АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.2. ФІЗИКА ЗІР І МІЖЗОРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

§ 22. КІНЦЕВІ СТАДІЇ ЕВОЛЮЦІЇ ЗІР

Зоря існує як самодостатній об'єкт завдяки рівновазі двох сил: гравітації та газового тиску. У такому стані вона посідає певне місце на головній послідовності діаграми Герцшпрунга-Рассела, яке залежить від маси зорі.

1. Прикінцеві етапи існування зорі.

Після того, як весь водень в ядрі зорі перетвориться в гелій, енергію їй дає «горіння» водню у шарі, що прилягає до гелієвого ядра. Тут водень ще є, але через низьку температуру реакція відбувається мляво. В цей час зоря покидає головну послідовність і зміщується в зону червоних гігантів. У цій зоні вона посідає певне місце, яке залежить від її маси. Тут зоря проводить 10 % свого життя. Для нашого Сонця, наприклад, цей період триватиме 1 млрд років.

Червоні гіганти мають дуже неоднорідну структуру. Тонкий шар, де може відбуватись воднева реакція, ділить зорю на дві істотно різні частини: внутрішню (гелієве ядро), де реакції немає з причини відсутності водню, і зовнішню потужну конвективну зону, де водень є, але реакції не відбуваються через низькі температуру й тиск. Фізичні процеси в двох зонах зорі розгортаються по-різному.

Рис. 22.1. Планетарна туманність - залишок зовнішньої оболонки зорі - червоного гіганта

Які зміни відбуваються всередині зорі? Завдяки надходженню гелію в ядро із шарового джерела енерговиділення, його маса й температура поступово збільшуються. Коли маса досягає 0,4-0,5 сонячної, а температура 150 млн К починає «горіти» гелій, даючи на виході вуглець, кисень і деякі інші елементи. І так доти, доки не вигорить гелій і не утвориться вуглецево-кисневе ядро.

2. Білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри.

Зорі з масою до восьми сонячних на цьому етапі «доживають» віку, бо вичерпують запаси речовини, які могли б підтримувати зростання тиску й температури в ядрі, а отже, і продовження термоядерних реакцій. Холодна протяжна оболонка або поступово стікає в навколишній простір, або відділяється від ядра у вигляді планетарної туманності, яка розширюється зі швидкістю до 20-40 км/сек. Під дією ультрафіолетового випромінювання ядра вона яскраво світиться (рис. 22.1) Гаряче вуглецево-кисневе ядро, що залишилося, стає білим карликом - компактним об'єктом із розмірами, які, залежно від маси, можуть бути навіть меншими від розмірів Землі в десятки разів. На діаграмі спектр - світність білі карлики посідають місце в лівому нижньому куті, де розміщені зорі дуже малої світності, але з високою температурою поверхні. Поступово охолоджуючись, білий карлик з часом перетвориться в чорний карлик - недогарок колишньої зорі.

Білими карликами можуть стати лише ті зорі, в надрах яких утворюється вироджене ядро з масою не більше, ніж 1,4 сонячної. Цю граничну масу, обчислену С. Чандрасекаром в 1931 р., називають межею Чандрасекара. Такий об'єкт є стійким, бо дію сил гравітації врівноважує тиск виродженого електронного газу.

Саме так після стадії червоного гіганта завершить свій життєвий шлях Сонце. Згідно з сучасними уявленнями, воно покине головну послідовність у віці близько 10 млрд років. Через 2,2 млрд років потому Сонце досягне верхівки гілки червоних гігантів. На той час його світність перевищить нинішню у 2700 разів, а радіус становитиме приблизно одну астрономічну одиницю. Після загоряння гелію, Сонце перебуватиме близько 100 млн р. на горизонтальній гілці маючи світність у 50 разів вищу, ніж нині, а радіус удесятеро більший за нинішній. На цій стадії еволюції температурні нестійкості всередині Сонця призведуть до того, що воно почне втрачати масу скидаючи оболонку. Потім буде короткочасна стадія, коли його світність становитиме від 2000 до 4000 нинішніх, а радіус - приблизно 0,8 а. о. Зрештою Сонце скине оболонку, яка стане планетарною туманністю, і від нього залишиться тільки дуже гарячий білий карлик розмірами в кілька разів більшими за Землю.

По-іншому завершують свій життєвий шлях масивні зорі. Залежно від кінцевої маси ядра, що утворюється після вичерпання всіх можливих видів палива, вони закінчують своє життя або як нейтронні зорі, або спалахують як Наднові, або перетворюються в чорні діри.

