Страница:
Наличие ядерного реактора в ядре, энергетической подпитки оболочки и механизма саморегулирования обеспечивает длительную экспансию звезды в окружающее пространство путём относительно стабильных выбросов тепла и света, разнообразных космических излучений. Поражает экономичность термоядерных «котлов», безотказно работающих в звёздах на протяжении миллиардов лет. Теплотворная способность реакции синтеза гелия из водорода такова, что она позволяет звёздам получать около 150 млн. килокалорий при «сгорании» всего лишь одного килограмма водородного горючего. Это в два раза больше теплотворной способности делящегося урана и в 20 миллионов раз больше теплотворной способности сгорающего угля.
Дальнейшее пребывание звезды на так называемой «главной последовательности», т. е. сохранение ею относительной стабильности, обусловленное равновесием между гравитацией и давлением газа, поддерживаемым энергией термоядерных реакций, зависит от массы звезды. Чем больше масса, тем больше водорода приходится расходовать звезде на поддержание своей жизни, обусловленной ядерными реакциями в её недрах. И тем быстрее эта масса водорода выгорает, образуя более яркую светимость и блеск.
Считается, что звёзды с массой в 50 раз больше солнечной живут в главной последовательности всего 3–5 миллионов лет, с массой в 10 раз меньшей – 30 миллионов, в полтора раза – 3 миллиарда, равной солнцу – 10 миллиардов, в 10 раз меньше солнца – 1 триллион лет. Дальнейшая судьба звезды, после её «гражданской смерти», т. е. выпадения из главной последовательности вследствие истощения ядерного топлива, также зависит от её массы. Если масса не превышает 1,44 массы солнца, звезда в своей эволюции проходит стадии красного гиганта – белого карлика – чёрного или бурого (коричневого) карлика. Показатель 1,44 массы солнца называется пределом Чандрасекара (индийского астрофизика) и характеризует звёзды умеренной массы.
Схождение с главной последовательности подготавливается перерождением ядра. Та «фабрика» преобразования водорода в гелий, которая поддерживает существование звезды, в конце концов преобразует водородное по преимуществу ядро звезды в гелиевое. Остатки водорода продолжают поддерживать термоядерные реакции лишь в поверхностном слое ядра. Ядро медленно сжимается, но если раньше это сжатие компенсировалось дополнительным поступлением водорода, теперь водородные ресурсы исчерпаны, и механизм саморегулирования, обеспечивавший стабильность воспроизведения порядка миллионы или миллиарды лет, перестаёт действовать. В результате гелиевое ядро всё больше разогревается, и когда температура ядра достигает ста пятидесяти миллионов градусов по Цельсию, начинается реакция превращения гелия в углерод, а затем образуются всё более тяжёлые химические элементы, в том числе и железо. По мере повышения температуры и уплотнения гелиевого ядра растёт и давление газа. Оно «расталкивает» оболочку звезды, и та начинает раздуваться. Разбухающая оболочка постепенно остывает, что создаёт колоссальную разность температур между очень горячим ядром и остывающей внешней оболочкой. Остывшая и раздувшаяся внешняя оболочка придаёт звезде красный цвет, а сама звезда превращается в красный гигант. Радиус звезды увеличивается в десятки раз, а её светимость – в сотни раз.
Красные гиганты долго не живут, всего лишь от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч лет. Продолжающееся разогревание ядра приводит к нарастанию отчуждения между ядром и телом звезды, всё более отдаляющимся от центра. Распад красных гигантов напоминает падение империй. Вследствие роста температуры в ядре красного гиганта ядра гелия вступают в контакт с ядрами образующегося из гелия углерода. Этот контакт запускает новый вид ядерных реакций с образованием кислорода из четырёх ядер гелия. Появление кислорода подстёгивает ещё большее повышение температуры, вследствие чего образуется синтез всё большего количества ядер гелия, порождая неон, магний, кремний, серу и другие элементы, и, наконец, железо. В конечном счёте перерождающееся ядро теряет способность удерживать оболочку, она отрывается и уходит в межзвёздное пространство.
Потеряв оболочку, раскалённое ядро испускает белый свет, его объём остаётся очень небольшим, по диаметру меньше Земли. Так из красных гигантов возникают белые карлики.
При столь малых размерах масса белых карликов может быть сравнима с массой жёлтых карликов, таких, как наше солнце. Такая значительная масса такой небольшой звезды обусловливается огромной плотностью и спрессованностью вещества в ядре бывшего красного гиганта. Один кубический сантиметр такого вещества может весить более тонны. В белых карликах электроны уже не находятся на орбитах вокруг ядер атомов, а прижаты и вдавлены в них. Но несмотря на колоссальную плотность, вещество карликов представляет собой газ. Этот ионизированный газ состоит из ядер атомов, плотно прижатых друг к другу, и сдавленных электронов.
Сжиматься дальше этому газу просто некуда, вследствие чего постепенно падает температура и затухают ядерные реакции. Мобилизационная активность израсходована на предшествующих стадиях эволюции звезды, источники энергонасыщения использованы, и белому карлику остаётся лишь медленно, очень медленно затухать и охлаждаться. Остывая, белый карлик продолжает светить ещё сотни миллионов лет за счёт накопленных в нём огромных запасов тепловой энергии. Пока из межзвёздной среды попадает некоторое количество водорода, белый карлик получает ещё определённую дополнительную энергию из ядерных реакций, происходящих в окружающей его газовой среде. Но его угасание неминуемо. По мере остывания белый карлик желтеет, затем краснеет и в конечном счёте становится чёрным карликом – тёмным и холодным трупом умершей звезды.
