7528

91

После завершения эпохи рекомбинации не сразу появились звезды. Еще не было ни звезд, ни галактик, ни других космических объектов: вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Причиной возникновения космических крупномасштабных тел стала гравитация. Там, где в результате флуктуаций возникли уплотнения вещества, гравитационные силы возросли чуть больше, чем в местах с меньшей плотностью. Более плотные образования становились еще плотнее. Области с меньшей плотностью становились менее плотными, поскольку вещество уходило из них в области с повышенной гравитацией. В некоторых областях стало происходить уплотнение вещества Вселенной. Появились зародыши будущих галактик и их скоплений.

Доказательством появления неоднородностей послужили следующие экспериментальные данные. В начале 90-х годов ХХ века в России и США были выполнены космические эксперименты «Реликт-2» и «Кобе». Были обнаружены очень маленькие различия температуры реликтового излучения и температуры соседних участков неба. Эти различия указывали на отклонение плотности вещества от среднего значения. Именно вариации плотности вещества Вселенной привели впоследствии к возникновению крупномасштабных структур, скоплений галактик и отдельных галактик. Так возникла и наша Галактика– Млечный Путь, включающий в себя систему звезд, в том числе Солнце со всеми планетами.

Вопросы для проверки знаний

1.Что такое первичный нуклеосинтез и процесс рекомбинации?

2.Какие силы явились причиной возникновения крупномасштабных космических тел?

8.5. Рождение и гибель звезд

Еще в 1920 г., задолго до создания ядерной физики английский, астрофизик Артур Эддингтон указал на реакцию превращения водорода в гелий как на возможный источник энергии звезд. Обсуждая проблему источников энергии звезд, он понял, что энергия звезды генерируется со скоростью, зависящей от температуры и плотности вещества звезды. Этот процесс должен саморегулироваться, чтобы звезда могла находиться в устойчивом состоянии. Эддингтона считают основоположником теоретических исследований физики звезд и межзвездной среды. По его мнению, мир открывается не только через наблюдения и логическое мышление, но и через религиозное постижение «невидимого мира», в который можно проникнуть только путем мистического опыта. Религиозный мистицизм не мешал ему быть естествоиспытателем. В науке издавна существовал обязательный принцип: «Не должно вводить Бога в научную теорию, даже если ты веруешь в него». Так поступали Лаплас, Ломоносов, Дарвин, Эддингтон, Хаббл.

В нашей Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд общей массой, равной примерно пяти массам Солнца. Возраст массивных звезд составляет примерно 10 млн. лет. По сравнению с другими объектами Галакти-

92

ки это небольшой возраст. Следовательно, эти звезды родились совсем недавно и не могли уйти далеко от места своего рождения. Одно из таких мест−скопление очень молодых звезд – туманность Ориона. На фоне Млечного Пути встречаются темные провалы. Здесь сосредоточены не только газы, но и мелкие твердые частицы– пылинки размером около 1 мкм (10−6 м) в количестве 1% от массы всего газа. Детальное изучение Млечного Пути показало, что такие провалы (невидимые в оптический телескоп) встречаются в областях звездообразования, подобных туманности Ориона.

Известно, что межзвездный газ состоит на 67% по массе из водорода, на 28% из гелия и менее 5% приходится на все остальные элементы, включая кислород, углерод и азот. При относительно высокой плотности и низкой температуре, царящей в межзвездном газе, часть атомарного вещества должна была объединиться в молекулы. Молекулы объединялись в молекулярные облака. Газообразные молекулярные облака недоступны наблюдению в оптическом диапазоне, т.е. в диапазоне длин волн, воспринимаемых человеческим глазом. С помощью ракет и спутников удалось установить главную молекулу межзвездной среды – молекулу водорода Н2. При наблюдении межзвездного пространства радиотелескопами сантиметрового и миллиметрового диапазонов были обнаружены не только молекулы водорода, но и более сложные соединения. Среди них молекулы воды (Н2О), аммиака (NH3), формальдегида (Н2С=О), этилового спирта (С2Н5ОН) и даже простейшей аминокислоты – глицина.

