р. міжнародна дослідницька група Інституту Макса Планка на чолі з Райнером Шеделем повідомила про результати спостереження руху зорі S2 навколо об’єкта Стрілець А* за десять років. Вони доводили, що Стрілець А* — об’єкт величезної маси. З аналізу елементів орбіти було визначено, що маса об’єкта становить 2,6 ± 0,2 млн мас Сонця. Ця маса міститься в об’ємі діаметром не більш ніж 120 а. о. Подальші спостереження встановили більш точне значення маси — 3,7 млн мас Сонця, радіусом не більш ніж 45 а. о. Для порівняння: Плутон віддалений від Сонця на 39,53 а. о. Ці спостереження дозволили припустити, що об’єкт Стрілець А* пов’язаний з чорною дірою.

Рис. 2.5. Надмасивна чорна діра Стрілець А*

Рис. 2.6. Щільні хмари космічного пилу навколо ядра Галактики

Рис. 2.7. Зорі в межах ± 0,5" від центру Галактики

До кінця 1960-х років не існувало ефективних інструментів для вивчення центральних областей Галактики, оскільки щільні хмари космічного пилу (рис. 2.6), які закривають від спостерігача галактичне ядро, повністю поглинають видиме випромінювання, що йде від нього, і значно ускладнюють роботу в радіодіапазоні.

З появою інфрачервоних детекторів високої роздільної здатності з’явилась можливість спостерігати окремі зорі в центральних областях Галактики (рис. 2.7). Вивчення їхніх спектральних характеристик виявило, що більшість із них належить до молодих зір віком кілька мільйонів років. Всупереч поглядам, які прийняті раніше, було встановлено, що в околицях надмасивної чорної діри активно йде процес зореутворення.

Деякі дослідники вважають, що джерелом газу для цього процесу є два пласкі акреційні газові кільця (рис. 2.8), виявлені в центрі Галактики в 1980-х рр. Проте внутрішній діаметр цих кілець занадто великий, щоб пояснити процес зореутворення в безпосередній близькості від чорної діри. Зорі, що розташовуються в радіусі 10 пк від чорної діри (так звані S-зорі), мають довільний напрямок руху орбітальних моментів, що суперечить акреційному сценарію їх виникнення. Вважається, що це гарячі ядра червоних гігантів, які утворилися у віддалених районах Галактики, а потім мігрували в центральну зону, де їхні зовнішні оболонки були зірвані припливними силами чорної діри.

Контрольні запитання

  • 1. Яку назву дали об’єкту в центрі Галактики?
  • 2. Які спостереження припускають, що об’єкт Стрілець А* пов’язаний з чорною дірою?
  • 3. Що являють собою чорні діри?
  • 4. Що є неможливим: космічний корабель підлетів до чорної діри; космічний корабель відлетів від неї? Поясніть свою думку.
  • 5. На підході до сфери Шварцшильда чорної діри гравітаційна сила зростає і на самій сфері стає нескінченною. Поясніть, що відбуватиметься з тілом, яке потрапляє в чорну діру.

Рис. 2.8. Хмари гарячого газу в центрі Галактики

Практичні роботи

  • «Визначення параметрів зір за діаграмою Герцшпрунга-Рассела».
  • «Моделювання еволюційних шляхів (треків) зір в залежності від значень початкових фізичних характеристик».