Астрономия

Урок 6: Эволюция звёзд

Эволюция звёзд

Жителям Земли звезды кажутся вечными и неизменными. С первого взгляда они все похожи друг на друга и не имеют никаких отличий. Но по факту все обстоит иначе. Современные астрономы доказали, что жизнь небесного светила состоит из нескольких этапов. Эволюция звезд – это очень долгий и сложный процесс, проследить визуально который просто невозможно. Благодаря уникальным знаниям и технологическому прогрессу, ученые научились определять разновидности звезд, строить модели их развития, объяснять процессы, происходящие в далеком космосе.

Обложка урока взята с источника.


План урока:

Этапы эволюции звезд

Звезды красных гигантов и сверхгигантов

Белые карлики

Пульсары и нейтронные звезды

Что такое черные дыры

Двойные, кратные и переменные звезды

Новые и сверхновые звезды

 

Этапы эволюции звезд

Теория звездной эволюции рассматривает изменения в физических, химических характеристиках звезд, которые связаны с возрастом светила. Ее основными этапами являются:

  • образование протозвезды из газового облака;
  • формирование звезды разной массы, которая в ходе термоядерных процессов станет либо гигантом, либо сверхгигантом;
  • эволюция звезд с низкой массой заканчивается их превращением в белого карлика;
  • тяжелая звезда в ходе гравитационного коллапса образует нейтронную звезду или черную дыру.

Гравитационным коллапсом называют катастрофически быстрое сжатие космических тел под действием гравитационных сил. 

1 evolyuciya zvezd
Источник

 

Протозвезда

Жизнь каждой звезды начинается с рождения. На первых этапах формируется большое облако, внутри которого образуются молекулы. В результате гравитационного воздействия облако межзвездного газа начинает сжиматься и постепенно приобретает шарообразную форму. Во время сжатия энергия гравитации переходит в тепло, что приводит к повышению температурных показателей в центральной части звезды.  Но при этом температура еще не такая высокая, чтобы запустились термоядерные реакции.

На первой стадии своего эволюционного развития объект принято называть протозвездой. Процесс образования нового тела проходит на протяжении долгого времени и может достигать миллионов лет. Протозвезды со сформированным ядром и оболочкой выделяют в отдельный тип, который называют звезды до главной последовательности. У них низкая температура и высокая светимость. Звезда постепенно начинает двигаться к главной последовательности, а свою энергию она получает благодаря силам гравитации.

2 evolyuciya zvezd
Источник

Процесс сжатия у протозвезд происходит очень медленно. Например, чтобы Солнце перешло в главную последовательность ему потребовалось 30 млн. лет.

 

Звезды красных гигантов и сверхгигантов

Как не существует абсолютно идентичных людей, так нет и одинаковых звезд во Вселенной. Среди них выделяют группу звезд-гигантов, которые излучают в тысячи раз больше света, чем Солнце. Такие объекты имеют значительные размеры (от 10 до 1 000 радиусов нашего Светила) и невысокую плотность (около 10-2 - 10-4 кг/м3). Кроме того, с поверхности ряда гигантов происходит интенсивное истечение газового вещества.

К одним из самых уникальных и интересных представителей больших звезд относятся красные гиганты. Эти звезды имеют низкую температуру. Температура красных гигантов  достигает в среднем 3 000 - 5 0000С, а их радиус в сотни раз превосходит радиус Солнца. Отмечено, что светимость красных гигантов где-то в 100 раз больше, чем у нашей Звезды. Максимальное количество энергии излучения такого объекта приходится на красную и инфракрасную части спектра. Как следует из теории звездной эволюции, образование красных гигантов происходит из звезд главной последовательности после того, как в их центральной части произойдет практически полное выгорание водорода.

3 evolyuciya zvezd
Источник

К тому времени, как вполне обычное светило превратится в красного гиганта, его структура успевает измениться: внутри образуется плотное, богатое гелием ядро. Вокруг ядра тонкий энерговыделяющий слой и протяженная оболочка. Масса красного гиганта составляет от 1,5 до 15 масс Солнца и плотность менее 0,001 г/см3, что намного меньше плотности нашей звезды. В астрономии к красным гигантам относятся:

  • Альдебаран;
  • Арктур;
  • Гакрукс;
  • Мира.

4 evolyuciya zvezd
Источник

Среди этой категории светил встречаются особо крупные объекты, которые были выделены в отдельный класс красных сверхгигантов. Пока что таких звезд обнаружено совсем немного. Они отличаются достаточно большими размерами, а их светимость достигает 105 светимостей Солнца. Интересно, что такие объекты тяжелее нашего светила в 50 раз. Зато их радиусы достигают тысячи радиусов Солнца. Температура красного сверхгиганта 3 000 - 5 0000С. Спектры этих объектов имеют молекулярные полосы поглощения, максимальное излучение приходится на спектральные области: красную, а также инфракрасную. Спектральный класс красного сверхгиганта К и М. Самым известным сверхгигантом является Бетельгейзе.

5 evolyuciya zvezd
Источник

 

Белые карлики

Одним из этапов звездной эволюции принято считать этап образования белых карликов. Они приходят на смену красным гигантам после потери своей массы, а также после сбрасывания ими оболочки и обнажения ядра. Открытие и изучение этих звезд началось с 1914 года, когда американский астроном У. Адамс открыл Сириус. На данный момент – это самая известная звезда на небосводе. Находится она в созвездии Большого Пса. Это представитель классических белых карликов, которых не так уж и много во Вселенной. Светимость их достаточно маленькая, поэтому их открывали неподалеку от Солнца. И лишь со временем, с появлением мощных космических телескопов, астрономы обнаружили такие тела и в шаровом скоплении, находящемся на достаточно далеком расстоянии от Земного шара.

6 evolyuciya zvezd
Источник

Ученые подсчитали, что молодые белые карлики на первых этапах своего развития сжимаются. Их радиус уменьшается. И уже в первые миллионы лет своего существования он сокращается до сотен километров. Причиной этому служит постепенное остывание тела. Масса белых карликов составляет всего от 0,6 до 1,44 массы Солнца. Температура поверхности белых карликов может достигать до 200 0000С.  Плотность вещества достаточно высокая, и равна 105 - 109 г/см³. 

7 evolyuciya zvezd
Источник

Длительность жизни этих объектов напрямую зависит от времени их полного остывания. Спектральная характеристика белых карликов значительно отличается от звезд главной последовательности и красных гигантов. Их относят к отдельному спектральному классу D.

 

Пульсары и нейтронные звезды

Когда жизнь звезды заканчивается, на ее месте образуется уникальное космическое тело – нейтронная звезда. Это компактные астрономические объекты, радиус которых не превышает 10 километров. А масса нейтронной звезды составляет около 1,4 массы Солнца. Состоят такие объекты в основном из нейтронов. Эти звезды относятся к самым интересным астрофизическим объектам.

8 evolyuciya zvezd
Источник

Вещество, из которого состоят эти тела, имеет сверхпроводимость, сверхтекучесть, излучение нейтрино, наличие сверхсильных магнитных полей и прочее. Просто огромна и плотность нейтронной звезды. Именно поэтому она при небольших размерах имеет невероятную массу. Строение нейтронной звезды ни на что не похоже. Внутри нее кипит раскаленное вещество, заключенное в тонкую твердую оболочку, над которой бушует горячая плазма. Это тело имеет магнитное поле, которое превосходит солнечное в триллионы раз.

9 evolyuciya zvezd
Источник

То, что во Вселенной могут существовать макрообъекты, состоящие в основном  из нейтронов, доказал еще академик Л.Д.Ландау. Предположение о том, что нейтронные звезды рождаются во вспышках сверхновых, было сделано в 1934 году американскими учеными Ф. Цвикки и В.Бааде. Но, учитывая их небольшую светимость, обнаружить нейтронные звезды длительное время не удавалось. Такие тела имеют и другое название – пульсары. Их магнитные поля постоянно захватывают электроны из слоя плазмы, которые в результате начинают излучать радиосигналы.