Молекулярные облака являются центрами рождения звезд. Они имеют довольно сложное строение. Внутренняя часть молекулярного облака, состоящая почти полностью из молекулярного газа, покрыта слоем пыли, которая поглощает излучение близлежащих звезд. Снаружи слой пыли охвачен оболочкой, которая почти полностью состоит из слоя атомарного газа, поскольку проникающее в этот слой излучение звезд разрушает химические связи в молекулах, превращая молекулы в атомы. Еще в 1902 г. двадцатипятилетний английский физик-теоретик Д. Джинс (1877−1946) исследовал уравнения движения газа с учетом гравитации и установил, что они имеют два решения. Если масса газа мала и гравитационные силы невелики, а нагрет газ достаточно сильно, то в нем распространяется волна сжатия и разрежения – обычные звуковые колебания. Но если облако массивное и холодное, то тяготение побеждает газовое давление и облако начинает сжиматься, превращаясь в плотный газовый шар – звезду.

Джинс не ошибся. Именно эта модель образования звезд принята современной наукой. Когда плотность молекулярного облака при невысокой температуре становится настолько большой, что гравитация преодолевает газовое давление, облако начинает неудержимо сжиматься. Известны молекулярные облака самых разнообразных размеров и масс. Например, темная туманность Угольный Мешок имеет диаметр 12 парсек и массу, равную массе 5 тысяч Солнц. Существуют молекулярные облака, масса которых достигает миллиона солнечных масс.

93

Когда молекулярное облако начинает сжиматься, то небольшие неоднородности плотности в процессе сжатия усиливаются, и оно разрывается на части, каждая из которых продолжает самостоятельное сжатие. При сжатии возрастает температура, и давление газа препятствует сжатию. Но пока облако прозрачно для излучения, оно теряет энергию, охлаждается и сжатие продолжается. Практически наблюдается свободное падение вещества к центру облака. Оно уменьшается в размерах, но еще в миллион раз превышает размеры Солнца. Облако переходит в стадию протозвезды (греч. protos−первый).

При сжатии протозвезды плотность настолько возрастает, что вещество уже не пропускает видимый свет. Но протозвезда еще остается прозрачной для инфракрасного излучения и теряет энергию при сжатии за счет инфракрасного излучения. Сжатие продолжается только потому, что давление и температура увеличиваются не настолько, чтобы препятствовать сжатию. Наступает момент, когда температура достигает нескольких тысяч градусов. Молекулы распадаются на атомы, а при повышении температуры до 10 тыс. градусов атомы распадаются на ядра и электроны. Силы гравитационного взаимодействия возрастают, и облако разогревается до нескольких миллионов градусов. Сжатие практически прекращается, т.к. начинается термоядерная реакция. Энергия термоядерного синтеза полностью компенсирует потери веществом энергии за счет излучения. Протозвезда становится звездой. Так зажигаются звезды. В табл.2 приведены характеристики протозвезды с массой, равной массе Солнца [24, с. 613].

Астрофизические исследования установили, что молекулярные облака− это «фабрики по производству звезд» в галактиках с массой от сотых долей, до сотен солнечных масс. Сжимаясь из обширного вращающегося облака молекулярного газа в небольшой по сравнению с исходным состоянием объем, звезда освобождается от избытка энергии и момента количества движения самым эффективным способом. В окрестностях формирующейся молодой звезды образуются быстрые потоки газа, несущиеся в двух противоположных направлениях от звезды подобно струям, вырывающимся из сопла реактив-

94

ного двигателя. Именно так теряют звезды как минимум 99,99% исходного момента количества движения. Именно так наше Солнце потеряло почти всю энергию вращения.

Звезды рождаются и умирают. Конец жизненного пути звезды зависит от её массы и приводит к одному из трех состояний: белому карлику, ней-

тронной звезде или черной дыре.

