ЛЕКЦИЯ ДВЕНАДЦАТАЯ

ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу утверждения, что звезды образуются путем конденсации облаков газово-пылевой межзвездной среды. Процесс образования звезд из этой среды продолжается и в настоящее время. Многие наблюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли тогда, когда на Земле уже был человек.

Центральным в проблеме эволюции звезд является вопрос об источниках их энергии. Откуда, например, берется огромное количество энергии, необходимое для поддержания излучения Солнца на уровне, близком сегодняшнему, в течение нескольких миллиардов лет?

Ежесекундно Солнце излучает энергию более 10²⁶ Дж. Его возраст около 5 миллиардов лет. Тогда за это время оно потеряло посредством излучения более 10⁴³ Дж. Пусть первоначально Солнце состояло только из водорода, полностью превращающегося в результате термоядерной реакции в гелий. Тогда полная энергия, которая может быть выделена при термоядерной реакции в недрах Солнца, составит около 10⁴⁵ Дж. Это в 100 раз больше энергии, испущенной Солнцем за время своего существования. То есть для поддержания излучения на наблюдаемом уровне Солнце "израсходовало" не более 10% своей массы.

Модель эволюции звезды. Если опираться на модель Большого взрыва (лекция 10), около 14 миллиардов лет назад началось образование расширяющейся Вселенной из какого-то начального, неизвестного нам, "сингулярного"

110

(от лат. singularis - отдельный, особый) состояния бесконечной или очень большой плотности. Мы можем ожидать, что в простейшем случае расширение происходит пространственно однородно. То есть после Большого взрыва расширение во все стороны одинаково и плотности вещества и поля на заданном расстоянии от точки взрыва одинаковы во всех направлениях, нет оснований для возникновения каких-либо неоднородностей в их распределении в пространстве. (При этом вспомним, что мы не знаем, по какому сценарию развивается Вселенная, а модель Большого взрыва является одной из наиболее вероятных с точки зрения сегодняшних представлений.)

Это хорошо подтверждается наблюдениями: вещество <<разбегается" от нашей Галактики (что вовсе не значит, что Галактика находится в центре Вселенной, просто именно здесь находится человек, исследующий Вселенную) со скоростью, монотонно возрастающей при увеличении расстояния, а реликтовое излучение имеет одну и ту же энергию (температуру) - 3 К в любой точке небесной сферы.

Но если бы расширение Вселенной происходило абсолютно однородно в пространстве, то вещество не могло бы конденсироваться (слипаться) под действием гравитационных сил и Вселенная представляла бы собой газ из атомов и элементарных частиц, становящийся все более и более разреженным в процессе расширения Вселенной. Не было бы ни звезд, ни галактик, ни планет.

Вспомним, что средняя плотность вещества Вселенной 10^-21 г/см³. Единственными силами, приводящими к образованию неоднородностей в распределении вещества во Вселенной, являются гравитационные силы.

То есть мы вынуждены признать, что современная структура Вселенной связана с неоднородностями, возникшими на ранних стадиях расширения. Уже тогда существовали слабые разрежения и сжатия вещества, разбросанные по пространству. Изменения средней плотности должны быть заметными (в современную эпоху мы можем выделить звезды, галактики, скопления галактик), но не слишком большими (если рассматривать

111

Вселенную в более крупных масштабах, то она достаточно однородна).

В современных моделях состояния Вселенной показано, что "выжили" лишь те флуктуации плотности, массы которых достигали 10¹⁶ масс Солнца. Именно из них в дальнейшем образовались гигантские газовые облака неправильной формы, похожие на блины (рис. 12.1).

В областях пересечения "блинов" возникают зоны повышенной плотности, имеющие форму волокон.

Если рассматривать смесь вещества и излучения в ранней Вселенной как идеальный газ, то следствия возмущений плотности очевидны. Любое случайное увеличение плотности вещества ведет к возрастанию гравитационных сил притяжения и дальнейшему сжатию к центру масс. Ограничить сжатие могут только силы внутреннего давления сжимаемого газа.

