Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им.С.М. Кирова

$

Факультет экономики и управления

Реферат

На тему: «Звезды: их рождение, жизнь и смерть»

Выполнила: Рапенок М.В

ФЭУ (сокр.пр.080109),1 курс

Заочное отделение

№ з/кн 60216

Санкт-Петербу$рг 2010г.

Введение

.$..Ничего нет более простого, чем звезда…

(А. С. Эддингтон)

Как и все тела в природе, звезды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют и умирают.

Чтобы проследить жизненный путь звезды и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большо$й загадкой. Современные же астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звезд на нашем ночном небосводе.

1.Основные звездные характеристики

1.1 Светимость

Светимость определяется, если известны видимая величина и расстояние до звезды. Если для определения видимой величины астрономия располагает вполне надежными м$етодами, то расстояние до звезд определить не так просто. Для сравнительно близких звезд, удаленных на расстояние, не превышающие нескольких десятков парсек[1], расстояние определяется известным еще с начала прошлого $столетия тригонометрическим методом, заключающимся в измерении ничтожно малых угловых смещений звезд при их наблюдении с разных точек земной орбиты, то есть в разное время года. Этот метод имеет довольно большую точность и достаточно надежен. Однако для большинства других более удаленных звезд он уже не годится: слишком малые смещения положения звезд надо измерять $- меньше одной сотой доли секунды дуги. На помощь приходят другие методы, значительно менее точные, но, тем не менее, достаточно надежные. В ряде случаев абсолютную величину звезд можно определить и непосредственно, без измерения расстояния до них, по некоторым наблюдаемым особенностям их излучения.

По своей светимости звезды очень сильно различаются. Есть звезды белые и голубые сверхгиганты (их, правда, сравнительно немного), светимости которых превосходят светимость Солн$ца в десятки и даже сотни тысяч раз. Но большинство звезд составляют «карлики», светимости которых значительно меньше солнечной, зачастую в тысячи раз. Характеристикой светимости является так называемая «абсолютная величина» звезды. Видимая зве$здная величина зависит, с одной стороны, от ее светимости и цвета, с другой — от расстояния до нее. Звезды высокой светимость имеют отрицательные абсолютные величины, например -4, -6. Звезды низкой светимости характеризуются большими положительными значениями, например +8, +10.

1.2 Температура

Температура оп$ределяет цвет звезды и ее спектр. Так, например, если температура поверхности слоев з$везд 3-4тыс. К., то ее цвет красноватый, 6-7 тыс. К. — желтоватый. Очень горячие звезды с температурой свыше 10-12 тыс. К. имеют белый или голубоватый цвет. В астрономии существуют вполне объективные методы измерения цвета звезд. Последний определяется так называемым «показателем цвета», равным разности фотографической и визуальной величины. Каждому значению показателя цвета соответствует определенный тип спектра$.

У холодных красных звезд спектры характеризуются линиями поглощения нейтральных атомов металлов и полосами некоторых простейших соединений (например, $CN, СП, Н20 и др.). По мере увеличения температуры поверхности в спектрах звезд исчезают молекулярные полосы, слабеют многие линии нейтральных атомов, а также линии нейтрального гелия. Сам вид спектра радикально меняется. Например, у горячих звезд с температурой поверхностных слоев, превышающей 20 тыс. К, наблюдаются преимущественно линии нейтрального и ионизованного гелия, а непрерывный спектр очень интенсивен в ультрафиолетовой части. У звезд с температурой поверхностных слоев около 10 тыс. К наиболее интенсивны линии водорода, в то вре$мя как у звезд с температурой около 6 тыс. К. линии ионизированного кальция, расположенные на границе видимой и ультрафиолетовой части спектра.

