Мы можем представить картину рождения звезды следующим образом:

• начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды
• под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их
• эти группы становятся звездными ассоциациями и скоплениями
• вокруг звезды образуются сгустки с меньшей массой, которые затем постепенно превращаются в планеты.
• размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным, т.е. попадут в область красных гигантов или красных карликов, в зависимости от значений их первоначальных масс.
• протозвезда продолжает сжиматься в этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции.
• протозвезда становится звездой.

Чтобы пройти самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды больше солнечной, нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше — несколько сот миллионов лет. При исследовании процессов звездообразования весьма полезной оказалась инфракрасная астрономия. Ведь для инфракрасных лучей межзвездное поглощение света не так существенно.

Мы можем теперь представить и такую следующую картину:

• из облака межзвездной среды, путем его конденсации, образуется несколько сгустков разной массы, эволюционирующих в протозвезды.
• новорожденные протозвезды, "кричат” о своем появлении на свет, пользуясь новейшими методами квантовой радиофизики (т.е. мазерами).
• перестав сжигаться, звезда длительно излучает, её излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в центральных областях.

Время пребывания звезды на главной последовательности определяется ее первоначальной массой. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность, и она довольно быстро расходует запасы своего водородного "горючего”. Звезды с массой, превышающей солнечную в несколько десятков раз (это горячие голубые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на этой последовательности всего лишь несколько миллионов лет, в то время как звезды с массой, близкой к солнечной, находятся на главной последовательности 10 – 15 млрд. лет.

Расчеты показывают, что масса и радиус центральной ее области, в которой идут ядерные реакции, постепенно уменьшаются, этот процесс происходит значительно быстрее у сравнительно массивных звезд. Звезда как бы "разбухает” и начинает "сходить” с главной последовательности, переходя в области красных гигантов.

Что произойдет со звездами, когда реакция "гелий – углерод” в центральных областях исчерпает себя так же, как и водородная реакция в тонком слое, окружающем горячее плотное ядро? Какая стадия эволюции наступит вслед за стадией красного гиганта?

• мощное ультрафиолетовое излучение звезды — ядра планетарной туманности — будет ионизовать атомы в оболочке, возбуждая их свечение. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она превратится в белый карлик.
• белые карлики как бы "вызревают” внутри звезд — красных гигантов — и "появляются на свет” после отделения наружных слоев гигантских звезд
• белые карлики, в которых весь водород "выгорел” и ядерные реакции прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд.
• постепенно остывая, они все меньше и меньше излучают, переходя в невидимые "черные” карлики. Это мертвые, холодные звезды очень большой плотности, в миллионы раз плотнее воды. Их размеры меньше размеров земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания белых карликов длится много сотен миллионов лет. Так кончает свое существование большинство звезд.

Если масса сжимающейся звезды превосходит массу Солнца более чем в 1,4 раза, то гравитационные силы в этом случае очень велики, так что электроны вдавливаются внутрь атомных ядер. В результате изотопы превращаются в нейтроны, способные прилетать друг к другу без всяких промежутков. Типичная нейтронная звезда имеет в поперечнике всего лишь от 10 до 15 км, а один кубический сантиметр ее вещества весит около миллиарда тонн.

• нейтронные звезды обладают еще двумя особыми свойствами, которые позволяют их обнаружить, невзирая на столь малые размеры: это быстрое вращение и сильное магнитное поле, совершают несколько оборотов в секунду. Наряду с этим исключительно быстрым вращением, нейтронные звезды имеют магнитное поле, в миллионы раз более сильное, чем у Земли.
• в мощном магнитном поле нейтронной звезды движущиеся по спирали электроны генерируют радиоволны, которые излучаются узким пучком, как луч прожектора. Пульсар быстро вращается, и радиолуч пересекает линию нашего наблюдения, словно маяк. Некоторые пульсары излучают не только радиоволны, но и световые, рентгеновские и гамма-лучи. Период самых медленных пульсаров около четырех секунд, а самых быстрых — тысячные доли секунды.
• Звезды, массы которых достигают 1,4 солнечной, умирают катастрофическим взрывом, в мгновение высвобождается больше энергии, чем излучает ее наше Солнце за 10 миллиардов лет. Световой поток, посылаемый одной гибнущей звездой, эквивалентен целой галактике, а ведь видимый свет составляет лишь малую долю полной энергии. Остатки взорвавшейся звезды разлетаются прочь со скоростями до 20000 км в секунду.
• такие грандиозные звездные взрывы называются сверхновыми. Сверхновые — довольно редкое явление. Каждый год в других галактиках обнаруживают от 20 до 30 сверхновых, главным образом в результате систематического поиска. За столетие в каждой галактике их может быть от одной до четырех. Однако в нашей собственной Галактике сверхновых не наблюдали с 1604 г.

