Кінець зірок - екстремальні явища

Матеріал виготовлений Раду Андрієм - учнем 11 класу Національного коледжу імені Ніколае Бальческу в Браїлі та володарем золотої медалі на Міжнародній астрономічній олімпіаді 2016 року

Зірки завжди заворожували людей. З глибокої давнини ретельне спостереження за небесним склепінням призвело до заснування науки, яку ми сьогодні знаємо як АСТРОНОМІЯ. Здавалося, більшість зірок були закріплені на кулі, яка оберталася навколо Землі - це одна з перших моделей, яка намагається описати Всесвіт.

Потім, після того, як геоцентрична теорія втратила свою довіру, люди зрозуміли, що наше місце у Всесвіті жодним чином не є центральним чи особливим. Сонце, джерело світла і тепла, без якого життя було б неможливим, - лише одна з незліченних зірок, розсіяних у просторі.

Ці моделі мають загальне припущення, яке тривало довгий час, але є абсолютно неправильним: зірки завжди світили і продовжуватимуться нескінченно довго. Іншими словами, Всесвіт нескінченний у часі (а, чому б і ні, у просторі). Роки показали, що це не так. Сьогодні ми знаємо, що енергія зірок в основному дається плавленням водню в гелій.

Ядерні реакції особливо ефективні при виробленні енергії: один грам водню може живити тисячі лампочок протягом року! Оскільки у зірки лише кінцева (хоча і величезна!) Кількість ядерного "палива", очевидно, що її життя в якийсь момент закінчиться. Як ми побачимо, цей процес є абсолютно необхідним для появи такого життя, яким ми його знаємо.

Фази Сонячної системи: Хмара газу стискається під власною вагою. З цього утворюються Сонце і планети. Через мільярди років зірка стає гігантом і тимчасово ковтає кілька планет, перш ніж перетворитися на білого карлика.

Зірка - захоплюючий об'єкт: її розмір, температура і тиск у центрі - уявлення, важко уявити навіть тим, хто працює з ними. Але справжні екстремальні явища відбуваються, коли регулярна ядерна діяльність припиняється і зірка гине. Тож давайте подивимося, що трапиться в цьому випадку і що залишиться за зіркою.

Білий карлик

Найважливішою характеристикою зірки є її маса, кількість речовини, з якої вона складена. Це диктує температуру, розмір, яскравість, структуру і, нарешті, еволюцію та долю зірки. Почнемо з обговорення зірок з відносно невеликою масою (менше 10 мас Сонця).

Як я вже говорив, реакція ядерного синтезу, яка дає енергію зірок, виробляє гелій. Він щільніший за водень і накопичується в центрі. У якийсь момент, коли серцевина гелію стає занадто великою, вона починає скорочуватися під власною вагою. Це нагрівається і одночасно «виштовхує» верхні шари зірки назовні.

У протилежному розумінні зовнішня частина зірки зазнає навіть протилежних перетворень в ядрі: вона розширюється і охолоджується, набуваючи червоного кольору. Тому зірка отримала ім'я червоного велетня на цій фазі своєї еволюції. Цікаво пам’ятати, що, можливо, як не дивно, зірки, які мають «холодні» кольори (наприклад, синій), є найгарячішими в реальності, а ті, що з’являються в «теплих» кольорах (жовтий, оранжевий, червоні) насправді мають найнижчі температури.

З цього моменту зірки, менші за Сонце, штовхають свої зовнішні шари настільки, що їх більше не можна вважати складовими частинами зірки; вони стають хмарами космічного газу. Залишилося лише гаряче ядро гелію, яке продовжує випромінювати енергію назовні і називається білим карликом.

Частина цієї енергії поглинається викинутим у космос свіжим газом, який, у свою чергу, нагрівається та освітлюється. Так народжуються планетарні туманності (які, однак, не мають нічого спільного з планетами: назва була помилково дана, коли предмети були виявлені і залишилися такими). Натомість зірки, порівнянні із Сонцем або більшими, починають нову реакцію злиття гелію у важчі елементи. Таким чином, розмір і температура зірки нормалізуються до тих пір, поки гелій не закінчиться, тоді історія повторюється.

Цього разу газові хмари, що складають туманність, також будуть містити ці важчі елементи, яких не було знайдено у випадку, обговореному вище. Після того, як у білого карлика закінчується енергія, він охолоджується і стає масою інертного газу.

Наднові та нейтронні зірки

Тиск і температура в центрі зірки зростають із збільшенням її маси. Таким чином, якщо ми маємо справу з об’єктами порядку десятків або сотень сонячних мас, екстремальні умови в центрі можуть «змусити» гелій та інші важчі елементи зазнати реакцій синтезу ще до закінчення водню. Таким чином, зірка буде схожа на цибулю: вона буде складена з декількох шарів, в яких протікають різні реакції.

