Типы звезд
Введение.
Их можно увидеть темной, безоблачной ночью на небе.
На протяжении многих веков миллионы человеческих глаз с наступлением ночи устремляют свой взгляд вверх – в сторону загадочных огоньков в небе - звезд нашей Вселенной. Древние люди видели в скоплениях звёзд различные фигуры животных и людей, и каждой из них создавали свою историю. Позже подобные скопления стали называть созвездиями. На сегодняшний день астрономы выделяют 88 созвездий, разделяющих звёздное небо на определённые участки, по которым можно ориентироваться и определять местоположение звёзд. Понадобились тысячи лет, чтобы люди освободились от наивных представлений о том, что звезды - это светящиеся точки, прикрепленные к огромному куполу. С началом космической эры звезды стали нам ближе. Мы узнаем о них все больше и больше. Но древнейшая наука о звездах, астрономия, не только не исчерпала себя, но, напротив, стала еще более интересной.
Астрономы не в состоянии проследит жизнь одной звезды от начала и до конца. Даже самые короткоживущие звёзды существуют миллионы лет – дольше жизни не только одного человека, но и всего человечества. Однако учёные могут наблюдать много звёзд, находящихся на самых разных стадиях своего развития, - только что родившиеся и умирающие. По многочисленным звездным портретам они стараются восстановить эволюционный путь каждой звезды и написать её биографию.
Звезды бывают новорожденными, молодыми, среднего возраста и старыми. Новые звезды постоянно образуются, а старые постоянно умирают.
В целом, существует много различных типов звёзд от крошечных коричневых карликов до красных и голубых сверхгигантов. Есть ещё более странные виды звёзд, как нейтронные звёзды и звёзды Вольфа-Райе, и теоретические кварковые звёзды. И поскольку исследование Вселенной нами продолжается, мы продолжаем изучать о звёздах всё, что заставляет нас расширять наше мировоззрение.
Жизненный цикл звезд Вселенной
Рождение звезды, как правило, скрыто завесой из космической пыли, поглощающей свет. Только с появлением инфракрасной (ИК) фотометрии и радиоастрономии стали доступны изучению явления в газопылевых комплексах, имеющих, по всей вероятности, отношение к рождению звезд. Исследователи выделили области, где большинство составляют молодые формирующиеся объекты — протозвезды. Основную часть своей жизни они скрыты медленно оседающей на них пылевой оболочкой. Она «гасит» излучение ядра, нагревается до сотен градусов и в соответствии с этой температурой излучает сама. Именно это излучение и удается наблюдать в ИК-диапазоне, и это едва ли не единственный способ обнаружения протозвезд.
Предполагается, что сложный процесс формирования звезд может происходить в любом газопылевом облаке достаточно большого размера. Спусковым механизмом для начала формирования звезды может служить, например, ударная волна — своеобразное эхо далекого взрыва сверхновой. Такая волна нарушает зыбкое равновесие — облако разделяется на фрагменты, каждый из которых начинает сжиматься. Скорость сжатия газа зависит от плотности материи и наличия магнитного поля. Это — самый первый отрезок на пути образования звезд.
Научные основы космогонии были заложены еще Ньютоном, который показал, что вещество в пространстве под действием собственной гравитации разделяется на сжимающиеся куски. Теория образования сгустков вещества, из которых формируются звезды, была развита в 1902 г. английским астрофизиком Дж.Джинсом. Эта теория объясняет и происхождение Галактик. В первоначально однородной среде с постоянной температурой и плотностью может возникнуть уплотнение. Если сила взаимного тяготения в нем превысит силу газового давления, то среда станет сжиматься, а если превалирует газовое давление, то вещество рассеется в пространстве.
Должны пройти миллионы лет, прежде чем в недрах формирующегося объекта создадутся условия, необходимые для запуска первых ядерных реакций. Именно тогда и наступит «день рождения» звезды. Однако потребуются еще миллионы лет на то, чтобы она накопила энергию и высвободилась из окружающего ее пылевого кокона. Подтверждением описанного процесса образования светил из межзвездной среды служат обширные скопления — ассоциации массивных горячих звезд высокой светимости.
Считают, что возраст Метагалактики - 13-15 млрд. лет. Этот возраст не противоречит оценкам возраста наиболее старых звезд и шаровых звездных скоплений в нашей Галактике.
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. Первый (ядерный) этап жизни звезды – самый долгий и стабильный. Продолжительность жизни звезды зависит от её размера. Крупные звёзды расходуют своё жизненное топливо быстрее. Их жизненный цикл может длиться не более нескольких сотен тысяч лет. А вот маленькие звёзды живут многие миллиарды лет, так как тратят свою энергию медленнее.
Но, как бы то ни было, рано или поздно, звёздное топливо кончается, и тогда маленькая звезда превращается в красного гиганта, а крупная звезда – в красного супергиганта. Эта фаза продлиться до тех пор, пока топливо не израсходуется окончательно. В этот критический момент внутреннее давление ядерной реакции ослабнет и больше не сможет уравновешивать силу гравитации, и, в результате, произойдет коллапс звезды. Затем небольшие звёзды Вселенной, как правило, перевоплощаются в планетарную туманность с ярким сияющим ядром, называемым белым карликом. Со временем и он остывает, превращаясь в тёмный сгусток материи – чёрного карлика.
