Происхождение звезд

Введение

Как и все тела в природе, звёзды не остаются неизменными, они  рождаются, эволюционируют, и, наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звёзд и понять, как они стареют, необходимо знать, как они возникают. В прошлом это представлялось большой загадкой; современные астрономы уже могут с большой уверенностью подробно описать пути, ведущие к появлению ярких звёзд на нашем ночном небосводе. 

Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в последние годы были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947г. в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959г. эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды - впервые в истории человечества люди наблюдали, рождение звёзд буквально на глазах этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени, и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах, или звёздных скоплениях, оказались справедливыми.

Происхождение звезд

Любая видимая звезда представляет собой вращающийся шар раскаленного газа. От массы газа зависит сила тяготения звезды, плотность , размеры, возможные температуры и время существования.

Образование звезд имеет следующие этапы:

1. На первом этапе существования газопылевое облако, в котором частички газа и пыли начинают притягиваться друг к другу.

2. В процессе этого притяжения облако начинает разогреваться.

3. При достижении температуры в ядре звезды в 10млн градусов Цельсия начинается термоядерная реакция. Водород превращается в гелий, что сопровождается излучением во всех частях спектра. Благодаря этому излучению звезда становится звездой, т.е. видимым космическим объектом. После начала термоядерной реакции звезда проходит следующие этапы существования:

- нормальные или желтые звезды. Находятся на этапе выгорания водорода. В нормальных звездах по мере выгорания водорода формируется гелиевое ядро, которое отделено от водородной оболочки зоной конвенции и излучения. Выгорание водорода также сопровождается потерей массы звезды, а следовательно, уменьшением силы гравитации, стягивающей вещество звезды к центру. Когда сила излучения превышает силу гравитации, происходит расслоение гелиевого ядра и водородной оболочки, начинающей удаляться от ядра. Звезда переходит в состояния сверхгиганта или красного гиганта;

- в течение второго этапа (красный гигант) гелиевое ядро звезды сжимается, а размеры звезды значительно увеличиваются за счет того, что водородная оболочка удаляется от ядра. Масса красного гиганта начинает сокращаться  не только из-за горения водорода, но из-за потерь вещества на внешней оболочке звезды.  Когда внешний слой истощается, он рассеивается в космическом пространстве, и от звезды остается только горячее гелиевое ядро. Звезда переходит на этап существования в виде белого карлика;

- гравитационное сжатие ядра продолжается на этапе белого карлика. Первоначально поверхность белого карлика имеет очень большую температуру (до десятков тысяч градусов), но затем быстро остывает. Диаметр белого карлика составляет лишь 5-10тыс. км., т.е. сравним с диаметром Земли.

- на четвертом этапе продолжается сжатие ядра и ускорение вращения вокруг своей оси приводит к его уплотнению и схлопыванию атомов. Электроны соединяются с протонами и образуют нейтроны. Белый карлик превращается в нейтронную звезду. Размер такой звезды составляет лишь несколько десятков километров, скорость вращения вокруг оси – несколько сотен оборотов в минуту. Колоссальная плотность нейтронной звезды приводит к такому искривлению пространства вокруг нее, что вещество звезды стремится к сжатию в точку. Нейтронная звезда превращается в черную дыру;

- этап черной дыры характеризуется такой концентрацией массы в пространстве,  что в одной чайной ложке оказалось бы 100 млн метрических тонн вещества. Все объекты и излучения, находящиеся в зоне гравитационного действия черной дыры, стремятся к ней. Размер черной дыры составляет 2-3 км. Конечная стадия существования черных дыр – взрыв и рассеивание вещества.  На этой стадии существования звезды можно считать окончательно завершенным.

Скорость прохождения звездой перечисленных этапов существования зависит от ее размеров. Большие звезда проходят все перечисленные этапы быстрее.

В настоящее время все звезды, находящиеся на первом этапе существования (нормальные звезды), разделены на семь классов по массе, температуре и цвету.

Первый класс представляют голубые гиганты – очень большие (в 50-60 раз массивнее солнца), очень яркие и очень горячие звезды (температура поверхности около 35 тыс. градусов).

Второй класс – бело-голубые звезды с температурой поверхности около 20 тыс. градусов.

Третий класс – белые звезды с температурой около 10 тыс. градусов.

Четвертый класс – желто-белые звезды с температурой около 7500 градусов.

Пятый класс – желтые звезды (в этот класс входит солнце) с температурой около 6000 градусов.

Шестой класс составляют оранжевые звезды с температурой 4700 градусов.

