Эволюция и строение звезд

ГОУ Центр образования  №548 "Царицыно"

 

 

 

 

 

Вербный Иван Сергеевич

Реферат по АСТРОНОМИИ

Тема реферата: «Эволюция и строение звезд»

 

 

 

 

Учитель: Закурдаева С.Ю.

 

 

 

 

 

 

г. Рыбница, 2013г.

Оглавление

1. Введение
2. Глава 1
3. Глава 2
4. Глава 3
5. Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Когда мы смотрим  на небо, нам кажется, что звезды вечны. Что они не подвержены каким-либо изменениям и всегда будут такими, какими мы их видим. Однако, как и  всё, что нас окружает, как и сам человек, звёзды рождаются, эволюционируют и умирают. Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в пятидесятых годах 20-го века были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947 года в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954 году некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959 году эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды. 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 (http://www.astro.websib.ru/astro). Таким образом, впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах. Этот факт поразил меня, и мне захотелось больше узнать о том, как рождаются и умирают звезды. В данном реферате я бы хотел раскрыть тему рождения звезд и их дальнейшего развития.

Целью данной работы является описание механизма зарождения звезд, их эволюционного пути и конечной стадии существования, проследить свойственные каждому из этих этапов важнейшие характеристики.

Реферат состоит из введения, трех основных глав и заключения. Глава 1 посвящена рождению звезд, во 2-й главе речь пойдет об их дальнейшем развитии, в 3-й главе описана заключительная стадия существования звезд. В заключении сформулированы основные выводы данной работы.

 

 

 

 

 

 

«Если задать наивный  детский вопрос, какие из космических  объектов во Вселенной «самые главные», я, не колеблясь, отвечу: звёзды. Почему? Ну, хотя бы потому, что 97 % вещества в  нашей Галактике сосредоточено  в звёздах.  У многих, если не у  большинства, других Галактик «звёздная субстанция» составляет больше чем 99,9% их массы».

Иосиф Самуилович Шкловский

Глава 1.

В начале XX века немецкий астроном Гартман доказал,  что пространство между звездами представляет собой отнюдь не мифическую пустоту. Оно заполнено газом, правда, с очень малой, но вполне определенной плотностью. Химический состав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно близким к химическому составу атмосфер Солнца и звезд. Преобладающими элементами являются водород и гелий, между тем как остальные элементы можно рассматривать как примеси.

К концу XX века (1983 год) наиболее полное исследование химического состава сравнительно близких к нам облаков межзвездного газа было выполнено на американском специализированном астрономическом спутнике, носящем название «Коперник».  Исследования межзвездной среды показали, что химический состав  облаков различен. Например, обилие магния, марганца и хлора по отношению к водороду в облаках межзвездной среды в 4-10 раз меньше, чем в солнечной атмосфере.

Помимо газа в межзвездной среде присутствует еще одна составная часть - межзвездная  пыль. Межзвездная пыль - твердые  микроскопические частицы вещества размерами меньше микрона. Эти пылинки  имеют сложный химический состав (графит, силикаты, загрязненные льдинки и пр.). Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени ориентируются, т.е. направления их вытянутости имеют тенденцию выстраиваться в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным, причем степень поляризации  достигает 1 - 2 %. Причиной, вызывающей ориентацию пылинок, является наличие в межзвездном пространстве очень слабых магнитных полей.

Температура межзвездной среды, определяемая по плотности заполняющего ее излучения, исключительно низка - порядка нескольких кельвинов. Именно такую температуру должны иметь поверхности твердых пылинок, находящиеся в межзвездном пространстве в тепловом равновесии с окружающим их полем разжиженного излучения: ведь такие пылинки должны поглощать ровно столько же, сколько они излучают.

Области межзвездного  газа, расположенные  в  сравнительной  близости от  горячих звезд-гигантов, полностью ионизованы. Однако в большей части межзвездной среды водород будет не ионизован. Горячие звезды способны ионизовать водород вокруг себя только до определенного расстояния, зависящего как от мощности ультрафиолетового излучения звезды, так и от плотности межзвездной среды. Таким образом, ионизация межзвездной среды выглядит весьма своеобразно: вокруг горячих звезд имеются замкнутые полости, где водород ионизован, в то время как между полостями водород нейтрален. Области межзвездной среды, где водород ионизован, называются зоны Н II, а области нейтрального водорода зоны Н I.

Кинетическая  температура в зонах Н I находится  в пределах 100 К, причем местами она  опускается до немногих десятков градусов. Низкая температура зон Н I объясняется  отсутствием там процессов фотоионизации  водорода. Нагрев газа осуществляется главным образом благодаря его ионизации «мягкими» космическими лучами и рентгеновскими квантами. В зонах Н II, в результате фотоионизации в газе появляется значительное количество довольно энергичных фотоэлектронов, которые, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию, то есть «греют» их. Кинетическая температура в зонах Н II составляет порядка 7000-10000 К.

Таким образом, межзвездный газ находится в  состоянии тепловой неустойчивости: первоначально однородный, он неизбежно  должен разделиться на две фазы: сравнительно плотные облака и окружающую их весьма разреженную среду. Тепловая неустойчивость межзвездного газа является, таким образом, одной из важнейших причин его клочковатой, облачной структуры. Такая структура хорошо наблюдается на волне 21 см. Размеры, плотность и скорость облаков нейтрального водорода сходны с облаками ионизованного водорода в зонах H II. Следовательно, природа облачной структуры как в областях межзвездной среды, где водород нейтрален, так и областях ионизованного водорода должна быть одинаковой.

В межзвездной  среде плотность распределения  газа весьма неоднородна. Оказывается, что в облаках межзвездного газа средняя плотность  около 10 ионизованных атомов водорода на кубический сантиметр. Отдельные, очень плотные облака имеют концентрацию атомов порядка нескольких тысяч на кубический сантиметр и больше. Такие плотные облака наблюдаются как очень яркие туманности. Концентрация атомов в межзвездном пространстве между облаками, по крайней мере, в сотню раз меньше, чем в облаках. Концентрации атомов в облаках межзвездного газа, где водород не ионизован (зоны Н I), составляет порядка нескольких сотен на кубический сантиметр.

Наряду с  отдельными облаками как ионизованного, так и не ионизованного газа в  Галактике наблюдаются значительно большие по своим размерам, массе и плотности агрегаты холодного межзвездного вещества, получившие название газово-пылевых комплексов. Ключом к пониманию происхождения массивных газово-пылевых комплексов являются некоторые свойства межзвездного магнитного поля. Направление магнитных силовых линий в основном параллельно плоскости галактического экватора. Так как облака межзвездной среды более или менее сильно ионизованы и поэтому представляют собой проводящую среду, они не могут двигаться поперек силовых линий -  это сразу же искривило бы силовые линии и вызвало силу, направленную против движения. Следовательно, облака сравнительно быстро были бы остановлены. Поэтому они могут двигаться только по силовым линиям магнитного поля, как бы скользя вдоль них. Теперь представим себе, что по какой-то причине, может быть даже случайно, в системе «горизонтально» простирающихся силовых линий образовалась небольшая «впадина», «ложбина». Тогда под действием силы тяжести облака будут «соскальзывать» в такую «ложбину». От этого масса газа во впадине увеличится и под влиянием его тяжести «ложбина» будет прогибаться еще сильнее. Ее «склоны» станут круче, и скорость втекания облаков межзвездного газа увеличится. В результате такого своеобразного характера неустойчивости межзвездной намагниченной плазмы  в системе межзвездных силовых линий образуются глубокие «ямы», наполненные довольно плотным газом. Это и есть газово-пылевой комплекс.

При определенной массе, температуре и радиусе  газово-пылевой комплекс под действием собственной гравитации начнет сжиматься. В таких комплексах образуется слой холодного газа, так как ионизующее межзвездный углерод ультрафиолетовое излучение звезд сильно поглощается находящейся в плотном комплексе космической пылью, а нейтральные атомы углерода сильно охлаждают межзвездный газ и «термостатируют» его при очень низкой температуре - порядка 5-10 кельвинов. Так как в холодном слое давление газа равно внешнему давлению окружающего более нагретого газа, то плотность в этом слое значительно выше и достигает нескольких тысяч атомов Н и молекул Н₂ на кубический сантиметр. Под влиянием собственной гравитации холодный слой, после того как он достигнет толщины около одного парсека, начнет «фрагментировать» на отдельные, еще более плотные сгустки, которые под воздействием собственной гравитации будут продолжать сжиматься. Таким вполне естественным образом в межзвездной среде возникают ассоциации протозвезд. Каждая такая протозвезда эволюционирует со скоростью, зависящей от ее массы.

В первой фазе конденсации газово-пылевого облака в звезду, которая называется «стадией свободного падения», освобождается определенное количество гравитационной энергии. Половина освободившейся при этом энергии должна покинуть облако в виде инфракрасного излучения, а половина пойти на нагрев вещества.

Благодаря возросшей  плотности протозвезда (которая  до этого сжималась при более  или менее постоянной температуре) станет непрозрачной к собственному инфракрасному излучению. После  этого температура ее центральных  областей начнет быстро расти. Таким образом, возникает большая разность температур между наружными и внутренними слоями. По этой причине освобождающаяся при сжатии гравитационная энергия должна каким-то образом транспортироваться наружу.