От звезды, имеющей массу больше, чем три солнечных, и радиус больше 8,85 километра, уходящий от поверхности луч искривляется в поле силы тяжести так сильно, что возвращается обратно на поверхность. Кванты света — фотоны, — излучаемые телом, возвращаются обратно, как брошенные вверх на земле камни. Никакое излучение не прорывается во внешний мир, чтобы донести весть о печальной судьбе звезды.

• черная дыра поглощает световые лучи, идущие от нее на более значительное расстояние. Она может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.

Итак, скорость эволюции звезд определяется их первоначальной массой.

Так как по ряду признаков со времени образования нашей звездной системы — Галактики — прошло около 15 – 20 млрд. лет, то за это конечное (хотя и огромное) время весь описанный эволюционный путь прошли только те звезды, массы которых превышают некоторую величину.

По-видимому, эта "критическая” масса всего лишь на 10 – 20% превышает массу Солнца.

Солнце образовалось около 5 млрд. лет назад, когда Галактика уже давно сформировалась и в основных чертах была сходна с "современной”.

По крайней мере, 4,5 млрд. лет оно "сидит” на главной последовательности, устойчиво излучая, благодаря ядерным реакциям превращения водорода в гелий, протекающим в его центральных областях.

Сколько еще времени это будет продолжаться?

• Расчеты показывают, что Солнце станет красным гигантом через 8 млрд. лет.
• При этом его светимость увеличится в сотни раз, а радиус — в десятки.
• Эта стадия эволюции нашего светила займет несколько сот миллионов лет.
• Наконец, тем или иным способом разбухшее Солнце сбросит свою оболочку и превратится в белый карлик.

Вообще говоря, нам, конечно, небезразлична судьба Солнца, так как с нею тесно связано развитие жизни на Земле. И далее пойдёт речь о звёздах-невидимках, которые притягивают и поглощают даже галактик, встречающихся на их пути.

Возможность существования черных дыр научно обосновал, лишь в начале XX века Альберт Эйнштейн — один из создателей современной физики. А название — "черные дыры” — ученые придумали еще позже, всего лет сорок назад (Дж. Уиллер – 1968 г.). В истории астрономии немало открытий, сделанных сначала "на кончике пера” (то есть сначала вычислено и предсказано теоретиками, а потом это открытие подтвердили астрономы-наблюдатели). Так были открыты планеты Нептун (1846 год), Плутон (1930 год), маленькие сверхплотные нейтронные звезды (в конце 60-х годов нашего столетия). Вероятно, так же со временем будут открыты и черные дыры.

О том, что такие небесные объекты могут существовать во Вселенной, ученые догадывались давно. Почти 200 лет назад об этом писал французский физик, астроном и математик Пьер Лаплас. Ведь уже тогда было известно, что для того, чтобы покинуть Землю, какое-либо тело, например космический корабль, должно иметь скорость не менее 11 км/с. Это так называемая "вторая космическая скорость”.

Ее величина на Земле — 11,2 км/с, на Луне — 2,4 км/с, на Солнце — 600 км/с, на звездах — белых карликах — 6000 км/с, на нейтронных звездах — 100000 км/с.

Небесное тело, для которого вторая космическая скорость будет не меньше скорости света (300000 км/с, эту скорость сейчас принято считать самой большой из достижимых в природе), и есть черная дыра.

Теоретически ученые уже доказали, что они должны существовать, но их пока еще не нашли. По мнению специалистов, черных дыр во Вселенной может быть очень много. Это выяснилось после того, как стало понятно, что звезды рождаются, живут, стареют и умирают.

Нет таких фотографий черные дыры, потому что до сих пор никто из астрономов ни одной черной дыры не видел и не мог их сфотографировать. И дело не в том, что у астрономов недостаточно хороши для этого телескопы, а в том, что черные дыры... вообще увидеть невозможно. В отличие от Солнца и звезд, планет и их спутников черные дыры — это небесные тела-невидимки.