Седьмой класс – красные карлики с температурой 3000 градусов.

Все перечисленные классы звезд образуют Главную последовательность, т.е. распределение звезд в порядке уменьшения их температуры и яркости.

Помимо стабильных звезд существуют звезды в нестабильном периоде развития. К ним относятся цефеиды и мириды. Яркость данного типа звезд меняется от 1 до 100 дней (цефеиды) и от нескольких месяцев до 2 лет (мириды). Колебания яркости могут быть связаны с выбросами и поглощениями газа, периодическим расширением и сжатием.

Эволюция звезд

    Теория эволюции звезд пробуждает интерес в связи с отсутствием в официальных изданиях причин, вызывающих те или иные процессы в ходе эволюции К таким беспричинным процессам можно отнести сжатие в звезду газопылевого облака (первоначальный коллапс), постоянное сжатие звезды во времени до состояния белого карлика и нейтронной звезды, электронизация и нейтронизация вещества, спонтанное сжатие (гравитационный коллапс) в черную дыру, судьба черной дыры. Для поиска ответа на эти вопросы надо кратко изложить действующую теорию эволюции звезд с попутным изложением возможных причин происходящих процессов.

1.Итак, образование звезд начинается: по одним источникам - с дифференциации газопылевого облака, то есть, с его расслоения и уплотнения его частей, на которые в дальнейшем происходит конденсация газа и пыли; при этом хочется думать, что дифференциация облака не может происходить самопроизвольно, для этого нужны какие-то внешние силы, ими могут быть гравитационные поля центра галактики, рукавов и в целом галактики.

   По другим источникам образование звезды начинается со сжатия облака (первоначальный коллапс).однако известно, что газ и пыль имеют свойство неограниченно расширяться при условии, что масса "пылинок" не больше массы планеты Марс, не способной удержать сколь либо заметную газовую среду. Следовательно сжатие облака может произойти также под воздействием внешних сил - тех же гравитационных полей галактики. При этом теорией эволюции не приводятся расчеты параметров облака - объема, массы, плотности -способных привести к сжатию облака.

   Нельзя исключить влияния на уплотнение облака и такой причины, как эффект сепарации: легкие атомы водорода в результате вращения галактики

   Устремляются к ее центру, повышая плотность облака. Кроме того водород, имея температуру плавления минус 259.1 градуса Цельсия и кипения минус 252.6 градуса Цельсия может находиться в состоянии, подобном пару. Атомы, имея в этом состоянии минимальную энергию, находясь в невесомости, могут группироваться в облака подобно тому, как группируется в облака водяной пар в атмосфере Земли. Эти облака могут служить собирателями галактической пыли

2.Известно, что газовая среда сосредоточена вокруг центра галактики в главной ее плоскости. Надо полагать, что она и является материалом для строительства звезд, другого строительного материала в галактике нет. Если из нее создаются звезды, то почему они рассредоточены по всей галактике? Возникает мысль о том, что звезды отходят от центра галактики в результате описанного ранее взаимодействия гравитационных полей вращающихся систем. Но поскольку звезды отходят от ядра и при этом стареют, то на периферии галактики должны быть сосредоточены старые звезды - белые карлики, нейтронные звезды, виртуальные черные дыры, и чем дальше от центра, тем старее.

   Если возраст Вселенной, а следовательно и галактик, оценивается наукой в 20 миллиардов лет, а продолжительность жизни звезд в пределах 8-12 миллиардов лет, то можно подсчитать количество в галактике молодых и старых звезд. Полагая, что звезды, образовавшиеся за первые 10 миллиардов лет после "большого взрыва" уже ушли в небытие, тогда половина из здравствующих звезд, возникших а последующие 5 миллиардов лет, будут старыми, а в самые последние 5 миллиардов лет, будут молодыми.

   Получили фифти-фифти. Этот вывод не согласуется с наблюдаемыми данными о наличии в галактике всего 3-10% карликовых, то есть, старых звезд, что ставит под сомнение достоверность взрывной модели Вселенной и более согласуется с бесконечной в пространстве и во времени Вселенной.

3. До каких пор облако сжимается или конденсируется в звезду? Указанный процесс длится до состояния, при котором достигается равновесие сил гравитации и упругости, когда начинают действовать законы Гука о линейной зависимости сил упругости и деформаций и Ньютона о равенстве действия и противодействия. Звезда переходит в равновесное состояние. Наукой оно оценивается как гидродинамическое и тепловое равновесие. Звезда достигает такой плотности и температуры, при которой в ее недрах начинается водородный цикл - образование из атомов водорода ядер и атомов гелия.