Дальнейшая  эволюция протозвезды была теоретически рассчитана японским астрофизиком  Хаяши,  который первым обратил внимание на то, что транспорт энергии в сжимающейся протозвезде должен осуществляться путем конвекции. Конвекция развивается тогда, когда другие возможности переноса вырабатываемой в недрах звезд энергии ограничены. В самых наружных, фотосферных слоях протозвезды механическая энергия бурных конвективных движений, которыми охвачен весь ее объем, должна трансформироваться в энергию излучения, уходящую в мировое пространство.

В поверхностных  слоях протозвезды баланс между  притоком механической энергии конвекции  и излучением устанавливает температуру, близкую к температуре фотосфер красных гигантов, то есть приблизительно 3500 К. Температура на поверхности  охваченной конвекцией протозвезды на протяжении всей «стадии Хаяши» ее эволюции остается почти постоянной. Так как при этом ее радиус все время уменьшается (ибо она под влиянием собственной гравитации продолжает сжиматься), светимость протозвезды на этой стадии будет непрерывно уменьшаться. Максимальная светимость («вспышка») будет иметь место в течение сравнительно короткого времени, когда во всем объеме протозвезды установится конвекция.

После вспышки, сопутствующей окончанию установления конвекции во всем объеме протозвезды, последняя, как уже  говорилось, продолжает сжиматься, причем температура ее поверхности поддерживается на почти постоянном уровне. Поэтому светимость протозвезды будет убывать обратно пропорционально квадрату ее радиуса. В то же время температура ее недр непрерывно повышается. И вот наступает момент, когда температура там поднимается до нескольких миллионов градусов и «включаются» первые термоядерные реакции на легких элементах (литий, бериллий, бор) с низким «кулоновским барьером». Протозвезда при этом будет продолжать сжиматься, так как «продукция» термоядерной энергии все еще недостаточна для того, чтобы разогреть ее недра до такой температуры, при которой давление газа уравновесит силу гравитации. Только после того как продолжающийся рост температуры в недрах протозвезды сделает возможным протон-протонную или углеродно-азотную реакцию, давление газа наконец ее «стабилизирует». Протозвезда станет звездой и, в зависимости от своей массы, займет совершенно определенное место на диаграмме Герцшпрунга – Рессела (рис.1).

 

Рис. 1 Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Диаграмма Герцшпрунга  — Рассела показывает зависимость  между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом  и температурой поверхности звезды. Была предложена примерно в 1910 году независимо Эйнаром Герцшпрунгом (Дания) и Генри Расселом (США). Диаграмма используется для классификации звёзд и соответствует современным представлениям о звёздной эволюции.

Массивные звезды садятся на верхнюю часть этой последовательности, звезды со сравнительно небольшой массой (меньше солнечной) садятся на ее нижнюю часть.

 

Глава 2.

Звезды - это  огромные газовые шары. Весьма существенно, что такой газовый шар «цементируется»  силой всемирного тяготения, то есть гравитацией. На каждый элемент объема звезды действует сила гравитационного притяжения от всех остальных элементов звезды. Именно эта сила препятствует разлету различных частей газа, образующего звезду, в окружающее пространство. Если бы не было этой силы, газ, образующий звезду, вначале расплылся бы, образовав нечто вроде плотной туманности, а потом окончательно рассеялся бы в огромном, окружающем звезду межзвездном пространстве. Если бы не сила гравитационного притяжения, звезды рассеялись бы в окружающем пространстве за ничтожно малое (по астрономическим понятиям) время, исчисляемое сутками для звезд-карликов или годами для гигантов. Значит, без силы всемирного тяготения не было бы звезд. Действуя непрерывно, эта сила стремится сблизить между собой различные элементы звезды. Очень важно подчеркнуть, что сила гравитации по самой своей природе стремится неограниченно сблизить между собой все частицы звезды, то есть в пределе как бы собрать всю звезду в точку. Но если бы на частицы, образующие звезду, действовала только сила всемирного тяготения, то звезда стала бы катастрофически быстро сжиматься. Силой, противодействующей гравитации, является давление газа. Последнее непрерывно стремится расширить звезду, «рассеять» ее на возможно больший объем. Итак, из того простого факта, что звезды - газовые шары – в практически неизменном виде (то есть не сжимаясь и не расширяясь) существуют по меньшей мере миллионы лет, следует, что каждый элемент вещества звезды находится в равновесии под действием противоположно направленных сил гравитации и газового давления. Такое равновесие называется «гидростатическим». Гидростатическое равновесие в звездных атмосферах осуществляется с огромной точностью. Малейшее  его нарушение сразу же приводит к появлению сил, меняющих распределение вещества в звезде, после чего происходит такое его перераспределение, при котором равновесие восстанавливается.