Возникновение и эволюция звезд большой и малой массы

Гипотезы формирования звёзд из разреженного газово-пылевого облака.

Звёзды и звёздные скопления имеют разный возраст, от величины 10¹⁰ лет (шаровые скопления) до 10⁶ лет для рассеянных скоплений.

Многие исследователи полагают, что звёзды образуются из диффузной межзвёздной среды. Об этом свидетельствует положение молодых звёзд в спиральных ветвях галактик, там где много газово-пылевой материи. Диффузная Среда удерживается в спиральных ветвях галактическим магнитным полем. Звёзды этим полем не удерживаются и уходят в сферическую часть галактик. Молодые звёзды часто образуют комплексы из тысяч звёзд, окружённым большими массами газа - О - ассоциации.

Процесс формирования звёзд из газа не совсем ясен. Если в некотором объёме, заполненном газом и пылью, масса диффузной материи превзойдёт критическую величину, материя начнёт сжиматься под действием сил тяготения. Происходит гравитационный коллапс. Наиболее плотными областями диффузного облака являются глобулы. Они, видимо, суть прямые предки звёзд.

Для гравитационного сжатия межзвёздной Среды нужно иметь начальную высокую плотность и некий толчок. Таким толчком может явиться взрыв сверхновой звезды. Об этом свидетельствует анализ углистых хондритов - протозвёздного вещества. В них обнаружены радиоактивные изотопы, которые могли образоваться только в атмосфере сверхновой звезды.

Во время процесса гравитационной конденсации пылевые частицы и газовые молекулы падают к центру облака, потенциальная энергия гравитации переходит в кинетическую, а кинетическая в результате столкновений в тепло. Облако нагревается и вследствие увеличения температуры возрастает его излучение. Оно превращается в протозвезду.

Светимость протозвезды может превышать светимость обычной звезды, радиус большой, эффективная температура меньше. На диаграмме спектр-светимость протозвёзды располагаются справа от главной последовательности. Когда температура достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции. Сначала выгорает дейтерий, потом литий, бериллий и бор. При повышении температуры начинаются протон-протонные реакции для звёзд с массой меньше 1,5 солнечной или углеродно-азотный цикл для массивных звёзд. Сжатие прекращается и звезда превращается в звезду главной последовательности.

Время гравитационного сжатия невелико. Чем больше масса протозвезды, тем быстрее идёт процесс сжатия. Из-за малого времени сжатия во Вселенной наблюдается немного таких объектов. Предположительно это звёзды типа Т-Тельца и некоторые источники инфракрасного излучения (“звёзды-коконы”).

Ядерные реакции в массивных звёздах идут быстрее и время их пребывания на главной последовательности меньше. Звёзды спектрального класса В0 остаются на главной последовательности 10⁷ лет, а звёзды типа Солнца - 10¹⁰ лет. После выгорания водорода в гелий, ядерные реакции идут на внешней границе ядра. Само ядро сжимается, плотность и температура центральной части возрастают, увеличиваются светимость и радиус звезды. Звезда становится красным гигантом.

Внутри ядер массивных звёзд могут идти реакции превращения гелия в углерод. Когда гелиевая реакция внутри ядра и водородные реакции на его границе исчерпывают себя, протяжённая оболочка красного гиганта расширяется, её наружные слои не могут удерживаться силой тяготения и начинают отделяться. Происходит истечение массы из атмосферы. При некоторых условиях происходят вспышки сверхновых звёзд.

При медленном истечении образуются планетарные туманности.

Оставшееся ядро маломассивных звёзд называется белым карликом.

При большой плотности вещества белых карликов, сила гравитационного сжатия уравновешивается давлением вырожденных электронов. Если масса ядра меньше 0,5 солнечных масс, оно состоит из гелия, если масса больше - из углерода и кислорода. В таких звёздах ядерные реакции не идут. Они светят за счёт запаса тепловой энергии, накопленной в прошлом, и постепенно остывают, на протяжении нескольких миллиардов лет, превращаясь в ненаблюдаемые чёрные карлики.

Звёзды с массой 6-8 солнечных могут испытать заключительное взрывное сжатие и не оставить после себя никакого ядра.

Массивные звёзды, с изначальной массой 8-50 солнечных, превращаются в нейтронные звёзды после вспышки сверхновой. Звезда коллапсирует до тех пор, пока электроны не соединяются с протонами, образуя нейтроны. Эти нейтроны становятся вырожденными. Давление вырожденных нейтронов уравновешивает силу гравитационного сжатия. Нейтроны в ядре расположены вплотную друг к другу. Плотность такая же как в атомном ядре.

Гипотезы формирования звёзд из сверхплотного вещества.

Гипотеза формирования звёзд из сверхплотного вещества была выдвинута академиком В.А.Амбарцумяном. Она говорит о том, что звёзды образуются из некоего сверхплотного вещества.

Основой этой гипотезы является вывод, что в наблюдаемой Вселенной процессы распада преобладают над процессом соединения. Значит процесс образования звёзд должен быть переходом вещества из более плотного состояния в менее плотное.

Гипотеза требует, чтобы во Вселенной существовал материал - сверхплотное вещество, которого ещё никто не наблюдал и свойства которого остаются неизвестными. Сверхплотная материя, если она существует, должна быть недоступна современным средствам наблюдения, так как она занимает очень малые объёмы пространства и почти не излучает. Основные её свойства - необычайно высокая плотность и огромный запас энергии, которая бурно выделяется при распаде такого вещества.

Пока не существует стройной математической теории, основанной на этой гипотезе. Основной довод её сторонников в том, что она соответствует наблюдательным данным.

26.5 Заключительные стадии эволюции звезд. «Черные дыры».

Звёзды с массой более 50 солнечных масс коллапсируют в чёрные дыры. В ходе сжатия сила тяжести на поверхности возрастает и наступает момент, когда даже свет не может преодолеть гравитационный барьер. Для того, чтобы вырваться из поля притяжения чёрной дыры нужно развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому чёрная дыра ничего не излучает и исчезает для постороннего наблюдателя.

Чёрная дыра - это замкнутая область пространства, в которую сжато вещество и откуда ничто не может выйти.

Карл Шварцшильд в 1916 году нашёл решение уравнений поля теории относительности, описывающее пространство-время вне тела со сферически симметричным распределением вещества. Это решение можно интерпретировать так: если тело массой М сжато в сферу определённого радиуса R_ш(радиус Шварцшильда), то пространство-время вблизи него искажается так сильно, что свет не может выйти из этой сферы. Область пространства, которую ни одно материальное тело не может покинуть учёные и называют чёрной дырой.

R_ш = 2GM/с².

Что происходит внутри чёрной дыры пока неизвестно. Высказываются предположения, что вещество сжимается до состояния сингулярности. Это состояние не может описать сегодня ни одна физическая теория.

Теория относительности приводит к выводам, что вещество должно быть сжато в микроскопически малом объёме пространства в центре чёрной дыры. Граница чёрной дыры носит название горизонта событий.

Для Солнца радиус Шварцшильда равен 3 км. Массивная звезда с массой 10 солнечных будет иметь радиус 30 км.

Для Земли радиус Шварцшильда равен 1 см.

Высказывалось предположение, что если Вселенная образовалась в результате Большого взрыва из горячего сверхплотного вещества, то на самых ранних стадиях её эволюции могли существовать условия, в которых даже очень небольшие массы материи спрессовывались в чёрные мини-дыры. В чёрной дыре размером с атомное ядро может содержаться масса средней земной горы и вполне допустимо, что такие объекты существуют.

Движение внутри чёрной дыры возможно только в одном направлении - к сингулярности, где происходит разрушение.

Решения уравнений, описывающих пространство-вермя в окрестности шварцшильдовской чёрной дыры, обладают опрелелённой симмтерией, которая указывает на то, что дыра может связывать нашу Вселенную с другим, аналогичным миром. Эта возможность взаимосвязи между двумя мирами через чёрную дыру называется мост Эйнштейна - Розена (или “кротовая нора”). Высказывалось предположение, что этот мост связывает не разные миры, а две точки одного - нашей Вселенной. Но чтобы воспользоваться этим переходом необходимо развить сверхсветовые скорости.

Теоретические расчёты показали, что с точки зрения внешнего наблюдателя чёрные дыры могут иметь только три характеристики: свойства чёрной дыры полностью определяются её массой, электрическим зарядом и собственным моментом импульса. Эти три характеристики должны остаться у чёрной дыры, поскольку они связаны с полями дальнодействующих сил, которые оказывают влияние на удалённые объекты. При формировании чёрной дыры гравитационное поле вне горизонта событий продолжает действовать на распространение световых лучей и движение объектов с ненулевой массой покоя. Электромагнитное поле, связанное с зарядом чёрной дыры также будет оказывать влияние на окружающие тела.

Вращающиеся чёрные дыры, описанные Р. Керром имеют ряд интересных свойств. Вне горизонта событий таких дыр простирается область, называемая эргосферой, которая ограничена поверхностью, называемой пределом стационарности.

Внутри предела стационарности ничто не может оставаться в покое. Как бы само пространство внутри эргосферы увлекается мощным вращением чёрной дыры и закручивается вокруг её оси.

В 1969 году Роджер Пенроуз доказал, что из эргосферы чёрной дыры можно черпать энергию. Если какая-то частица, обладающая определённой энергией, попадает в эргосферу и разлетится на два осколка, один из которых имеет отрицательную энергию, то этот осколок упадёт в чёрную дыру, тогда как другой осколок (в соответствии с законом сохранения энергии и импульса) вылетит из эргосферы с энергией, превышающей первоначальную энергию всей частицы в целом.

Падение частицы и вылет за пределы эргосферы одного из её осколков приводит к уменьшению полной массы - энергии чёрной дыры, а многократное повторение этого процесса должно вызвать потерю значительной части массы - энергии чёрной дыры. Однако, падение в дыру частиц со спином, противоположным её собственному моменту импульса, вызывает замедление вращения чёрной дыры, и как только вращение прекращается, дальнейшее извлечение энергии таким методом становится невозможным. К моменту полной остановки чёрной дыры можно извлечь 29% её первоначальной массы. Потенциально вращающиеся чёрные дыры могут служить самыми мощными источниками энергии во Вселенной.

В 1971 году С.Хокинг доказал теорему, согласно которой площадь горизонта событий чёрной дыры не может уменьшаться. Площадь поверхности либо увеличивается, либо остаётся неизменной, чтобы не происходило с чёрной дырой.

Внутренность вращающейся чёрной дыры существенно отличается от чёрной дыры Шварцшильда. Керровская сингулярность имеет форму кольца, т.е. временноподобна. Это означает, что существует возможность проникнуть в чёрную дыру по пути, минующему центральную сингулярность. Существуют такие направления, следуя которым, можно удаляться от сингулярности. Можно изменить направление движения, сообщив телу некоторую дополнительную скорость. Двигаясь в сторону от сингулярности, со скоростью меньшей скорости света, можно оказаться в другом пространстве - времени. Через чёрную дыру можно попасть в другую вселенную. При этом существует возможность попасть не в одну, а в бесконечное множество иных вселенных. Однако, астронавт может двигаться только в направлении “вселенной будущего”, т.е. он не сможет вернуться в свою вселенную в то же время.

Была высказана мысль, что множество миров может быть связано путём, следуя по которому, мы вернёмся в нашу Вселенную, возможно даже в её прошлое. Практически мгновенно астронавт может пробраться в другую точку нашей Вселенной, быстрее чем туда долетит свет.

Однако, такое развитие событий нарушило бы закон причинно-следственной связи. Если бы эта связь оказалась нарушенной, то Вселенная была бы непредсказуемой и иррациональной.

С практической точки зрения путешествия в пространстве с помощью чёрных дыр вызывает существенное возражение. Космический корабль, приблизившийся к горизонту событий дыры средней массы, будет разорван приливными силами. Приливные силы слабы лишь в дырах с огромной массой, равной массе галактики.

Последние теоретические исследования свидетельствуют, что внутри керровской чёрной дыры возможны квантовые эффекты, недопускающие пространственно-временных мостов.

Белые дыры. Уравнения общей теории относительности симметричны по отношению к направлению времени. Есть решения, имеющие смысл и в том случае, когда время течёт в направлении, противоположном общепринятому представлению о его течении.

Зная, что чёрные дыры образуются в результате гравитационного коллапса некой массы вещества в скрытую за горизонтом событий сингулярность, которая существует бесконечно долго, можно предположить, что существуют дыры с обращённым временем, т.е коллапс с обратным ходом развития событий. В таком случае в некоторой области Вселенной вдруг обнаружился бы источник, выбрасывающий вещество - белая дыра. Она должна была бы содержать сингулярность, существовавшую с момента начала отсчёта времени Вселенной. Как на чёрную дыру могу падать частицы, так они могут вылетать из белой, образуя облака пыли и газа.

Гипотеза белых дыр могла бы объяснить феномен наблюдающихся взрывающихся галактик, другие явления, сопровождающиеся большим выделением энергии. Квазары могли бы предстать как объекты, из которых происходит истечение вещества в нашу Вселенную.

И.Д.Новиков предположил, что если некоторые области пространства-времени в момент Большого взрыва не приняли участия в немедленном процессе всеобщего расширения, то эти области, или “задержавшиеся ядра”, могут взорваться на более поздней стадии эволюции Вселенной, создав белые дыры.

Возможно, что в одних вселенных происходит коллапс вещества в чёрную дыру, то в других возникают белые дыры.

Теоретически рассматриваются также модели “серых дыр”, вещество которых, выплёскиваясь, как в белых дырах, за горизонт событий, почти тотчас же начинает быстро сжиматься в процессе гравитационного коллапса.

Наличие белых и серых дыр сегодня не доказано и считается маловероятным. Чёрные дыры являются уже почти открытыми объектами. Их существование в какой-то степени предсказывает даже теория тяготения Ньютона. Наблюдательная астрономия в последние годы собрала много материала, подтверждающего существования чёрных дыр во Вселенной. Они могут существовать и наблюдаться как постоянно взаимодействующие с веществом в ядрах галактик, в тесных двойных звёздных парах, в квазарах.