Розгляньмо коротко ці варіанти.

У зорі з масою 8 сонячних водень в ядрі вигорає приблизно за 20 мільйонів років. На цьому етапі, як і в разі менш масивних зір, внутрішня частина зорі має гелієве ізотермічне ядро, оточене шаром речовини, де відбуваються термоядерні реакції. В міру надходження гелію в ядро і збільшення його маси, зростають температура і тиск. За досягнення в ньому температури понад 100-150 млн К спалахує гелій, утворюючи вуглець, кисень і важчі елементи.

Реакції синтезу вуглецю відбуваються із значно більшим виділенням енергії, ніж водневі реакції, тому ядро швидко розігрівається до 200-300 млн К. На деякий час світність зорі зростає і вона повертається на головну послідовність. Але це триває недовго. Стадія горіння гелію в 10 разів коротша за стадію горіння водню.

Коли гелій в ядрі вичерпується й через припинення «горіння» воно дещо охолоджується, знову порушується рівновага між тиском і гравітацією - починається стискання ядра. Зоря знову розширюється до велетенських розмірів і стає червоним надгігантом. Гелій ще горить, але тільки у прилеглому до вуглецевого ядра тонкому сферичному прошарку. А утворений при цьому вуглець нарощує масу вуглецевого ядра. На цьому етапі всередині зорі є два шарових джерела енерговиділення: внутрішнє, де навколо вуглецево-кисневого ядра «горить» гелій з утворенням вуглецю і кисню, і зовнішнє, де «догорає» водень з утворенням гелію.

Збільшуючи масу, ядро стискається, розігрівається, і за досягнення в ньому температури близько 1 млрд К починає «горіти» вуглець з утворенням неону й попутно натрію й магнію.

Поступово із збільшенням густини, тиску й температури в ядрі масивної зорі після вичерпання чергового палива, у принципі, можуть іти все нові й нові термоядерні реакції. При цьому продукти попереднього термоядерного горіння стають паливом для утворення наступних за ними в таблиці Мендєлєєва хімічних елементів.

Так триває аж до утворення ядра з елементів групи заліза. На цю пору залізне ядро зорі огортають багато шарів з продуктів ядерного горіння на попередніх етапах. Далі, незважаючи на те, що температура в ядрі досягла 3,5 млрд К, термоядерні реакції припиняються, бо для утворення ще важчих елементів у зорі не вистачає енергії, і її потрібно підводити ззовні, тобто зорю треба «підігрівати». Водночас, доки всередині зорі займаються все нові джерела ядерного палива, роздута до велетенських розмірів оболонка поступово стікає в міжзоряний простір або взагалі скидається.

Весь цей процес, починаючи з моменту спалаху водню навколо ядра й закінчуючи стадією червоного надгіганта, триває близько двох мільйонів років.

З утворенням залізного ядра, коли зоря вичерпує запаси ядерного пального, вона інтенсивно втрачає енергію через випромінювання нейтрино. Втрати енергії призводять до охолодження ядра й наступного його стискання, а отже, й нагрівання речовини. Збільшення температури до 7-8 млрд К і густини врешті-решт спричиняє розпад елементів групи заліза на ядра гелію і нейтрони, що своєю чергою розпадаються на нейтрони і протони. Цей процес вимагає таких великих затрат енергії теплового руху на подолання енергії зв'язку атомних ядер, що зі збільшенням густини різко сповільнюється зростання тиску. До цього додаються процеси народження електрон-пози- тронних пар і нейтронізація речовини (протони поглинають електрони й виникають нейтрони). Зоря втрачає всі можливості для підтримання гідростатичної рівноваги. Тиск не може протидіяти гравітації, і починається гравітаційний коллапс ядра.

Образно кажучи, відбувається «обвал» зорі всередину, речовина центральних зон майже зі швидкістю вільного падіння (до 20 % від швидкості світла) падає до центра.

Якщо масса ядра лежить у межах 1,4 < 2 сонячних маси і зоря втратила свою оболонку через її одно- чи кількаразове скидання або поступове звітрювання в навколишній простір, тиск виродженого нейтронного газу, а також блискавичне збільшення відцентрової сили внаслідок збільшення швидкості обертання зорі за різкого зменшення її радіуса припиняють гравітаційний колапс. Гаряча нейтронна зоря, що утворилася, охолоджувана нейтринним випромінюванням, стає холодною нейтронною зорею, і не відбувається вибуху Наднової.