У больших звезд всё происходит немного иначе. Во время коллапса они высвобождают невероятное количество энергии, и мощный взрыв рождает сверхновую звезду. Если её величина составляет 1.4 величины Солнца, тогда, к сожалению, ядро не сможет поддерживать своё существование и, после очередного коллапса, сверхновая звезда станет нейтронной. Внутренняя материя звезды сожмётся до такой степени, что атомы образуют плотную оболочку, состоящую из нейтронов. Если же звёздная величина в три раза больше солнечной, то коллапс её просто уничтожит, сотрёт с лица Вселенной. Всё, что от неё останется – участок сильнейшей гравитации, прозванный чёрной дырой.
Туманность, оставшаяся после звезды Вселенной, может расширяться в течение миллионов лет. В конце концов, на неё подействует гравитация соседней или взрывная волна сверхновой звезды и всё повторится снова. Этот процесс будет происходить по всей Вселенной – бесконечный цикл жизни, смерти и возрождения. Результатом этой звёздной эволюции является образование тяжёлых элементов, необходимых для жизни. Наша солнечная система произошла из второго или третьего поколения туманности, и благодаря этому на Земле и других планетах есть тяжёлые элементы. А это значит, что в каждом из нас есть частички звёзд. Все атомы нашего тела были зарождены в атомном очаге либо в результате разрушительного взрыва сверхновой звезды.
Типы звезд Вселенной
Протозвезды:
Протозвезда - это то, что бывает перед образованием самой звезды. Протозвезда - это объект, состоящий из газа, который коллапсировал из гигантского молекулярного облака. Фаза звёздной эволюции - протозвезда - длится около 100 000 лет. С течением времени, гравитация и давление увеличиваются, заставляя звезду коллапсировать (сжиматься). Всё энерговыделение протозвезды исходит только от нагревания, вызванного гравитационным сжатием - термоядерные реакции пока ещё не начались.
Звёзды Т Тельца:
Звезда Т Тельца - это этап формирования и эволюции звезды прямо перед тем, как стать звездой главной последовательности. Эта фаза наступает в конце фазы протозвезды, когда гравитационное давление, сдерживающее звезду вместе, является источником всей её энергии. Звёзды Т Тельца не имеют достаточного давления и температуры в своих ядрах, чтобы запустить термоядерный синтез, но они не похожи на звёзды главной последовательности ещё и тем, что ярче них, потому что больше них. Звёзды Т Тельца имеют большие зоны покрытия солнечными пятнами, и они имеют интенсивные рентгеновские вспышки и чрезвычайно мощные звёздные ветра. Звёзды находятся в стадии Т Тельца около 100 миллионов лет.
Самые молодые, которые называются звездами типа Т Тельца (по одной из звезд в созвездии Тельца), похожи на Солнце, но гораздо моложе его. Фактически они все еще находятся в процессе формирования и являются примерами протозвезд (первичных звезд).
Вокруг многих звезд типа Т Тельца имеются вращающиеся диски вещества; от таких звезд исходят мощные ветры. Энергия вещества, которое падает на протозвезду под действием силы тяготения, превращается в тепло. В результате температура внутри протозвезды все время повышается. Когда центральная ее часть становится настолько горячей, что начинается ядерный синтез, протозвезда превращается в нормальную звезду. Как только начинаются ядерные реакции, у звезды появляется источник энергии, способный поддерживать ее существование в течение очень долгого времени. Насколько долгого - это зависит от размера звезды в начале этого процесса, но у звезды размером с наше Солнце топлива хватит па стабильное существование в течение примерно 10 миллиардов лет.
Однако случается, что звезды, гораздо более массивные, чем Солнце, существуют всего несколько миллионов лет; причина в том, что они сжимают свое ядерное топливо с гораздо большей скоростью.
Звёзды главной последовательности:
Большинство звёзд в нашей галактике, и даже во Вселенной, - это звёзды главной последовательности. Главная последовательность – это период существования звезд Вселенной, во время которого внутри её проходит ядерная реакция, являющийся самым длинным отрезком жизни звезды. Наше Солнце сейчас находится именно в этом периоде. В это время звезда претерпевает незначительные колебания в яркости и температуре. Продолжительность такого периода зависит от массы звезды. У крупный массивных звёзд он короче, а у мелких длиннее. Очень большим звёздам внутреннего топлива хватает на несколько сотен тысяч лет, в то время, как малые звёзды, как Солнце, будут сиять миллиарды лет. Самые крупные звёзды во время главной последовательности превращаются в голубых гигантов. Наше Солнце - это звезда главной последовательности, как и наши ближайшие соседи Сириус и Альфа Центавра. Звёзды главной последовательности могут сильно различаться по размеру, массе и яркости, но все они занимаются одним и тем же: преобразуют водород в гелий в своих ядрах, выпуская огромное количество энергии.
Звезда на этапе главной последовательности находится в стадии гидростатического равновесия. Гравитация стягивает звезду внутрь, давление света от всех термоядерных реакций в звезде толкает наружу. Эти силы, направленные наружу и внутрь, уравновешивают друг друга, и звезда поддерживает сферическую форму. Размер звёзд главной последовательности будет зависеть от их массы, которая определяет количество гравитации, тянущей её внутрь.
Нижний предел массы для звезды главной последовательности около 0.08 массы Солнца, или 80 масс Юпитера. Это минимальное количество гравитационного давления, которое необходимо для запуска термоядерных реакций в ядре. Теоретически звёзды могут расти до 100 солнечных масс.