Дипломная работа: Особенности астрономии ХХ века

В звездах сосредоточена основная масса (98-99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды - мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. Вещество звезд представляет собой плазму. И потому, строго говоря, звезда - это не просто газовый шар, а плазменный шар. Плазма - это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах - давлении, теплоемкости и р.), а иногда и нейтронного вещества (нейтронные звезды - пульсары, барстеры - источники рентгеновского излучения и др.; вещество в них состоит в основном из нейтронов)

Звезды в космическом пространстве не распределены равномерно. Они образуют звездные системы:

o      кратные звезды (двойные, тройные и т.д.);

o      звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов);

o      галактики - грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150-200 млрд. звезд).

В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.

Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т.е. изменений их физических характеристик не наблюдается. Это отвечает состоянию равновесия. Однако наблюдения показывают, что существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. С теоретической точки зрения переменность и нестационарность - проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и такой вид звезд, в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки, в частности новые звезды. При вспышках (взрывах) т.н. сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.

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.

Энергии гравитационного сжатия, как показывают расчеты, было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн. лет, в то время как из геологических и др. данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд (типа t Тельца). С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет по различным расчетам от 12 до 15 млн. К. Таким образом, наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.

Предполагается, что у многих (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.

11.4.2. Эволюция звезд: звезды от их "рождения" до "смерти"

11.4.2.1. Процесс звездообразования

Эволюция звезд - это изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд со временем. Современная теория эволюции звезд способна объяснить общий ход развития звезд и находится в удовлетворительном согласии с данными наблюдений.

Ход эволюции звезды зависит от ее массы и от исходного химического состава. Химический состав звезды зависит от времени, когда она образовалась и от ее положения в Галактике в момент образования. Звезды первого поколения сформировались из вещества, состав которого определялся космологическими условиями (почти 70% водорода, 30% гелия и ничтожная примесь дейтерия и лития). В ходе эволюции звезд первого поколения образовались тяжелые элементы (следующие за гелием в таблице Менделеева), которые были выброшены в межзвездное пространство в результате истечение вещества из звезд или при взрывах звезд. Звезды последующих поколений сформировались уже из вещества, содержавшего 3-4% тяжелых элементов.

"Рождение" звезды - это образование гидростатически равновесного объекта, излучение которого поддерживается за счет собственных источников энергии. А "смерть" звезды - это необратимое нарушение равновесия, ведущее к разрушению звезды или к ее катастрофическому сжатию.

Процесс звездообразования продолжается непрерывно, он происходит и в настоящее время. Звезды образуются в результате гравитационной конденсации вещества межзвездной среды. К молодым звездам относятся звезды, которые еще находятся в стадии первоначального гравитационного сжатия. Температура в центре таких звезд недостаточна для протекания ядерных реакций, и свечение происходит только за счет превращения гравитационной энергии в теплоту. Гравитационное сжатие - первый этап эволюции звезд.

Он приводит к разогреву центральной зоны звезды до температуры "включения" термоядерной реакции ( ~ 1 0 - 1 5 млн. К) превращения водорода в гелий ( ядра водорода, т.е. протоны, образуют ядра гелия: каждые четыре протона, объединяясь, образуют атом гелия). Такое превращение сопровождается большим выделением энергии.

11.4.2.2.Звезда как саморегулирующаяся система

У большинства звезд источниками энергии являются водородные термоядерные реакции в центральной зоне. Водород - главная составная часть космического вещества и важнейший вид ядерного горючего в звездах. Запасы его в звездах очень велики, так что в звездах ядерные реакции могут протекать в течение миллиардов лет. При этом, пока в центральной зоне весь водород не выгорел, свойства звезды изменяются мало.

В недрах звезд при температурах более 10 млн. К и огромных плотностях газ обладает давлением в миллиарды атмосфер. В этих условиях звезда может находиться в стационарном состоянии лишь благодаря тому, что в каждом ее слое внутреннее давление газа уравновешивается действием сил тяготения. Такое состояние называется гидростатическим равновесием. Следовательно, стационарная звезда представляет собой плазменный шар, находящийся в состоянии гидростатического равновесия. Если внутри звезды температура по какой-либо причине повысится, звезда должна раздуться, т.к. возрастает давление в ее недрах.

Стационарное состояние звезды характеризуется еще и тепловым равновесием. Тепловое равновесие означает, что процессы выделения энергии в недрах звезд, процессы теплоотвода энергии из недр к поверхности и процессы излучения энергии с поверхности должны быть сбалансированы. Если теплоотвод превысит тепловыделение, то звезда начнет сжиматься и разогреваться. Это приведет к ускорению ядерных реакций, и тепловой баланс будет вновь восстановлен. Звезда представляет собой тонко сбалансированный организм, она оказывается саморегулирующейся системой.