Якщо ж оболонка зорі збереглася, то під дією сили тяжіння вона падає на ядро й, наштовхнувшись, «відскакує» від нього зі швидкістю в десятки тисяч кілометрів на секунду. Ця швидкість значно перевищує швидкість звуку в речовині зорі, тому виникає ударна хвиля. Вона рухається зсередини назовні й розігріває оболонку до мільярдів кельвінів. В ній починаються реакції з утворенням всіх елементів таблиці Менделєєва - за короткий час виділяється колосальна енергія, яка розкидає речовину оболонки в навколишній простір. Так виникає Наднова ІІ типу.

Внаслідок вибуху оголюється колишнє ядро зорі - гаряча нейтронна зоря - компактна куля діаметром до десяти кілометрів, заповнена щільно упакованими нейтронами. А навколо неї утворюється волокниста туманність, що розширюється, - залишок Наднової.

Рис. 22.2. Нейтронна зоря - пульсар в уяві художника- фантаста (а) і запис випромінювання одного з пульсарів (б)

Нейтронна зоря дуже швидко обертається - період обертання досягає кількох сотих чи то й тисячних часток секунди, і має дуже сильне магнітне поле. Поблизу магнітних полюсів, що зазвичай не збігаються з полюсами обертання, утворюються магнітні воронки, звідки електрони, прискорені потужним магнітним полем до майже світлових швидкостей, покидають поверхню нейтронної зорі. При цьому вони випромінюють у напрямку свого руху в радіо-, рентгенівскому, гамма-, а також в оптичному діапазонах. Випромінювання від нейтронної зорі поширюється в простір на величезні відстані у вигляді конусів. Конуси випромінювання, наче прожектори, обертаються разом з зорею і з тим же періодом, що й вона. Якщо Земля потрапляє в такий конус, то вдається реєструвати сигнали від пульсара.

Властивості пульсарів з часом суттєво змінюються. В міру сповільнення обертання поступово зникає високочастотне випромінювання, все рідше приходять радіосигнали, час від часу вони взагалі «завмирають», аж поки пульсар, пославши останній імпульс, не «замовкне» назавжди. Таких «мертвих» пульсарів, згідно з підрахунками, у кілька тисяч разів більше, ніж тих, що генерують потужне радіовипромінювання. Тривалість життя пульсара вимірюється кількома мільйонами років.

Наднові відіграють дуже важливу роль в зореутворенні, бо під час вибуху виникає ударна хвиля, що спричиняє ущільнення міжзоряного газу й пилу, а це зрештою приводить до початку формування зір в туманностях. Крім того, внаслідок цих вибухів змінюється склад міжзоряного середовища: воно збагачується важкими хімічними елементами, які потрібні для утворення планет земного типу і виникнення життя.

У зір, маса яких становить 10-20 сонячних, а масса ядра перевищує 2,5 сонячної, під час необмеженого колапсу в ядрі замість нейтронної зорі виникає інший об'єкт - чорна діра (часто навіть без спалаху Наднової). Чорна діра - це ділянка простору, де поле тяжіння таке велике, що друга космічна швидкість для тіл, які там перебувають, є більшою за швидкість світла. З'ясовано, що колапс масивної зорі призводить до повної руйнації її речовини й появи точки сингулярності, в якій сила тяжіння зростає до нескінченності. Крім маси чорна діра успадковує момент інерції й електричний заряд зорі, що зазнала гравітаційного колапсу. Всі інші параметри зорі - її хімічний склад, спектральний клас тощо зникають.

Зовнішня межа чорної діри - замкнута поверхня, яку називають горизонтом подій. Якщо в чорну діру перетворилася зоря, яка не оберталася, то ця поверхня є сферою, радіус якої збігається з гравітаційним радіусом (його також називають радіусом Шварцшильда). Якщо зоря оберталася, то відцентрові сили стискають горизонт подій вздовж осі обертання і розтягують в площині екватора, тому сфера перетворюється в щось схоже на еліпсоїд. Окрім цього, обертання зменшує лінійні розміри горизонту.

Рис. 22.3. Чорна діра в подвійній зоряній системі (фрагмент малюнка художника-фантаста)

Горизонт подій - це просторова межа між подіями, які може фіксувати зовнішній спостерігач, і подіями, інформація про які не вийде назовні. Далеко від горизонту подій сила тяжіння чорної діри обернено пропорційна квадрату відстані, тому для віддаленого спостерігача вона проявляє себе як звичайне тіло певної маси.