Жизненный путь одиночной звезды довольно сложен. Звезды, в 100 раз больше солнечной, живут несколько миллионов лет. Если масса звезды составляет 2−3 солнечных массы, срок жизни звезды увеличивается до миллиарда лет. В маленьких, по сравнению с Солнцем, звездах, выгорание водорода происходит очень медленно, и они практически не изменяются в течение многих миллиардов лет. Когда водород выгорает, они очень медленно сжимаются и за счет выделяющейся при сжатии энергии могут существовать еще очень длительное время.

Такая звезда, как наше Солнце, занимает промежуточное положение. Солнце существует уже 4,5−5 млрд. лет. Постепенно по мере исчерпания запасов ядерного горючего (водорода) Солнце вырастет до размеров красного гиганта, сбросит чрезмерно увеличившуюся оболочку и закончит свою жизнь, превратившись в белый карлик. Но это случится не ранее, чем через 5 млрд. лет.

По своему строению звезды различаются существенно. Раскаленный газовый звездный шар стремится расшириться и занять весь предоставленный ему объем, но гравитационные силы препятствуют этому. Давление газа внутри звезды определяется его температурой и плотностью. Наружная оболочка, обладающая громадной массой, стремится сжать звезду

Р, давление

0

R,

радиус

Рис. 35. Равновесное состояние звезды (гравитационные силы уравновешены давлением газа)

Сила расширения уравновешена гравитационной силой сжатия до тех пор, пока вырабатывается ядерная энергия в её недрах (рис. 35). Температура в ядре звезд достигает 10 млн. градусов для звезд легче Солнца и 30 млн. градусов в ядрах звезд-гигантов. В центре Солнца температура составляет 15 млн. градусов. При таких температурах вещество внутри звезд-

95

ных недр почти полностью ионизировано. Газ состоит из атомных ядер и электронов. Расстояния между ядрами и электронами такие, что плотность ядерного вещества в звезде, подобной Солнцу, в 100 раз превышает плотность воды и более плотное, чем любой твердый материал на Земле. Тем не менее звездный газ обладает всеми свойствами идеального газа.

Белый карлик в современной теории звездной эволюции рассматривается как конечный этап жизни звезд средней и малой массы, т.е. меньше 3−4 масс Солнца. Ядро звезды начинает сжиматься, когда в её недрах выгорает весь водород и давление газа уже не способно противостоять силам гравитационного сжатия. При сжатии ядра температура резко возрастает и нагревает внешний слой звезды. Происходят два одновременных процесса: катастрофическое сжатие ядра при возрастающей температуре и расширение внешнего слоя звездного газа в результате нагревания его раскаленным ядром. Но расширение внешнего слоя газа не позволяет ему интенсивно разогреваться. Более того, при удалении от ядра внешнего газового облака его температура понижается. Звезда становится красным гигантом. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров, превосходящих размеры такой звезды, как Солнце, в сотни раз. Гигантская разреженная оболочка звезды слабо связана с ядром и в конце концов рассеивается в космическом пространстве за время порядка 10−100 тыс. лет. Оставшееся компактное горячее ядро представляет собой звезду, состоящую в основном из ядер атомов гелия и свободных электронов. Это и есть белый карлик. В нем силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, чем обеспечивается устойчивость звезды. При массе, равной массе Солнца, размеры белого кар-

лика не превышают несколько тысяч километров. Плотность вещества в белых карликах может достигать величин порядка 109−1010кг/м3. Законы идеальных газов к такому объекту уже не применимы.

В середине 20-х годов ХХ века была разработана теория, которая описывает свойства газов с плотностями, характерными для белых карликов.

Давление такого газа не определяется его температурой. Оно остается вы-

соким, даже если вещество остынет до абсолютного нуля. Такой газ полу-

чил название вырожденного газа. Наше Солнце ждет судьба белого карлика. Ядерные реакции в недрах белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Основной запас энергии содержится в колебательных движениях ионов гелия и хаотическом движении электронов. По структуре поверхность белого карлика напоминает гигантский горячий кристалл с ионной кристаллической решеткой.

