Зорі, їх утворення, розвиток і види - Астрономія, авіація, космонавтика - Скачать бесплатно

Як народжуються зорі. Проблема зореутворення — одна з центральних у сучасній астрофізиці. Зорі — най­поширеніші у Всесвіті об'єкти, з них складаються більші структурні утворення — галактики. І питання про те, чому в різних регіонах Всесвіту речовина переважно формується саме в зорі, за яких умов і яким чином це звершується, не може не хвилювати астрономів. Тим більше, що явища, які відбуваються в процесі утворен­ня і вмирання зір, мабуть, тісно пов'язані з найглибши­ми проблемами будови і еволюції матерії, зокрема з явищами, що відбуваються у світі елементарних ча­стинок.

У сучасній астрофізиці є дві основні концепції походження зір. Одна з них, яка дістала назву «класич­ної», виходить з того, що зорі утворюються в процесі конденсації газу в холодних газопилових комплексах, гігантських безформних клоччастих утвореннях розмі­рами в багато десятків і сотень світлових років, що скла­даються головним чином з молекул водню. Що ж до пи­линок, то вони являють собою дрібні тверді утворення, що розсіяні в космічному просторі і мають досить складну структуру, їх центральну частину становить тугоплавке силікатне чи графітове ядро, на яке намерзли забруднені льоди. Як показують спостереження міжзо­ряного поглинання світла, розміри таких пилинок не­великі — від 0,1 до 1 мкм.

Формування зір починається з того, що в газопило­вій хмарі або в якійсь її частині розвивається так звана гравітаційна нестійкість. Іншими словами, у хмарі від­бувається процес наростання збурень густини і швид­кості руху речовини, невеликих відхилень цих фізичних величин від їхніх середніх значень для даної хмари. З теорії виходить, що однорідний розподіл речовини за наявності сил тяжіння не може бути стійким. Речовина повинна розпадатися на окремі згустки. За одним з ос­новних законів фізики будь-яка фізична система завжди прагне до такого стану, при якому її потенціальна енер­гія є мінімальною. При утворенні згустків і їх стисненні гравітаційна енергія переходить у кінетичну енергію речовини, що стискується, яка в свою чергу може пере­ходити в теплову енергію і випромінюватися. Таким чином, внаслідок процесу фрагментації та утворення згустків зменшується потенціальна енергія.

Крім гравітаційної нестійкості, в процесі фрагмента­ції газових хмар певну роль відіграє так звана термо­хімічна нестійкість, яка виникає внаслідок того, що швидкість утворення молекул усередині газопилового комплексу і швидкість охолодження газу за рахунок випромінювання цих молекул у радіодіапазоні відрізня­ються одна від одної.

У подальшому утворенні фрагменти в свою чергу діляться на ще дрібніші згустки і так доти, доки в ре­зультаті гравітаційного стиснення густина цих згустків зросте настільки, що в їх центральних частинах утво­ряться зореподібні ядра — протозорі, оточені масивними оболонками, які продовжують стискатися.

Як показують розрахунки, у тих випадках, коли маса згустка перевершує три маси Сонця, речовина оболонки вільно падає на ядро. Завдяки цьому, маса таких про-

тозір швидко збільшується, зростає їх світність. У якийсь момент випромінювання протозорі стає настільки силь­ним, що в результаті нагрівання оболонки і дії світло­вого тиску оболонка розсіюється в просторі.

Вивільнені від оболонок ядра деякий час ще про­довжують стискатися і випромінювати досить значну кількість енергії, яка виділяється за рахунок гравіта­ційного стиснення. Температура в надрах протозорі зро­стає і, нарешті, стає достатньою для виникнення тер­моядерної реакції. Протозоря стає зорею.

Такою, якщо не вдаватися в деталі, найбільш попу­лярною в сучасній астрофізиці є схема утворення зір з холодного газу в газопилових комплексах. Чи підтвер­джується вона астрономічними спостереженнями? Оскільки оболонки навколо протозір, що формуються, містять велику кількість пилу, наскрізь вони не прогля­даються і це набагато утруднює спостереження почат­кової стадії формування зір.

Проте з розвитком радіо- і інфрачервоної астрономії з'явилася деяка можливість «зазирнути» в таємничі «зоряні колиски», оскільки пил і газ прозорі для цих електромагнітних випромінювань. У ряді районів вияв­лено компактні зони радіо- і інфрачервоного випромі­нювання, які витлумачуються прихильниками класичної концепції як зони, де містяться надзвичайно молоді зорі, яких в оптичному діапазоні спостерігати ще не можна.

