Красные гиганты и белые карлики
Рано или поздно, но ресурсы водорода будут исчерпаны, а в недрах звезды накопится много гелия. Остатки водорода всплывут на поверхность, термоядерные реакции станут происходить не в ядре, а на периферии, и, вследствие высоких температур, давления частиц и света, диаметр звезды сильно увеличится. Самые же наружные слои звёздной атмосферы будут очень удалены от ядра и станут сравнительно холодными. Такие звёзды называются красными гигантами. На этой стадии наше Солнце раздуется до размеров, превышающих диаметр земной орбиты, его наружные слои остынут приблизительно до 3 тыс. градусов. После того, как выгорит и этот водород, огромная масса остывающей гелиевой плазмы начинает сжиматься и красный гигант превращается в белый карлик. Если раньше сжатию препятствовали силы, возникающие в ходе ядерного синтеза, то теперь гравитация беспрепятственно ломает электронные оболочки атомов, создавая новую физическую форму вещества - плотно упакованную смесь ядер и обобщённых электронов, вырожденный газ, один кубический сантиметр которого весит от нескольких сотен килограммов до нескольких тонн. Ближайший к нам белый карлик - Сириус В - имеет массу 0,95 солнечной при диаметре 10 800 км (диаметр Земли - 12 700 км). В результате сжатия белый карлик имеет высокую поверхностную температуру, (Сириус В, например - 32 000°, приблизительно в шесть раз горячее Солнца), но, из-за малой удельной поверхности, терять тепло он может очень медленно и поэтому Солнце, превратившееся в белый карлик, будет остывать десятки миллиардов лет, пока не превратится в холодный чёрный карлик. Однако в нашей молодой Вселенной чёрные карлики уже есть - ближайшая к нам звезда такого типа находится в созвездии Гидры и светит уже в основном в области невидимого для глаза теплового излучения. Белым карликам с массой, превышающей 1,4 солнечной, не суждено превратиться в чёрные карлики. Сжатие разогревает их недра, и когда температура превысит 200 млн. градусов, там начинает гореть гелий, превращаясь в углерод. После исчерпания запасов гелия углерод начнёт превращаться в кислород и неон, при достижении 600 млн. градусов кислород и неон превращаются в кремний, и так далее. Цикл ядерный синтез - завершение синтеза - сжатие - повышение температуры - новый ядерный синтез будет продолжаться, пока внутренняя температура не достигнет триллиона градусов и вещество звезды не догорит до железа. Это - последний этап термоядерного синтеза, последнее усилие, противостоящее гравитационному сжатию.
Нейтронные звёзды и вспышки Сверхновых
Далее уплотнение звезды происходит мгновенно, со скоростью звука - а скорость звука тем больше, чем больше плотность среды. Сжатие приводит колоссальному выделению энергии - вспышке Сверхновой звезды, на какое-то время излучение звезды сравнимо с излучением галактики. Если при превращении водорода в гелий в энергию переходит около 1% релятивистской массы водорода, то в процессе обрушивания звезды внутрь самой себя - до 10%.Ударная волна этого взрыва, действуя на межзвёздный газ, порождает ускоренные протоны космических лучей. Размётанные взрывом периферические слои звезды разлетаются с огромной скоростью - порядка тысячи километров в секунду. Так рождается космическая пыль, содержащая тяжёлые элементы - вплоть до трансуранов. В дальнейшем она входит в состав звёзд и планетных систем. Звёзды первого поколения, образующие "толстый диск" нашей Галактики, очень бедны элементами тяжелее гелия. Более молодые звёзды, в том числе и наше Солнце, захватили значительное количество космической пыли в момент своего образования. В исходном газопылевом облаке, породившем Солнечную систему, было около 5% вещества, изверженного когда-то Сверхновой. Земля и её обитатели - это шлак сгоревшей звезды второго поколения, вещество, возникшее в недрах массивного светила в ходе ядерного синтеза после сгорания водорода и гелия. То, что осталось от звезды после взрыва - это сверхплотное вещество, состоящее большей частью из нейтронов. Диаметр нейтронной звезды порядка 10 км. Инерция сравнительно медленного (если оценивать угловую скорость) вращения исходной звезды должна сохранится. Вспомните, как быстро начинает вращаться фигурист, когда он сгруппируется. «Сгруппировавшаяся» нейтронная звезда крутится с невероятной скоростью - время полного оборота порядка от секунд до сотых долей секунды. Вследствие такого вращения она приобретает магнитное поле в триллионы раз более мощное, чем магнитное поле Земли.
