Звезды, черные дыры, нейтронные звезды, пульсары и квазары

Звезды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары. Температура вещества в недрах звезд измеряется миллионами, а на их поверхности — тысячами градусов.

Энергия подавляющего большинства звезд образуется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах их внутренних областей.

Невооруженным взглядом (при хорошей остроте зрения) на небе видно около 6000 звезд, по 3000 в каждом полушарии. Современные технические средства позволяют наблюдать около 2 млрд звезд. Предполагается, что общее количество звезд в нашей Вселенной составляет около 1022. Все видимые с Земли звезды (включая видимые в самые мощные телескопы) находятся в Местной группе галактик.

Звезды образуются из космического вещества (газопылевого облака) в результате его конденсации под действием гравитационного сжатия, магнитных и других сил.

Вначале из газового облака образуется плотный шар — протозвезда, эволюционирующая затем в несколько этапов:

  • • обособление и уплотнение космического вещества;
  • • стремительное сжатие протозвезды. В какой-то момент давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс ее сжатия, однако при этом температура во внутренних областях для начала термоядерной реакции еще недостаточна;
  • • продолжение сжатия протозвезды и существенное повышение ее температуры, что приводит к началу термоядерной реакции. Давление газа, вытекающего из звезды, уравновешивается силой

притяжения, и газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный, саморегулирующийся объект — звезда.

Основное вещество звезды — ионизированный газ. В недрах звезд, как уже указывалось, протекают термоядерные реакции превращения водорода в гелий, в результате которых выделяется колоссальная энергия. В звездах сосредоточено 97—99,9% вещества галактик. Существуют большие звезды — сверхгиганты, масса которых равна 60 массам Солнца, а размеры превышают размеры Солнца в десятки и сотни раз, и маленькие звезды — карлики, размеры которых сравнимы с размерами Земли и даже меньше их.

Солнце — звезда со средними параметрами. Ближайшая к Солнцу звезда — альфа-Центавра — находится на расстоянии четырех световых лет.

Как уже отмечалось, предполагается, что большинство звезд в Галактике имеют собственные планетные системы, аналогичные Солнечной системе. Звезды могут образовывать звездные системы (несколько звезд, вращающихся вокруг общего центра), звездные скопления (включающие от нескольких сотен до миллионов звезд) и галактики (миллиарды звезд).

Скопления постепенно теряют свои звезды, но все же живут достаточно долго — от 500 млн до нескольких миллиардов лет. Большинство звезд стационарны. К нестационарным относятся новые и сверхновые звезды, у которых с различной периодичностью происходят вспышки.

Процесс звездообразования происходит постоянно. Смерть звезды — нарушение равновесия, ведущее к катастрофическому сжатию. На стадии, когда ядерные реакции образования гелия из водорода уже не могут поддерживать устойчивость звезды, ее гелиевое ядро начинает сжиматься. При этом внутренняя температура звезды возрастает (свыше 150 млн К), а внешняя оболочка сначала расширяется, а затем выбрасывается в космическое пространство; звезда превращается в красный гигант, а затем — в белого карлика, когда весь водород выгорает, а ядерная реакция прекращается. Свечение белого карлика происходит за счет его остывания.

Тепловая энергия белого карлика продолжает иссякать, вследствие чего звезда меняет свой цвет сначала на желтый, а затем на красный. Постепенно она превращается в небольшое холодное темное тело, становясь черным карликом.

Размеры таких мертвых звезд сравнимы с размерами Земли, масса — с массой Солнца, а плотность превышает сотни тонн на см2.

Предполагается, что Солнце должно превратиться в красного гиганта примерно через 7 млрд лет, станет белым, а затем и черным карликом.

Если какие-то причины останавливают гравитационное сжатие, то происходит взрыв старой звезды, сопровождаемый выбросом огромного количества вещества и энергии. Такой взрыв называют вспышкой сверхновой звезды.

Взрыв сверхновой звезды сопровождается выделением чудовищного количества энергии. При этом рождаются космические лучи, намного повышающие естественный радиационный фон и нормальные дозы космического излучения. Так, астрофизики подсчитали, что примерно раз в 10 млн лет сверхновые звезды вспыхивают в непосредственной близости от Солнца, повышая естественный фон в 7 тыс. раз. Это чревато серьезнейшими мутациями живых организмов на Земле. Кроме того, при взрыве сверхновых идет сброс внешней оболочки звезды вместе с накопившимися в ней «шлаками» — химическими элементами, результатами деятельности нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды с самого начала содержали в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде черной дыры — области пространства, в котором сосредоточены огромные массы вещества, вызывающие сильное поле тяготения. Это область бесконечной плотности, где кончается время. Речь идет о том, что внутри черной дыры пространство сильно искривлено, а время бесконечно замедлено. Сила тяготения в этой области настолько велика, что не позволяет никаким материальным частицам или излучению вылететь за пределы черной дыры.

Черная дыра как бы захватывает в себя все материальные объекты, прилетающие из космоса. Однако, несмотря на то что черная дыра не выпускает из себя никакого излучения, ее можно обнаружить следующим способом.