Такая судьба ожидает солнцеподобные звёзды, т. е. те, чья масса в период нахождения в главной последовательности не превышает 1,44 массы солнца. Когда же масса звезды больше, но находится в пределах до 2,5 солнечных масс, её судьба оказывается ещё трагичнее. Большая масса периферии давит на ядро, не давая возможности расшириться и образовать красный гигант. Но и чёткое сферическое ядро, необходимое для образования белого карлика не может сохраниться под мощным давлением периферии. Раздавливая ядро, вещество звезды под действием собственной гравитации сжимается до очень малых размеров, всего от одного до нескольких десятков километров в диаметре. Плотность же звезды возрастает настолько, что вес одного кубического сантиметра оказывается не меньше миллиарда тонн. Так возникает нейтронная звезда, вещество которой состоит из придавленных друг к другу нейтронов (отсюда – и её название). Быстрое сжатие приводит к сильному разогреванию нейтронных звёзд, но когда сжатие прекращается вследствие наиболее плотной «упаковки» нейтронов, начинается интенсивное охлаждение. В нейтронных звёздах такая «упаковка» становится возможной именно потому, что в период быстрого сжатия раздавливаются орбиты электронов, они поглощаются «оголёнными» ядрами, а такое поглощение нейтрализует положительно заряженные частицы ядер – протоны. Протоны превращаются в нейтроны и не мешают своими электромагнитными зарядами сдавливать ядра атомов так, чтобы они наиболее тесно были прижаты друг к другу. Ведь электромагнитное взаимодействие «сильнее» гравитационного, и отталкивание одноимённых зарядов не позволило бы спрессовать материю до такой степени, как это происходит в нейтронных звёздах.
Быстрое сжатие до очень малых размеров при сохранении очень большой массы вызывает и ещё один поразительный эффект – чрезвычайно быстрое вращение нейтронных звёзд вокруг своей оси. Соответственно возникает пульсация излучений, которая позволила отождествить некоторые из них с пульсарами – источниками пульсирующих радиосигналов, исходящих из Космоса. Пульсары представляют собой нейтронные звёзды с чрезвычайно сильным магнитным полем, которое, подобно ротору в наших устройствах переменного тока, создаёт мощные электрические поля. При этом заряженные частицы, накопившиеся на поверхности звезды, разгоняются до очень высоких скоростей, как это происходит и в земных ускорителях, где тоже используются магниты, расположенные по кольцу большого диаметра. Соответственно во всех направлениях излучаются радиоволны, которые улавливаются нашими радиотелескопами и некоторое время принимались за нерасшифрованные радиосообщения наших собратьев по разуму.
Но пульсары испускают не только радиоволны, но и рентгеновские излучения, гамма-лучи и видимый свет, т. е. действуют в различных диапазонах электромагнитных колебаний. Вращение нейтронных звёзд – пульсаров создаёт периодические скачки излучения в узком конусе по направлению магнитных осей, которое и определяется как импульсное излучение, или пульсация излучений. Частота этих пульсаций может составлять несколько раз в секунду или один раз в несколько секунд в зависимости от скорости вращения пульсара. В настоящее время обнаруженных в окружающем нас Космосе пульсаров насчитывается всего около трёхсот. Но по оценкам ряда учёных их должно быть около 700 тысяч только в нашей Галактике. Так заканчивается жизнь звёзд главной последовательности с массами от предела Чандрасекара (1,44 массы солнца) до предела в 2,5 массы солнца.
Звёзды более массивные ожидает ещё более суровая катастрофа в конце их бурной, горячей и ослепительно светлой жизни. Они или взрываются от избытка собственной энергии, наблюдаясь нами в виде новых или сверхновых звёзд, или испытывают коллапс от избытка своей массы, прорывая пространство-время Метагалактики и превращаясь в чёрные дыры.
Взрывающиеся по окончании своего срока жизни массивные звёзды получили название новых или сверхновых звёзд. «Новыми» называли взрывающиеся звёзды астрономы в те времена, когда техника наблюдений не позволяла определить, что это не новые, а прожившие свою жизнь в главной последовательности звёзды, которые только кажутся новообразованными вследствие своих чрезвычайно ярких и привлекающих внимание вспышек. Новыми являются не сами звёзды, а взрывы, которые делают их заметными для наблюдателей. Вспышки «новых» происходят со звёздами вследствие их бурного сжатия под действием собственной массы и образования неустойчивости по самым различным причинам. Вспышки возникают, как правило, у горячих звёзд, о чём свидетельствует их белый цвет (они раскалены не докрасна, а добела).
Ничем ранее не выделявшаяся из общей массы белая звезда внезапно «разгорается» и её блеск увеличивается в десятки тысяч раз. Такой сильный блеск сохраняется, как правило, не более суток, после чего начинает угасать. Угасание может происходить плавно или рывками, в течение нескольких лет, по прошествии которых звёзда приобретают блеск, сходный с тем, который был ей присущ до вспышки.
Поскольку очень многие, а может быть и все новые являются участниками тесных двойных систем, многие учёные объясняют вспышки новых попаданием водорода из оболочки рядом находящейся звезды. В результате возникает термоядерная реакция, заканчивающаяся взрывом нерукотворной «водородной бомбы» огромной мощи.
Ещё более грандиозные явления – взрывы сверхновых. Они в какой-то мере являются аналогами Большого Взрыва, лежащего в начале нашей Вселенной. Они, как и Он, играют ведущую роль в «сотворении» этой Вселенной. Сверхновые разбрасывают накопленные в них элементы тяжелее гелия со скоростью в несколько тысяч километров в секунду на колоссальные расстояния, снабжая ими газопылевые облака и образующиеся в этих облаках звёзды новых поколений. Они также образуют новые газопылевые облака, насыщенные разнообразными химическими элементами.
Причины взрывов сверхновых звёзд связаны именно с выработкой в их недрах разнообразных химических элементов, которыми они впоследствии обогащают и одновременно загрязняют окружающую среду. Основной причиной является неустойчивость структуры массивных звёзд на завершающем этапе их эволюции, и прежде всего – быстрое вырождение их ядер.