После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое близ поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. 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. С этого момента жизнь звезды начинает клониться к закату.

Полагают, что звезда типа нашего Солнца может увеличиться настолько, что заполнит орбиту Меркурия. Правда, наше Солнце станет красным гигантом примерно через 8 млрд. лет. Так что особых оснований для беспокойства у жителей Земли нет. Ведь сама Земля образовалась всего лишь 5 млрд. лет назад.

11.4.2.3. От красного гиганта до белого и черного карликов

Для красного гиганта характерна низкая внешняя, но очень высокая внутренняя температура. С повышение внутренней температуры 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 др. процессов красный гигант непрерывно теряет вещество, выбрасываемое в межзвездное пространство. Когда полностью истощаются внутренние термоядерные источники энергии, дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы.

При массе < 1 , 4 массы Солнца звезда переходит в стационарное состояние с очень большой плотностью. Такие звезды называются белыми карликами. В них электроны образуют вырожденный газ (вследствие сильного сжатия атомы оказываются настолько плотно упакованными, что электронные оболочки начинают проникать одна в другую), давление которого уравновешивает силы тяготения. Тепловые запасы звезды постепенно истощаются и звезда медленно охлаждается, охлаждение 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 же энергия звезды иссякнет, звезда начинает изменять 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.

11.4.2.4 Сверхновые звезды

При массе > 1,4 массы Солнца стационарное состояние звезды без внутренних источников энергии становится невозможным, т.к. давление не может уравновесить силу тяготения. Теоретически конечным результатом эволюции таких звезд должен быть гравитационный коллапс - неограниченное падение вещества к центру. В случае, когда отталкивание частиц и другие причины все же останавливают коллапс, происходит мощный взрыв - вспышка сверхновой с выбросом значительной части вещества звезды в окружающее пространство с образованием газовых туманностей.

Вспышки сверхновых были зафиксированы в 1054 г., 1572 г., 1604 г. Китайские летописцы следующим образом отметили это событие 4 июля 1054 г.: "В первый год периода Чи-хо, в пятую Луну, в день Чи -Чу появилась звезда-гостья к юго-востоку от звезды Тиен -Куан и исчезла более чем через год". А в другой летописи было записано: "Она была видна днем, как Венера, лучи света исходили из нее во все стороны, и цвет ее был красновато-белый. Так была видна она 23 дня". Подобные скупые записи были сделаны арабскими и японскими очевидцами. И уже в наше время было выяснено, что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную туманность, являющуюся мощным источником радиоизлучения. Как мы уже отмечали (см.: 6.2), вспышка сверхновой в 1572 г. в созвездии Кассиопеи была отмечена в Европе, изучалась и широкий интерес не ней общественности сыграл важную роль в расширении астрономических исследований и последующем утверждении гелиоцентризма. В 1885 г. появление сверхновой звезды было отмечено в туманности Андромеды. Ее блеск превышал блеск всей Галактики и оказался в 4 млрд. раз более интенсивным, чем блеск Солнца.

Систематические исследования позволили уже к 1980 г. открыть свыше 500 вспышек сверхновых! Со времени изобретения телескопа ни одна вспышка сверхновой звезды не наблюдалась в нашей звездной системе - Галактике. Астрономы наблюдают пока их только в других неимоверно далеких звездных системах, столь далеких, что даже в мощнейший телескоп звезду, подобную нашему Солнцу, в них нельзя было бы увидеть.

Взрыв сверхновой - гигантский по силе взрыв старой звезды, вызванный внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в космическом пространстве и образовали клочья облаков расширяющегося газа. При вспышке сверхновой звезды выделяется чудовищная энергия( порядка 1 0 n эрг, где n = 5 0 ч 5 2 ) .Вспышки сверхновых имеют фундаментальное значение для обмена веществом между звездами и межзвездной средой, для образования химических элементов (под воздействием мощных потоков нейтронов), а также для рождения первичных космических лучей.

Астрофизики подсчитали, что с периодом в 10 млн. лет сверхновые звезды вспыхивают в нашей Галактике, в непосредственной близости от Солнца. Дозы космического излучения при этом могут превышать нормальные для Земли в 7 тысяч раз! Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на нашей планете. Так объясняют, в частности, внезапную гибель динозавров.

11.4.2.5. Нейтронные звезды

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. Плотность нейтронной звезды очень высока, выше плотности атомных ядер - 1 0 n г/ куб. см, где n = 1 5. Температура такой звезды около 1 млрд. градусов. Но нейтронные звезды очень быстро остывают, светимость их слабеет. Зато они интенсивно излучают радиоволны в узком конусе по направлению магнитной оси. Для звезд, в которых магнитная ось не совпадает с осью вращения, радиоизлучение фиксируется в виде повторяющихся импульсов. Поэтому-то нейтронные звезды называют пульсарами. В настоящее время открыты сотни нейтронных звезд. Экстремальные физические условия в нейтронных звездах делают их уникальными естественными лабораториями, представляющими обширный материал для исследования физики ядерных взаимодействий, элементарных частиц и теории гравитации.