Масса белого карлика не может превышать определенного предела. Таким пределом является масса, равная 1,4 массы Солнца. Если масса превышает это предельное значение, белый карлик начнет стремительно сжиматься. Давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации. Происходит нейтронизация белого карлика. Это значит, что протоны поглощают электроны, превращаясь в нейтроны. Такое катастрофическое для звезды сжатие называется коллапсом. Звезда либо взрывается, и вещество

96

рассеивается в межзвездном пространстве, либо останавливается на стадии существования нейтронной звезды.

Нейтронная звезда состоит из нейтронов, которые тесно прижаты друг к другу. Огромная звездная масса сосредоточивается в очень небольшом шаровом объеме радиусом несколько километров. Плотность вещества (достигающая значений 1016 кг/м3)в нейтронной звезде чудовищно велика даже по сравнению с плотностью белого карлика (109−1010кг/м3). Образование нейтронных звезд происходит в результате грандиозных космических явлений– взрывов гигантских звезд, когда большая часть их массы разлетается со скоростью до 10 000 км/с, а остаток сжимается в нейтронную звезду или превращается в черную дыру. При взрыве выделяется огромное количество энергии порядка 1046 Дж, которая уносится не фотонами, а нейтрино.

Такая судьба ожидает звезды, масса которых в 8−10 раз больше массы Солнца. Астрономические наблюдения говорят, что на разных этапах развития в ядре звезды происходят термоядерные реакции, при которых сначала водород превращается в гелий, затем гелий в углерод и последовательно образуются элементы периодической системы вплоть до железа, кобальта и никеля. Это наиболее устойчивые ядра химических элементов. Удельная энергия связи у них наибольшая.

Достигнув такого состояния, звезда начинает терять устойчивость как только железное ядро станет достаточно массивным (около 1,5 массы Солнца). Во-первых, ядра атомов железа начинают распадаться на α-частицы (ядра гелия) с выделением фотонов (электромагнитное излучение). Во-вторых, протоны захватывают электроны с образованием нейтронов (р+ + е− → n0). Оба процесса начинаются, когда плотность вещества в ядре звезды станет выше 1000кг/см3.. До этого момента гравитационным силам противостояла «упругость» вещества. Начинается процесс стремительного сжатия ядра звезды, когда равновесие гравитационных сил и давления внутри ядра нарушается. Протоны продолжают захватывать электроны, превращаясь в нейтроны. Громадная масса оболочки звезды взрывается и рассеивается в межзвездном пространстве в виде потока нейтрино.

Возможен и другой сценарий образования нейтронной звезды из устойчивого белого карлика, если последний входит в состав тесной двойной системы белый карлик−звезда. Под действием гравитационных сил газ с соседней звезды перетекает на белый карлик. Масса белого карлика постепенно возрастает, плотность увеличивается, и происходит взрыв, превращающий белый карлик в нейтронную звезду. Как и для белого карлика, для нейтронной звезды существует предельно возможная масса. Она не превышает 3 масс Солнца. Если масса нейтронной звезды превосходит это значение, никакое давление внутри звезды не способно противостоять силам гравитации. Нейтронная звезда становится неустойчивой и быстро сжимается, превращаясь в черную дыру.

97

Голубой сверхгигант Рис. 36. Модель взаимодействия черной дыры и голубого сверхгиганта.

Черная дыра образуется в результате сжатия гигантских звезд. При сжатии их гравитационное поле уплотняется, и звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть её притяжение. Поэтому черную дыру невозможно наблюдать непосредственно. Она не светится. О её существовании можно судить по поведению соседних звезд. Черная дыра может срывать вещество с соседней звезды и поглощать его в своих недрах. Как показано на рис.36, под действием гравитационных сил черной дыры с поверхности соседнего голубого сверхгиганта срывается поток горячего газа. Энергия ускоренного движения газообразной массы при сжатии сопровождается еще большим разогреванием. Газ, мчащийся в черную дыру, сжимается, разогревается при приближении к ней и становится источником жесткого электромагнитного (рентгеновского) излучения. По этому излучению предполагается местонахождение черной дыры. Поверхности в традиционном понимании у черных дыр быть не может. У них нет химического состава. Их строение не связано с какими-то типами взаимодействия вещества, кроме гравитационного. Предполагается, что черные дыры массой более миллиона масс Солнца имеются в центре значительной части галактик. Есть основания считать, что черные дыры существуют в центре нашей Галактики и туманности Андромеды, но их массы сравнительно невелики.

