Рождение звёзд (стр. 3 )

В  недрах  ярких звездах верхней части главной последовательности происходит интенсивное перемешивание вещества (конвекция), подобно кипящей воде. Такую область называют конвективным ядром звезды. Чем больше звезда, тем большую её часть составляет конвективное ядро, в котором находится источник энергии. Перенос энергии от  ядра осуществляется излучением.

У звезд нижней части главной последовательности ( красных –карликах)  конвективное ядро отсутствует. Термоядерные реакции протекают в центральной части ядра, являющейся лучистой зоной переноса энергии. В центральной области  водород  горит, превращаясь в гелий. Перенос энергии к поверхности звезды осуществляется конвекцией, с переносом вещества. Когда водород  сгорает полностью, звёзды медленно сжимаются и за счёт энергии сжатия могут существовать ещё очень длительное время.

Солнце и подобные ему звёзды представляют собой промежуточный случай. У Солнца имеется маленькое конвективное ядро, но не очень чётко отделённое от остальной части. Ядерные реакции горения водорода протекают как в ядре, так и в его окрестностях. Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идёт поток энергии. В целом процесс этот крайне медленный. Перенос энергии от центра к поверхности ( фотосфере) длится миллионы лет. На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают своё тепло окружающей среде, а охлаждённый солнечный газ опускается вниз.

У Красных  гигантов имеют центральное небольшое изотермическое ядро из гелия, температура в пределах которого одинакова. Это ядро окружено узкой зоной, в которой происходят ядерные реакции, затем небольшая лучистая зона. Далее идет широкий слой, где энергия передается конвекцией.  Белые карлики однородны и состоят из вырожденного газа.

2.4.  Дальнейшая эволюция звезды, выход из главной последовательности. Звезда - красный гигант, взрыв сверхновой звезды.

На главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Расселла, звезда находиться большую часть своёй жизни. Как только звезда истощает запас водорода в ядре, она уходит с главной последовательности. Все остальные стадии эволюции звезды до образования компактного остатка занимают не более 10% от этого времени. Именно поэтому большинство звезд, наблюдаемых в нашей Галактике, - скромные красные карлики с массой Солнца или меньше. Приложение .

По прошествии от миллиона до нескольких десятков миллиардов лет (в зависимости от начальной массы) звезда истощает водородные ресурсы ядра. В больших и горячих звёздах это происходит гораздо быстрее, чем в маленьких и более холодных.

У Красных  карликов  (такие как Проксима Центавра с массой менее 0,5 солнечной) после медленного преобразования водорода в гелий  в ядре прекратятся  термоядерные реакции. После прекращения в их ядре термоядерных реакций, они, постепенно остывая, будут продолжать слабо излучать в инфракрасном и микроволновом диапазонах электромагнитного спектра. На сегодняшний день достоверно неизвестно, что происходит с лёгкими звёздами после истощения запаса водорода. Поскольку возраст вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива, современные теории основываются на компьютерном моделировании процессов, происходящих в таких звёздах.

Чем массивнее была звезда, тем большее гелиевое ядро в ней образуется. Тем больше силы, стремящиеся его сжать. Тем больше давление в ядре и его температура. В большинстве звезд эта температура достаточна, чтобы начались ядерные реакции синтеза углерода из гелия.