В массивных звёздах происходит быстрое выгорание водорода – самого экономичного и эффективного горючего в мире звёзд. Всего за 2,5 миллиона лет водород в ядрах заменяется гелием. Под давлением большой массы периферии звезды ядро начинает сжиматься и разогреваться до нескольких миллионов градусов. Это запускает механизм термоядерного синтеза, при котором слияние ядер гелия порождает углерод. Затем ядра углерода, присоединяя ещё по одному ядру атома гелия, порождают кислород. Таким же образом на химической «фабрике» звезды в процессе «космической технологии» синтезируются элементы от неона до кремния, после чего выгорающее ядро звезды ещё больше сжимается и разогревается до 3-10 млрд. градусов. При таких огромных температурах синтез новых элементов всё ускоряется вплоть до возникновения атомов железа. Появление ядер железа создаёт взрывоопасную ситуацию в ядре звезды. В результате протоны и электроны объединяются в нейтроны с испусканием нейтрино. Большие потоки нейтрино, испускаемые по всем направлениям, резко и быстро снижают давление в ядре, сопротивление ядра падает, и на него обрушивается собственная оболочка. Её удар о ядро приводит к колоссальному выделению энергии. С этого момента звезда представляет собой чудовищных размеров бомбу, готовую взорваться при незначительном изменении условий.
Устойчивость железа и продолжающееся образование ещё более тяжёлых элементов являются причиной всё большего «зашлаковывания» ядра звезды, в котором новообразованные углерод и кислород постепенно замещают гелий. Находясь накануне катастрофического сжатия (гравитационного коллапса), ядро звезды образует условия для мгновенного возгорания углерода. Новый сильный нагрев падающего в процессе быстрого сжатия вещества приводит к мощному термоядерному взрыву.
Взрывы сверхновых, как правило, разносят исходную массивную звезду вдребезги. На её месте образуется волокнистая туманность, а в редких случаях остаётся маленькая нейтронная звезда. Именно так произошло со взрывом сверхновой, который наблюдался китайскими астрономами в 1054 г. По их свидетельству, такая звезда была видна в течение 23 суток даже в дневное время и по видимой величине сравнялась с Венерой. Эта сверхновая породила Крабовидную туманность, представляющую собой не что иное как продолжающее разлетаться вещество взорвавшейся звезды. На месте взрыва осталась небольшая нейтронная звезда.
Наиболее крупные взрывы сверхновых были зафиксированы астрономами, наряду с вышеописанным, также в 1572 и 1604 годах. В 1572 г. датский астроном Тихо Браге наблюдал вспышку сверхновой в созвездии Кассиопеи и составил на неё гороскоп. Как и её предшественница в 1054 г., эта звезда сравнялась с Венерой яркостью своего свечения. Поскольку сила свечения таких звёзд в десятки раз превосходит свечение так называемых новых, эти звёзды и стали называть сверхновыми. Разрыв сверхновой, произошедший в 1604 г., наблюдал Кеплер. В настоящее время было зафиксировано систематическими исследованиями уже более 500 сверхновых звёзд.
Синтезируя в своих недрах тяжёлые элементы, сверхновые звёзды выбрасывают продукты своей «жизнедеятельности» в межзвёздное пространство, где они проникают в блуждающие по Космосу газопылевые облака. Железо, золото, свинец, уран, а вместе сними углерод и кислород примешиваются к водороду гигантских молекулярных облаков. Когда в этих облаках образуются звёзды следующих поколений, в них уже при рождении содержатся примеси самых разнообразных химических элементов. Другим источником пополнения следующих поколений звёзд всем разнообразием элементов таблицы Менделеева, являются, по-видимому, не только взрывающиеся новые и сверхновые звёзды, но и многие сошедшие с главной последовательности звёзды предшествующих поколений. Обмен веществ в Космосе пока ещё очень слабо изучен. Одной из звёзд, унаследовавших от своих предшественниц определённое богатство химических элементов, является Солнце.
Эволюция звёзд сопровождается эволюцией химических элементов, которые при соответствующих условиях вступают в реакции и образуют самые разнообразные соединения. Из них состоят разнообразные космические тела, планеты, наша Земля, всё живое на ней и каждый из нас.
9.6. Солнечная система
Дальнейшее пребывание звезды на так называемой «главной последовательности», т. е. сохранение ею относительной стабильности, обусловленное равновесием между гравитацией и давлением газа, поддерживаемым энергией термоядерных реакций, зависит от массы звезды. Чем больше масса, тем больше водорода приходится расходовать звезде на поддержание своей жизни, обусловленной ядерными реакциями в её недрах. И тем быстрее эта масса водорода выгорает, образуя более яркую светимость и блеск.
Считается, что звёзды с массой в 50 раз больше солнечной живут в главной последовательности всего 3–5 миллионов лет, с массой в 10 раз меньшей – 30 миллионов, в полтора раза – 3 миллиарда, равной солнцу – 10 миллиардов, в 10 раз меньше солнца – 1 триллион лет. Дальнейшая судьба звезды, после её «гражданской смерти», т. е. выпадения из главной последовательности вследствие истощения ядерного топлива, также зависит от её массы. Если масса не превышает 1,44 массы солнца, звезда в своей эволюции проходит стадии красного гиганта – белого карлика – чёрного или бурого (коричневого) карлика. Показатель 1,44 массы солнца называется пределом Чандрасекара (индийского астрофизика) и характеризует звёзды умеренной массы.
Схождение с главной последовательности подготавливается перерождением ядра. Та «фабрика» преобразования водорода в гелий, которая поддерживает существование звезды, в конце концов преобразует водородное по преимуществу ядро звезды в гелиевое. Остатки водорода продолжают поддерживать термоядерные реакции лишь в поверхностном слое ядра. Ядро медленно сжимается, но если раньше это сжатие компенсировалось дополнительным поступлением водорода, теперь водородные ресурсы исчерпаны, и механизм саморегулирования, обеспечивавший стабильность воспроизведения порядка миллионы или миллиарды лет, перестаёт действовать. В результате гелиевое ядро всё больше разогревается, и когда температура ядра достигает ста пятидесяти миллионов градусов по Цельсию, начинается реакция превращения гелия в углерод, а затем образуются всё более тяжёлые химические элементы, в том числе и железо. По мере повышения температуры и уплотнения гелиевого ядра растёт и давление газа. Оно «расталкивает» оболочку звезды, и та начинает раздуваться. Разбухающая оболочка постепенно остывает, что создаёт колоссальную разность температур между очень горячим ядром и остывающей внешней оболочкой. Остывшая и раздувшаяся внешняя оболочка придаёт звезде красный цвет, а сама звезда превращается в красный гигант. Радиус звезды увеличивается в десятки раз, а её светимость – в сотни раз.
Красные гиганты долго не живут, всего лишь от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч лет. Продолжающееся разогревание ядра приводит к нарастанию отчуждения между ядром и телом звезды, всё более отдаляющимся от центра. Распад красных гигантов напоминает падение империй. Вследствие роста температуры в ядре красного гиганта ядра гелия вступают в контакт с ядрами образующегося из гелия углерода. Этот контакт запускает новый вид ядерных реакций с образованием кислорода из четырёх ядер гелия. Появление кислорода подстёгивает ещё большее повышение температуры, вследствие чего образуется синтез всё большего количества ядер гелия, порождая неон, магний, кремний, серу и другие элементы, и, наконец, железо. В конечном счёте перерождающееся ядро теряет способность удерживать оболочку, она отрывается и уходит в межзвёздное пространство.
Потеряв оболочку, раскалённое ядро испускает белый свет, его объём остаётся очень небольшим, по диаметру меньше Земли. Так из красных гигантов возникают белые карлики.
При столь малых размерах масса белых карликов может быть сравнима с массой жёлтых карликов, таких, как наше солнце. Такая значительная масса такой небольшой звезды обусловливается огромной плотностью и спрессованностью вещества в ядре бывшего красного гиганта. Один кубический сантиметр такого вещества может весить более тонны. В белых карликах электроны уже не находятся на орбитах вокруг ядер атомов, а прижаты и вдавлены в них. Но несмотря на колоссальную плотность, вещество карликов представляет собой газ. Этот ионизированный газ состоит из ядер атомов, плотно прижатых друг к другу, и сдавленных электронов.
Сжиматься дальше этому газу просто некуда, вследствие чего постепенно падает температура и затухают ядерные реакции. Мобилизационная активность израсходована на предшествующих стадиях эволюции звезды, источники энергонасыщения использованы, и белому карлику остаётся лишь медленно, очень медленно затухать и охлаждаться. Остывая, белый карлик продолжает светить ещё сотни миллионов лет за счёт накопленных в нём огромных запасов тепловой энергии. Пока из межзвёздной среды попадает некоторое количество водорода, белый карлик получает ещё определённую дополнительную энергию из ядерных реакций, происходящих в окружающей его газовой среде. Но его угасание неминуемо. По мере остывания белый карлик желтеет, затем краснеет и в конечном счёте становится чёрным карликом – тёмным и холодным трупом умершей звезды.
Такая судьба ожидает солнцеподобные звёзды, т. е. те, чья масса в период нахождения в главной последовательности не превышает 1,44 массы солнца. Когда же масса звезды больше, но находится в пределах до 2,5 солнечных масс, её судьба оказывается ещё трагичнее. Большая масса периферии давит на ядро, не давая возможности расшириться и образовать красный гигант. Но и чёткое сферическое ядро, необходимое для образования белого карлика не может сохраниться под мощным давлением периферии. Раздавливая ядро, вещество звезды под действием собственной гравитации сжимается до очень малых размеров, всего от одного до нескольких десятков километров в диаметре. Плотность же звезды возрастает настолько, что вес одного кубического сантиметра оказывается не меньше миллиарда тонн. Так возникает нейтронная звезда, вещество которой состоит из придавленных друг к другу нейтронов (отсюда – и её название). Быстрое сжатие приводит к сильному разогреванию нейтронных звёзд, но когда сжатие прекращается вследствие наиболее плотной «упаковки» нейтронов, начинается интенсивное охлаждение. В нейтронных звёздах такая «упаковка» становится возможной именно потому, что в период быстрого сжатия раздавливаются орбиты электронов, они поглощаются «оголёнными» ядрами, а такое поглощение нейтрализует положительно заряженные частицы ядер – протоны. Протоны превращаются в нейтроны и не мешают своими электромагнитными зарядами сдавливать ядра атомов так, чтобы они наиболее тесно были прижаты друг к другу. Ведь электромагнитное взаимодействие «сильнее» гравитационного, и отталкивание одноимённых зарядов не позволило бы спрессовать материю до такой степени, как это происходит в нейтронных звёздах.
Быстрое сжатие до очень малых размеров при сохранении очень большой массы вызывает и ещё один поразительный эффект – чрезвычайно быстрое вращение нейтронных звёзд вокруг своей оси. Соответственно возникает пульсация излучений, которая позволила отождествить некоторые из них с пульсарами – источниками пульсирующих радиосигналов, исходящих из Космоса. Пульсары представляют собой нейтронные звёзды с чрезвычайно сильным магнитным полем, которое, подобно ротору в наших устройствах переменного тока, создаёт мощные электрические поля. При этом заряженные частицы, накопившиеся на поверхности звезды, разгоняются до очень высоких скоростей, как это происходит и в земных ускорителях, где тоже используются магниты, расположенные по кольцу большого диаметра. Соответственно во всех направлениях излучаются радиоволны, которые улавливаются нашими радиотелескопами и некоторое время принимались за нерасшифрованные радиосообщения наших собратьев по разуму.
Но пульсары испускают не только радиоволны, но и рентгеновские излучения, гамма-лучи и видимый свет, т. е. действуют в различных диапазонах электромагнитных колебаний. Вращение нейтронных звёзд – пульсаров создаёт периодические скачки излучения в узком конусе по направлению магнитных осей, которое и определяется как импульсное излучение, или пульсация излучений. Частота этих пульсаций может составлять несколько раз в секунду или один раз в несколько секунд в зависимости от скорости вращения пульсара. В настоящее время обнаруженных в окружающем нас Космосе пульсаров насчитывается всего около трёхсот. Но по оценкам ряда учёных их должно быть около 700 тысяч только в нашей Галактике. Так заканчивается жизнь звёзд главной последовательности с массами от предела Чандрасекара (1,44 массы солнца) до предела в 2,5 массы солнца.
Звёзды более массивные ожидает ещё более суровая катастрофа в конце их бурной, горячей и ослепительно светлой жизни. Они или взрываются от избытка собственной энергии, наблюдаясь нами в виде новых или сверхновых звёзд, или испытывают коллапс от избытка своей массы, прорывая пространство-время Метагалактики и превращаясь в чёрные дыры.
Взрывающиеся по окончании своего срока жизни массивные звёзды получили название новых или сверхновых звёзд. «Новыми» называли взрывающиеся звёзды астрономы в те времена, когда техника наблюдений не позволяла определить, что это не новые, а прожившие свою жизнь в главной последовательности звёзды, которые только кажутся новообразованными вследствие своих чрезвычайно ярких и привлекающих внимание вспышек. Новыми являются не сами звёзды, а взрывы, которые делают их заметными для наблюдателей. Вспышки «новых» происходят со звёздами вследствие их бурного сжатия под действием собственной массы и образования неустойчивости по самым различным причинам. Вспышки возникают, как правило, у горячих звёзд, о чём свидетельствует их белый цвет (они раскалены не докрасна, а добела).
Ничем ранее не выделявшаяся из общей массы белая звезда внезапно «разгорается» и её блеск увеличивается в десятки тысяч раз. Такой сильный блеск сохраняется, как правило, не более суток, после чего начинает угасать. Угасание может происходить плавно или рывками, в течение нескольких лет, по прошествии которых звёзда приобретают блеск, сходный с тем, который был ей присущ до вспышки.
Поскольку очень многие, а может быть и все новые являются участниками тесных двойных систем, многие учёные объясняют вспышки новых попаданием водорода из оболочки рядом находящейся звезды. В результате возникает термоядерная реакция, заканчивающаяся взрывом нерукотворной «водородной бомбы» огромной мощи.
Ещё более грандиозные явления – взрывы сверхновых. Они в какой-то мере являются аналогами Большого Взрыва, лежащего в начале нашей Вселенной. Они, как и Он, играют ведущую роль в «сотворении» этой Вселенной. Сверхновые разбрасывают накопленные в них элементы тяжелее гелия со скоростью в несколько тысяч километров в секунду на колоссальные расстояния, снабжая ими газопылевые облака и образующиеся в этих облаках звёзды новых поколений. Они также образуют новые газопылевые облака, насыщенные разнообразными химическими элементами.
Причины взрывов сверхновых звёзд связаны именно с выработкой в их недрах разнообразных химических элементов, которыми они впоследствии обогащают и одновременно загрязняют окружающую среду. Основной причиной является неустойчивость структуры массивных звёзд на завершающем этапе их эволюции, и прежде всего – быстрое вырождение их ядер.
В массивных звёздах происходит быстрое выгорание водорода – самого экономичного и эффективного горючего в мире звёзд. Всего за 2,5 миллиона лет водород в ядрах заменяется гелием. Под давлением большой массы периферии звезды ядро начинает сжиматься и разогреваться до нескольких миллионов градусов. Это запускает механизм термоядерного синтеза, при котором слияние ядер гелия порождает углерод. Затем ядра углерода, присоединяя ещё по одному ядру атома гелия, порождают кислород. Таким же образом на химической «фабрике» звезды в процессе «космической технологии» синтезируются элементы от неона до кремния, после чего выгорающее ядро звезды ещё больше сжимается и разогревается до 3-10 млрд. градусов. При таких огромных температурах синтез новых элементов всё ускоряется вплоть до возникновения атомов железа. Появление ядер железа создаёт взрывоопасную ситуацию в ядре звезды. В результате протоны и электроны объединяются в нейтроны с испусканием нейтрино. Большие потоки нейтрино, испускаемые по всем направлениям, резко и быстро снижают давление в ядре, сопротивление ядра падает, и на него обрушивается собственная оболочка. Её удар о ядро приводит к колоссальному выделению энергии. С этого момента звезда представляет собой чудовищных размеров бомбу, готовую взорваться при незначительном изменении условий.
Устойчивость железа и продолжающееся образование ещё более тяжёлых элементов являются причиной всё большего «зашлаковывания» ядра звезды, в котором новообразованные углерод и кислород постепенно замещают гелий. Находясь накануне катастрофического сжатия (гравитационного коллапса), ядро звезды образует условия для мгновенного возгорания углерода. Новый сильный нагрев падающего в процессе быстрого сжатия вещества приводит к мощному термоядерному взрыву.
Взрывы сверхновых, как правило, разносят исходную массивную звезду вдребезги. На её месте образуется волокнистая туманность, а в редких случаях остаётся маленькая нейтронная звезда. Именно так произошло со взрывом сверхновой, который наблюдался китайскими астрономами в 1054 г. По их свидетельству, такая звезда была видна в течение 23 суток даже в дневное время и по видимой величине сравнялась с Венерой. Эта сверхновая породила Крабовидную туманность, представляющую собой не что иное как продолжающее разлетаться вещество взорвавшейся звезды. На месте взрыва осталась небольшая нейтронная звезда.