11.4.3. Черные дыры

Но если конечная масса белого карлика превышает 2-3 массы Солнца, то гравитационный коллапс непосредственно ведет к образованию черной дыры.

Черная дыра - область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна была бы превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь - ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом черной дыры. Для того, чтобы поле тяготения смогло "запереть" излучение, создающая это поле масса звезды должна сжаться до объема с радиусом, меньшим т.н. гравитационного радиуса r = 2 G M / c І , где G - гравитационная постоянная, c - скорость света, M - масса звезды. Гравитационный радиус чрезвычайно мал даже для больших масс (например, для Солнца, имеющего массу 2 · 1 0 n г( n = 3 3 ) , r ~ 3 км).

Свойства черной дыры необычны. Например, особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. В ньютоновской механике всякое тело, приближающееся из бесконечности к тяготеющей массе, описывает около нее параболу или гиперболу и (если не испытывает соударения с тяготеющей массой) снова улетает в бесконечность. Гравитационный захват здесь невозможен. Иначе обстоит дело в поле тяготения черной дыры. В достаточной близости от черной дыры траектория резко отличается от ньютоновской. Так, если скорость тела вдали от черной дыры много меньше световой и траектория его движения подходит близко к окружности с R = 2 r , то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры, прежде чем снова улетит в космос. Если же тело подойдет вплотную к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность. Тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и никогда снова не улетит в космос. Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов иди даже не успев сделать ни одного оборота, оно упадет в черную дыру.

Когда фотоны либо частицы уходят за гравитационный радиус, они просто исчезают. Только во внешней области непосредственно у гравитационного радиуса они могут быть видимыми, причем создается впечатление, что они как бы скрываются за занавесом и больше не появляются. Звезде с массой, равной массе Солнца, требуется лишь несколько секунд для того, чтобы превратиться из обычной звезды в черную дыру, а если масса равна массе миллиарда звезд, то такой процесс займет несколько дней.

В черной дыре пространство и время взаимосвязаны необычным образом. Для наблюдателя внутри черной дыры направление возрастания времени является направлением уменьшения радиуса. Оказавшись внутри черной дыры наблюдатель не имеет больше сил вернуться обратно к поверхности, так же как он не может повернуть назад стрелки часов, отсчитывающих время его жизни. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Причина здесь простая: ничто не может остановить ход времени.

Черные дыры своим сильным гравитационным полем могут вызывать бурные процессы при падении в них газа. Газ при падении в поле тяготения черной дыры образует закручивающийся вокруг последней быстро вращающийся уплощенный диск. Например, в системе двойной звезды, одна из которых нормальная звезда, а вторая - черная дыра: черная дыра как бы "высасывает соки" из своего напарника. При этом колоссальная кинетическая энергия частиц, разгоняемых тяготением сверхплотного тела, частично переходит в рентгеновское излучение, и по этому излучению черная дыра может быть обнаружена. Вероятно, одна черная дыра уже обнаружена таким способом в рентгеновском источнике Лебедь Х-1.В целом же, по-видимому, на долю черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике приходится около 100 млн. звезд.

Итак, черна дыра так сильно искривляет пространство, что она как бы отсекает себя от Вселенной. Она может буквально исчезнуть из Вселенной. Возникает вопрос, куда она может исчезнуть? Математический анализ показывает, что имеется разные решения. Но особенно интересно одной из них. В соответствии с ним, черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыры для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной и даже проникновения в другую вселенную.

11.5. Острова Вселенной: галактики

11.5.1. Общее представление о галактиках и их изучении

Вскоре после изобретения телескопа внимание наблюдателей привлекли многочисленные светлые пятна туманного вида, так и названные туманностями, видимые неизменно в одних и тех же местах в разных созвездиях. С помощью сильных телескопов Вильям Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого века у некоторых из них была обнаружена спиральная форма. Но что представляют собой эти туманности - долго оставалось загадкой. И только в 20-е годы ХХ века с помощью крупнейших в той время телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что туманности - это не облака пыли, святящиеся отраженным светом, и не облака разреженного газа, а чрезвычайно далекие звездные системы, в которых звезд несравненно больше, чем в близких к нам шаровых скоплениях. Таким образом, галактики - это гигантские звездные системы (до ~ 1 0 n , где n = 1 3 , звезд). Такого же порядка (n = 13) являются и массы галактик по отношению к массе Солнца.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6