Эволюция галактик и звезд

Совокупность звездных систем (галактик) называется Метагалактикой. Метагалактика – наблюдаемая часть Вселенной. Согласно современным представлениям, для Метагалактики характерна ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Эти пред­ставления основываются на данных астрономических наблюде­ний, показавших, что галактики распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет.

Галактика — гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию. По форме галактики условно разделяются на три типа: эл­липтические, спиральные и неправильные. Эллиптические галактики обладают пространственной фор­мой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наи­более простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра. Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид га­лактик, к которому относится и наша Галактика — Млечный путь (рис. 6). Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

В строении правильных галактик очень упрощенно можно выделить центральное ядро и сферическую периферию, пред­ставленную либо в форме огромных спиральных ветвей, либо в форме эллиптического диска, включающих наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. В ядре галактики сосредоточены самые старые звезды, воз­раст которых приближается к возрасту галактики. Звезды сред­него и молодого возраста расположены в диске галактики.

Рис. 6. Галактика Млечный путь (модель).

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды и неиспускающие – планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительно­го времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источни­ка энергии — гравитационное сжатие, приводящее к выделению грави­тационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.

Эволюция звезды осуществляется следующим образом. По некоторым причинам начинает конденсироваться облако межзвездной газовопылевой среды. Потом под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный газовый шар (протозвезда), который пока нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура ещё недостаточна для того, чтобы могли начаться термоядерные реакции. Протозвезда продолжается сжиматься, вследствие чего температура её повышается, а размеры уменьшаются. Наконец, температура звёздных недр оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давления газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение, и газовый шар перестаёт сжиматься. Протозвезда становиться звездой.

Скорость развития звезды зависит от процессов превращения водорода в гелий при термоядерных реакциях в центральных областях звезды. После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образует­ся гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка — расширяться. Звез­да принимает гетерогенную структуру. Оболочка разбухает до колос­сальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта.

Для красно­го гиганта характерна низкая внешняя температура, но очень высо­кая внутренняя. С ее повышением в термоядерные реакции включа­ются все более тяжелые ядра. На этом этапе (при температуре свыше 150 млн. К) в ходе ядерных реакций осуществляется синтез химических элементов. В результате роста давления, пульсаций и других процес­сов красный гигант непрерывно теряет вещество, которое выбрасывается в межзвездное пространство.

При массе менее 1,4 массы Солнца звезда переходит в стационарное состояние с очень большой плотностью (сотни тонн на 1 см³). Такие звезды называются белыми карликами. Тепловые запасы звезды постепенно истощаются и звезда медленно охлаждается, что сопровождается выбросами обо­лочки звезды. Молодые белые карлики, окруженные остатками обо­лочки, наблюдаются как планетарные туманности. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образовывая планетарную туманность.

Когда энергия звезды иссякнет, звезда изменяет свой цвет от белого к желтому, затем к красному; наконец, она перестанет излу­чать и начнет непрерывное путешествие в необозримом космичес­ком пространстве в виде маленького темного безжизненного объек­та. Так белый карлик медленно превращается в черный карлик — мерт­вую холодную звезду, размер которой обычно меньше размеров Земли, а масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды — в миллиарды раз выше плотности воды. Так заканчивают свое сущест­вование большинство звезд.

При массе более 1,4 массы Солнца стацио­нарное состояние звезды без внутренних источников энергии стано­вится невозможным, происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой звезды с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образованием газовых туманностей.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может остаться в виде сверхплотного тела — нейтронной звезды или черной дыры.

Открытые в 1967 г. новые объекты — пульсары отождествляются с теоретически предсказанными нейтронными звездами. Плотностьнейтронной звезды очень высока, выше плотности атомных ядер —10¹⁵ г/см. Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но ней­тронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в виде повторяющихся импульсов. Поэтому нейтронные звезды называют пульсарами

Если конечная масса белого карлика превышает 2—3 массы Солнца, то гравитационное сжатие непосредственно ведет к образованию черной дыры. Черная дыра — область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы. Изучение свойств черных дыр (Я.Б. Зельдович, С. Хокинг и др.) показывает, что в некоторых случаях они могут «испаряться». Этот механизм связан с тем, что в сильном поле тяготения черной дыры вакуум (физические поля в самом низком энергетическом состоянии) неустойчив и может рождать частицы (фотоны, нейтрино и др.), которые, улетая, уносят энергию черной дыры. Вследствие этого черная дыра теряет энергию, уменьшаются ее масса и размеры.