Рождение и эволюция звезд: гигантская фабрика вселенной

Молодые звёзды

Процесс формирования звёзд можно описать единым образом, но последующие стадии эволюции звезды почти полностью зависят от её массы, и лишь в самом конце эволюции звезды свою роль может сыграть её химический состав.

Молодые звёзды малой массы

Молодые звёзды малой массы (до трёх масс Солнца)
[] , находящиеся на подходе к главной последовательности , полностью конвективны, — процесс конвекции охватывает все тело звезды. Это ещё по сути протозвёзды, в центрах которых только-только начинаются ядерные реакции, и всё излучение происходит, в основном, из-за гравитационного сжатия. До тех пор пока гидростатическое равновесие не установится, светимость звезды убывает при неизменной эффективной температуре. На диаграмме Герцшпрунга-Рассела такие звёзды формируют почти вертикальный трек, называемый треком Хаяши . По мере замедления сжатия молодая звезда приближается к главной последовательности. Объекты такого типа ассоциируются со звёздами типа T Тельца .

В это время у звёзд массой больше 0,8 масс Солнца ядро становится прозрачным для излучения, и лучистый перенос энергии в ядре становится преобладающим, поскольку конвекция все больше затрудняется всё большим уплотнением звездного вещества. Во внешних же слоях тела звезды превалирует конвективный перенос энергии.

О том, какими характеристиками в момент попадания на главную последовательность обладают звёзды меньшей массы, достоверно неизвестно, так как время нахождения этих звёзд в разряде молодых превышает возраст Вселенной [] . Все представления об эволюции этих звёзд базируются только на численных расчётах и математическом моделировании.

По мере сжатия звезды начинает расти давление вырожденного электронного газа и при достижении определённого радиуса звезды сжатие останавливается, что приводит к остановке дальнейшего роста температуры в ядре звезды, вызываемого сжатием, а затем и к её снижению. Для звёзд меньше 0,0767 масс Солнца это не происходит: выделяющейся в ходе ядерных реакций энергии никогда не хватит, чтобы уравновесить внутреннее давление и гравитационное сжатие. Такие «недозвёзды» излучают энергии больше, чем образуется в процессе термоядерных реакций, и относятся к так называемым коричневым карликам . Их судьба — постоянное сжатие, пока давление вырожденного газа не остановит его, и, затем, постепенное остывание с прекращением всех начавшихся термоядерных реакций.

Молодые звёзды промежуточной массы

Молодые звёзды промежуточной массы (от 2 до 8 масс Солнца)
[] качественно эволюционируют точно так же, как и их меньшие сестры и братья, за тем исключением, что в них нет конвективных зон вплоть до главной последовательности.

Объекты этого типа ассоциируются с т. н. звёздами Ae\Be Хербига неправильными переменными спектрального класса B-F0. У них также наблюдаются диски и биполярные джеты. Скорость истечения вещества с поверхности, светимость и эффективная температура существенно выше, чем для T Тельца , поэтому они эффективно нагревают и рассеивают остатки протозвёздного облака.

Молодые звёзды с массой больше 8 солнечных масс

Звезды с такими массами уже обладают характеристиками нормальных звезд, поскольку прошли все промежуточные стадии и смогли достичь такой скорости ядерных реакций, которая компенсировала потери энергии на излучение, пока накапливалась масса для достижения гидростатического равновесия ядра.
У этих звёзд истечение массы и светимость настолько велики, что не просто останавливают гравитационный коллапс ещё не ставших частью звезды внешних областей молекулярного облака, но, наоборот, разгоняют их прочь. Таким образом, масса образовавшейся звезды заметно меньше массы протозвёздного облака. Скорее всего, этим и объясняется отсутствие в нашей галактике звёзд с массой больше, чем около 300 масс Солнца.

Пятна

Также на поверхности фотосферы иногда появляются темные области – зародыши пятен. Нередко пятна могут разрастаться до диаметра, который превышает диаметр Земли. Солнечные пятна, как правило, появляются группами, затем разрастаются. Постепенно они дробятся на более мелкие участки, пока не исчезают вовсе. Пятна появляются по обе стороны солнечного экватора. Каждые 11 лет их количество, а также занимаемая пятнами площадь, достигают максимума. По наблюдаемому перемещению пятен Галилей смог обнаружить вращение Солнца. В дальнейшем это вращение было уточнено при помощи спектрального анализа.