Таким образом, причиной формирования скоплений газа во Вселенной являются случайности (флуктуации) в распределении газа и действие сил взаимного гравитационного притяжения между отдельными молекулами газа. Иных причин, способных привести к концентрации вещества Вселенной, не существует.

Вероятная картина эволюции звезды. Вследствие случайного возрастания плотности из рассеянного во Вселенной вещества формируется богатое водородом газопылевое облако. Под влиянием сил гравитационного взаимодействия это облако уплотняется, образуя газовый шар. Заметим, что шар имеет наименьшую площадь поверхности при данном объеме. Поэтому образование шара из облака неопределенной формы энергетически выгодно.

За счет гравитационных сил шар сжимается, плотность возрастает. Вещество теряет прозрачность, но остается газом. Но растет и давление внутри шара, противодействующее силам гравитации. При адиабатическом

112

сжатии (отсутствует возможность обмена энергией с внешней средой; это тот же процесс, вследствие которого нагревается ручной насос при быстрой подкачке шины) температура шара (это уже протозвезда) увеличивается, часть энергии излучается в пространство. На диаграмме Герцшпрунга-Рессела (рис. 11.2) эти объекты, имеющие низкую температуру поверхности, располагаются справа от главной последовательности. С точки зрения размеров среди таких объектов могут быть как "красные карлики", так и "красные гиганты" (красные - потому, что спектр их излучения сдвинут в красную сторону, что соответствует относительно низким температурам). Все зависит от исходной массы флуктуации.

В дальнейшем протозвезда под действием гравитационных сил продолжает сжиматься. Ее размеры уменьшаются, поверхностная температура растет. То есть протозвезда "приходит" на главную последовательность. В этот период температура и плотность недр звезды становятся достаточными для начала термоядерной реакции. Давление и температура внутри звезды возрастают, гравитационные силы и силы внутреннего давления становятся равными, газовый шар перестает сжиматься. Протозвезда становится звездой.

Чтобы пройти эту самую раннюю стадию эволюции, протозвездам необходимо сравнительно немного времени. Все зависит от начальной массы. Если масса протозвезды больше массы Солнца, для этого нужно всего лишь несколько миллионов лет, если меньше - несколько сотен миллионов лет.

Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда в течение значительного времени излучает, не меняя положения на диаграмме "спектр-светимость" (табл. 12.1). Ее излучение поддерживают термоядерные реакции в центральных областях, а размер - противодействие гравитационных сил и сил внутреннего давления.

Таким образом, главная последовательность представляет собой такую область на диаграмме "спектр-светимость", где звезда может длительно и устойчиво излучать благодаря термоядерным реакциям.

113

Таблица 12.1

Связь массы и светимости звезды
со временем ее пребывания на главной последовательности

Спектральный класс	Масса (в массах Солнца)	Светимость (в солнечных единицах)	Время пребывания на главной последовательности (миллионов лет)
В0	17	30 000	8
А0	3,2	100	400
F0	1,5	5	4000
G0	1,02	1,2	11 000
G2 (Солнце)	1,00	1,00	13 000
К0	0,74	0,32	28 000

Масса звезды определяет место и время пребывания звезды на главной последовательности. Если масса велика, излучение звезды имеет огромную мощность и она достаточно быстро расходует запасы водорода. Так, например, звезды главной последовательности с массой, превышающую солнечную в десятки раз (горячие голубые гиганты спектрального класса О), могут устойчиво излучать, находясь на главной последовательности всего лишь несколько миллионов лет. В то же время звезды с массой, близкой к массе Солнца, находятся на главной последовательности несколько миллиардов лет - в тысячи раз дольше.