   Остается неясным вопрос: почему водородный цикл, представляющий собой спонтанную ядерную реакцию, длится многие миллиарды лет? Ответы напрашиваются такие.

   В центре масс звезды давление и температура вопреки научным представлениям не максимальны, а минимальны, поскольку все возможные силы, действующие там на единицу массы, уравновешивают друг друга. Вокруг центра масс в плоскости экватора образуется холодная и, возможно пустая дискообразная полость, поэтому ядерные реакции протекают не по всему объему звезды, а в некоторой, удаленной от центра кольцеобразной сфере внутри звезды. Это предположение подтверждает тот факт, что измеренный испускаемый солнцем поток нейтрино почти на порядок меньше расчетного. В этой сфере происходит постоянный двунаправленный процесс синтеза ядер из протонов и их распада на протоны с выделением электронов, позитронов, фотонов, нейтрино, при этом наиболее легко соединяются протоны с электронами с образованием атомов водорода.

   Звезда представляет своего рода огромный котел, порождающий и сжигающий водород, Масса звезды теряется не столько за счет горения водорода, сколько за счет электромагнитного излучения и звездного ветра, уносящего протоны, нейтроны, электроны и другие частицы.. Однако равновесие звезды сохраняется, поскольку действуют законы Гука и Ньютона. По-видимому параллельно или с какого-то этапа равновесного состояния звезды осуществляется нуклеосинтез.

4. Когда же и почему же звезда вновь начинает сжиматься? Ведь на описанном выше этапе эволюции равновесных (нормальных) звезд не может происходить какого-то заметного их сжатия, однако реальность белых карликов, нейтронных звезд убеждают в реальности процессов сжатия, причем малое количество белых карликов и нейтронных звезд наводит на мысль об их недолговечности, они как этап относительно быстрого процесса: нормальная звезда - белый карлик - нейтронная звезда - черная дыра (?)-уход в небытие. Причины происходящему процессу надо искать. В частности в физике известно и хорошо изучено такое явление, как усталость материалов - изменение механических и физических свойств вещества под длительным воздействием. Это состояние выражается в таких явлениях, как текучесть, сыпучесть, ползучесть.

   Именно усталость звездного вещества может вызывать такие процессы, как нейтронизацию, появление электронного вырожденного газа, нейтронного вырожденного газа, релятивистского электронного газа и еще в большей степени - аннигиляцию вещества. Нельзя исключать того, что эти процессы и приводят к исчезновению звезды.

   Надо также учитывать при этом и то обстоятельство, что если в этот период эволюции изменяются механические и физико-химические свойства вещества, то будут изменяться и все физические законы, в том числе упомянутые законы Гука и Ньютона, а также продолжительность жизни атомов и всех микрочастиц.

5.Есть ли двойные звезды? Думается, что бывают, но редко. Система из двойных звезд, как уже отмечалось ранее, возможна, если масса центральной звезды намного больше массы звезды-спутника. Редки они потому, что недолговечны, поскольку звезда-спутник всегда либо приближается к центральной звезде, либо отдаляется от нее. Если же массы обеих звезд близки, то обе они, не имея общего стабильного центра масс, разлетятся в силу своей инерции, или сольются в нежном объятии, создав красивое багряное облачко на небеси. Анализ системы Земля-Луна, единственной системы, в которой массы входящих объектов не шибко намного отличаются друг от друга, хорошо подтверждают вышесказанное.

   Можно было бы рассмотреть случай двойной звезды с центральной массивной черной дырой, и карликовой звездой-спутником, тогда было бы можно обнаружить эту двойную звезду за определенное не столь продолжительное время по характеру траектории звезды-спутника. Но пока черные дыры не обнаружены, есть лишь ненадежное косвенное доказательство по обнаруженной звезде с хвостом, который якобы является следствием втягивания в себя черной дырой части звездного вещества звезды-спутника.

   Простейшие рассуждения исключают такую возможность. Поле тяготения звезды, черная она или белая, зависит только от ее массы, а поскольку расстояния между звездами намного больше их размеров, в том числе первоначальных размеров черной дыры, постольку воровство массы звезды-спутника исключается, Гравитационного коллапса не может быть еще и потому, что спонтанное сжатие неизбежно приведет и к спонтанному ускорению вращения звезды, что привело бы к ее разрушению.

   Мы сегодня не знаем, как ведет себя на стадии усталости звездное вещество и какие законы в этот период действуют. Ясно одно: если звезда рождается, то она и умирает, исчезая из поля наших ощущений.

