Краткая история звездной эволюции

 

    Активная жизнь звезды включает четыре основные этапа синтеза элементов.

    Этап 1. Основная цепочка из трех ядерных реакция, происходящих в большинстве звезд, называется протон-протонным (П-П) циклом.
    Реакция 1. Сталкиваются два протона, в результате их слияния один протон превращается в нейтрон и образуется дейтрон, позитрон и нейтрино. Сумма масс дейтрона, позитрона и нейтрино меньше суммы масс двух протонов, излишек выделяемой энергии составляет 6.3*10^-7 эрг. Позитрон достаточно быстро при встрече с электроном аннигилирует с образованием нейтрино и антинейтрино.
    Реакция 2. Протон сталкивается с дейтроном с образованием ядра гелия-3 и фотона.
    Реакция 3. Сливаются два ядра гелия-3 с образованием гелия-4 и двух протонов и с выделением наибольшего количества энергии. Тем самым одной реакции-3 должны предшествовать по две реакции-1,2.
В трех реакциях выделяется 4.24*10^-5 эрг, а в недрах солнца их происходит 10³⁸ каждую секунду с выделением 4*10³³ эрг, что в 10000 раз больше, чем человечество израсходовало за всю свою историю.  Чтобы два протона слились, преодолев электрическое отталкивание, им надо сблизиться на 10^-13 см, имея для этого достаточную кинетическую энергию, а это достигается при температурах выше 10 млн.К. Такие условия создаются в ядре звезды в ходе ее постепенного гравитационного сжатия из газового облака (протозвезда), давление генерируемой в ядре энергии противодействует дальнейшему гравитационному сжатию и наступает равновесие. К поверхности звезды температура постепенно падает до 3000—50000 К.
        Более массивные звезды имеют более высокую температуру в ядре и быстрее сжигают запасы протонов. Например, звезда с массой в 10 масс солнца живет лишь 100 млн. лет по сравнению с 10 млрд. лет жизни солнца (80% звезд Галактики имеют массу, меньшую солнечной). Светимость звезд варьируется в очень широких пределах ±100000 солнечной, поверхностноя температура от 2500 до 25000 К.
        Большую часть активной жизни звезды проводят в своей фиксированной позиции на Главной последовательности диаграммы поверхностная температура — светимость (диаграмма Герцшпрунгера—Рассела), пролегающей приблизительно вдоль ее диагонали. Это значит, что звезды с большей поверхностной температурой имеют и большую светимость. Размеры звезд также возрастают, но сравнительно не столь значительно. Отдельно располагаются звезды с малыми температурами и высокими светимостями — красные гиганты и с высокими температурами и низкими светимостями — белые карлики.

    Этап 2. Когда запас протонов в ядре истощается, возобновляется гравитационное сжатие, температура в ядре повышается до 200 млн. К,  что создает условия для протекания следующей цепочки реакций.
    Реакция-4. Сливаются два ядра гелия-4 с образованием бериллия-8 и фотона.
    Реакция-5. Сливается ядра гелия и бериллия с образованием ядра углерода-12 и фотона.

    Красные гиганты. Выделяемая здесь энергия в 4 раза меньше П-П цикла, однако, поскольку последний продолжается в более объемной области, происходит скачек выделения энергии и звезда на короткое время становится ярче (гелиевая вспышка, около 1 секунды). Внешние слои звезды от избыточного давления расширяются и охлаждаются, звезда сходит с главной последовательности и превращается в красного гиганта с чрезвычайно плотным и горячим гелиевым ядром с высокой светимостью в ультрафиолетовом диапазоне. Дальнейшее расширение превращает внешнюю оболочку в планетарную туманность, атомы которой поглощают ультрафиолетовое излучение ядра и испускают видимый свет.
        Если сопоставить время жизни звезды с человеческой, то фаза сжатия протозвезды = 15 лет, начало горения = 1 год, главная последовательность = 50 лет, до гелиевой вспышки = 1 год, сама вспышка = миллиардная доля секунды, красный гигант = 3 года, планетарная туманность = 1 год, затем звезда взрывается или превращается в белого карлика.