Представленная Вам научная картина Вселенной все время совершенствуется и следовательно меняется. Научное знание обладает поразительной особенностью: предыдущее знание является основой, базисом для последующего и часто входит в него составной частью согласно боровскому принципу соответствия. В последние два десятилетия в физике Вселенной сделаны интересные открытия. Появились такие понятия как «темная материя» и «темный вакуум». Это другая субстанция. Вакуум оказался не пустым. Он буквально пронизан энергией, которая реализуется в гравитационном взаимодействии. «Темная материя» и вакуум – две субстанции во Вселенной, прямо ненаблюдаемые, но, как говорят ученые, конролирующие две трети вещества во Вселенной. Это не та материя, с которой мы привыкли иметь дело (элементарные частицы, атомы, молекулы и т. д.). Природа «темной материи» пока остается неразгаданной.

98

Вопросы для проверки знаний

1.Как рождаются звезды по модели Джинса?

2.Что такое протозвезда и какие фазы в своем развитии она проходит?

3.Что такое молекулярные облака?

4.Как умирают звезды?

5.Какие силы определяют равновесное состояние звезды?

6.Что определяет процесс эволюции и конечный этап развития звезды?

7.Что такое «белый карлик»?

8.Как возникает «нейтронная звезда»?

9.Что такое «черная дыра» и может ли человек наблюдать «черную дыру»?

9. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА В ГАЛАКТИКЕ

Солнечная система входит в состав Млечного Пути, или нашей Галактики (греч. galaktikos−млечный, молочный) – звездной системы, состоящей из сотен миллиардов звезд. С Земли это грандиозное скопление звезд представляет собой светлую туманную полосу. Похожие на нашу Галактику звездные скопления были также названы галактиками.

гало

ядро

рукава Галактики

Солнце

Солнце

Рис. 37. Модель строения нашей Галактики:

а) спиральный диск галактики, б) Галактика с гало

По форме наша Галактика представляет спиральный диск, состоящий из спиральных ветвей или рукавов. Диаметр Галактики превышает 100 тыс. световых лет, а толщина – около 1 тыс. световых лет (рис. 37). По внешнему виду Галактика напоминает чечевичное зерно с утолщением посередине. Границы нашей Галактики определяются размерами гало. В состав гало входят очень старые и небольшие по массе звезды. Их возраст составляет примерно 12 млрд. лет. Размеры гало превышают размеры Галактики и, вероят-

99

но, составляют несколько сотен тысяч световых лет. Спиральный диск Галактики отличается по составу звезд от гало.

Вблизи плоскости диска концентрируются молодые звезды, возраст которых примерно такой же, как и у Солнца, т.е. не превышает нескольких миллиардов лет. Среди них очень много ярких и горячих звезд. Ядро Галактики характеризуется сильной концентрацией звезд, а в самом центре предполагается существование массивного невидимого тела – черной дыры.

Солнце расположено посередине между центром ядра и краем диска. Медленное вращение Галактики вокруг центра происходит примерно за 200 млн лет. Кроме вращения в составе Галактики, Солнце совершает вращение вокруг собственной оси. Период вращения Солнца составляет примерно 27 суток.

9.1. Солнце

Планеты солнечной системы движутся в поле огромного термоядерного реактора-Солнца. По своим размерам и массе Солнце превосходит все взятые вместе планеты солнечной системы. В Солнце (2×1030 кг) сосредоточено 99,866% массы солнечной системы. Радиус Солнца-696 тыс. км. По сравнению с Землей Солнце больше в 109 раз, но визуально его размеры сравнимы с размерами Луны, т.к. оно находится на громадном расстоянии от планеты Земля. В среднем расстояние от Солнца до Земли-149,6 млн. км. Свет, мчащийся со скоростью 300 тыс. км/с, преодолевает это расстояние за

8, 3 мин.

