Всеки от нас поне веднъж в живота си се взираше в звездното небе. Някой погледна тази красота, изпитваше романтични чувства, другият се опита да разбере откъде идва цялата тази красота. Животът в космоса, за разлика от живота на нашата планета, тече с различна скорост. Времето в космоса живее в собствените си категории, разстоянията и размерите във Вселената са огромни. Рядко мислим за факта, че пред очите ни постоянно се развиват галактики и звезди. Всеки обект в безкрайното пространство е резултат от определени физически процеси. Галактиките, звездите и дори планетите имат големи фази на развитие.
Нашата планета и всички ние зависим от нашето светило. Колко дълго слънцето ще ни зарадва със своята топлина, вдъхвайки живот в слънчевата система? Какво ни очаква в бъдеще милиони и милиарди години? В това отношение е любопитно да научите повече за етапите на еволюцията на астрономическите обекти, откъде идват звездите и как свършва животът на тези прекрасни светлини в нощното небе.
Произходът, раждането и еволюцията на звездите
Еволюцията на звездите и планетите, които населяват нашата галактика Млечен път и цялата Вселена, в по-голямата си част са добре проучени. Законите на физиката, които помагат да се разбере произхода на космическите обекти, работят непоклатимо в пространството. В този случай основата е на теорията на Големия взрив, която сега е доминираща доктрина за процеса на произхода на Вселената. Събитието, което разтърси вселената и доведе до формирането на Вселената, от космическите стандарти, мълния бързо. За пространството, от раждането на звезда до смъртта му, минават моменти. Огромните разстояния създават илюзията за постоянство на вселената. Звезда, която мига в далечината, ни свети в продължение на милиарди години, тогава може и да не е така.
Теорията за еволюцията на галактиките и звездите е развитие на теорията за Големия взрив. Учението за раждането на звездите и появата на звездните системи е различно по мащаб и време, което, за разлика от вселената като цяло, може да бъде наблюдавано с модерни наука.
Изучаването на жизнения цикъл на звездите е възможно на примера на най-близката светлина за нас. Слънцето е едно от стотиците трилиони звезди в нашето зрително поле. Освен това, разстоянието от Земята до Слънцето (150 милиона километра) предоставя уникална възможност за изследване на обект, без да излиза от границите на Слънчевата система. Получената информация ще даде възможност да се разбере подробно как са подредени други звезди, колко бързо са изчерпани тези гигантски източници на топлина, какви са етапите на развитие на една звезда и какъв ще бъде краят на този блестящ живот - тих и тъмен или блестящ, експлозивен.
След Големия взрив малките частици образуват междузвездни облаци, които стават „болница“ за трилиони звезди. Характерно е, че всички звезди са родени едновременно в резултат на свиване и разширяване. Компресията в облаците на космическия газ се осъществява под влияние на собствената си гравитация и подобни процеси в новите звезди в квартала. Разширяването възниква в резултат на вътрешното налягане на междузвездния газ и под действието на магнитни полета в газовия облак. В същото време облакът се върти свободно около центъра на масата.
Газовите облаци, образувани след експлозията, са 98% съставени от атомни и молекулярни водород и хелий. Само 2% в този масив отчита прах и твърди микроскопични частици. Преди това се смяташе, че в центъра на всяка звезда лежи ядрото на желязото, загрято до температура от един милион градуса. Този аспект обяснява огромната маса на светлината.
При противопоставянето на физическите сили преобладават компресионните сили, тъй като светлината, която се получава от отделянето на енергия, не прониква в газовия облак. Светлината, заедно с част от емитираната енергия, се разпространява навън, създавайки отрицателна температура и зона на ниско налягане вътре в гъсто натрупване на газ. В такова състояние космичният газ бързо се свива, влиянието на силите на гравитационното привличане води до това, че частиците започват да образуват звездна материя. Когато газовата група е плътна, интензивната компресия води до образуването на звездни купове. Когато размерът на газовия облак е незначителен, компресията води до образуване на единична звезда.