Наиболее крупные взрывы сверхновых были зафиксированы астрономами, наряду с вышеописанным, также в 1572 и 1604 годах. В 1572 г. датский астроном Тихо Браге наблюдал вспышку сверхновой в созвездии Кассиопеи и составил на неё гороскоп. Как и её предшественница в 1054 г., эта звезда сравнялась с Венерой яркостью своего свечения. Поскольку сила свечения таких звёзд в десятки раз превосходит свечение так называемых новых, эти звёзды и стали называть сверхновыми. Разрыв сверхновой, произошедший в 1604 г., наблюдал Кеплер. В настоящее время было зафиксировано систематическими исследованиями уже более 500 сверхновых звёзд.
Синтезируя в своих недрах тяжёлые элементы, сверхновые звёзды выбрасывают продукты своей «жизнедеятельности» в межзвёздное пространство, где они проникают в блуждающие по Космосу газопылевые облака. Железо, золото, свинец, уран, а вместе сними углерод и кислород примешиваются к водороду гигантских молекулярных облаков. Когда в этих облаках образуются звёзды следующих поколений, в них уже при рождении содержатся примеси самых разнообразных химических элементов. Другим источником пополнения следующих поколений звёзд всем разнообразием элементов таблицы Менделеева, являются, по-видимому, не только взрывающиеся новые и сверхновые звёзды, но и многие сошедшие с главной последовательности звёзды предшествующих поколений. Обмен веществ в Космосе пока ещё очень слабо изучен. Одной из звёзд, унаследовавших от своих предшественниц определённое богатство химических элементов, является Солнце.
Эволюция звёзд сопровождается эволюцией химических элементов, которые при соответствующих условиях вступают в реакции и образуют самые разнообразные соединения. Из них состоят разнообразные космические тела, планеты, наша Земля, всё живое на ней и каждый из нас.
9.6. Солнечная система
Как и любая звезда, Солнце образовалось из газопылевого облака путём его сгущения, гравитационного сжатия и разогрева вплоть до запуска термоядерных реакций и превращения протозвезды в звезду. Уже в процессе своего образования Солнце стало играть роль собирателя остаточной части облака, не вовлечённой в процесс экстремального сжатия и потому более холодной.
В конце XX – начале XXI века прогресс астрономических исследований позволил значительно уточнить и конкретизировать классическую небулярную теорию образования солнечной системы и её планет, спроецировав одновременно эту теорию на расширившийся горизонт астрофизических и астрохимических представлений.
Старая традиционная теория недостаточно учитывала роль межзвёздной пыли в образовании протопланетных систем. Поистине они оказались слеплены из космического праха! Пространство нашей Галактики, как и других галактик, загазовано и запылено остатками взорвавшихся новых и сверхновых звёзд, дрейфом и столкновениями газопылевых облаков. В результате космический вакуум при всей его идеальной по земным меркам чистоте и пустоте, наряду с виртуальными микрочастицами включает огромное количество макроскопических частиц, результатов распыления и слипания различных вещественных образований на всех стадиях эволюции Метагалактики.
Слипаясь между собой, частицы космической пыли образуют сгустки, состоящие из твёрдых каменистых субстанций, грязевых образований, замороженных в космическом холоде веществ, которые в земной атмосфере встречаются в виде газов, а в необогреваемом звёздами пространстве образуют лёд.
В начале Солнечной системы лежало обычное в звёздообразовании газопылевое облако, которое утратило равновесие и хаотичность взаимодействий молекул в результате самоструктурирования и образования сгустков наполняющего его многообразного вещества. Затем самый массивный из этих сгустков стал увеличиваться за счёт налипания газопылевых частичек подобно снежному кому. В условиях равновесия облако слегка вращалось, как и всякое связное образование в открытом космосе, долго сохраняющее даже самое слабое воздействие по касательной. По мере роста массы первоначального сгустка росло его гравитационное воздействие на прочие структурируемые части облака, и он стал превращаться в центр тяготения и центр вращения. И чем больше он рос, тем сильнее становилось сжатие и разогревание облака, и тем быстрее по мере сгущения становилось его вращение. Так возникла протосолнечная туманность.
Вначале эта туманность по форме напоминала огурец, через приблизительно сто тысяч лет выделилось плотное и широкое ядро, а ещё через сто тысяч лет образовался протосолнечный диск, по форме очень похожий на нашу Галактику, рассматриваемую сбоку. По мере разогревания ядра оно стало слабо светиться, а затем, сконцентрировав в себе огромное большинство массы протосолнечной туманности, стало светиться всё больше и превратилось в протозвезду, окружённую протопланетной туманностью.
Подобные протозвёзды, окружённые протопланетными туманностями, можно найти в самых различных галактиках в составе рассеянных звёздных скоплений. Но особенно часто они обнаруживаются астрономами в туманности Ориона, где очень интенсивно проходят процессы звёздообразования.
Разогреваясь до температуры, необходимой для возникновения ядерных реакций превращения водорода в гелий, солнечная протозвезда обрела могучий источник энергии и из неё возникло новорожденное Солнце. Его масса составляет 99,97 % массы всей солнечной системы. Внешние же части диска подверглись фрагментации, т. е. образовали отдельные сгущения, которые двигались по различным орбитам вокруг Солнца и стали зародышами различных планет. Так протопланетная туманность начала превращаться в планетную систему.
Доказательства именно такого хода событий многообразны и неоспоримы. Во-первых, орбиты планет пролегают практически в одной плоскости. Во-вторых, планеты обращаются вокруг Солнца по тому же направлению, по которому Солнце вращается вокруг своей оси. В-третьих, большинство спутников планет, обращающихся вокруг Солнца, следуют вокруг этих планет в том же направлении, в котором последние вращаются вокруг своей оси. Исключения из этого правила свидетельствуют лишь о том, что та иди иная планета «захватила» спутник своим полем тяготения из окружающего пространства и он движется по инерции, полученной от первоначального импульса своего движения.