До сих пор ученые ломают голову над тем, почему период увеличения солнечных пятен составляет именно 11 лет. Несмотря на пробелы в знаниях, информация о солнечных пятнах и периодичности других аспектов деятельности звезды дают ученым возможность делать важные прогнозы. С помощью изучения этих данных можно делать предсказания о наступлении магнитных бурь, нарушений в сфере радиосвязи.

История наблюдений за звездами

Сейчас можно легко купить телескоп и наблюдать на ночным небом или воспользоваться телескопами онлайн на нашем сайте. С древних времен звезды на небе играли важную роль во многих культурах. Они отметились не только в мифах и религиозных историях, но и послужили первыми навигационными инструментами. Именно поэтому астрономия считается одной из древнейших наук. Появление телескопов и открытие законов движения и гравитации в 17 веке помогли понять, что все звезды напоминают наше Солнце, а значит подчиняются тем же физическим законам.

Фотография умирающей звезды. Изображение получено космическим телескопом Хаббл

Изобретение фотографии и спектроскопии в 19 веке (исследование длин волн света, исходящих от объектов) позволили проникнуть в звездный состав и принципы движения (создание астрофизики). Первый радиотелескоп появился в 1937 году. С его помощью можно было отыскать невидимое звездное излучение. А в 1990 году удалось запустить первый космический телескоп Хаббл, способный получить наиболее глубокий и детализированный взгляд на Вселенную (качественные фото Хаббла для различных небесных тел можно найти на нашем сайте).

Спектральные характеристики стандартных звёзд

Спектр звезды класса O5V

«Cтандартными свечами», которые определяют сетку для звёзд главной последовательности спектрального класса О, то есть теми стандартными звёздами, которые не изменились с начала 20-го века, являются S Единорога (O7V) и 10 Ящерицы (O9V).

В атласе Меркана-Кинана-Келлермана (MKK), «Йерк от 1943 года» перечислены стандартные свечи спектрального класса O от O5 до O9, а также стандартные свечи класса светимости O9s. Двумя стандартными свечами класса O9V были Йота Ориона и 10 Ящерицы. Пересмотренные стандарты («МК»), представленные в списке Johnson&Morgan (), не перечислили никаких изменений для классов от O5 до O8, но перечислены 5 стандартных свечей спектрального класса O9V (HD 46202, HD 52266, HD 57682, 14 Цефея, 10 Ящерицы) и 3 стандартных свечи спектрального класса O9.5V (AE Возничего, Сигма Ориона, Дзета Змееносца)

В важном обзоре спектральной классификации, проведённом У. Морганом и Ф. Кинаном (), перечислены «пересмотренные МК» стандартные свечи для спектрального класса O4 -O7, но опять же нет разделения стандартных свечей по классам светимости

В этом обзоре также перечислены стандартные свечи главной последовательности спектрального класса O9V для 10 Ящерицы и O9.5V для Сигма Ориона.

NGC 2264 включает туманность Конус и скопление Рождественская ёлка (вверх ногами на данном изображении), S Единорога (O7V+B1.5/2V) расположена наверху изображения, у основания Рождественской ёлки

Классы светимости для звёзд спектрального класса O для подклассов ранее, чем O5, не определялись для стандартных звёзд до 1970-х годов. В спектральном атласе Morgan, Abt & Tapscott () определены несколько стандартных звёзд главной последовательности спектрального класса O (класс светимости «V»): HD 46223 (O4V), HD 46150 (O5V), HD 199579 (O6V), HD 47839 (O7V), HD 46149 (O8V) и HD 46202 (O9V). Walborn & Fitzpartrick () предоставили первый цифровой атлас спектров для звёзд спектрального класса OB и включили в стандарт основной последовательности для спектрального класса O3V (HDE 303308). Спектральный класс O2 был определён в Walborn et al. (), для звезды BI 253, действующей в качестве стандартной свечи для класса O2V (фактически класса «O2V((f*))»). Они также пересмотрели HDE 303308 в качестве стандартной свечи для класса O4V и перечислили новые стандартные свечи для класса O3V (HD 64568 и LH 10-3058).

Звездная колыбель

Понятно, что никакого «эфирного вещества» не существует, а звезды образуются из тех же элементов, что и мы сами, — точнее, наоборот, это мы сложены из атомов, созданных ядерным синтезом звезд. На них приходится львиная доля массы вещества Галактики — остается не более нескольких процентов свободного диффузного газа для рождения новых светил. Но это межзвездное вещество распределяется неравномерно, местами образуя сравнительно плотные облака.

Несмотря на довольно низкую температуру (лишь несколько десятков и даже единиц градусов выше абсолютного нуля), здесь происходят химические реакции. И хотя почти всю массу таких облаков по‑прежнему составляют водород и гелий, в них появляются десятки соединений, от углекислого газа и цианида до уксусной кислоты и даже многоатомных органических молекул. В сравнении с довольно примитивным по устройству веществом звезд такие молекулярные облака — это следующая ступенька в эволюции сложности материи. Недооценивать их не стоит: они занимают не больше процента объема диска Галактики, но зато на них приходится около половины массы межзвездного вещества.

Отдельные молекулярные облака могут иметь массу от нескольких солнц до нескольких миллионов. Со временем их строение усложняется, они фрагментируются, образуя довольно сложные по структуре объекты с внешней «шубой» из сравнительно теплого (100 К) водорода и холодными локальными компактными уплотнениями — ядрами — ближе к центру облака. Такие облака живут недолго, вряд ли больше десятка миллионов лет, зато здесь происходят таинства космических масштабов. Мощные, быстрые потоки вещества перемешиваются, закручиваются и собираются все плотнее под действием гравитации, становясь непрозрачными для теплового излучения и нагреваясь. Нестабильной среде такой протозвездной туманности достаточно толчка, чтобы перейти на следующий уровень.«Если гипотеза о сверхновой верна, то она произвела лишь начальный толчок к образованию Солнечной системы и более никакого участия в ее рождении и эволюции не принимала. В этом отношении она не праматерь, а скорее праотец». Дмитрий Вибе

Литература

• Arnett, David. Supernovae and Nucleosynthesis. — Princeton: Princeton University Press, 1996.
• Essays in Nuclear Astrophysics / Barnes, C. A.; Clayton, D. D.; Schramm, D. N.. — Cambridge: Cambridge University Press, 1982.
• Bowers, Richard L.; Deeming, Terry. Astrophysics I: Stars. — Boston: Jones and Bartlett (англ.)русск., 1984.
• Carroll, Bradley W.; Ostlie, Dale A. An Introduction to Modern Astrophysics. — San Francisco: Person Education Addison-Wesley, 2007. — ISBN 978-0-8053-0402-2.
• Chandrasekhar, S. (англ.)русск.. An Introduction to the study of stellar Structure (англ.). — New York: Dover, 1967.
• Cox, J. P.; Giuli, R. T. Principles of Stellar Structure. — New York City: Gordon and Breach, 1968.
• Hansen, Carl J.; Kawaler, Steven D.; Trimble, Virginia. Stellar Interiors: Physical Principles, Structure, and Evolution, Second Edition (англ.). — New York: , 2004.
• Kippenhahn, Rudolf; Weigert, Alfred. Stellar Structure and Evolution. — Berlin: , 1990.
• Novotny; Eva. Introduction to Stellar Atmospheres and Interior (англ.). — New York City: Oxford University Press, 1973.
• Padmanabhan, T. Theoretical Astrophysics. — Cambridge: Cambridge University Press, 2002.
• Prialnik, Dina. An Introduction to the Theory of Stellar Structure and Evolution (англ.). — Cambridge: Cambridge University Press, 2000.
• Shore, Steven N. The Tapestry of Modern Astrophysics. — Hoboken: John Wiley and Sons, 2003.