Кратко описание на случващото се е, че бъдещето на звездата преминава през два етапа - бърза и бавна компресия до състоянието на протозвездата. Говорейки на прост и разбираем език, бързата компресия е падането на звездната материя към центъра на протозвездата. Бавната компресия се появява на фона на формирания център на протозвездата. През следващите сто хиляди години новата формация е намалена по размер, а плътността й се увеличава милиони пъти. Постепенно, протозъбът става непрозрачен поради високата плътност на звездната материя, а продължителната компресия задейства механизма на вътрешните реакции. Нарастването на вътрешното налягане и температурите води до образуването на бъдещ център на тежестта в бъдещата звезда.
В това състояние, протозвездата остава милиони години, бавно отделяйки топлина и постепенно свивайки се, намалявайки по размер. В резултат на това се появяват контури на нова звезда и плътността на нейното вещество става сравнима с плътността на водата.
Средно, плътността на нашата звезда е 1,4 кг / см3 - почти същата като плътността на водата в соленото Мъртво море. В центъра на Слънцето има плътност от 100 kg / cm3. Звездната материя не е в течно състояние, а е във формата на плазма.
Под въздействието на огромно налягане и температура от около 100 милиона К започват термоядрени реакции на водородния цикъл. Компресията спира, масата на обекта се увеличава, когато енергията на гравитацията се превръща в термоядрено изгаряне на водород. От този момент нататък нова звезда, излъчваща енергия, започва да губи маса.
Описаното по-горе образуване на звезда е просто примитивна схема, която описва началния етап на еволюцията и раждането на звезда. Днес такива процеси в нашата галактика и в цялата Вселена са почти незабележими поради интензивното изчерпване на звездния материал. За цялата съзнателна история на наблюденията на нашата галактика са забелязани само изолирани изяви на нови звезди. В мащаба на Вселената тази цифра може да се увеличи стотици и хиляди пъти.
По-голямата част от живота си, протозвездите са скрити от човешкото око от праховата обвивка. Излъчването на ядрото може да се наблюдава само в инфрачервения диапазон, което е единственият начин да се види раждането на звезда. Например през 1967 г. астрономическите учени в мъглявината на Орион откриха нова звезда, чиято радиационна температура беше 700 градуса по Келвин. Впоследствие се оказа, че родното място на протозвездите са компактни източници, които са достъпни не само в нашата галактика, но и в други части на вселената, които са отдалечени от нас. В допълнение към инфрачервеното лъчение, местата на раждане на нови звезди са маркирани с интензивни радиосигнали.
Процесът на изучаване и еволюцията на звездите
Целият процес на познаване на звездите може да бъде разделен на няколко етапа. В самото начало определете разстоянието до звездата. Информация за това колко далеч е звездата от нас, колко дълго светлината отива от нея, дава представа какво се е случило със звездата през цялото това време. След като човек се научи да измерва разстоянието до далечни звезди, стана ясно, че звездите са същите слънца, само с различни размери и с различни съдби. Познавайки разстоянието до звездата, нивото на светлината и количеството на излъчваната енергия, може да се проследи процесът на термоядрен синтез на звездата.
След определяне на разстоянието до звездата, с помощта на спектрален анализ, може да се изчисли химическият състав на звездата и да се открие нейната структура и възраст. Благодарение на появата на спектрографа учените успяха да изучат природата на светлината на звездите. Това устройство може да определи и измери газовия състав на звездната материя, която звездата има на различни етапи от своето съществуване.
Изучавайки спектралния анализ на енергията на Слънцето и други звезди, учените стигнали до извода, че еволюцията на звездите и планетите има общи корени. Всички космически тела имат един и същ вид, сходен химически състав и са получени от същия въпрос, получен от Големия взрив.
Звездната материя се състои от същите химически елементи (до желязо) като нашата планета. Единствената разлика е в броя на тези или други елементи и в процесите, протичащи на Слънцето и вътре в земния твърд. Това отличава звездите от други обекти във Вселената. Произходът на звездите също трябва да се разглежда в контекста на друга физическа дисциплина - квантова механика. Според тази теория материята, която определя звездната материя, се състои от постоянно разделящи се атоми и елементарни частици, създаващи свой собствен микрокосмос. В тази светлина интерес представлява структурата, съставът, структурата и еволюцията на звездите. Както се оказа, основната маса на нашата звезда и много други звезди са само два елемента - водород и хелий. Теоретичен модел, описващ структурата на звездата, ще позволи да се разбере тяхната структура и основната разлика от другите космически обекти.