10 evolyuciya zvezd
Источник

Впервые такие радиоимпульсы были пойманы из определенных участков неба английскими учеными из Кембриджа в 1967 году. В ходе изучения мерцаний космических радиоисточников Д.Белл, работавшая под руководством Э.Хьюшина (первооткрыватель пульсаров, Лауреат Нобелевской премии в области физики за 1974 год), обнаружила строго периодический сигнал. Тогда некоторые исследователи решили, что имеют дело с сигналами внеземной цивилизации. Поэтому работы в данном направлении были засекречены. В дальнейшем было доказано, что это обычное природное явление.

Данные, полученные группой Хьюшина, стали известны другим ученым. И скоро исследователи пришли к выводу, что радиопульсары и нейтронные звезды обозначают одно и то же понятие. Самое интересное, что нейтронные звезды ученые наблюдали еще за пять лет до открытия радиопульсаторов. Вот только сделать это помогли не радиоволны, а рентгеновские лучи.

В 1962 году ученые установили на ракете специальный детектор и с его помощью смогли обнаружить достаточно мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Скорпиона. С Земли подобные исследования провести не удавалось, поскольку рентгеновские лучи поглощаются нашей атмосферой.

 В 1970 году специалистам был известен уже целый ряд подобных объектов. Причем все они входили в состав двойных тесных систем и забирали себе часть вещества нейтронной звезды, которая находилась по соседству. В этом случае вещество приобретает скорость, близкую к скорости света, и при столкновении с поверхностью нейтронной звезды переходит в тепло (температура достигает нескольких миллионов градусов), которое и излучается в рентгеновском диапазоне.

Современной науке известны интересные тесные двойные системы, состоящие из двух нейтронных звезд. За счет гравитационных волн они довольно быстро сближаются.

В итоге за время, меньше возраста Вселенной, они должны слиться, выделив при этом колоссальное количество энергии, намного превосходящее энергию взрыва сверхновой звезды. За одной из таких систем и наблюдали в 1970 году Р. Халс и Жд.Тейлор, которые за результатами своей работы были удостоены Нобелевской премии в области физики.

11 evolyuciya zvezd
Столкновение двух нейтронных звезд Источник

 

Что такое черные дыры

Нейтронные звезды образуются в результате эволюции звезд с массами от 8 до 40 солнечных масс. А вот из более крупных тел появляются черные дыры. Во Вселенной это самые фантастические объекты. Здесь не имеют силы законы нашего мира, время и пространство меняются местами, и оттуда нет выхода. Это связано с тем, что невероятной гравитации такого тела не может противостоять ничто во Вселенной.

12 evolyuciya zvezd
Источник

Черные дыры – это звезды, у которых все наоборот. Если обычные светила излучают свет, то эти объекты их поглощают. Как, впрочем, и все, что оказывается поблизости – планеты, звезды, кометы и прочие объекты. Гравитация внутри черных дыр настолько большая, что это с трудом могут представить себе даже ученые.

Черные дыры являются последней стадией эволюции сверхмассивных звезд. В них заключено 0,1% массы всей нашей Галактики.

Название черная дыра было предложено в 1968 году американским физиком Джоном Уилером. Впервые астрономы обнаружили черную дыру, когда исследовали двойные звезды. Тогда оказалось, что одна из звезд такой системы как-то странно блестит. В результате произведенных расчетов было установлено, что рядом с ней находится черная дыра. Эта «невидимка» поглощала свою соседку, забирая у нее материю.

13 evolyuciya zvezd
Поглощение звезды черной дырой Источник

Таинственные объекты активно поглощают вещество своих соседей, нагревая его при этом до температуры миллионов градусов. При таких условиях черная дыра становится источником рентгеновского излучения. Неподалеку от этих объектов отмечается сильное искривление пространства. Здесь даже движение световых лет изменяется. Это помогает найти удивительные образования – гравитационные линзы, которые указывают на то, что в их центре прячутся черные дыры.

