В заключение коротко остановимся на эволюции звезд, близких к Солнцу по своим параметрам и происхождению. Такие звезды, как считают на основе наблюдательных данных и их систематики, возникают из холодных газо-пылевых скоплений, в которых в силу тех или иных причин начинается под действием гравитация стягивание вещества. Эта "контракция" ведет к его разогреву. В результате появляется "протозвезда", размеры которой все уменьшаются, а температура и давление в ее центре растут. В некий момент в ее 9.4. Об эволюции звезд главной последовательности 501 центре создаются условия, при которых начинаются термоядерные реакции сначала на Li, Be, В, которых мало, а затем и в виде водородного цикла. Теперь это уже "настоящая" звезда. После перехода на сжигание водорода эволюция светимости звезды, в том числе и Солнца, идет медленно. И еще одно общее замечание. Не надо думать, что рождение звезд происходило только в очень древние времена. Показано, что и в наше время идет образование про- тозвёзд и образование новых звезд. Характерным отображением типичной эволюции звезд является так называемая диаграмма Герцшпрунга-Рассела. В этой диаграмме на осях отложены светимость звезды и ее "спектральный класс" 0 (рис. 9.4.1). Типичными считаются звезды, лежащие на "главной последовательности". Спектральный класс 0 В0ДВ2 В5 В8В9 АО А2 A3 А5 F0 F2 F5 F8 GO G5 КО К2 К5 М -5 -3 -1 +3 +5 +7 +13 +15 - ' _ i 4 : i : % Сверхгиганты . r \ ¦ \ _ a^<< - Белые карлики -' * I т г т i Полоса нестабильности i-;¦'• i "И • Гиганты Tiifni*. ' - ^ "™Sf | .• t.- • :•' : 4 ¦ * - \ : i i 20000 10000 8000 7000 6000 5000 Эффективная температура Тэ, К Рис. 9.4.1. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела положения стационарных звёзд, расстояния до которых известны В целом существует много вариантов "послеводородной" эволюции звезд. Это зависит от массы звезды, ее химического состава и т. п. Отметим только, что наиболее эффектными являются случаи, когда эволюция заканчивается вспышкой с образованием "белого карлика", нейтронной звезды (пуль- сара) или, наконец, "черной дыры". Белые карлики. Белые карлики образуются после выгорания водорода в звездах с массой М ^ М@ — массы Солнца. Это хорошо подтверждают как измерения масс звезд по гравитационному сдвигу спектра в красную сторону, так и теоретические расчёты. Аналогично было установлено, что радиус белых карликов не менее i?min ~ ~ 1000 км, а плотность не превосходит ртах ~ 2 • 1О1Ог/см3. Для белых карликов характерна вырожденность электронной компоненты, несмотря на высокую температуру Т ~ 107К. Однако такой температуры недоста- *) Спектральный класс — комплекс характеристик спектра звезды, в существенной степени связанных с ее эффективной температурой. 502 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика точно для сколько-нибудь интенсивных ядерных реакций, и они светят за счет накопленной ранее тепловой энергии. Белые карлики обладают магнитным полем с напряженностью, достигающей 108Э. Появление такого поля происходит во время сжатия звезды, так как первона- чальный магнитный поток сохраняется. Пульсары. Если масса коллапсирующей звезды лежит в пределах 1,5М0 <М < B-3)М0, то сжатие идет дальше сжатия белых карликов и приводит к образованию "нейтрон- ных звезд". В этом случае электроны в подавляющей массе соединяются с протонами, образуя нейтроны — что понижает давление среды и ведет к дальнейшему сжатию — и делает нейтроны устойчивыми по отношению к распаду п —> }Н+е. Нейтроны внутри звезды вырождены и предполагается, что они образуют сверхтекучую жид- кость, а наружный слой — тонкий и твердый. При этом радиус таких звезд ~ 10 км, плотность образующегося нейтронного вещества достигает р ~ 5 • 1014г/см3, а тем- пература оказывается > 1010К. Нейтронная звезда была впервые обнаружена J. Bell, сотрудницей группы A. Hewish (Кембридж) совершенно неожиданно, благодаря последовательности радиовсплесков, обладающих невероятно постоянным периодом (с точностью до 12 знаков). Источники этого вида радиоимпульса получили название "пульсаров". Периоды радиовсплесков у известных сейчас пульсаров изменяются в пределах ~ 0,0016-4,3 с. Вскоре после открытия радиовсплесков ответственные за них звезды были отож- дествлены с предсказанными ранее нейтронными звездами. Радиоизлучение пульса- ров это синхротронное излучение электронов в сильном магнитом поле пульсара. При этом периодичность всплесков объясняется тем, что между осью вращения пульсара и его магнитной осью есть угол, а поток радиоизлучения идет в уз- ком конусе