Главната особеност е, че много обекти във Вселената имат определен размер и форма, докато една звезда може да промени размера си, когато се развива. Горещият газ е съединение от атоми, слабо свързани един с друг. Милиони години след образуването на звездите започва охлаждането на повърхностния слой на звездната материя. Звездата дава по-голямата част от енергията си на космоса, намалявайки или увеличавайки се по размер. Прехвърлянето на топлина и енергия се осъществява от вътрешните области на звездата към повърхността, засягайки интензивността на радиацията. С други думи, една и съща звезда в различни периоди от своето съществуване изглежда различно. Термоядрените процеси, основани на реакциите на водородния цикъл, допринасят за превръщането на леките водородни атоми в по-тежки елементи - хелий и въглерод. Според астрофизиците и ядрените учени подобна термоядрена реакция е най-ефективна от гледна точка на отделеното количество топлина.
Защо термоядреното сливане на ядрото не завършва с експлозията на такъв реактор? Работата е там, че силите на гравитационното поле в нея могат да държат звездната материя в границите на стабилизирания обем. От това можем да направим еднозначно заключение: всяка звезда е масивно тяло, което запазва размера си поради баланса между силите на гравитацията и енергията на термоядрените реакции. Резултатът от този идеален природен модел е източник на топлина, който може да работи дълго време. Предполага се, че първите форми на живот на Земята се появяват преди 3 милиарда години. Слънцето в онези дни затопли нашата планета точно както сега. Следователно, нашата звезда се е променила малко, въпреки факта, че мащабът на излъчената топлина и слънчевата енергия е огромен - повече от 3-4 милиона тона всяка секунда.
Лесно е да се изчисли колко през годините на своето съществуване нашата звезда е загубила тегло. Това ще бъде огромна фигура, но поради огромната си маса и висока плътност, подобни загуби във Вселената изглеждат незначителни.
Етапи на еволюцията на звездите
Съдбата на звездата зависи от първоначалната маса на звездата и нейния химичен състав. Докато основните резерви на водорода са концентрирани в ядрото, звездата е в така наречената главна последователност. Веднага след като има тенденция за увеличаване на размера на звездата, това означава, че основният източник на термоядрен синтез е пресъхнал. Започва дълъг краен път на трансформация на небесно тяло.
Създадени във вселената, светилата първоначално са разделени на три най-често срещани вида:
- нормални звезди (жълти джуджета);
- звезди джудже;
- гигантски звезди.
Звезди с ниска маса (джуджета) бавно изгарят водородните запаси и живеят живота си съвсем спокойно.
Такива звезди са мнозинството във Вселената и нашата звезда е жълто джудже. С настъпването на старостта жълтото джудже става червен гигант или свръхгигант.
Въз основа на теорията за произхода на звездите процесът на формиране на звезди във Вселената не е приключил. Най-ярките звезди в нашата галактика са не само най-големите, в сравнение със Слънцето, но и най-младите. Астрофизиците и астрономите наричат тези звезди сини свръхгианти. В крайна сметка те се сблъскват със същата съдба, която изпитва трилиони други звезди. Първо, бързото раждане, блестящият и пламен живот, след което настъпва период на бавно загниване. Звезди като Слънцето имат дълъг жизнен цикъл, който е в основната последователност (в средната част).
Използвайки данни за масата на една звезда, можем да приемем нейния еволюционен път на развитие. Илюстративна илюстрация на тази теория е еволюцията на нашата звезда. Нищо не е вечно. В резултат на термоядрен синтез, водородът се превръща в хелий, следователно неговите първоначални резерви се консумират и намаляват. Понякога, много скоро, тези запаси ще свършат. Съдейки по факта, че нашето Слънце продължава да свети повече от 5 милиарда години, без да се променя по размер, зрялата възраст на звездата може да продължи и за същия период.
Изчерпването на запасите от водород ще доведе до факта, че под влиянието на гравитацията ядрото на слънцето ще започне да се свива бързо. Основната плътност ще стане много висока, в резултат на което термоядрените процеси ще се преместят в слоевете, съседни на ядрото. Такова състояние се нарича колапс, който може да бъде причинен от термоядрени реакции в горните слоеве на звездата. В резултат на високо налягане се задействат термоядрени реакции, включващи хелий.
Доставката на водород и хелий в тази част на звездата ще продължи милиони години. Не много скоро изчерпването на запасите от водород ще доведе до увеличаване на интензивността на радиацията, увеличаване на размера на черупката и размера на самата звезда. В резултат на това слънцето ни ще стане много голямо. Ако си представим тази картина за десетки милиарди години, то вместо ослепителен ярък диск на небето ще виси горещ червен диск с гигантски размери. Червените гиганти са естествената фаза на еволюцията на звезда, нейното преходно състояние в категорията на променливите звезди.
В резултат на тази трансформация, разстоянието от Земята до Слънцето ще бъде намалено, така че Земята да попадне в зоната на влияние на слънчевата корона и да започне да се пече в нея. Температурата на повърхността на планетата ще се увеличи десет пъти, което ще доведе до изчезването на атмосферата и изпаряването на водата. В резултат на това планетата ще се превърне в безжизнена скалиста пустиня.
Последните етапи на еволюцията на звездите
Достигайки фазата на червения гигант, нормалната звезда става бяло джудже под влиянието на гравитационните процеси. Ако масата на звездата е приблизително равна на масата на нашето Слънце, всички основни процеси в нея ще се появят тихо, без импулси и експлозивни реакции. Бялото джудже ще умре за дълго време, избледняващо до пепел.
В случаите, когато звездата първоначално е имала маса повече от слънчева 1,4 пъти, бялото джудже няма да е последният етап. С голяма маса вътре в звездата, процесите на уплътняване на звездната материя започват на атомно, молекулярно ниво. Протоните се превръщат в неутрони, плътността на звездата се увеличава и размерът му бързо намалява.
Неутронните звезди, известни на науката, имат диаметър 10-15 км. С такива малки размери неутронната звезда има огромна маса. Един кубичен сантиметър от звездна материя може да тежи милиарди тона.
В случай, че първоначално се справихме със звезда с голяма маса, последният етап на еволюцията приема други форми. Съдбата на масивна звезда - черна дупка - обект с неизследван характер и непредсказуемо поведение. Огромната маса на звездата допринася за увеличаване на гравитационните сили, които поставят сили на компресия в движение. Спирането на този процес не е възможно. Плътността на материята се увеличава, докато не се превърне в безкрайност, образувайки единствено пространство (теорията на относителността на Айнщайн). Радиусът на такава звезда в крайна сметка ще стане нула, превръщайки се в черна дупка в космическото пространство. Черните дупки ще бъдат много по-големи, ако в пространството по-голямата част от пространството е заето от масивни и супермасивни звезди.
Трябва да се отбележи, че при преобразуването на червен гигант в неутронна звезда или в черна дупка Вселената може да оцелее уникално явление - раждането на нов космически обект.
Раждането на супернова е най-впечатляващият краен етап в еволюцията на звездите. Здесь действует естественный закон природы: прекращение существование одного тела дает начало новой жизни. Период такого цикла, как рождение сверхновой, в основном касается массивных звезд. Израсходовавшиеся запасы водорода приводят к тому, что в процесс термоядерного синтеза включается гелий и углерод. В результате этой реакции давление снова растет, а в центре звезды образуется ядро железа. Под воздействием сильнейших гравитационных сил центр массы смещается в центральную часть звезды. Ядро становится настолько тяжелым, что неспособно противостоять собственной гравитации. Как следствие, начинается стремительное расширение ядра, приводящее к мгновенному взрыву. Рождение сверхновой - это взрыв, ударная волна чудовищной силы, яркая вспышка в бескрайних просторах Вселенной.
Следует отметить, что наше Солнце не является массивной звездой, поэтому подобная судьба ее не грозит, не стоит бояться такого финала и нашей планете. В большинстве случаев взрывы сверхновых происходят в далеких галактиках, с чем и связано их достаточно редкое обнаружение.
В заключение
Эволюция звезд - это процесс, который растянут по времени на десятки миллиардов лет. Наше представление о происходящих процессах - всего лишь математическая и физическая модель, теория. Земное время является лишь мгновением в огромном временном цикле, которым живет наша Вселенная. Мы можем только наблюдать то, что происходило миллиарды лет назад и предполагать, с чем могут столкнуться последующие поколения землян.