Гравитационное поле черной дыры вызывает быстрое вращение газа, находящегося на орбите вблизи ее границы. Газ закручивается вокруг сверхплотного тела и образует диск. Огромная кинетическая энергия частиц газа может частично переходить в рентгеновское излучение, по которому и обнаруживается черная дыра. Предполагается, что черные дыры находятся в ядрах галактик и являются мощными источниками энергии (рис. 10.2).

Черная дыра большой галактики атакует небольшую соседнюю галактику, срывая ее звезды, см

Рис. 10.2. Черная дыра большой галактики атакует небольшую соседнюю галактику, срывая ее звезды, см.: http://chandra.harvard.edu/ photo/2007/3c321 /3с321 _ illustration.jpg

Время жизни черной дыры конечно. Дело в том, что в поле тяготения черной дыры вакуум неустойчив, поэтому в пространстве, находящемся перед горизонтом черной дыры, из вакуума могут рождаться различные частицы. Улетая в межзвездное пространство, они уносят энергию черной дыры, вследствие чего уменьшаются ее масса и размеры.

Выдвинута и другая теория образования черных дыр — теория струн. Предполагают, что космические струны — это сгустки плотной энергии, пронизывающие Вселенную. Космические струны теоретически должны быть тоньше атомного ядра. При столкновении двух космических струн и образуется черная дыра. Однако теория струн нуждается в дальнейшей доработке (см. также п. 8.2).

Часть массы взорвавшейся сверхновой звезды может продолжить существование в виде нейтронной звезды, или пульсара. В настоящее время наблюдается около 700 пульсаров.

Радиопульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда. Рентгеновский пульсар — двойная звезда, состоящая из нейтронной и обычной звезд. Нейтронные звезды имеют более высокую плотность, чем плотность атомных ядер, и представляют собой сгустки нейтронов. Температура пульсара около 1 млрд градусов. Нейтронные звезды быстро остывают и теряют светимость. Для них характерно радиоизлучение в виде повторяющихся импульсов. Первые пульсары были открыты в 1967 г., теперь их известны сотни.

Звезды, масса которых составляет от 10 до 40 солнечных масс, превращаются в нейтронные звезды, а звезды, масса которых больше, — в черные дыры.

Термин «квазар» (от quasistellar — квазизвездный, похожий на звезду и radiosource — радиоисточник) дословно означает «квазизвездный радиоисточник».

Квазар — особо мощное и далекое активное ядро галактики. Квазары являются одними из самых ярких объектов во Вселенной — их мощность излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша.

В первую очередь квазары были опознаны как объекты с большим красным смещением, имеющие электромагнитное излучение (включая радиоволны и видимый свет) и настолько малые угловые размеры, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звезд.

Астрономы предложили оригинальный способ определения координат некоторых радиоисточников. Иногда Луна, двигаясь по небу, проходит перед радиоисточником и закрывает его. Поскольку положение Луны в любой момент известно с большой точностью, необходимо лишь зафиксировать время, когда источник исчезает за лунным диском и когда он появляется вновь.

Были также открыты радиоспокойные квазары, не создающие сильного радиоизлучения; до 2005 г. таковыми являлись порядка 90% известных квазаров.

Вокруг многих не слишком далеких квазаров было обнаружено слабое свечение, по-видимому связанное с окружающей их звездной системой. Иногда даже видны структурные детали, типичные для галактик.

По одной из теорий, квазары представляют собой галактики на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная черная дыра поглощает окружающее вещество.

Первый квазар, ЗС 48, был обнаружен в конце 1950-х гг. А. Сен- диджем и Т. Метьюзом во время радиообзора неба. В 1963 г. было известно уже пять квазаров. Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров; это объясняется, с одной стороны, постоянным открытием новых квазаров, а с другой — отсутствием четкой границы между квазарами и другими типами активных галактик. В 2005 г. группа астрономов использовала в своем исследовании данные уже о 195 тыс. квазаров.

В последнее время принято полагать, что источником излучения является аккреционный диск сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре галактики, и следовательно, красное смещение квазаров больше космологического на величину гравитационного смещения, предсказанного А. Эйнштейном в общей теории относительности.

Один из ближайших и наиболее яркий квазар ЗС 273 находится на расстоянии около 3 млрд световых лет. Самые далекие квазары, благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость обычных галактик, регистрируются с помощью радиотелескопов на расстоянии более 12 млрд световых лет. В 2011 г. установлено, что самый удаленный квазар находится на расстоянии около 13 млрд световых лет от Земли.

Последние наблюдения показали, что большинство квазаров находятся вблизи центров огромных эллиптических галактик.

В среднем квазар производит примерно в 10 трлн раз больше энергии в секунду, чем Солнце (и в миллион раз больше энергии, чем самая мощная известная звезда), и обладает переменностью излучения во всех диапазонах длин волн.

Квазары сравнивают с маяками Вселенной — они видны с огромных расстояний, по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества по лучу зрения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >