Происхождение и развитие галактик и звезд

ПРОИСХОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ГАЛАКТИК И ЗВЁЗД

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.ВВЕДЕНИЕ	2
1. Происхождение и развитие  галактик и звёзд	3
2. Строение и эволюция Вселенной.	6
3. Происхождение звезд.	10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ	15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ВВЕДЕНИЕ.

Образование галактик рассматривают как естественный этап эволюции горячей Вселенной. По-видимому, более 15 млрд. лет назад в первичном веществе благодаря гравитационной неустойчивости началось обособление протоскоплений с характерными массами порядка 1016М Солнца. В протоскоплениях в ходе разнообразных динамических процессов происходило выделение групп протогалактик. Дальнейшая эволюция протогалактик определялась их собственным гравитационным полем и гравитацией протоскопления. Многообразие форм галактик связано с разнообразием начальных условий образования протогалактик. Например, если галактика возникла из быстро вращающейся протогалактики, то быть ей спиральной, если из медленно вращающейся – то эллиптической1.

Реликтами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звездные скопления. Своим положением они как бы очерчивают первоначальную почти сферическую форму молодой Галактики. Масса газа, не вошедшая в образовавшиеся звезды, а также выброшенная в ходе эволюции этих звезд, имела некоторый орбитальный момент и под влиянием тяготения системы опускалась к плоскости симметрии, образуя диск. Здесь в самых плотных фрагментах газа зарождалось новое поколение звезд.

К началу нашего века границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие, если не все, думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.

Но вот в 20-е годы были построены новые крупные телескопы, и перед астрономами открылись совершенно неожиданные горизонты. Оказалось, что за пределами Галактики мир не кончается. Миллиарды звездных систем, галактик, похожих на нашу и отличающихся от нее, рассеяны тут и там по просторам Вселенной.

Фотографии галактик, сделанные с помощью самых больших телескопов, поражают красотой и разнообразием форм: это и могучие вихри звездных облаков, и правильные шары, а иные звездные системы вообще не обнаруживают никаких определенных форм, они клочковаты и бесформенны. Все эти типы галактик  спиральные, эллиптические, неправильные, - получившие названия по своему виду на фотографиях, открыты американским астрономом Э. Хабблом в 20  30-е годы нашего века.

 

1. Происхождение  и развитие галактик и звёзд.

Небесные тела находятся в непрерывном движении и изменении. Десятки тысяч лет назад небо Земли украшали фигуры других созвездий, миллиарды лет назад вообще еще не было Земли, Луны, планет, Солнца, многих звезд и галактик. Когда и как именно они произошли, наука стремится выяснить, изучая небесные тела и их системы. Раздел астрономии, занимающийся проблемами происхождения и эволюции небесных тел, называется космогонией.

 Современные научные  космогонические гипотезы – результат  физического, математического и  философского обобщения многочисленных  наблюдательных данных. В космогонических  гипотезах в значительной мере  находит свое отражение общий  уровень развития естествознания. Дальнейшее развитие науки, обязательно  включающее в себя астрономические  наблюдения, подтверждает или опровергает  эти гипотезы2.

Подтверждаются те гипотезы, которые не только могут объяснить известные из наблюдений факты, но и предсказать новые открытия.

Звезды возникали в ходе эволюции галактик. Большинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно формировались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концентрируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивного звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами.

 Наиболее изученный  газово-пылевой комплекс нашей  Галактики находится в созвездии  Ориона, он включает в себя  туманность в Орионе, более плотные  газово-пылевые облака и другие  объекты. Представим себе холодное  газово-пылевое облако. Силы тяготения  сжимают его, оно принимает шарообразную  форму. При сжатии будут возрастать  плотность и температура облака. Возникнет будущая, рождающаяся  звезда (протозвезда). Температура ее  поверхности пока еще мала, но  протозвезда уже излучает в  инфракрасном диапазоне, а поэтому рождающиеся звезды можно попытаться обнаружить среди довольно многочисленных источников инфракрасного излучения. Поиски протозвезд (и протогалактик) сейчас ведутся на многих обсерваториях.

 Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в протозвезде еще не происходят термоядерные реакции, то есть в ней нет еще основного источника энергии обычных звезд. Термоядерные реакции начинаются, когда в процессе сжатия протзвезды температура ее недрах станет порядка 107 К. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения внешних частей звезды.

 Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше  массы Солнца, продолжается всего  лишь сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем  при большей температуре достигается  равновесие. Поэтому у массивных  звезд большие светимости3.

 Стадию сжатия сменяет  стационарная стадия, сопровождающаяся  постепенным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда  проводит большую часть своей  жизни. Именно в этой стадии  эволюции находятся звезды, которые  располагаются на главной последовательности  диаграммы «спектр – светимость». Таких звезд больше всего. Время  пребывания звезды на главной  последовательности пропорционально  массе звезды, так как от этого  зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода  ядерного горючего.

 А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно четвертой степени ее массы, то массивные звезды, массы которых в несколько раз больше массы Солнца, эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной стадии только несколько миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу – миллиарды лет.

 Когда весь водород  в центральной области звезды  превратится в гелий, внутри звезды  образуется гелиевое ядро. Теперь  уже водород будет превращаться  в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень  горячему гелиевому ядру. Пока  внутри гелиевого ядра нет  источников энергии, оно будет  постепенно сжиматься и при  этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды  превысит 1,5 * 107 К, гелий начнет превращаться в углерод (с последующим образованием все более тяжелых химических элементов). Светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превратится в красного гиганта или сверхгиганта. Многие звезды не сразу становятся стационарными гигантами, а некоторое время пульсируют, как бы проходя в своем развитии стадию цефеид4.

 Заключительный этап  жизни звезды, как и вся ее  эволюция, решающим образом зависит  от массы звезды. Внешние слои  звезд, подобных нашему Солнцу (но  с массами, не большими 1,2 массы  Солнца), постепенно расширяются  и в конце концов совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остается маленький и горячий белый карлик. Белых карликов в мире звезд много. Это значит, что многие звезды превращаются в белых карликов, которые затем постепенно остывают, становясь «потухшими звездами».

 Иная судьба у более  массивных звезд. Если масса звезды  примерно вдвое превышает массу  Солнца, то такие звезды на  последних этапах своей эволюции  теряют устойчивость. В частности, они могут взорваться как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми  химическими элементами (которые  образовались внутри звезды и  во время ее взрыва), а затем  катастрофически сжаться до размеров  шаров радиусом в несколько  километров, то есть превратиться  в нейтронные звезды.

 Внутри звезд в ходе  термоядерных реакций может образоваться  до 30 химических элементов, а во  время взрыва сверхновых –  остальные элементы периодической  системы. Из обогащенной тяжелыми  элементами межзвездной среды  образуются звезды следующих  поколений. Если масса звезды  вдвое превышает массу Солнца, то такая звезда, потеряв равновесие  и начав сжиматься, либо превратится  в нейтронную звезду, либо вообще  не сможет достигнуть устойчивого  состояния. В процессе неограниченного  сжатия (коллапса) она, вероятно, способна  превратиться в черную дыру. Такое  название связано с тем, что  могучее поле тяготения сжавшейся  звезды не выпускает за ее  пределы никакое излучение (свет, рентгеновские лучи и т.д.). Поэтому  черную дыру нельзя увидеть  ни в каком диапазоне электромагнитных  волн.

 Дальнейшее развитие  науки покажет, какие из сегодняшних  представлений о происхождении  галактик и звезд окажутся  правильными. Но нет сомнения  в том, что звезды рождаются, живут, умирают, а не есть однажды  созданные и вечно неизменные  объекты Вселенной; звезды рождаются  группами, причем процесс звездообразования  продолжается в настоящее время.

 

 

2. Строение и  эволюция Вселенной.

Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна, так как она является вечно самодвижущейся материей. Вселенная  это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем.

 Звезды во Вселенной  объединены в гигантские Звездные  системы, называемые галактиками. Звездная  система, в составе которой как  рядовая звезда находится наше  Солнце, называется Галактикой. Число  звезд в галактике порядка 1012 (триллиона). Млечный путь  светлая  серебристая полоса звезд  опоясывает  всё небо, составляя основную  часть нашей Галактики. Млечный  путь наиболее ярок в созвездии  Стрельца, где находятся самые  мощные облака звезд. Наименее  ярок он в противоположной  части неба. Из этого нетрудно  сделать заключение, что солнечная  система находится не в центре  Галактики, который от нас виден  в направлении созвездия Стрельца. Размеры Галактики были замечены  по расположению звезд, которые  видны на больших расстояниях. Это  цефеиды и горячие гиганты. Диаметр Галактики примерно равен 3000 пк (Парсек (пк) – расстояние, с которым большая полуось земной орбиты, перпендикулярная лучу зрения, видна под углом в 1º. 1 Парсек = 3,26 светового года = 206265 а.е. = 3*1013 км.) или 100000 световых лет (световой год – расстояние, пройденное светом в течение года), но четкой границы у нее нет, потому что звездная плотность постепенно сходит на нет.

 В центре Галактики  расположено ядро диаметром 10002000 пк – гигантское уплотненное скопление звезд. Оно находится от нас на расстоянии почти 10000 пк (30000 световых лет) в направлении созвездия Стрельца, но почти целиком скрыто плотной завесой облаков, что препятствует визуальным и фотографическим наблюдениям этого интереснейшего объекта Галактики. В состав ядра входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид5.

 Звезды верхней части  главной последовательности, а особенно  сверхгиганты и классические  цефеиды, составляют более молодые  население. Оно располагается дальше  от центра и образует сравнительно  тонкий слой или диск. Среди звезд этого диска находится пылевая материя и облака газа. Субкарлики и гиганты образуют вокруг ядра и диска Галактики сферическую систему. Масса нашей галактики оценивается сейчас разными способами и равна 2*1011 масс Солнца (масса Солнца равна 2*1030 кг.) причем 1/1000 ее заключена в межзвездном газе и пыли. Поперечник нашей Галактики составляет 100000 световых лет6.

 Известно более 100 шаровых  и сотни рассеянных скоплений, но в Галактике последних десятки  тысяч. Кроме звезд в состав  Галактики входит еще рассеянная  материя, чрезвычайно рассеянное  вещество, состоящее из межзвездного  газа и пыли. Оно образует туманности. Туманности бывают диффузными (клочковатой  формы) и планетарными. Пример: газопылевая  туманность в созвездии Ориона  и темная пылевая туманность  Конская голова. Во Вселенной  нет ничего единственного и  неповторимого в том смысле, что  в ней нет такого тела, такого  явления, основные и общие свойства  которого не были бы повторены  в другом теле, другими явлениями.

Внешний вид галактик чрезвычайно разнообразен, и некоторые из них очень живописны.

 В основном классификация  галактик делится на 3 вида: эллиптические  – обозначаемые Е (elliptical); спиральные (Spiral); неправильные – обозначаемые (irregular)7.

 Эллиптические галактики  внешне невыразительные. Они имеют  вид гладких эллипсов или кругов  с постепенным круговым уменьшением  яркости от центра к периферии. Ни каких дополнительных частей  у них нет, потому что эллиптические  галактики состоят из второго  типа звездного населения. Они  построены из звезд красных  и желтых гигантов, красных и  желтых карликов и некоторого  количества белых звезд не  очень высокой светлости. Отсутствуют  белоголубые сверхгиганты и гиганты, группировки которых можно наблюдать в виде ярких сгустков, придающих структурность системе, нет пылевой материи, которая, в тех галактиках где она имеется, создаёт темные полосы, оттеняющие форму звездной системы.