Превращение, "выгорание", водорода в гелий при термоядерной реакции происходит в центральных областях звезды, в условиях высоких температур и давлений, в соответствии с уравнением

4 ¹Н → ⁴Не + 2 ν + 2 е⁺ + 26 МэВ.

При такой термоядерной реакции из 4 ядер водорода образуется одно ядро гелия, два нейтрино ν и два позитрона е⁺. И, что самое важное для нас, выделяется энергия 26 МэВ (миллионов электрон-вольт). Среднее время реакции при температурах порядка 13 миллионов кельвин и плотности водорода 100 г/см³ около 10¹⁰ лет (в центре Солнца). То есть вероятность слияния данных четырех

114

ядер водорода - величина, обратная этому времени, - ничтожно мала. Однако таких ядер огромное число, и в условиях центра звезды возможна эффективная реакция термоядерного синтеза указанного типа. В земных условиях, в термоядерной бомбе, при разработке устройств управляемого термоядерного синтеза реализуются реакции синтеза других ядер (дейтерия, трития, их комбинаций с литием).

В наружных областях звезды водород не "выгорает" из-за низких значений температуры и давления. Так как количество водорода в центральных областях звезды ограничено, рано или поздно (в зависимости от массы звезды) он практически весь "выгорит". При этом процессе масса и радиус центральной области звезды уменьшаются и звезда перемещается на диаграмме "спектр-светимость" вправо.

Что же произойдет со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее центральных областях "выгорит"? Температура в центральных областях уменьшается. Уменьшается и давление ионизированного газа, противодействующее силам гравитационного сжатия. Ясно, что звезда сжимается, давление в ее центре растет. При сжатии температура центральных областей увеличивается.

То есть звезда представляет собой саморегулирующуюся систему. При этом в центральной области звезды будет уже не только водород, но и гелий (в который превратился водород при термоядерной реакции). Расчеты показывают, что термоядерная реакция будет протекать на периферии ядра, в области, достаточно насыщенной водородом. При этом размеры звезды и ее светимость начнут расти. Звезда сходит с главной последовательности, переходя в область "красных гигантов". То есть при сжатии ядра ее оболочка раздувается, и, несмотря на рост температуры, светимость звезды падает.

Солнце перейдет в разряд "красных гигантов" примерно через 8 миллиардов лет.

После того как вследствие термоядерной реакции температура ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн К, а его плотность будет достаточно велика, в ядре начнется новая термоядерная реакция:

115

3 ⁴Не → ¹²С + 2 γ + 7,3 МэВ (γ - фотон).

После начала этой ядерной реакции звезда перемещается влево по диаграмме "спектр-светимость", растет ее температура, размер остается примерно постоянным.

Далее возможны реакции

¹²С + ⁴Не → ¹⁶О + γ,

¹⁶О + ⁴Не → ²⁰Ne + γ.

В этом состоит механизм нуклеосинтеза, образования тяжелых элементов из легких. (Предпосылка формирования всех форм жизни!)

Что произойдет, когда реакция "гелий-углерод" исчерпает себя, выгорит весь гелий, а также прекратится ядерная реакция "водород-гелий" в тонкой оболочке ядра?

Оказывается, что на этом этапе эволюции звезды с массами до 1,4 масс Солнца "сбрасывают" наружную разреженную оболочку (рис. 12.2). Через несколько десятков тысяч лет, мгновение в космических масштабах, оболочка рассеивается и остается небольшая, очень горячая и плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в "белого карлика" (белый - то есть очень горячий).

"Белые карлики" как бы "вызревают" в недрах "красных гигантов". "Белые карлики", в которых весь водород выгорел и ядерные реакции прекратились, представляют собой, видимо, последний этап эволюции звезды. Постепенно остывая, они излучают все меньше и меньше энергии, светимость падает, гравитационные силы сжимают вещество. "Белые карлики" постепенно переходят в разряд "черных" карликов - холодных звезд огромной плотности и небольшого размера (порядка

116

земного при массе порядка солнечной). Этот процесс длится сотни миллионов лет.