Починаючи ззовні, водень перетворюється на гелій, потім гелій - на вуглець і так далі до залізного ядра. З енергетичних причин ядерної фізики залізо є найважчим елементом, до якого можна дійти за допомогою цих реакцій (як відомо, дуже важкі елементи, такі як уран, зазнають протилежного процесу: ділення - масивні ядра "розпадаються" на менші).

У якийсь момент залізо страждає від тієї ж проблеми, що і гелій у малих зірок: його власна вага занадто сильна, і баланс зірки руйнується. Точні механізми, за якими триває еволюція, все ще є предметом досліджень, але загалом атомні ядра в центрі зірки розпадаються на протони та нейтрони, протони поєднуються з електронами, утворюючи більше нейтронів, і виділяється немислима кількість енергії.

Верхні шари зірки насильно виштовхуються назовні, у вибуху в 10 29 (сто мільярдів мільярдів!) Разів, енергійніших, ніж найпотужніші атомні бомби, коли-небудь побудовані. Усередині них утворюються елементи, важчі заліза, яких раніше не було.

Менше 1% енергії, що виділяється, перетворюється на світло та кінетичну енергію викинутих газів. Решта 99% втрачається у вигляді нейтрино - частинок, які майже повністю взаємодіють з речовиною, і тому їх особливо важко ідентифікувати. Цікаво, що вони прибувають до світла наднової і таким чином можуть заздалегідь "попередити" нас про вибух і вказати його місце розташування.

Після вибуху зірка продовжує яскраво світитися кілька днів, навіть тижнів, і може залишатися видимою неозброєним оком (хоча і менш інтенсивною) кілька місяців поспіль. Гази, евакуйовані вибухом, стають гарячими і яскравими, створюючи вражаючі туманності, що постійно розширюються. Туманність Краб - це слід наднової 1054 року, яку китайські астрономи зафіксували як «друге сонце».

Нейтронна зірка має щільність атомного ядра, надзвичайно гаряча і обертається дуже швидко.

Ядерне зоряне ядро, як правило, занадто важке, щоб стати білим карликом (розміром більше 1,4 маси Сонця) і перетворюється на неймовірно щільну нейтронну зірку. Для порівняння, його щільність у 200 трильйонів разів перевищує щільність свинцю.

Екстремальні умови дають цікаві властивості стели: нейтрони утворюють рідину без тертя (надрідку), яка також є надпровідною. Такі об’єкти мають сильні магнітні поля і можуть обертатися сотні чи навіть тисячі разів на секунду. Тому вони випромінюють дуже інтенсивне електромагнітне випромінювання, яке доходить до нас у вигляді імпульсів, а зірки відомі як пульсари.

Чорні діри

Іноді ядро, яке залишилося після вибуху, занадто важке навіть для того, щоб бути нейтронною зіркою (ця верхня межа становить близько двох сонячних мас) і таким чином утворюється чорна діра: об'єкт настільки масивний і щільний, що нічого, навіть світло не може покинути її поверхню (звідси і назва).

Він вигинає простір-час навколо себе і породжує дивовижні релятивістські ефекти:

змінює траєкторії променів світла, які проходять занадто близько до нього, поводячись як лінза (явище називається «гравітаційне лінзування»);
час проходить повільніше в його околицях (ефект, передбачений узагальненою теорією відносності)
воно переходить у червоне світло, що надходить поблизу нього.

Масивний об'єкт - наприклад, нейтронна зірка або чорна діра - витягує газ із сусідньої зірки, утворюючи акреційний диск.

Ми можемо запитати: якщо ніщо не може уникнути цієї чорної діри, то як ми її виявимо? По-перше, через гравітаційні впливи на навколишнє середовище. Якщо біля чорної діри є зірка, газ, що входить до її складу, притягується до чорної діри і відбувається процес нарощування.

Це виділяє величезну кількість енергії; ефективність цього процесу значно вища, ніж у випадку ядерного синтезу, і тому яскравість акреції чорної діри набагато вища, ніж у зірки. Насправді їх вважають найяскравішими об'єктами у Всесвіті - квазарами.

По-друге, завдяки квантовим ефектам чорні діри мають власне випромінювання - випромінювання Хокінга, завдяки якому вони втрачають масу і випаровуються. За його допомогою ми можемо оцінити температуру такого об'єкта, яка становить кілька Кельвінів (нижче -270 ° за Цельсієм, порівняно із зірками, які мають поверхневу температуру тисяч градусів).

У дуже рідкісних випадках, коли стикаються дві чорні діри, вони випромінюють гравітаційні хвилі (наприклад, ті, про які про нього широко говорять у науці та техніці ). Чорні діри - це неймовірні предмети, які дарують інші сюрпризи, крім виставлених тут. Я запрошую вас відкрити їх для себе!

Замість висновку

Я побачив, що навіть зірки, ці захоплюючі предмети, гинуть. Це життєво важливий процес, оскільки елементи, важчі за гелій, виробляються лише ними, інакше вони не можуть досягти космосу, утворюючи планети, органічні сполуки та життя. Земля складається саме з таких залишків давно минулої зірки. Насправді ми всі - зоряний пил!