1.3 Спектры звезд

Исключительно богатую информацию дает изучение спектров звезд. Сейчас принята так называемая гарвардская спектральная классификация. В ней д$есять классов, обозначенных латинскими буквами: O, B, A, F, G, K, M. Существующая система$ классификации звездных спектров настолько точна, что позволяет определить спектр с точностью до одной десятой класса. Например, часть последовательности звездных спектров между классами B и А обозначается как В0, В1… В9, А0 и так далее. Спектр звезд в первом приближении похож на спектр излучающего «черного» тела с некоторой температурой Т. Эти температуры плавно мен$яются от 40-50 тысяч кельвинов у звезд спектрального класса О до 3000 кельвинов у звезд спектрального класса М. В соответствии с этим основная часть излучения звезд спектральн$ых классов О и В приходиться на ультрафиолетовую часть спектра, недоступную для наблюдения с поверхности земли.

Характерной особенностью звездных спектров является еще наличие у них огромного количества линий поглощения, принадлежащих различным элементам. Тонкий анализ этих линий позволил получить особенно ценную информацию $о природе наружных слоев звезд. Различия в спектрах в первую очередь объясняются различием в температурах наружных слоев звезды. По этой причине состояние ионизации и возбуждения разных элементов в наружных слоях звезд резко отличаются, что приводит к сильным различиям в спектрах.

1.$4 Химический состав звезд

Химический состав наружных слоев звезды, откуда к нам «непосредственно» приходит их излучение, характеризуется полным преобладанием водорода. На втором месте находится гелий, а обилие остальных элементов сравнительно невелико. Приблизительно на каждые 10000 атомов водорода приходится тысяча атомов гелия, около десяти атомов кислорода, немного меньше углерода и азота и всего лишь один атом железа. Обилие остальных элементов совершенно ничтожно.

Можно сказать, что нар$ужные слои звезд – это гигантские водородно-гелиевые плазмы с небольшой примесью более тяжелых элементов.

Хотя химический состав звезд в первом приближении$ одинаков, все же имеются звезды, показывающие определенные особенности в этом отношении. Например, есть звезда с аномально высоким содержанием углерода, или встречаются объекты с аномально высоким содержанием редких земель. Если у подавляющего большинства звезд обилие лития совершенно ничтожно (приблизительно 1011 от водорода), то изредка попадаются «уникумы», где этот редкий элемент довольн$о обилен. Укажем еще на два редких феномена. Есть звезды, в спектрах которых обнаружены линии не существующего на Земле в «естественном» состоянии элемента технеция. Этот элемент не имеет ни одного устойчивого и$зотопа. Самый долгоживущий изотоп живет всего лишь около 200 000 лет – срок по звездным масштабам совершенно ничтожный. Наконец, известна звезда, в наружных слоях которой гелий представлен преимущественно в виде редчайшего на Земле изотопа 3Не.

1.5 Масса звезд

Астрономия не располагала и не располагает в нас$тоящее время методом прямого и независимого определения массы (то есть не входящей в состав кратных систем) изолированной звезды. И это весьма серьезный недостаток нашей науки о Вселенной. Если бы такой метод существовал, прогресс наших знаний был бы значительно более быстрым. Массы звезд изменяются в сравнительно узких пределах. Очень мало звезд, массы кото$рых больше или меньше солнечной в 10 раз. В такой ситуации$ астрономы молчаливо принимают, что звезды с одинаковой светимостью и цветом имеют одинаковые массы. Они определяются только для двойных систем. Утверждение, что одиночная звезда с той же светимостью и цветом имеет такую же массу, как и ее «сестра», входящая в состав двойной системы, всегда следует принимать с некоторой осторожностью.

Считается, что объекты с массами меньшими 0,02 М уже не являются звездами. Они лишены внутренних источников энергии, и их светимос$ть близка к нулю. Обычно эти объекты относят к планетам. Наибольшие непосредственно измеренные массы не превышают 60 М.

2.Рождение 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 врем$я. Выяснение этого обстоятельства является одним из крупнейших достижений современной а$строномии. Еще сравнительно недавно считали, что все звезды образовались почти одновременно много миллиардов лет назад. Крушению этих метафизических представлений способствовал, прежде всего, прогресс наблюдательной астрономии и р$азвитие теории строения и эволюции звезд. В результате стало ясно, что многие наблюдаемые звезды являются сравнительно молодыми объектами, а некоторые из них возникли тогда, когда на Земле уже был человек.

Важным аргументом в пользу вывода о том, что звезды образуются из межзвездной газово-пылевой среды, служит расположение групп заведомо молодых звезд в спиральных ветвях Галактики. Дело в том, что согласно радиоастрономическим наблюдениям межзвездный газ концент$рируется преимущественно в спиральных рукавах галактик. В частности, это имеет место и в нашей Галактике. Более того, из детальных “радио изображений” $некоторых близких к нам галактик следует, что наибольшая плотность межзвездного газа наблюдается на внутренних (по отношению к центру соответствующей галактики) краях спирали. Но именно в этих частях спиралей наблюдаются методами оптической астрономии “зоны Н Н” , т.е. обла$ка ионизованного межзвездного газа. Причиной ионизации таких облаков может быть только ультрафиолетовое излучение массивных горячих звезд — объектов заведомо молодых.

Мы можем представить картину эволюции какой-нибудь звезды следующим образом. По некоторым причинам (их можно указать несколько) начало конденсироваться облако межзвездной газово-пылевой среды. Довольно скоро (по астрономическим масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется сравнительно плотный н$епрозрачный газовый шар. Этот шар еще нельзя назвать звездой, так как в его центральных областях температура недостаточна для того, чтобы начались термоядерные реакции. Давление газа внутри шара не в состоянии пока уравновесить силы притяжени$я отдельных его частей, поэтому он будет непрерывно сжиматься. Некоторые астрономы раньше считали, что такие протозвезды наблюдаются в отдельных туманностях в виде очень темных компактных образ$ований, так называемых глобул. Успехи радиоастрономии, однако, заставили отказаться от такой довольно наивной точки зрения. Обычно одновременно образуется не одна протозвезда, а более или менее многочисленная группа их. В дальнейшем эти группы становятся звездными асс$оциациями и скоплениями, хорошо известными астрономам.

При сжатии протозвезды температура ее повышается, и значительная часть освобождающейся потенциальной энергии излучается в окружающее пространство. Так как размеры сжимающегося газового шара очень велики, то излучение с единицы его поверхности будет незначительным.

В дальнейшем протозвезда продолжает сжиматься. Ее размеры становятся меньше, а поверхност$ная температура растет, вследствие чего спектр становится все более ранним. Таким образом, двигаясь по диаграмме «спектр — светимость», протозвезда довольно быстро «сядет» на главную последовательность. В этот период температура звездных недр уже оказывается достаточной для того, чтобы там начались термоядерные реакции. При этом давление газа внутри будущей звезды уравновешивает притяжение, и газовый шар перестает сжиматься. Протозвез$да становится звездой.

3.Как устроена звезда и как она живет

Звёзды не останутся вечно такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной постоянно рождаются новые звёзды, а старые умирают. Чтобы понять, как эволюционирует звезда, как меняются с течением времени её внешние п$араметры — размер, светимость, масса, необходимо проанализировать процессы, протекающие в недрах звезды. А для этого надо знать, как устроены эти недра, их химический состав, температуру, плотность, давление. Но н$аблюдениям доступны лишь внешние слои звёзд — их атмосферы. Проникнуть вглубь даже ближайшей звезды — Солнца — мы не можем. Приходится прибегать к косвенным методам: расчётам, компьютерному моделированию. При этом пользуются данными о внешних слоях, изв$естными законами физики и механики, общими как для Земли, так и для звёздного мира.

Условия в недрах звёзд значительно отличаются от условий в земных$ лабораториях, но элементарные частицы — электроны, протоны, нейтроны там те же, что и на Земле. Звёзды состоят из тех же химических элементов, что и наша планета. Поэтому к ним можно применять знания, полученные в лабораториях.

Наблюдения показывают, что большинство звёзд устойчивы, т. е. они заметно не расширяются и не сжимаются в течение длительных промежутков времени.

Определение химического состава и физических условий в центральны$х частях звёзд позволило решить вопрос об источниках звёздной энергии. При температуре 10–30 млн. градусов и наличии большого числа ядер водорода протекают термоядерные реакции, в результате образуются ядра различных химических элементов. Не все возможные ядерные реакции заслу$живают роль источников звёздной энергии, а только такие, которые выделяют достаточно большую энергию и могут продолжаться в течение нескольких миллиардов лет жизни звезды.

Срок жизни звезды напрямую зависит от её массы. Звёзды с массой в 10$0 раз больше солнечной живут всего несколько миллионов лет. Если масса составляет две-три солнечных, срок жизни увеличивается до миллиарда лет.

Возраст Солнца примерно 4,5–5 млрд. лет, и за это время оно почти не измен$ило своего размера и яркости.

Астрономы не в состоянии проследить жизнь одной звезды от начала и до конца. Даже самые короткоживущие звёзды существуют миллионы лет — дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Однако учёные могут наблюдать много звёзд находящихся на самых разных стадиях своего развития, — только что родившиеся и умирающие. По многочисленным звёздным портретам они стараются восстановить эволюционный путь к$аждой звезды и написать её биографию.

Жизненный путь звезды довольно сложен. В течение своей истории она разогревается до очень высоких температур и остывает до такой степени, что в её атмосфере начинают образовываться пылинки. Звезда расширяется до грандиозных размеров, срав$нимых с размерами орбиты Марса, и сжимается до нескольких десятков километров. Светимость её возрастает до огромных величин и падает почти до нуля.

Жизнь звезды не всегда протекает гладко. Картина её эволюции у$сложняется вращением, иногда очень быстрым, на пределе устойчивости (при быстром вращении центробежные силы стремятся разорвать звезду). Некоторые звёзды обладают скоростью вращения на поверхности 500–600 км/с. Для Солнца эта величина составляет около 2 км/с. Солнце — звезда относительно спокойная, но даже оно испытывает колебания с различными периодами, на его пове$рхности происходят взрывы и выбросы вещества. Активность некоторых других звёзд несравнимо выше. На определённых этапах своей эволюции звезда может стать переменной, начав регулярно менять свой блеск, сжиматься и опять расширяться. А иногда на звёздах происходят сильные взрывы. Когда взрываются самые массивные звёзды, их блеск на короткий срок может превысить блеск всех остальных звёзд галактики вместе взятых.

По современным представления$м, жизненный путь одиночн$ой звезды определяется её начальной массой и химическим составом. Чему равна минимальная возможная масса звезды, мы с уверенностью сказать не можем. Дело в том, что маломассивные звёзды очень слабые объекты и наблюдать их довольно трудно. Теория звёздной эволюции утверждает, что $в телах меньше чем семь-восемь сотых долей массы Солнца долговременные атомные реакции идти не могут. Эта величина близка к минимальной массе наблюдаемых звёзд, их светимость меньше солнечной в десятки тысяч раз. Температура на поверхности подобных звёзд не превосходит 2–3 тысячи градусов, это багрово красные карлики.

В звёздах большой массы, напротив реакции протекают с огромной скоростью. Если масса рождающейся звезды превышает 50–70 солнечных масс, то после загорания термояд$ерного топлива чрезвычайно интенсивное излучение своим давлением может просто сбросить излишек массы. Через несколько миллионов лет, а может быть и раньше, эти звёзды могут взорваться, как сверхновые (так называют взрывающиеся звёзды с большой энергией вспышки).