Гелиевое ядро

Зона лучистой передачи энергии

Зона конвективной передачи энергии

Фотосфера и хромосфера Рис. 38. Внутреннее строение Солнца

В центральной части Солнца расположено ядро (рис. 38). Несмотря на то, что радиус ядра составляет примерно четвертую часть радиуса Солнца, в объеме ядра сосредоточена половина солнечной массы при плотности газа 150 г/см3 и давлении около 3×1011 атмосфер. Ядро – своеобразный термоядерный котел, источник солнечной энергии. Здесь происходит термоядерный синтез, в результате которого при температуре 15 млн. К ядра атомов водорода (протоны) превращаются в ядра атомов гелия. Энергия выделяется в форме электромагнитного гамма-излучения. Гамма-кванты имеют энергию в

100

миллион раз большую, чем кванты видимого излучения. Это излучение рассеивается во всем объеме зоны лучистой передачи энергии.

Зона лучистой передачи энергии охватывает ядро. В этой зоне плот-

ность газа, температура и давление убывают по мере удаления от ядра. Чтобы квант электромагнитного излучения добрался до поверхности Солнца, необходимы многие тысячи лет. По пути γ-кванты поглощаются атомами. В возбужденном состоянии атомы находятся недолго и испускают поглощенную энергию, но не одним квантом, а чаще несколькими, но с меньшей энергией так, что в сумме энергия переизлученных квантов равна поглощенному γ-кванту. Постепенно энергия мощного γ-излучения преобразуется в энергию рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения.

Зона конвективной передачи энергии характеризуется меньшей про-

зрачностью, чем зона передачи лучистой энергии. Она начинается на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается почти до самой видимой поверхности солнца – фотосферы. В этой зоне потоки раскаленного газа перемешиваются. Горячие потоки стремятся к поверхности, а менее раскаленные опускаются к центру.

Солнечная атмосфера начинается на 200−300 км глубже видимого края Солнца и включает фотосферу, хромосферу и корону. В фотосфере плотность газов в сотни раз меньше, чем плотность воздуха у поверхности Земли, а средняя температура около 6000 К. Состав газа, нагретого до такой температуры, ограничивается главным образом атомами водорода и гелия. Присутствует также незначительное количество простейших частиц Н2, ОН, СН, а также ион Н−. Хромосфера распространяется на 10−15 тыс. км. В этом слое солнечной атмосферы бушуют потоки газа (протуберанцы), состоящего из ионов и электронов. Высокая температура хромосферы обусловлена нагреванием вещества магнитным полем, подобно тому, как происходит нагревание вещества в микроволновой печи, только это гигантская микроволновая печь. Внешняя часть солнечной атмосферы– корона−простирается на миллионы километров и разогрета до 1– 2 млн. К. Причина её разогревания та же, что и у хромосферы – воздействие магнитного поля на ионизированную плазму.

Солнце освещает и нагревает планеты солнечной системы. Для планеты Земля такой источник энергии обеспечивает существование жизни растений, микробов, животных и человека. Оно посылает энергию, которая не только поддерживает жизнь на Земле, но несет поток энергии, опасный для человека и других живых систем. Поток электромагнитного излучения от γ- лучей до многокилометровых радиоволн достигает окрестностей Земли вместе с потоком заряженных частиц высоких (солнечные космические лучи), средних (выбросы от солнечных вспышек) и низких энергий (солнечный ветер), а также нейтрино. Только часть электромагнитного излучения Солнца проходит сквозь атмосферу и попадает на поверхности Земли (табл. 3).

Рентгеновское и γ-излучение, а также ультрафиолетовое излучение с длинами волн 10−310 нм поглощается на высоте 300−350 км от поверхности