Конденсаційної концепції додержують більшість су­часних астрономів. Проте ця обставина сама по собі ще не може бути остаточним доказом її справедливості. Тим більше, що таких спостережних даних, які підтвер­джували б її однозначно, поки що не існує. Ще Галілео Галілей зазначав, що в науці думка одного може вия­витися правильнішою за думку тисячі. Тому зараз не можна скидати з рахунку й інші точки зору.

У всякому випадку в сучасній астрофізиці існує ще одна концепція зореутворення, яку протягом ряду років розробляє школа академіка В. А. Амбарцумяна. За на­звою обсерваторії, директором якої він є, ця концепція дістала найменування бюраканської. її прихильники вважають, що зорі утворюються внаслідок розпаду на частини більш щільних, а можливо і надщільних об'єк­тів. Ці об'єкти можуть бути залишками тієї «первісної» речовини, з якої утворився наш Всесвіт.

На відміну од класичної концепції бюраканську у фізичному й математичному плані розроблено не так детально. Однак академік Амбарцумян вважає, що-така розробка завчасна, оскільки тут ідеться про найпотаєм-ніші космічні процеси, щодо яких у нас ще дуже мало фактів.

У спорі цих двох концепцій ідеться по суті не тільки про шлях формування зір, а й про спрямованість ево­люційних процесів у Всесвіті взагалі: чи йдуть вони від розріджених станів до щільніших чи, навпаки,— від щільніших до розріджених?

Методичні міркування. Розрізняються і ті дослід­ницькі програми, яких додержують прихильники про­тиборствуючих концепцій. Тоді як «класики» вважають, що в основі розробки астрофізичної теорії має лежати метод побудови математичних і фізичних моделей, на­віть за відсутності необхідної повноти спостережних даних, «бюраканці» вважають, що теорія повинна буду­ватися тільки на основі фактів, а до створення конкрет­них теоретичних моделей слід приступати лише тоді, коли дані спостережень дають змогу при побудові теорії обійтись практично без довільних додаткових припу­щень.

Слід зазначити, що виникнення різних, інколи про­тилежних напрямів у науці при розв'язанні складних фундаментальних проблем і гострих дискусій між їхні­ми прихильниками — цілком нормальне явище. На жаль, гострота полеміки змушує протиборствуючі сторони

повністю відкидати концепції, що протистоять їм. Проте тільки подальші дослідження можуть показати, яка точ­ка зору ближча до істини. І дискусія про шляхи ево­люційних процесів у Всесвіті не є винятком. До того ж не виключено, що в нескінченній різноманітності Все­світу за одних умов формування нових космічних об'єк­тів може відбуватися конденсаційним шляхом, а за інших — бути наслідком розпаду.

Як було вже сказано, основна частина життя переважної більшості зір — це період, коли в їхніх надрах відбувається термоядерна реакція синтезу більш важких елементів з більш легких. На цьому етапі рівновага зорі підтримується рівновагою між тиском розпеченого газу в її надрах, який прагне розширити зорю, і силами тяжіння, що прагнуть її стиснути.

При цьому, якщо термоядерні реакції в надрах зорі чомусь прискорюються^ надходження тепла з її глибин до поверхні перевищує тепловіддачу в світовий простір, то температура в надрах зорі підвищується, тиск газу зростає і зоря починає розширятися. Центральна зона охолоджується, і термоядерна реакція приходить до норми. Навпаки, якщо тепловіддача в навколишній про­стір виявляється вищою, ніж енерговиділення, то зоря починає охолоджуватись, тиск у її надрах падав і сили тяжіння починають стискати зорю. Завдяки цьому на­дра зорі розігріваються, термоядерна реакція приско­рюється і теплова рівновага, а водночас і баланс сил усередині зорі приходять до норми. Отже, зорі — це саморегульовані системи, створені самою природою.

Новий, по суті заключний, період в існуванні зорі настає тоді, коли її основне ядерне паливо — водень повністю вичерпується. У процесі термоядерної реакції в центральній частині зорі утворюється гелієве ядро. Потім це ядро починає стискатися, а зовнішні шари — оболонка зорі — розширятися. Зоря переходить у стадію

червоного гіганта. У її надрах в міру дальшого стискан­ня одні термоядерні реакції заступають інші за участю дедалі важчих елементів. І відбувається це доти, доки не будуть вичерпані всі термоядерні джерела енергії.