Уявлення про фізичний вакуум, де постійно виникають і зникають віртуальні частинки, вказує на те, що чорні діри мають втрачати масу. Народжені парами, віртуальні частинки рухаються у протилежних напрямках (цього

вимагає закон збереження імпульсу). Якщо одна з них виникне зовні, а друга (античастинка першої) всередині горизонту подій чорної діри, то зовнішня за сприятливих умов може віддалитись від горизонту подій. Тобто, чорна діра є джерелом випромінювання і тому втрачає енергію, а отже, й масу. Це явище називають ефектом Гокінга, на честь фізика-теоретика, який його відкрив у середині 1970-х років.

Оскільки чорні діри не можна спостерігати прямо, для їх пошуку й вивчення застосовують непрямі методи. Зокрема, якщо чорна діра входить до складу тісної подвійної системи, а видима сусідка - це зоря-гігант, то під дією сили тяжіння її речовина буде перетікати на чорну діру. Падаючи в полі тяжіння діри, газ нагрівається до температури в мільйони кельвінів і випромінює рентгенівські промені. Наявність рентгенівського джерела - характерна ознака подвійних систем, куди входять чорні діри.

Нині відомо про велетенські чорні діри в ядрах масивних галактик, серед них і в нашій галактиці. Водночас припускають існування мікроскопічних чорних дір, що утворилися на самому початку Всесвіту.

3. Утворення хімічних елементів.

Астрономічні спостереження вказують на те, що зорі, міжзоряний газ, планети містять багато різних хімічних елементів - вуглець, кисень, азот, кремній тощо. Водночас відомо, що на початку існування Всесвіту (ч. 2, § 29) його впродовж сотень мільйонів років заповнювали лише водень (75 %), в меншій кількості гелій (23 %), а також в дуже малій кількості дейтерій, літій і берилій (2 %). Всі інші хімічні елементи утворилися в інший час існування Всесвіту в надрах зір, що є наслідком термоядерних реакцій.

Перше покоління зір сформувалося з водню й гелію приблизно через 300 млн років після виникнення Всесвіту. Термоядерні реакції, основне джерело енергії зір, «переплавляли» легкі ядра у важчі. Наприклад, вуглець виник після злиття трьох альфа-частинок в ядрах масивних зір, коли основна частина водню в них перетворилася в гелій. Внаслідок спалахів перших зір, синтезовані елементи розпорошувалися в космічному просторі. З цієї газопилової речовини згодом формувалися зорі другого покоління, які також робили свій внесок у хімію Всесвіту.

Спостереження дуже віддалених галактик вказує на те, що присутній там газ - це суміш водню і гелію. Ніяких слідів інших елементів у таких об'єктах не виявлено. Астрономи, які за традицією всі елементи, окрім водню й гелію, називають «металами», вказують на низьку металічність об'єктів, що виникали в ранньому Всесвіті.

Склад речовини у Всесвіті повільно змінюється і в нашу епоху. Зорі невпинно виробляють дедалі більше елементів, важчих за гелій. Спостереження вказують на те, що зорі з більшою металічністю мають вищу ймовірність сформувати біля себе планети. Тобто хімічна еволюція Всесвіту сприяє появі складних структур (можливо аж до появи розумних істот, тіла яких утворює

«попіл давно згаслих зір»). Водночас з'ясовано, що складна хімія - це доволі мала частина на тлі великої кількості водню, який досі є найпоширенішим елементом у Всесвіті. Щоправда, вся хімія нашого світу становить не більше п'яти відсотків від його загальної маси. У Всесвіті значно більше темної матерії і темної енергії (ч. 2, § 29).

НАВЧАЛЬНІ ЗАВДАННЯ

• Поясніть, чому для нас (людей) важливими є спалахи Наднових?

• Опишіть якісно, що відбувається із зорею, яка стала Надновою.

• Поясніть, чому не можна спостерігати прямо чорні діри?

ВИСНОВКИ

Час існування зорі на головній послідовності діаграми Герцшпрунга-Рас- села визначається її масою. Заключні етапи життя зорі також визначені її масою. Зорі, типу нашого Сонця, врешті перетворюються на білих карликів, масивніші - на нейтронні зорі, а наймасивніші закінчують своє існування у вигляді чорних дір. Усі хімічні елементи, окрім водню і гелію, виникли у процесі термоядерних реакцій в надрах зір і під час вибухів Наднових.