Так прекращает свое существование большинство звезд. Однако финал жизни звезд, массы которых превышают солнечную, может быть иным. Некоторые звезды на определенном этапе своей эволюции взрываются. В этих случаях говорят о вспышке "сверхновой". От "сверхновых" следует отличать обычные "новые" звезды.

Вспыхивают новые звезды достаточно часто - в Галактике до 100 в год. "Новые" звезды - это тесные двойные системы, и присутствие соседки мешает нормальной эволюции звезды, в частности - переходу ее в стадию "красного гиганта". Возникающая неустойчивость ведет к периодически повторяющимся вспышкам. Светимость в этот период резко возрастает, но она в тысячи раз меньше, чем у сверхновых.

В отличие от вспышек "новых" звезд, вспышка "сверхновой" - весьма редкое явление. В больших звездных системах, подобных нашей Галактике, вспышки "сверхновых" происходят в среднем раз в сто лет.

Известны описания вспышек "сверхновых" звезд в Галактике. Так, по китайским хроникам, в июле 1054 года на небе появилась звезда, видимая даже днем. При этом по своему блеску она превосходила Венеру. Но через несколько месяцев исчезла. Уже в наше время было выяснено, что на месте этой звезды находится Крабовидная туманность.

В конце февраля 1987 года в одном из ближайших спутников Галактики - Большом Магеллановом Облаке - вспыхнула сверхновая. В момент обнаружения вспышки блеск звезды был +4,5 звездной величины и постепенно возрастал. Это весьма близкая к нам "сверхновая" - расстояние до нее 55 000 пс, весьма близко по внегалактическим масштабам. Обнаруженная вспышка произошла всего за 180 000 лет до момента наблюдения. Впервые удалось не только зафиксировать явление взрыва, но и получить информацию о состоянии звезды до взрыва.

Существует несколько гипотез о причине взрывов звезд, наблюдаемых как "сверхновые". Единой точки зрения нет. Возможный вариант - катастрофически

117

быстрое выделение потенциальной энергии гравитационных сил при резком сокращении размеров ядра.

Если звезды с массой меньше 1,4 массы Солнца могут преодолеть этап эволюции от протозвезды к "красному гиганту" и "белому карлику", то звезды, у которых масса составляет от 1,4 до 2,5 масс Солнца, не могут перейти в устойчивое состояние "белого карлика". После сброса оболочки они катастрофически быстро сжимаются до размеров порядка 10 км. При этом скорость вращения должна резко возрастать (вспомните фигуриста, прижимающего руки к телу во время вращения). Теоретические расчеты показывают, что такие звезды состоят из вещества плотностью до 10¹⁵ г/см³. Это уже "плотно упакованные" нейтроны, образующие нейтронные звезды (рис. 12.2).

Первоначальная температура поверхности нейтронной звезды - сотни миллионов градусов (до миллиарда). Однако звезда быстро остывает. Даже в случае высокой температуры поверхности нейтронная звезда является очень сложным объектом для наблюдения из-за малых размеров. То есть пытаться обнаружить нейтронные звезды по тепловому и электромагнитному излучению бесполезно.

В 1967 году на небе был обнаружен необычный объект, излучающий кратковременные радиоимпульсы с периодом 1,33 с. Позже было обнаружено еще несколько таких источников. Это сразу привело к мысли о внеземных цивилизациях, данные о наблюдениях были засекречены, в течение полугода об этих наблюдениях никто не знал. Но достаточно быстро нашлось объяснение наблюдаемому явлению - мощное импульсное радиоизлучение связано с быстрым вращением звездообразных объектов. Эти объекты получили название пульсара. Известен пульсар с периодом 0,033 с. Так быстро вращаться может только очень маленький объект. Оказалось, что пульсар - не что иное, как нейтронная звезда. При тщательных наблюдениях был обнаружен и еще один факт: период вращения возрастает, то есть скорость пульсара уменьшается.