Подальша доля вмираючої зорі залежить від її маси. Зорі, маса яких близька до сонячної або трохи переви­щує її, перетворюються у так звані білі карлики, тобто в зорі з радіусами в сотні разів меншими від радіуса Сонця. Густина речовини таких зір набагато перевищує густину сонячної речовини. У кожному кубічному сан­тиметрі простору білих карликів вміщуються десятки й сотні тонн речовини.

Білий карлик — стале утворення. Його рівновага під­тримується, проте, внутрішнім тиском не звичайного, а електронного газу, який утворений великою кількістю вільних електронів. Густина цього газу цілком достатня для того, щоб припинити гравітаційне стискання зорі. В такому ґаві істотно проявляються квантові ефекти, і фізики навивають його «виродженим». З цієї причини і білих карликів нерідко навивають «виродженими зо­рями».

Температура поверхні найбільш гарячих вироджених карликів може досягати 50—100 тис. кельвінів. Під тон­кою атмосферою такої зорі розташована щільна маса, що мав до самого центра однакову температуру. Втрати енергії на випромінювання у білих карликів порівняно невеликі, тому такі зорі охолоджуються надзвичайно повільно.

Типовим прикладом виродженого карлика е супут­ник найяскравішої зорі земного неба — Сіріуса — Сіріус В. До речі, Сіріус В став першим представником класу вироджених зір, виявленим астрономами...

Отже, зорі з масою, що не перевершує 1,4 маси Сон­ця, після вигоряння водню перетворюються на білих карликів. Якщо ж маса зорі, яка завершує свій життє­вий шлях, більша за 1,4 маси Сонця, то стиснення на стадії виродженого карлика не зупиняється, під дією сил тяжіння воно триває далі. Виникає так званий граві­таційний колапс — невтримне падіння речовини зорі до її центра.

На цьому етапі може статися потужний вибух зорі — вже відомий нам спалах наднової. При цьому залишок зорі, що вибухнула, може утворити об'єкт, у надрах якого під дією колосального тиску електрони виявляться «вдрукованими» у протони. Протони перетворяться у нейтрони.

Нейтронна зоря — компактне, надзвичайно щільне тіло діаметром усього близько 15—20 км. Середня гу­стина речовини таких зір досягає дивовижної величи­ни — 10м грамів у кубічному сантиметрі. Це густина ядерної речовини. Нейтронна зоря — це ніби збільшене в багато разів атомне ядро.

Цікаво, що існування нейтронних зір було теоретич­но передбачене ще в довоєнні роки видатним радянським ученим академіком Л. Д. Ландау. Але виявити їх уда­лося тільки в 1967 р. за незвичним імпульсним випро­мінюванням.

З'ясувалося, що генераторами цього випромінюван­ня є нейтронні зорі, які швидко обертаються. Якщо ней­тронна зоря випромінює в радіодіапазоні, то породже­ний нею радіопромінь описуватиме періодичні кола в просторі, наче промінь маяка, що обертається. І кожне проходження такого променя через антену радіотеле­скопа буде зареєстровано як окремий імпульс...

Повернемося, проте, до еволюції вмираючої зорі. У тих випадках, коли маса нейтронного задишка пере­вищує 3—4 маси Сонця, теорія стверджує, що гравіта­ційне стиснення повинне тривати далі. І в результаті колапсу утворюється чорна діра.

Методичні міркування. Тепер відомо кілька космічних об'єктів, які здогадне ототожнюються з чорними дірами подібного типу. Однак повної впевненості в цьому поки що немає, оскільки фізичні явища, пов'язані з «підозрю­ваними» об'єктами, можуть мати й інші пояснення. На думку деяких учених, утворення чорних дір внаслідок вмирання масивних зір, якщо й відбувається, то в уся­кому разі досить рідко.

«Зоря,— пише академік В. Л. Гінзбург,— може закін­чити свій життєвий шлях одним з чотирьох способів: вибухнути до останку, перетворитися у білий карлик або у нейтронну зорю і, нарешті, стати чорною дірою. Мо­жливо, і деякі відомі з літератури розрахунки підкріп­люють це припущення, що кінцевий стан у формі чврної діри досягається лише за рідким збігом умов і пара­метрів» '.

Спалах наднової. Серед явищ, що відбуваються у зо­ряних світах, одним з найграндіозніших є так звані спалахи наднових зір.

Згідно з сучасними теоретичними уявленнями подіб­ні спалахи виникають на завершальному етапі існуван­ня досить масивної зорі при переході від стадії білого карлика до стадії нейтронної зорі чи чорної діри.