В-четвертых, все планеты, кроме Меркурия и Плутона, движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, близким к почти идеальной сфере, что свидетельствует о единстве из происхождения из планетарной туманности. В-пятых, они находятся на очень больших расстояниях друг от друга по сравнению с их собственными объёмами и диаметрами, что показывает относительную изолированность полей тяготения одной планеты от другой. В-шестых, наблюдается чёткое и закономерное различие между планетами земной группы, находящимися в непосредственной близости к Солнцу, и планетами-гигантами, обращающимися в отдалении от него.
В то же время, несмотря на кажущуюся простоту, процесс формирования Солнечной системы был сложен и драматичен. Её пространство было заполнено разнообразным мусором в виде образований из слипшихся частиц пыли и уплотнившихся газов самой различной величины и конфигурации. Эти образования находились в постоянном хаотическом движении и очень часто сталкивались между собой. В результате таких столкновений куски космической грязи склеивались друг с другом, налипали один на другой, образовывали целостные напластования, масса и объём которых со временем нарастали. На этой основе через сто тысяч лет наступила эпоха планетозималей – маленьких планеток диаметром от нескольких километров до нескольких десятков километров. Рост массы планетозималей привёл к усилению гравитационного взаимодействия между ними, отчего столкновения ещё больше усилились и участились. Слепливание между собой столкнувшихся планетозималей привело к тому, что наиболее крупные из них через несколько десятков тысяч лет возросли до нескольких десятков тысяч метров и составили так называемые планетарные эмбрионы, т. е. зародыши ныне существующих планет. Эпоха планетарных эмбрионов характеризовалась уже крайней редкостью столкновений, поскольку крупные эмбрионы вбирали в себя всё больше материи бывшей планетарной туманности, расстояния между ними росли, а в межпланетном пространстве оставались лишь мелкие пылевые частицы. Но эти редкие столкновения приобрели огромную силу и получили название гигантских воздействий.
При гигантских воздействиях оба планетарных эмбриона могли рассыпаться, но могли и слиться воедино. Мощные столкновения приводили к выбросу тепловой энергии, которая расплавляла поверхности обоих эмбрионов и способствовала проникновению более плотных частей в их недра, а менее плотных – на поверхность образовавшейся протопланеты. Так начинался процесс дифференциации протопланетных образований, в ходе которого сформировались планеты земного типа. Для них характерно плотное ядро, окружённое каменистой мантией. Затем в дело планетообразования вступили химические взаимодействия и геологические процессы, которые придали планетам земного типа их нынешнюю структуру.
Бомбардировка планет «мусором», оставшимся от периода формирования Солнечной системы, продолжается миллиарды лет, оставляя на их телах глубокие выбоины, получившие название кратеров воздействия. На поверхности Земли насчитывается около 130 кратеров воздействия ударно-взрывного происхождения. Так, Аризонский кратер имеет диаметр 1,2 км и глубину 174 м. Он образовался при падении 50 тыс. лет назад астероида массой 500 тыс. тонн, взрыв которого был эквивалентен взрыву 250 мегатонных водородных бомб.
Резкие различия в энергии, поступающей от Солнца, привели к столь же резким различиям между планетами так называемой внутренней группы, которую составляют планеты земного типа, и внешней группы, куда входят планеты-гиганты. Планеты земного типа обладают относительно небольшими размерами, высокой плотностью, преобладанием в химическом составе тяжёлых элементов, компактными атмосферами, длительными периодами вращения вокруг своих осей и малым количеством спутников. Планеты-гиганты характеризуются относительно низкой плотностью, имеют множество спутников, быстро вращаются вокруг своей оси, состоят главным образом из лёгких химических элементов. «Земноподобные» планеты практически поровну распределены в солнечной системе с планетами-гигантами: к первым относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, ко вторым – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон, который из девяти планет, обращающихся вокруг Солнца, отстоит от последнего наиболее далеко, к гигантам никак не может быть отнесен, это, напротив, самая малая планета Солнечной системы, хотя и находящаяся на краю внешней группы: его диаметр составляет менее 1/5 диаметра Земли, а масса – 70 % земной массы. Некоторые исследователи не без основания относят Плутон к земной группе.
В конце XX – начале XXI века прогресс астрономических исследований позволил значительно уточнить и конкретизировать классическую небулярную теорию образования солнечной системы и её планет, спроецировав одновременно эту теорию на расширившийся горизонт астрофизических и астрохимических представлений.
Старая традиционная теория недостаточно учитывала роль межзвёздной пыли в образовании протопланетных систем. Поистине они оказались слеплены из космического праха! Пространство нашей Галактики, как и других галактик, загазовано и запылено остатками взорвавшихся новых и сверхновых звёзд, дрейфом и столкновениями газопылевых облаков. В результате космический вакуум при всей его идеальной по земным меркам чистоте и пустоте, наряду с виртуальными микрочастицами включает огромное количество макроскопических частиц, результатов распыления и слипания различных вещественных образований на всех стадиях эволюции Метагалактики.
Слипаясь между собой, частицы космической пыли образуют сгустки, состоящие из твёрдых каменистых субстанций, грязевых образований, замороженных в космическом холоде веществ, которые в земной атмосфере встречаются в виде газов, а в необогреваемом звёздами пространстве образуют лёд.
В начале Солнечной системы лежало обычное в звёздообразовании газопылевое облако, которое утратило равновесие и хаотичность взаимодействий молекул в результате самоструктурирования и образования сгустков наполняющего его многообразного вещества. Затем самый массивный из этих сгустков стал увеличиваться за счёт налипания газопылевых частичек подобно снежному кому. В условиях равновесия облако слегка вращалось, как и всякое связное образование в открытом космосе, долго сохраняющее даже самое слабое воздействие по касательной. По мере роста массы первоначального сгустка росло его гравитационное воздействие на прочие структурируемые части облака, и он стал превращаться в центр тяготения и центр вращения. И чем больше он рос, тем сильнее становилось сжатие и разогревание облака, и тем быстрее по мере сгущения становилось его вращение. Так возникла протосолнечная туманность.