   Газопылевая среда в галактике не может образовываться и пополняться только из остатков взрывающихся и исчезающих звезд. Такое представление приводит к выводу о постоянной потере галактикой своей массы, а это значит, что сама галактика не находится в равновесном состоянии, а также убывает плотность Вселенной. Более вероятным является представление, что галактики и Вселенная находятся в состоянии динамического равновесия и живут по закону: "где, когда, чего и сколько убыло (прибыло), там, или в другом месте, в то же, или в другое время, столько же, того же

самого или чего- либо другого, эквивалентного ему, прибыло (убыло)".Вселенная представляет собой некий насыщенный раствор, в котором идет постоянный двунаправленный процесс: часть невещественной материи выпадает в ощущаемый осадок, в основном это атомы водорода - кирпичики мироздания, часть ощущаемой материи растворяется, исчезая из сферы наших ощущений. Подобные идеи фигурируют в ученом мире, согласно которым существуют кроме ощущаемой материи такие неощущаемые ее виды, как "черная" материя, "черная" энергия.

Заключение

Сейчас твердо установлено, что звезды и звездные скопления имеют разный возраст, от величины порядка 1010 лет (шаровые звездные скопления) до 106 лет для самых молодых (рассеянные звездные скопления и звездные ассоциации). Мы будем подробно говорить об этом ниже. Многие исследователи предполагают, что звезды образуются из диффузной межзвездной среды. В пользу этого говорит положение молодых звезд в пространстве - они сконцентрированы в спиральных ветвях галактик, там же, где и межзвездная газопылевая материя. Диффузная среда удерживается в спиральных ветвях галактическим магнитным полем. Звезды этим слабым полем удерживаться не могут. Поэтому более старые звезды меньше связаны со спиралями.   

   Молодые звезды образуют часто комплексы, такие, как комплекс Ориона, в который входит несколько тысяч молодых звезд. В комплексах наряду со звездами содержится большое количество газа и пыли. Газ в этих комплексах быстро расширяется, а это значит, что раньше он представлял собой более плотную массу.

   Сам процесс формирования звезд из диффузной среды остается пока не вполне ясным.

   Если в некотором объеме, заполненном газом и пылью, масса диффузной материи по каким-то причинам превзойдет определенную критическую величину, то материя в этом объеме начнет сжиматься под действием сил тяготения. Это явление называется гравитационной конденсацией. Величина критической массы зависит от плотности, температуры и среднего молекулярного веса. Расчеты показывают, что необходимые условия могут создаться лишь в исключительных случаях, когда плотность диффузной материи становится достаточно большой. Такие условия могут возникать в результате случайных флуктуаций, однако не исключено, что увеличение плотности может происходить и в результате некоторых регулярных процессов.     

  Наиболее плотными областями диффузной материи являются, по-видимому, глобулы и "слоновые хоботы" - темные компактные, непрозрачные образования, наблюдаемые на фоне светлых туманностей. Глобулы имеют вид круглых пятнышек, "слоновые хоботы" - узких полосок, которые вклиниваются в светлую материю (рис. 243). Глобулы и "слоновые хоботы" являются наиболее вероятными предками звезд, хотя прямыми доказательствами этого мы не располагаем. В качестве косвенного подтверждения могут рассматриваться кометообразные туманности. Эти туманности выглядят подобно конусу кометного хвоста. В голове такой туманности обычно находится звезда типа Т Тельца - молодая сжимающаяся звезда. Возникает мысль, что звезда образовалась внутри туманности. В то же время сама туманность напоминает по форме и расположению "слоновые хоботы".

   Очень многое в процессе звездообразования остается не ясным. Не все

исследователи соглашаются, например, с тем, что звезды образуются из диффузной межзвездной материи. Советский астроном акад. В. А. Амбарцумян считает, что звезды образуются в результате расширения плотных тел неизвестной природы, которые непосредственно не наблюдаются. Мы будем придерживаться в дальнейшем более общепринятой гипотезы образования звезд из межзвездной диффузной среды.

Список используемой литературы

1. М. К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. Учебник. М., 2005

2. А.Ю. Скопин. Концепции современного естествознания. Учебник. М., 2003

3. Н.Д. Ериашвили. Концепции современного естествознания. Учебник, 3-е издание. М., 2006

4. Шкловский. Звезды. Их рождение, жизнь и смерть, 2 изд., 1977

5. Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков. Теория тяготения и эволюция звезд. М., 1971

1