вокруг магнитной оси и один раз за оборот "чиркает" наблюдателей на Земле. Большая скорость вращения объясняется сохранением момента количе- ства движения при сжатии "нормальной" звезды в пульсар. Выше были отмечены "допустимые" масштабы масс пульсаров. Однако они могут образовываться также из звезд, существенно более массивных. Это происходит тогда, когда звезда при взрыве сбрасывает достаточно толстые внешние слои. Тогда наблюдается вспышка "сверхновой". Хрестоматийной стала вспышка в 1054 году в Созвездии Тельца, которая была видна даже днем. Результатом этого взрыва стала расширяющаяся (скорость до ~ 1000 км/с) Крабовидная туманность, а в ее центре обнаружен пульсар. В настоящее время генерация радиоизлучения пульсарами представляется в виде следующей цепочки процессов, порожденных в'конечном счете магнитным полем, которое достигает величины ~ 1012Э 0. Вращение пульсара приводит к появлению в ее окрестности сильного электрического поля; в этом поле частица ускоряется до ультрарелятивистских энергий; двигаясь вдоль искривленных магнитных силовых линий, такие частицы генерируют 7~излучение; в свою очередь эти 7~кванты рожда- ют электронно-позитронные пары. Развитие неустойчивостей в электрон-позитронной плазме и приводит в частности к генерации надтеплового радиоизлучения пульсаров. Такова общая схема перекачки энергии вращения пульсара в радиоизлучение. Естественно, что пока многие детали этой связки процессов неясны. Но то об- стоятельство, что первичным источником излучения является вращение пульсара, 1) Из соотношения Эйнштейна (Е = тс2) следует то, что масса 1 см3 такого поля равна :40 г. 9.4. Об эволюции звезд главной последовательности 503 подтверждается фактом медленного увеличения периода между радиовсплесками, обращенного замедленного вращения пульсара. К сказанному можно добавить такие оценки: концентрация электрон-позитронной плазмы около поверхности пульсара ~ 1013 —1019 см~3. Энергия частиц плазмы ~ ~ A0— 104)тес2. Эта плазма пронизывается пучками электронов и/или позитронов с энергией ~ A06—107)тес2, но с плотностью в ~ 103 —104 раз меньше, чем плот- ность плазмы около поверхности пульсара. Черные дыры. В случае если водород выгорает в звезде с массой много большей, чем масса Солнца М > ЗМ0, то либо она взрывается, превращаясь в рваную расширяющуюся оболочку, либо при этом образуется сверхмассивное принципиально новое образование — "черная дыра" (black hole), как назвал ее Уиллер. Возможность существования объектов, обладающих настолько сильным гравита- ционным полем, что оно в состоянии удержать свет, впервые была указана в конце XVIII века (Лаплас), исходя из представлений Ньютона о свете как о потоке корпускул. Затем — в связи с блестящими успехами волновой теории света, идея черных дыр исчезает из поля зрения ученых. Затем она возрождается после открытия квантов света и универсальной связи энергии и массы. Пользуясь классическим законом тяготения Ньютона, можно написать G —^ — = пи. \ с2 J г* Отсюда следует "гравитационный" радиус черной дыры с массой М G^=r*. (9.4.1) Здесь G — гравитационная постоянная. Аккуратный анализ особенностей пространства-времени статического гравитаци- онного поля точечной массы был проведен на основе общей теории относительности Шварцшильдом. Он показал, что критической величиной является не г*, определяе- мая формулой (9.4.1), а величина в два раза большая С2 Черные дыры проявляют себя двояко. Это прежде всего масса, влияющая на движение близко находящихся тел. Другим признаком является втягивание веще- ства близлежащих объектов, сопровождающиеся мощным излучением, в том числе рентгеновским, по мере приближения к критической поверхности г*. Так происходит потому, что траектория тел в поле Шварцшильда — спираль, а не конические сечения, как в поле Ньютона. Черные дыры изучены слабо. Однако, похоже, что они представляют собой кварк- глюонную среду ("КГП"), которая является аналогом плазмы, в которой роль частиц играют кварки, а роль фотонов — глюоны. Но все это уже далеко выходит за пределы нашей книги. Отметим только, что "КГП" получили в ЦЕРНЕ на микроуровне, столкнув два многозарядных иона, разогнанных до больших энергий (см. раздел 10.6). И последнее замечание. Только что упомянутая "КГП" по-видимому, была в боль- ших количествах рождена при Большом взрыве и явилась тем материалом, из которого образовался весь видимый нами мир.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Об эволюции звезд главной последовательности» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