Вначале эта туманность по форме напоминала огурец, через приблизительно сто тысяч лет выделилось плотное и широкое ядро, а ещё через сто тысяч лет образовался протосолнечный диск, по форме очень похожий на нашу Галактику, рассматриваемую сбоку. По мере разогревания ядра оно стало слабо светиться, а затем, сконцентрировав в себе огромное большинство массы протосолнечной туманности, стало светиться всё больше и превратилось в протозвезду, окружённую протопланетной туманностью.
Подобные протозвёзды, окружённые протопланетными туманностями, можно найти в самых различных галактиках в составе рассеянных звёздных скоплений. Но особенно часто они обнаруживаются астрономами в туманности Ориона, где очень интенсивно проходят процессы звёздообразования.
Разогреваясь до температуры, необходимой для возникновения ядерных реакций превращения водорода в гелий, солнечная протозвезда обрела могучий источник энергии и из неё возникло новорожденное Солнце. Его масса составляет 99,97 % массы всей солнечной системы. Внешние же части диска подверглись фрагментации, т. е. образовали отдельные сгущения, которые двигались по различным орбитам вокруг Солнца и стали зародышами различных планет. Так протопланетная туманность начала превращаться в планетную систему.
Доказательства именно такого хода событий многообразны и неоспоримы. Во-первых, орбиты планет пролегают практически в одной плоскости. Во-вторых, планеты обращаются вокруг Солнца по тому же направлению, по которому Солнце вращается вокруг своей оси. В-третьих, большинство спутников планет, обращающихся вокруг Солнца, следуют вокруг этих планет в том же направлении, в котором последние вращаются вокруг своей оси. Исключения из этого правила свидетельствуют лишь о том, что та иди иная планета «захватила» спутник своим полем тяготения из окружающего пространства и он движется по инерции, полученной от первоначального импульса своего движения.
В-четвертых, все планеты, кроме Меркурия и Плутона, движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, близким к почти идеальной сфере, что свидетельствует о единстве из происхождения из планетарной туманности. В-пятых, они находятся на очень больших расстояниях друг от друга по сравнению с их собственными объёмами и диаметрами, что показывает относительную изолированность полей тяготения одной планеты от другой. В-шестых, наблюдается чёткое и закономерное различие между планетами земной группы, находящимися в непосредственной близости к Солнцу, и планетами-гигантами, обращающимися в отдалении от него.
В то же время, несмотря на кажущуюся простоту, процесс формирования Солнечной системы был сложен и драматичен. Её пространство было заполнено разнообразным мусором в виде образований из слипшихся частиц пыли и уплотнившихся газов самой различной величины и конфигурации. Эти образования находились в постоянном хаотическом движении и очень часто сталкивались между собой. В результате таких столкновений куски космической грязи склеивались друг с другом, налипали один на другой, образовывали целостные напластования, масса и объём которых со временем нарастали. На этой основе через сто тысяч лет наступила эпоха планетозималей – маленьких планеток диаметром от нескольких километров до нескольких десятков километров. Рост массы планетозималей привёл к усилению гравитационного взаимодействия между ними, отчего столкновения ещё больше усилились и участились. Слепливание между собой столкнувшихся планетозималей привело к тому, что наиболее крупные из них через несколько десятков тысяч лет возросли до нескольких десятков тысяч метров и составили так называемые планетарные эмбрионы, т. е. зародыши ныне существующих планет. Эпоха планетарных эмбрионов характеризовалась уже крайней редкостью столкновений, поскольку крупные эмбрионы вбирали в себя всё больше материи бывшей планетарной туманности, расстояния между ними росли, а в межпланетном пространстве оставались лишь мелкие пылевые частицы. Но эти редкие столкновения приобрели огромную силу и получили название гигантских воздействий.
При гигантских воздействиях оба планетарных эмбриона могли рассыпаться, но могли и слиться воедино. Мощные столкновения приводили к выбросу тепловой энергии, которая расплавляла поверхности обоих эмбрионов и способствовала проникновению более плотных частей в их недра, а менее плотных – на поверхность образовавшейся протопланеты. Так начинался процесс дифференциации протопланетных образований, в ходе которого сформировались планеты земного типа. Для них характерно плотное ядро, окружённое каменистой мантией. Затем в дело планетообразования вступили химические взаимодействия и геологические процессы, которые придали планетам земного типа их нынешнюю структуру.
Бомбардировка планет «мусором», оставшимся от периода формирования Солнечной системы, продолжается миллиарды лет, оставляя на их телах глубокие выбоины, получившие название кратеров воздействия. На поверхности Земли насчитывается около 130 кратеров воздействия ударно-взрывного происхождения. Так, Аризонский кратер имеет диаметр 1,2 км и глубину 174 м. Он образовался при падении 50 тыс. лет назад астероида массой 500 тыс. тонн, взрыв которого был эквивалентен взрыву 250 мегатонных водородных бомб.
Резкие различия в энергии, поступающей от Солнца, привели к столь же резким различиям между планетами так называемой внутренней группы, которую составляют планеты земного типа, и внешней группы, куда входят планеты-гиганты. Планеты земного типа обладают относительно небольшими размерами, высокой плотностью, преобладанием в химическом составе тяжёлых элементов, компактными атмосферами, длительными периодами вращения вокруг своих осей и малым количеством спутников. Планеты-гиганты характеризуются относительно низкой плотностью, имеют множество спутников, быстро вращаются вокруг своей оси, состоят главным образом из лёгких химических элементов. «Земноподобные» планеты практически поровну распределены в солнечной системе с планетами-гигантами: к первым относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, ко вторым – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон, который из девяти планет, обращающихся вокруг Солнца, отстоит от последнего наиболее далеко, к гигантам никак не может быть отнесен, это, напротив, самая малая планета Солнечной системы, хотя и находящаяся на краю внешней группы: его диаметр составляет менее 1/5 диаметра Земли, а масса – 70 % земной массы. Некоторые исследователи не без основания относят Плутон к земной группе.