У 1758 році французький астроном Шарль Мессье, що займався пошуками комет, виявив у сузір'ї Тельця туманну світну пляму, яку він прийняв за невідому комету. Однак пізніше з'ясувалося, що на відміну од комет, які переміщуються серед зір, ця туманність про­довжує залишатися на одному і тому самому місці. З появою більш потужних телескопів вдалося роздиви­тись її детальніше. Виявилося, що туманність має досить чудернацьку форму, яка чимось нагадує гігантського фантастичного краба з численними клешнями. У зв'язку з цим туманність дістала назву Крабовидної.

Пізніше з'ясувалося, що гази, які входять до складу Крабовидної туманності, розлітаються по радіальних напрямах від певного центра із швидкістю приблизно 100 км/с. Це означало, що близько 900 років тому вся речовина Крабовидної туманності була сконцентрована в одному місці. Що ж сталося в цьому районі неба на початку другого тисячоліття нашої ери?

Відповідь на це запитання було знайдено в китай­ських хроніках тих часів. Як з'ясувалося, у 1054 році в сузір'ї Тельця спалахнула надзвичайно яскрава зоря. Вона світила так сильно, що протягом трьох тижнів її було добре видно на денному небі при світлі Сонця. Потім зоря згасла, а на місці спалаху утворилася газова туманність, що й дістала згодом назву Крабовидної.

З цього видно, що йдеться саме про спалах наднової зорі. Правда, ця назва не зовсім точно відображав суть справи, оскільки «спалахують» зорі, які існували і до цього, але мали настільки низьку світність, що їх не можна було спостерігати тими засобами, які у минулі часи були в розпорядженні астрономів. У результаті ж спалаху вони ставали добре помітними навіть неозброє­ним оком. Мимоволі створювалося враження, що з'яви­лася нова зоря.

Спалахи наднових розвиваються порівняно швидко —-у середньому протягом 10 днів, після чого блиск починав поступово зменшуватись. Виділяється величезна кіль­кість енергії: від 1049 до 1051 ерг. Таку кількість енергії Сонце випромінює за мільярди років. А в максимумі блиску «наднова» зірка світить як кілька мільярдів Сонць! Як показують спостереження й розрахунки, під час такого спалаху значна частина маси зорі розлітаєть­ся у різних напрямах із швидкістю до 20 000 км/с. Цен­тральна ж частина «наднової» стискується і перетворює­ться на дуже маленьку нейтронну зорю, що має коло­сальну густину.

Що ж до фізичного механізму, який спричинює спалахи «наднових» зір, то він поки що залишається неясним. Подібні спалахи — досить рідкісне явище, тому їх важко вивчати. Наприклад, у нашій Галактиці на­раховується всього лише 300 залишків «наднових» зір.

Як показали розрахунки, зроблені астрономами, в се­редньому в кожній галактиці один спалах «наднової» відбувається приблизно один раз у 360 років. Але фак­тично такі спалахи можуть відбуватися і частіше. Так. встановлено, що за останню тисячу років у нашій Га­лактиці сталося приблизно 5 подібних спалахів.

І все ж явище це — досить рідкісне. Ось чому таку пильну увагу астрономів привернув спалах наднової, виявленої канадським астрономом Я. Шелтаном 24 лютого 1987 р. Спалах цей стався в одній з найближчих до нас галактик — Великій Магеллановій Хмарі, розта­шованій від нас на відстані близько 180 тис. світлових років (відстань за космічними масштабами порівняно невелика).

Незадовго до відкриття наднової в оптичному діапа­зоні нейтринові детектори, розташовані у різних пунк­тах земної кулі зареєстрували помітне посилення потоку нейтрино, що надходять на нашу планету з космічного простору.

У наступні дні, тижні й місяці астрофізики мали унікальну можливість послідовно спостерігати розвиток цього рідкісного космічного явища. Спостереження про­водились не тільки наземними обсерваторіями, а й за допомогою апаратури, встановленої на астрофізичному модулі «Квант», пристикованому до радянської орбіталь­ної станції «Мир».

Здобуті дані становлять величезну наукову цінність. Вони дають можливість порівняти теоретичні уявлення про фізичний «механізм» спалахів наднових зір з фак­тичним розвитком цього явища. У перспективі обробка результатів проведених спостережень і їх аналіз дозво­лять уточнити існуючу теоретичну модель подібних спалахів.