Если в ядре звезды "выгорел" весь водород, то давление газа в ядре не может уравновесить гравитационные силы при массе звезды, превышающей некоторый предел (по разным оценкам от 2,5 до 10 масс Солнца).

118

Что может произойти с такой звездой? Она начнет сжиматься с огромной скоростью, плотность вещества начнет резко расти. Через весьма короткое время (секунды!) звезда может превратиться в сверхплотную точку, будет раздавлена своей собственной массой - гравитационный коллапс.

Возможно ли такое сжатие звезды?

Вспомним о так называемой второй космической скорости. Это скорость, которую должно иметь тело, чтобы покинуть поверхность планеты или звезды и выйти на параболическую траекторию. Для Земли вторая космическая скорость - 11,18 км/с. Для Солнца - 700 км/с. Если наше Солнце сожмется до радиуса 3 км, то вторая космическая скорость станет равной скорости света - 300 000 км/с. Тут вступают в действие законы общей теории относительности. Замедляется течение времени, из такого объекта не может выйти никаких излучений и частиц. То есть этот объект для внешнего мира будет заметен только по очень сильному гравитационному полю. Такой объект называют гравитационной могилой, или черной дырой.

Именно с черными дырами связаны гипотетические модели многосвязных Вселенных, гипотезы о том, что черные дыры - входы в другие миры. Возможно, что ядро нашей Галактики - черная дыра.

Есть ли способы обнаружения черной дыры? Ведь ее невозможно увидеть. Зато возможно, наблюдая за движением звезд, выявить (по "смещению" спектра излучения) направления и величины их скоростей. Сегодня известно несколько точек во Вселенной, к которым сходятся вектора скоростей окружающих звезд. Возможно, в этих точках находятся черные дыры.

Отметим, что одиночная звезда не может накопить массу, превышающую 100 солнечных масс. При таких массах звезды радиационное давление изнутри звезды приведет к взрыву. Непосредственными наблюдениями звезды с массами более 75 масс Солнца не обнаружены. Звезды с массами более чем 25 масс Солнца неустойчивы и теряют газ под действием радиационного давления или при взрывных процессах.

119

В 1963 году были обнаружены объекты еще одного типа, "квазары" (англ. quasar, quasi-stellar radiosourse - квазизвездный источник радиоизлучения). Эти объекты имеют звездообразный вид, являются источниками мощного радиоизлучения и удаляются от нашей Галактики со скоростями до 200 000 км/с. Они находятся на периферии Вселенной, дальше самых удаленных галактик. Мы можем их увидеть, это говорит о том, что их светимости превосходят светимости не просто звезд, а целых галактик. В то же время размеры квазаров в миллионы раз меньше размеров галактик. И если происхождение пульсаров было достаточно быстро понято, то природа квазаров до сегодняшнего дня неясна.

Подчеркнем, что средняя интенсивность тепловыделения в типичных звездных термоядерных реакциях по земным масштабам ничтожна. Так, для Солнца на 1 г массы за 1 с выделяется 2 × 10^-7 Дж, что гораздо меньше энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ. Однако этот поток энергии поддерживается в течение 3-4 миллиардов лет, то есть общее энерговыделение в миллионы раз больше, чем при любом известном химическом процессе. Кроме того, вследствие огромной массы Солнца полная излучаемая им энергия чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 миллиона тонн).

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каковы причины появления неоднородностей межзвездной среды?
2. Какие фундаментальные взаимодействия ответственны за формирование и развитие звезды?
3. На диаграмме "спектр-светимость" нарисуйте траекторию движения звезды от момента формирования протозвезды до "белого карлика".
4. Как вы понимаете название "черная дыра"? Почему ее можно назвать "гравитационной могилой"?
5. Каковы источники энергии звезды на разных этапах ее эволюции?

120