    Белые карлики имеют массу порядка солнечной, близки по размеру к Земле, и состоят преимущественно из ядер углерода и электронов. Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует принцип запрета Паули: более двух фермионов (частицы со спином 1/2, в частности, электроны) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Эта стадия наступает при плотностях в миллион раз больших плотности воды. Несмотря на высокую плотность электроны (вырожденный газ) препятствуют ядрам углерода сливаться в более тяжелые ядра. Белый карлик медленно угасает, излучая оставшееся внутренне тепло.

    Этап 3. Если масса звезды превосходит 1.4 солнечной, то заданная центральная температура достигается при меньших плотностях и фаза вырожденного газа не наступает, и создаются условия для синтеза более тяжелых элементов до железа-56 включительно, поскольку синтез более тяжелых элементов происходит не с выделением, а требует поглощения энергии.

    Сверхновые. После исчерпания углеродного топлива звезда коллапсирует в тысячи раз менее чем за секунду. Вырожденный электронный газ, препятствующий сжатию, не образуется по следующей причине. Гравитационный коллапс сам является источником колоссальной энергии. Ядра железа, соударяясь, распадаются на протоны и нейтроны. Энергии достаточно, чтобы протоны, соударяясь с электронами, превращались в нейтроны с испусканием нейтрино.
 

Здесь показан расширяющийся остаток сверхновой Корма А (Puppis A) — один из ярчайших источников на рентгеновском небе. Свет от взрыва звезды дошел до Земли несколько тысяч лет назад, а сейчас размер остатка составляет около 10 световых лет. Изображение на врезке было получено рентгеновскими камерами обсерватории Чандра, на нем видны удивительные подробности распространения сильной ударной волны по окружающему веществу — разрушение межзвездного облака. На изображении с большим полем зрения, полученном спутником РОСАТ, также виден точечный источник рентгеновских лучей около центра остатка. Этот источник — молодая нейтронная звезда — остаток сколлапсировавшего ядра звезды. Во время взрыва она приобрела дополнительный импульс и сейчас улетает со скоростью около тысячи километров в секунду.

IC 443 — это типичный остаток взрыва звезды, которым неизбежно заканчивается жизнь массивных звезд. Как видно на этом составном изображении в условных цветах, остаток сверхновой все еще светится во всем спектре электромагнитного излучения — от радиоизлучения (показано синим цветом) до оптического (красный цвет) и рентгеновского (зеленый цвет), несмотря на то, что свет от взрыва звезды, создавшего это расширяющееся космическое облако, достиг планеты Земля несколько тысяч лет назад. Необычной особенностью IC 443 является наблюдаемое движение плотной нейтронной звезды — сколлапсировавшего остатка ядра звезды. На врезке крупным планом показан стреловидный след, образовавшийся при движении нейтронной звезды сквозь горячий газ, но он не направлен на видимый центр остатка. Это несовпадение позволяет предположить, что место взрыва было смещено относительно центра, или что быстро движущийся газ туманности оказал влияние на след. Широкоугольное изображение IC 443, также известной как туманность Медуза, охватывает примерно 65 световых лет на расстоянии до остатка сверхновой, составляющем около 5 тысяч световых лет.

    Этап 4. Эта секунда коллапса крайне важна для появления жизни во Вселенной. Кроме массового разрушения ядер в столкновениях синтезируется небольшое количество ядер более тяжелых элементов: ртуть, серебро, свинец, золото, платина, уран и т.п. Нейтроны быстро заполняют звездное ядро, образуя нейтронную звезду и, подчиняясь запрету Паули, препятствуют дальнейшему сжатию. Внешние слои падают на застывшее нейтронное ядро и отскакивают с колоссальной скоростью в окружающее пространство, происходит взрыв сверхновой, затмевающий блеск всех звезд галактики. Оболочка сверхновой разлетается на гигантские расстояния в окружающее пространство, далеко разнося внутренности звезды, все элементы тяжелее гелия, не существовавшие в первичной Вселенной, отходы жизнедеятельности звезды, в биологическом смысле "говно". Эти отходы участвуют в формировании звезд второго и последующих поколений, а также их планетарных систем и живых организмов. Поэтому не стоит забывать, что наши тела состоят преимущественно из навоза звезд первого поколения.