У более крупных звёзд основной последовательности  когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, термоядерное горение водорода продолжается на периферии гелиевого ядра. Ядро, которое теперь состоит в основном из гелия, начинает сжиматься под действием сил гравитации, так как нет больше сил, сдерживающих сжатие. ) В этот период структура звезды начинает заметно меняться.  Энергия, высвобождаемая в результате сжатия ядра и горения водорода, увеличивает давление, идущее из центра звезды, под действием него звезда расширяется до гигантских размеров, приблизительно в 100 раз. При этом её светимость растёт, плотность и температура внешних слоев падает— звезда становится  красным гигантом. Фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет.  На ветви гигантов звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Звезда красный гигант имеет радиус в сотни раз больше радиусов Солнца. Когда масса её изотермического гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно тяжела, возрастающая при этом температура может вызвать термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы. Когда все термоядерное топливо выгорает, с образованием ядер железа и никеля, гравитационное сжатие продолжается. На самом деле, все химические элементы вплоть до железа, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд. Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. И за очень короткий отрезок времени — некоторые теоретики полагают, что на это уходят считанные секунды, — свободные на протяжении всей предыдущей эволюции звезды электроны буквально растворяются в протонах ядер железа, всё вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Внешняя оболочка звезды, из под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся внешней оболочки с нейтронным ядром столь высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается во все стороны от ядра — и звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды. За считанные секунды при вспышке сверхновой может выделиться в пространство больше энергии, чем выделяют за это же время все звезды галактики вместе взятые.

Жизнь звезды заканчивается огромным взрывом. В результате этого взрыва часть массы звезды стремится к центру под действием гравитационного сжатия (в этот момент гравитационные силы уже не сдерживаются термоядерными реакциями), а другая часть разлетается в пространстве. Оболочка красного гиганта достигает колоссальных размеров - в сотни радиусов Солнца - и за время порядка 10-100 тыс. лет рассеивается в пространство. Взрывная волна уносят материал прочь от умирающей звезды в межзвёздное пространство. Рассеявшиеся оболочки звезд могут снова в последствие пойти на образование порождающих звезды газовых облаков.

Само явление отделения внешней  оболочки - называется взрыв сверхновой звезды. Этот взрыв сопровождается столь мощным излучением, что некогда тусклую звезду становится иногда видно даже днем на небе. Судьба же центральной части звезды полностью зависит от её исходной массы.

3. Заключительный этап эволюции звезды.

После того как звезда начинает расширяться, она покидает главную последовательность, дни её теперь сочтены. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Звезда лишается всяких средств для воспроизводства своих энергетических запасов. Это означает, что она должна умереть. Теперь, исчерпав запасы ядерной энергии, звезда может только сжиматься и использовать гравитационную энергию, чтобы поддержать своё свечение. 

После того как звезда исчерпает свои источники энергии она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.

Звезды разной массы приходят в итоге к одному из трех состояний: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Приложение .

3.1. Белые карлики.

Белые карлики - конечная стадия звездной эволюции после исчерпания термоядерных источников энергии звезд средней и малой массы(масса которых менее 10 солнечных масс). Из-за небольшой массы, силы гравитации сравнительно слабы и сжатие звезды (гравитационный коллапс) прекращается. Она переходит в устойчивое состояние белого карлика.  Белые карлики представляют собой очень плотные горячие звезды малых размеров из вырожденного газа. Атомы газа ионизированы,  электроны уже не связаны с отдельными ядрами, а свободно движутся относительно них. Процесс отделения электронов от ядер, происходит в результате ионизации давлением. Когда ионизация становится полной, облако электронов движется относительно решётки из более тяжёлых ядер, так что вещество белого карлика приобретает определённые физические свойства, характерные для металлов. В таком веществе энергия переносится к поверхности электронами, подобно тому, как тепло распространяется по железному пруту, нагреваемому с одного конца.

При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров( в сотни раз меньше размеров Солнца.) Средняя плотность вещества в нём часто превышает тонну на кубический сантиметр! Белый карлик уже почти не излучает видимого света и потому становится невидимым. Температура белого карлика колеблется от тысячи до нескольких десяткой тысяч градусов.  Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение происходит за счет медленного остывания. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается и звезда перестаёт быть белой (по цвету) - это скорее уже бурый или коричневый карлик - остывшую, умершую звезду. Сначала белый карлик охлаждается быстро, но по мере падения температуры внутри него охлаждение замедляется. Согласно оценкам, за первые сотни миллионов лет светимость белого карлика падает на 1% от светимости Солнца.