Они, словно заколдованные, обречены на вечную невидимость. А "заколдовала” их одна из самых могущественных сил Вселенной — сила тяготения. Эта сила удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца, не дает Солнцу и звездам рассыпаться на мелкие частички, не пускает Луну улететь прочь от Земли, заставляет брошенный камень падать на Землю... Оказывается, сила тяготения в некоторых случаях, способна превращать в черные дыры большие звезды или огромные массы вещества, скапливающиеся в центральных областях галактик и черные дыры обладают способностью притягивать к себе окружающие их тела.

Но силы тяготения черных дыр сказочно, чудовищно велики: все, что окажется рядом с ними, они притягивают к себе, и оторваться от них уже невозможно. Даже лучи света не могут вырваться из их цепких объятий. И именно поэтому черные дыры невидимы.

История жизни звезды начинается со сжатия (под действием сил тяготения) больших газовых облаков и образования протозвезд — звездных зародышей. Сначала это довольно холодные шары. За десятки миллионов лет они постепенно превращаются в настоящие звезды. Такой путь когда-то прошло и наше Солнце, и вот уже на протяжении пяти миллиардов лет оно освещает и обогревает Солнечную систему. Происходит это потому, что внутри Солнца (и многих других звезд) водород превращается в гелий. В результате таких реакций (их называют термоядерными) выделяется необходимая для свечения звезд энергия. Однако проходят миллиарды лет, и водородное горючее в недрах звезд выгорает. Тогда звезды начинают умирать, сжимаются и превращаются либо в белые карлики (такова судьба нашего Солнца), либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Стать черной дырой — это судьба тех звезд, которые к концу своей жизни оказались раза в три массивнее (тяжелее) Солнца. Их немало” Поэтому и черных дыр, возникших только в нашей Галактике, может быть много.

Звезды, подобные Солнцу, превращаются в белые карлики, а более массивные — в нейтронные звезды или в черные дыры.

Свое название черные дыры, обладающие чудовищной силой тяготения, получили не зря. Они действительно чем-то похожи на "проколы” или "дыры” в пространстве и времени вблизи черных дыр изменяются свойства пространства оно как бы искривляется, прогибается под ними изменяются и свойства времени: оно течет там по-иному, замедляется.

Черная дыра способна захватывать не только пролетающие вблизи нее различные небесные тела или космические корабли, но и лучи света. Когда луч света проходит вдали от черной дыры, он почти не отклоняется от своего прямолинейного пути. Но если траектория луча окажется вблизи черной дыры, то происходят просто фантастические явления: лучи света искривляются, могут накручиваться на черную дыру или она их "проглатывает”. Словом, к черным дырам лучше не приближаться ни небесным телам, ни космическим кораблям, ни лучам света!

Ну, а если все же представить совершенно невозможное: космонавты приблизились к черной дыре и каким-то чудом уцелели, а люди на Земле видят все, что там происходит. Больше всего землян, наверное, поразило бы то, что космонавты очень медленно стареют. Например, на Земле прошло лет восемьдесят, а там у них на борту звездолета — лишь четыре недели. На Земле — несколько тысяч лет, а возле черной дыры — всего лишь несколько лет!

Физики подтверждают, что тяготение способно влиять на течение времени.

Астрономы указывают несколько галактик (например, галактика М 87 в созвездии Девы или NG C 6240 в созвездии Змееносца), в которых, по их предположениям, должны бы быть сверхмассивные черные дыры.

"Обычные” (звездные) черные дыры состоят из чрезвычайно плотного вещества. Вычисления показывают, чем больше масса черной дыры, тем меньше ее плотность. Так что если где-то внутри галактик спрятаны сверхмассивные черные дыры, то их плотность может быть даже меньше плотности воздуха. Но и эти черные дыры способны изменить свойства пространства и времени, только не за счет своей сверхплотности, а за счет огромной массы сосредоточенного в них вещества.

Как же все-таки обнаружить черные дыры, если они невидимы?

Искать их, по мнению многих ученых, прежде всего в системах двойных звезд. Звезды, входящие в состав таких систем, могут иметь разную судьбу. Например, одна из звезд, состарившись, превращается в конце своего жизненного пути в черную дыру, а другая еще какое-то время будет оставаться молодой.

Земной наблюдатель сумеет догадаться, что у этой звезды есть невидимый спутник, потому что черная дыра выдаст себя своим тяготением, своим влиянием на движение наблюдаемой нами обычной звезды.

Астрономы сумеют вычислить массу невидимого спутника, и если она окажется в несколько раз больше массы Солнца, то невидимый спутник может быть записан в число "кандидатов” в черные дыры.

Могут быть и другие признаки.

В тесной звездной паре вещество с обычной звезды может устремляться к черной дыре. При этом возможно, образуется вращающийся вокруг нее очень горячий газовый диск. (аккреционный диск) Раскаленный газ этого диска станет источником рентгеновского излучения (процесс протекания – аккреция).

До поверхности Земли рентгеновское излучение не дойдет, его поглотит атмосфера. Если аппаратуру установить на искусственном спутнике Земли или на другом космическом аппарате, который будет находиться за пределами земной атмосферы, то рентгеновское излучение можно наблюдать. И по нему точно определить место черной дыры.

Самым вероятным кандидатом в черные дыры астрофизики считают двойную звезду в созвездии Лебедя ("рентгеновский источник Лебедь Х = 1”). Есть и другие кандидаты (известны 15 кандидатов). Так что сообщение о достоверном открытии первой черной дыры может появиться совсем скоро.

Открытие черных дыр безусловно будет отнесено к числу величайших. Вот что об этом говорит современный американский ученый К. Торн: "Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, наверное, самое фантастическое — это образ черной дыры — отделенной от остального пространства определенной границей, которую ничто не может пересечь; дыры, искривляющей пространство и тормозящей время. Подобно единорогам и химерам, черная дыра кажется более уместной в фантастических романах или в мифах древности, чем в реальной Вселенной. Тем не менее законы современной физики - фактически требуют, чтобы черные дыры существовали”.

В последние годы, более "убедительны” модели сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик. И по наблюдению ядер галактик уже известны более 200 кандидатов в черные дыры. И не хочется верить о той информации в газете "Саха сирэ”, что в 2014 году подойдёт к нашей Галактике быстро приближающая ЧЕРНАЯ ДЫРА! Вот такие пироги... И черные дыры - удивительные, но очень опасные небесные объекты, так я их сегодня себе представляю и учу.

Вопросы и ответы по теме "Звезды”.

Перечислите проявления солнечной активности.

Новый цикл солнечной активности начинается с появления тёмных пятен на средних широтах (± 30°), при этом пятна старого цикла ещё видны вблизи экватора. В минимуме пятен мало (не более десятка) и мощных вспышек нет.

Количество пятен растёт, появляются пары с разной полярностью магнитного поля, они дрейфуют к экватору, где солнечное вещество буквально "кипит”, перенося на поверхность энергию, выделенную в ядерных реакциях в центральной зоне. Восходящие из глубины бурные потоки водородно-гелиевой плазмы, увлекаемые ещё и вращением Солнца (период на экваторе 25 дней), порождают общее магнитное поле и локальные поля групп пятен, которые часто превышают общее поле в тысячи раз.

Достигнув максимума, их количество начинает убывать. В максимуме пятна исчисляются сотнями, в группах пятен часто и непредсказуемо происходят вспышки.

Внешним проявлением солнечной активности являются также фотосферные факелы - светлые волокнистые образования, простирающиеся от фотосферы до верхней хромосферы, и протуберанцы — гигантские дуги, поднимаемые в корону и удерживаемые длительное время магнитным полем. В короне, верхней разреженной части солнечной атмосферы, появляются корональные конденсации и корональные дыры. Согласно теории, 11 лет – это среднее время реверса общего магнитного поля Солнца, а удвоенный (22 года) интервал - период возврата вектора магнитной напряжённости в исходное состояние.

Среди предложенных источников звёздной энергии какие являются реальными, с коими надо считаться на этапах эволюции звезд?

Основным источником энергии звезд считается взаимодействие между атомными ядрами. Из физики известно, что заключенная в атомных ядрах энергия может освобождаться в двух случаях:

• когда ядра тяжелых элементов распадаются на более легкие (этот процесс осуществляется в ядерных реакторах атомных электростанций) или когда происходит слияние (синтез) легких ядер в более тяжелые.

Поскольку звезды состоят в основном из самых легких элементов — водорода и гелия, для них возможен лишь второй вариант освобождения энергии, заключенной в ядрах.

У звезд, температура которых в центре существенно выше, чем у Солнца, может происходить синтез более тяжелых элементов из гелия. Эти термоядерные реакции также сопровождаются выделением энергии, способной поддерживать излучение звезд.

Так, в красных гигантах и сверхгигантах, в недрах которых температура превышает 108 К, могут идти реакции слияния ядер гелия, приводящие к образованию ядер углерода и кислорода (из трех и четырех ядер гелия соответственно).

Большая часть углерода и кислорода, существующих в природе, возникла в недрах таких звезд.

На определенных этапах жизни звезды, например при ее образовании, большую роль может играть еще один источник энергии — сжатие звезды под действием собственной гравитации.

При сжатии потенциальная энергия звездного вещества переходит во внутреннюю энергию и температура звезды возрастает.

Объяснить, почему гелия в природе много больше.

• Наша Вселенная молода и основного строительного материала-атома водорода очень много, нуклеосинтез только в начальной стадии.
• Если водорода много, то свободных нуклонов тоже много.
• Говорят, что сейчас установлено космологическое происхождение гелия.
• Он был синтезирован на ранней дозвездной стадии развития, когда вещество было очень плотным и горячим,
• где происходили невероятные термоядерные реакции.
• Гелия в природе много (30%) рядом обстоятельств:

В адронную эру при равном количестве нуклонов: протонов и нейтронов в достаточном количестве образовались дейтоны – действительные материалы для образования атомов гелия во времена Горячей Вселенной.

Почему ТЯ-реакции в звёздах начинаются (стадия протозвезды) при темпера-туре ~ 106 К, недостаточной для синтеза четырёх ядер водорода в ядро гелия?

Потому что звезды, состоящие в основном из ионизованного водорода, содержат примерно одинаковое число протонов массой т_р= 1,67•10^-27 кг и электронов. Масса электрона во много раз меньше т_р, поэтому средняя масса частиц в звезде m? т_р/2. Расчеты показывают, что температура в звездах растет к центру, причем характерное значение Т в средних слоях звезды типа Солнца составляет около 3•106 К. Давление в средних слоях звезды составляет 7•1013 Н/м2, или около 7•108 атмосфер. Столь большое давление способно буквально "взорвать” звезду. Но этого не происходит, потому что существует сила, сдерживающая силу давления горячего газа. Это — сила гравитационного (взаимного) притяжения частиц звезды друг к другу. Гравитация стремится сжать звезду. Внешние слои звезды, притягиваясь к центру запускают природный термоядерный реактор, синтезируя четырёх ядер водорода в ядро гелия.

Чем определяется интервал масс белых карликов? Каков источник энергии этих звёзд?

Красный гигант остывая превращается в белый карлик, в звезду с большой плотностью, высокой температурой, с однородным и прозрачным веществом. Ещё с низкой светимостью из-за малого размера и массы и почти полной остановкой термоядерной реакции.

Белый карлик излучает за счет энергии накопленной на стадии ядра красного гиганта. Этого запаса при малой светимости хватает на 10⁸ лет. Ещё может какие-то реакции проходить на поверхности угасающей звезды. Давление вырожденного электронного газа (кстати, таких карликов часто называем вырожденными звездами) приведет к выделению свободных нейтронов, что приведет к конечному этапу эволюции звезд. Но станет ли она нейтронной звездой или черной дырой зависит от истинной массы белого карлика. Это уже совсем другая история…

При вспышке Сверхновой 1-го типа выделяется энергия Е = 1046 Дж. Какой процесс обеспечивает такое высокое энерговыделение?

При взрыве аккреционный диск нейтронной звезды нагрет до высокой температуры, активен и неустойчив. Выбрасывает так называемые Джеты, скорость которых близка к скорости света. Вот и энергия сверх быстрых частиц-фотонов.

Джеты после взрыва догоняют плотный звездный ветер звезды, испущенный до взрыва, что порождает гамма-всплеск.

В каких земных условиях можно экспериментально исследовать s- и r-процессы?

Эксперименты проводятся на гомогенных и гетерогенных ядерных реакторах, типа тороидальных камер с магнитными катушками.