Середина жизненного цикла звезды

Среди звёзд встречается широкое многообразие цветов и размеров. По спектральному классу они варьируются от горячих голубых до холодных красных, по массе — от 0,0767 до около 300 Солнечных масс по последним оценкам. Светимость и цвет звезды зависят от температуры её поверхности, которая, в свою очередь, определяется её массой. Все новые звёзды «занимают своё место» на главной последовательности согласно своему химическому составу и массе. Речь, естественно, идёт не о физическом перемещении звезды — только о её положении на указанной диаграмме, зависящем от параметров звезды. Фактически, перемещение звезды по диаграмме отвечает лишь изменению параметров звезды.

Возобновившееся на новом уровне термоядерное «горение» вещества становится причиной чудовищного расширения звезды. Звезда «распухает», становясь очень «рыхлой», и её размер увеличивается приблизительно в 100 раз. Так звезда становится красным гигантом , а фаза горения гелия продолжается около нескольких миллионов лет. Практически все красные гиганты являются переменными звёздами .

Эволюция звезд с научной точки зрения

Любая звезда зарождается из сгустка холодного межзвездного газа, который под действием внешних и внутренних гравитационных сил сжимается до состояния газового шара. Процесс сжатия газовой субстанции не останавливается ни на мгновение, сопровождаясь колоссальным выделением тепловой энергии. Температура нового образования растет до тех пор, пока не запускается в ход термоядерный синтез. С этого момента сжатие звездной материи прекращается, достигнут баланс между гидростатическим и тепловым состоянием объекта. Вселенная пополнилась новой полноценной звездой.

Главное звездное топливо — атом водорода в результате запущенной термоядерной реакции

В эволюции звезд принципиальное значение имеют их источники тепловой энергии. Улетучивающаяся в пространство с поверхности звезды лучистая и тепловая энергия пополняются за счет охлаждения внутренних слоев небесного светила. Постоянно протекающие термоядерные реакции и гравитационное сжатие в недрах звезды восполняют потерю. Пока в недрах звезды имеется в достаточном количестве ядерное топливо, звезда светится ярким светом и излучает тепло. Как только процесс термоядерного синтеза замедляется или прекращается совсем, для поддержания теплового и термодинамического равновесия запускается в действие механизм внутреннего сжатия звезды. На данном этапе объект уже излучает тепловую энергию, которая видна только в инфракрасном диапазоне.

Исходя из описанных процессов, можно сделать вывод, эволюция звезд представляет собой последовательную смену источников звездной энергии. В современной астрофизике процессы трансформации звезд можно расставить в соответствии с тремя шкалами:

• ядерная временная шкала;
• тепловой отрезок жизни звезды;
• динамический отрезок (финальный) жизни светила.

В каждом отдельном случае рассматриваются процессы, определяющие возраст звезды, ее физические характеристики и разновидность гибели объекта. Ядерная временная шкала интересна до тех пор, пока объект питается за счет собственных источников тепла и излучает энергию, являющуюся продуктом ядерных реакций. Оценка длительности этого этапа вычисляется путем определения количества водорода, которое превратится в процессе термоядерного синтеза в гелий. Чем больше масса звезды, тем больше интенсивность ядерных реакций и соответственно выше светимость объекта.

Размеры и масса различных звезд, начиная от сверхгиганта, заканчивая красным карликом

Тепловая временная шкала определяет этап эволюции, в течение которого звезда расходует всю тепловую энергию. Этот процесс начинается с того момента, когда израсходовались последние запасы водорода и ядерные реакции прекратились. Для поддержания равновесия объекта запускается процесс сжатия. Звездная материя падает к центру. При этом происходит переход кинетической энергии в тепловую энергию, затрачиваемую на поддержание необходимого температурного баланса внутри звезды. Часть энергии улетучивается в космическое пространство.

Первый жизненный цикл звезды: Молекулярные облака

Начнем с рождения звезды. Представьте себе огромное облако холодного молекулярного газа, которое может спокойно существовать во Вселенной без всяких изменений. Но вдруг недалеко от него взрывается сверхновая или же оно наталкивается на другое облако. Из-за такого толчка активируется процесс разрушения. Оно делится на небольшие части, каждая их которых втягивается в себя. Как вы уже поняли, все эти кучки готовятся стать звездами. Гравитация накаляет температуру, а сохраненный импульс поддерживает процесс вращения. Нижняя схема наглядно демонстрирует цикл звезд (жизнь, этапы развития, варианты трансформации и смерть небесного тела с фото).