Сегодня ученым известно местоположение 20 массивных и 200 сверхмассивных черных дыр. Кроме того, отмечено еще 220 мест, где эти таинственные объекты могут находиться. Особое пристальное внимание ученых к этим объектам объясняется достаточно просто. Относительно недавно американский телескоп «Хаббл» зафиксировал интересный, но не слишком приятный факт. Оказывается, черная дыра GROJ 11655 – 40 из созвездия Скорпиона прямиком приближается к нашему Солнцу, поглощая по дороге звезды. Невидимка находится от нас достаточно далеко – в 600 световых лет. Однако скорость движения этого объекта составляет 40 000 км/час. Поэтому это вызывает опасение у современных исследователей.

Самая знаменитая черная дыра расположена в созвездии Лебедя. Предположительно неизвестный объект тяжелее нашего Солнца в 15 раз.

 

Двойные, кратные и переменные звезды

С развитием астрономической техники оказалось, что часть звезд, которые мы видим, представляют собой системы из двух объектов разной массы и разного спектрального класса. Обнаружить небольшое расстояние между небесными телами порой бывает достаточно сложно, и часто для этого требуется специальная современная аппаратура и тщательные расчеты.

Двойными звездами ученые называют две звезды, которые под действием тяготения вращаются вокруг общего центра масс по эллиптическим орбитам. Они находятся недалеко друг от друга и поэтому оказываются в плену взаимного притяжения. Соотношения размеров подобных тел может быть различным. Если звезды-близняшки относительно равны, то они движутся вокруг общего центра масс. В том же случае, если одна из них значительно меньше другой, она становится своеобразным спутником своей соседки.

14 evolyuciya zvezd
Источник

Двойственность космических объектов приходится определять различными способами. Одни из них, визуально-двойные, охотно демонстрируют свою природу даже при обычном наблюдении в телескоп. Другие, спектрально-двойные, требуют тщательного спектрального анализа. Установить, что в некоторых случаях перед нами находится не обычная звезда, а двойная, помогают периодические раздвоения или колебания спектральных линий.

Больше всего хлопот доставляют ученым затменно-двойные звезды. Периодичность их угасания и разгорания часто становится причиной серьезных исследований, в ходе которых выясняется, что данный объект на самом деле двойной. А во время вращения вокруг общего центра одна звезда просто на время заслоняет от нас другую. Поэтому ее блеск изменяется.

15 evolyuciya zvezd
Источник

Кроме двойных звезд, во Вселенной существует немало систем, в которых три и более звезды вращаются вокруг общего центра масс под воздействием гравитационной силы. Их принято называть кратными звездами.

16 evolyuciya zvezd
Источник

Чем больше светил входит в систему кратных звезд, тем меньше шансов ее найти. А все потому что она характеризуется нестабильностью. Ведь в любой момент одна из звезд может превратиться в карлика, взорваться сверхновой или вообще стать черной дырой. Все эти процессы приведут к сильному гравитационному возмущению, что нарушит систему из большого количества объектов.

Поэтому кратные звезды практически всегда состоят из 3-х или 4-х тел. На сегодняшний день известны две системы, состоящие из 7 объектов - AR Кассиопея и Ню Скорпиона.

В тройных системах две звезды вращаются вокруг друг друга, а третья находится на большом расстоянии и вращается вокруг них. Пример ближайшей тройной системы кратных звезд – Альфа Центавра. В ней Альфа Центавра А и Альфа Центавра В являются желтыми карликами (похожи на наше Солнце). Они вращаются вокруг барицентра (общего центра) за 79 лет. Третья звезда Проксима Центавра движется по собственной орбите. Для полного оборота вокруг звезд ей необходимо 500 тыс. лет.

17 evolyuciya zvezd
Источник

Одним из самых интересных явлений на небосводе, за которым можно наблюдать даже невооруженным взглядом, являются переменные звезды – те, которые со временем могут менять свою яркость. Некоторые звезды способны поменять свой блеск за несколько минут, в то время как другим понадобится несколько месяцев. 

Причинами звездных мерцаний могут быть активность хромосферы, вспышки сверхновых, затмения в системе двойных звезд и т.д.

18 evolyuciya zvezd
Источник

В зависимости от них существуют разные типы переменных звезд:

  1. Затменно-переменные звезды – они меняют свою яркость по простой схеме. Дело в том, что такие светила представляют собой не одну звезду, а двойную систему, которая очень тесно связана между собой. Звезды в системе движутся таким образом, что периодически одна закрывает собой другую, происходит что-то наподобие затмения. Яркость таких светил отличается. Если более яркая звезда закрывает слабую, то земной наблюдатель видит увеличение яркости и наоборот. Примеры таких звезд – Алголь, β Лиры, W Большой Медведицы.

19 evolyuciya zvezd
Источник

Пульсирующие переменные звезды – яркость меняется за счет изменения объема звезды. Светило то расширяется, то сжимается. Причина явления кроется в неустойчивости внутреннего давления и гравитационных сил. В результате пульсации происходит увеличение фотосферы светила, за счет чего растет и площадь излучаемой поверхности. Меняются температурные показатели поверхности и цвет звезды. Первая пульсирующая звезда была открыта в 1596 году – Мира Кита. К пульсирующим переменным светилам также относят цефеиды – гиганты с периодом мерцания 1,5-50 суток. Одна из самых известных переменных звезд - Полярная. Ее период 4 суток. Еще один интересный подпит пульсирующих светил – звезды RV Тельца. Их период длится 30-150 суток.

20 evolyuciya zvezd
Источник

  1. Неправильные переменные звезды – это большой класс, который относится к пульсирующим. Изменение блеска у таких объектов предвидеть практически невозможно, так как процесс не имеет никакой периодичности. Такие звезды изучены меньше всего. Пример - Бетельгейзе. Изменение блеска объясняется наличием на поверхности светила темных и светлых пятен.

21 evolyuciya zvezd
Источник

 

Новые и сверхновые звезды

Иногда на небе ученые наблюдают резкую сильную вспышку, которая не имеет никакого отношения к мерцанию переменных светил. Так образуются новые и сверхновые звезды. Новые получили свое название, потому что раньше считалось, что на месте появления такого объекта первоначально была пустота. В ХХ веке, когда проводилось регулярное фотографирование небосвода, установили, что на месте вспышки «новых» светил все-таки была небольшая слабозаметная звездочка, но в определенный момент она почему-то резко увеличила свое свечение.

Новые звезды вспыхивают раз в несколько лет. И даже, несмотря на то, что количество излучаемого света увеличивается в десятки тысяч раз, заметить их невооруженных взглядом невозможно, настолько далеко они расположены.

22 evolyuciya zvezd
Источник

Вспышка сверхновой звезды – куда более масштабное явление. Энергия, которая образуется при взрыве, сопоставима с солнечной, которую оно излучает за несколько миллиардов лет. Сверхновые звезды вспыхивают еще реже. Данное явление происходит как в нашей Галактике, так и за ее пределами. В 1054 г в китайских и японских хрониках в Галактике был отмечен взрыв сверхновой звезды, который видели даже в дневное время. В 1987 году с помощью современной аппаратуры удалось наблюдать вспышку сверхновой от начала до конца. Произошла она в галактике Большое Магелланово Облако.

23 evolyuciya zvezd
Источник

Почему же вспыхивают новые и сверхновые звезды? Ответ на этот вопрос удалось найти лишь в середине ХХ века. Во время очередной вспышки, специалисты заметили, что произошел взрыв одной звезды из двойной системы. В этой паре одна звезда похожа на Солнце, относится в главной последовательности. Вторая – очень плотный белый карлик, его диаметр в 100 раз меньше Солнца. Звезды находятся очень близко друг к другу. В результате приливных сил вещество из желтого светила «переливалось» на карлика. Там оно попало в условия высоких температур и давления, что запустило термоядерные реакции. На Солнце такие реакции происходят в недрах и являются относительно спокойными. В системе звезд это спровоцировало взрыв, в результате которого оболочка белого карлика начала сильно расширяться, а светимость двойной системы многократно увеличилась. Однако плотность оболочки была настолько низкой, что она никак не повредила желтой звезде. Сейчас светило продолжает «снабжать» карлика веществом и вполне вероятно, что через несколько сотен лет произойдет еще одна вспышка новой звезды на небе.

24 evolyuciya zvezd
Источник

Со сверхновыми дела обстоят немного иначе. В созвездии Тельца учеными было обнаружено светящееся газовое облако – Крабовидная туманность. Сейчас оно расширяется и специалистам удается определить скорость этого расширения. Если в течение определенного времени скорость не менялась, то примерно 1000 лет назад, вещество из туманности находилось в одной точке – в том месте, где произошла вспышка сверхновой звезды. Так ученые определили, что Крабовидная туманность – это остатки после вспышки. Позже были обнаружены еще аналогичные туманности. Самое интересное, что в центре Крабовидной туманности находится звезда пульсар. Ее вещество гораздо плотнее, чем у белых карликов. Ели очень массивные светила в конце своей жизни теряют устойчивость, то это становится причиной взрыва сверхновой звезды.

25 evolyuciya zvezd
Источник

Наблюдать за звездами увлекательно и познавательно. Даже не используя никакой современной аппаратуры, можно для себя сделать много удивительных открытий. На небосводе регулярно появляются новые объекты. Только в нашей Галактике Млечный Путь ежегодно рождается около пяти новых звезд.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Во сколько раз светимость красных гигантов больше, чем у Солнца:
1Около 200
2Около 150
3Около 100
4Около 350
Ответить
3
Вопрос: 2
Масса красного гиганта составляет:
1От 1,5 до 15 масс Солнца
2От 2,5 до 25 масс Солнца
3От 4,5 до 35 масс Солнца
4От 5,5 до 15 масс Солнца
Ответить
1
Вопрос: 3
Нейтронные звезды образуются в результате эволюции звезд с массами:
1От 6 до 30 солнечных масс
2От 8 до 40 солнечных масс
3От 4 до 46 солнечных масс
4От 2 до 55 солнечных масс
Ответить
2
Вопрос: 4
Какая самая известная пульсирующая переменная звезда:
1Полярная
2Альтаир
3Поллукс
4Сириус
Ответить
1
Вопрос: 5
Самая знаменитая черная дыра расположена в созвездии:
1Близнецов
2Лебедя
3Скорпиона
4Девы
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Во сколько раз светимость красных гигантов больше, чем у Солнца:
1) Около 200 2) Около 150 3) Около 100 4) Около 350
2 вопрос:

Масса красного гиганта составляет:
1) От 1,5 до 15 масс Солнца 2) От 2,5 до 25 масс Солнца 3) От 4,5 до 35 масс Солнца 4) От 5,5 до 15 масс Солнца
3 вопрос:

Нейтронные звезды образуются в результате эволюции звезд с массами:
1) От 6 до 30 солнечных масс 2) От 8 до 40 солнечных масс 3) От 4 до 46 солнечных масс 4) От 2 до 55 солнечных масс
4 вопрос:

Какая самая известная пульсирующая переменная звезда:
1) Полярная 2) Альтаир 3) Поллукс 4) Сириус
5 вопрос:

Самая знаменитая черная дыра расположена в созвездии:
1) Близнецов 2) Лебедя 3) Скорпиона 4) Девы
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Около 100
2 вопрос: От 1,5 до 15 масс Солнца
3 вопрос: От 8 до 40 солнечных масс
4 вопрос: Полярная
5 вопрос: Лебедя