    Нейтронная звезда массой в солнечную имела бы размер в 12 км с плотностью в миллион миллиардов больше плотности воды. Кроме этого нейтронная звезда быстро вращается (до десятков оборотов в секунду) и имеет сильнейшее магнитное поле. Быстро вращающееся со звездой мощное магнитное поле ускоряет заряженные частицы окружающего пространства до субсветовых скоростей, регистрируемых как космические лучи. Вдобавок генерируется импульсное (с периодом вращения звезды) синхротронное излучение (возникает при изменении в мощном магнитном поле релятивистской скорости движения заряженных частиц в перпендикулярном направлении) в видимой области и радиодиапазоне, сигнализирующее о существовании пульсара.

    Черные дыры. При коллапсе звезд, в 3—5 и более раз превосходящих по массе солнце, нейтронная звезда не успевает образоваться.  Причина в грубом приближении состоит в следующем. Согласно третьему закону Ньютона, сила притяжения между двумя телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, поэтому теоретически при нулевом расстоянии сила притяжения должна стать бесконечной. При коллапсе расстояние между поверхностью звезды и ее центром катастрофически уменьшается, а сила тяготения (напряженность гравитационного поля) увеличивается обратно пропорционально квадрату уменьшающегося радиуса. Согласно общей теории относительности увеличение гравитации приводит к искривлению пространства и замедлению времени. Сверхмассивная коллапсирующая звезда не успевает достичь радиуса нейтронной звезды, как напряженность гравитационного поля на поверхности становится столь высокой и пространство-время искривляются настолько, что траектории фотонов становятся замкнутыми, и они не могут покинуть гравитационный радиус (сферу Шварцшильда), а время замедляется до бесконечности. Черная дыра исчезает из поля зрения, а все процессы вблизи ее поверхности с точки зрения внешнего наблюдателя останавливаются. Любая внешняя частица, притягиваясь черной дырой, падает на ее поверхность бесконечно долгое время. Черная дыра проявляется во внешнем пространстве только своим тяготением. Отношение массы тела к его гравитационному радиусу равно 1/3, если массу измерять в единицах солнечной массы, а радиус в километрах, т.е. для солнца гравитационный радиус составляет 3 км, а для Земли (с примерно в 100000 раз меньшей массы) — около 3 см.

Два ярких источника в центре этой картинки, составленной из рентгеновского и радиоизображений (показаны соответственно синим и розовым цветами) — это обращающиеся вокруг общего центра тяжести сверхмассивные черные дыры, питающие энергией гигантский радиоисточник 3C 75. Эти сверхмассивные черные дыры разделяет расстояние в 25 тысяч световых лет. Они окружены нагретым до нескольких миллионов градусов газом, излучающим рентгеновские лучи, и выбрасывают потоки релятивистских частиц. Черные дыры находятся в ядрах двух сливающихся галактик в скоплении галактик Абель 400, удаленном от нас на 300 миллионов световых лет. Астрономы сделали вывод, что две сверхмассивные черные дыры связаны гравитацией и образуют двойную систему отчасти из-за того, что сходная стреловидная форма выбросов скорее всего обусловлена их общим движением сквозь горячий газ внутри скопления со скоростью 1200 километров в секунду. Такие эффектные космические слияния должны быть довольно распространенным явлением в плотных скоплениях галактик в далекой Вселенной. Ожидается, что на конечной стадии слияния объекты станут мощными источниками гравитационных волн.

На снимке центр близкой галактики NGC 4438, которая находится в скоплении Девы в 50 млн.св.лет от нас, являет пример активного галактического ядра. Это значит, что там находится сверхмассивная (от миллионов до миллиардов солнечных масс) черная дыра, которая всасывает большие количества газа. На снимке отчетливо виден розовый пузырь, поднимающийся из темной пылевой полосы. Это — своеобразное проявление струи частиц и потока магнитной энергии (джета), бьющей по направлению оси вращения черной дыры. Такие струи обычно бьют симметрично в двух направлениях, но та, которая направлена к нам, всегда видна лучше. Вторая струя угадывается снизу, как несколько розоватых комков. Обычно активные ядра испускают длинные струи, а не пузыри. Здесь, по-видимому, струя не смогла пробить себе длинный канал и, врезаясь в плотную окружающую среду, раздувается в виде пузыря. Его размеры около 800 световых лет.