Важную роль в жизни звезды играет магнитное поле. С магнитным полем связаны практически все проявления солнечной ак$тивности: пятна, вспышки, факелы и др.$ На звёздах, магнитное поле которых сильнее солнечного, эти процессы протекают с большей интенсивностью. В частности, переменность блеска некоторых таких звёзд объясняют появлением пятен, аналогичных солнечным, но закрывающих десятки процентов их поверхности. Однако физические механизмы, обуславливающие активность звёзд, ещё не до конца изучены. Наибольшей интенс$ивности магнитные поля достигают на компактных звёздных остатках белых карликах и особенно нейтронных звёздах.

4.Звезды умирают

Превращение, «выгорание», водорода в гелий при термоядерной реакции происходит в центральных областях звезды, в условиях высоких температур.

В наружных областях звезды водород не «выгорает» из-за низкой температуры и низком давлении. Так как количество водорода в центральных областях звезды ограничено, рано или поздно (в зависи$мости от массы звезды) он практически весь «выгорит». При этом процессе масса и радиус центральной области звезды уменьшаются.

$

Что произойдет, когда реакция «гелий-углерод» исчерпает себя, выгорит весь гелий, а так же прекратится ядерная реакция «водород-гелий» в тонкой оболочке ядра?

Звезды с массами до 1,4 масс Солнца, существенную часть своей массы, образующую их наружную оболочку, «сбрасывают».(см.$рис. 1.) 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» — х$олодных звезд огромной плотности и небольшого размера (порядка 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».

Вспышка «сверхновой» звезды – весьма редкое явление. В больших звездных системах, подобных нашей Галактике, вспышке «сверхновых» п$роисходят в среднем раз в сто лет.

Существует несколько гипотез о причине взрывов звезд, наблюдаемых как «сверхновые». Единой точки зрения нет. Возможный вариант – катастрофически 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 с$остояние «белого карлика». После сброса оболочки они катастрофически быстро сжимаются до размеров порядка 10 км. При этом скорость вращения должна резко возрасти. $Теоретические расчеты показывают, что такие звезды состоят из вещества плотностью до 1015 г/см3. Это уже «плотно упакованные» нейтроны, образующие нейтронные звезды (см. рис. 1).

Первоначальная темп$ература поверхности нейтронов 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.

$

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).

Звезда начинает сжиматься с огромной скоростью, плотность вещества начинает резко раст$и. Через очень короткое время (секунды!) звезда может превратиться в сверхплотную точку, будет раздавлена своей собственной массой – гравитационный коллапс. Такой объект называют гравитационной могилой, или черной дырой.

$Превратившись в черную дыру, небесное тело не исчезает из Вселенной. Черная дыра поглощает световые лучи, идущие от нее на более значительное расстояние. Черная дыра может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя $планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.

Черную дыру 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. Непосре$дственными наблюдениями звезды с массами более 75 масс Солнца не обнаружены. Звезды с ма$ссами более чем 25 масс Солнца неустойчивы и теряют газ под действием радиационного давления или при взрывных процессах.

Заключение

За период немногим более двух столетий представление о звёздах изменилось кардинально. Из непостижимо далёких и равнодушно светящихся точек на небе они превратились в предмет всестороннего физического исследования.

Благодаря развитию наблюдательных техноло$гий, астрономы получили возможность исследовать не только видимое, но и невидимое глазу излучение звёзд. Сейчас уже многое известно об их строении и эволюции, хотя немало остаётся и непонятного.

Список литературы

$

Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – 3-е изд., перераб. -М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984-384с.

Томилин А.Н. Тайны рождения звезд и планет. – М.: Просвещения, 2008 – 176с.

Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания: лекции. 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: из$дательство «Лань», 2002-160с.

Чернин А.Д. Звезды и физика – М.: Наука. Главная редакция физико – математической литературы, 1984 – 160с.

[1] Парсек— распространённая в астрономии внесистемная единица измерения расстояния.

Post Comment