Черные дыры и квазары
Нейтронная звезда с массой более трёх масс Солнца не вечна. Она довольно быстро остынет и превратится в чёрную дыру. Как известно, масса искривляет окружающее пространство-время. Огромные компактные массы способны искривить его настолько, что оно замкнётся само на себя, образовав пространственно-временной пузырь, собственную замкнутую Вселенную внутри нашей Вселенной. Чёрная дыра поглощает вещество извне, но ничего не выпускает изнутри. Менее всего обоснована гипотеза перехода массивной нейтронной звезды в чёрную дыру. Как отличить невидимую чёрную дыру от невидимой же нейтронной звезды? Если масса объекта составляет 2-3 солнечных массы, то это почти наверняка не чёрная дыра. Наиболее вероятный кандидат в чёрные дыры - звезда Лебедь-Х имеет массу, более чем в 5 раз превышающую солнечную. В 60-е годы был совершенно неожиданно открыт новый класс космических объектов - рентгеновские пульсары - рентгеновские источники, которые «мигают» с очень постоянной частотой от секунд до сотых долей секунды. Оказалось, что излучение в рентгеновском диапазоне это особенность компактных объектов - нейтронных звёзд и чёрных дыр. Правда, не все компактные объекты дают рентгеновское излучение, а только те, которые входят в состав двойных звёзд или находятся в плотных облаках межзвёздного газа и пыли - рентгеновские кванты испускает вещество, падающее на поверхность нейтронной звезды или в чёрную дыру (у которой нет поверхности). Ещё более неожиданным было открытие квазаров. Когда в 30-е годы - время бурного развития коротковолновой радиосвязи, встала проблема защиты передачи от помех, инженерам удалось грубо определить стабильные источники помех. В частности, ими оказались определённые участки звёздного неба. Астрофизики не могли принять это всерьёз, и вот по какой причине: получалось, что радиоизлучение от неведомых космических объектов было в тысячи раз сильнее, чем радиоизлучение Солнца. Самые крупные космические тела - звёзды. Самая близкая к Земле звезда находится в четырёх световых годах от нас, а Солнце - на расстоянии 8 световых минут. Энергия электромагнитных колебаний убывает пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, будь радиоисточник даже ближайшей звездой, он должен излучать приблизительно в сто триллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Когда в начале 50-х годов появились первые радиотелескопы, источники радиоизлучения удалось картировать точнее. Несколько удалённых радиотелескопов можно соединить в единую сеть и получить разрешение не менее (или более) детальное, чем у лучшего светового телескопа. С развитием техники наблюдений космические радиооблака стягивались в точки, и, наконец, их стало возможно привязать к светящимся объектам. Спектр этих объектов оказался совершенно необычным: привычные линии водорода были смещены в красную область почти на треть. Это означало, что радиоисточники находились не просто далеко, а исключительно далеко, на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Оптические снимки ближайших из них показали вытянутые структуры, которые первоначально были названы радиогалактиками. Теперь мы знаем, что это воронки газа и космической пыли, падающие на сравнительно малый объект - не больше нашей солнечной системы. Длина этих газопылевых рукавов порядка сотни тысяч световых лет. Газовые вихри, разогреваясь, излучают в радиодиапазоне. Центральное массивное тело получило название квазар. Квазар - это не звезда, не галактика. Наиболее распространённая гипотеза - квазар это огромная чёрная дыра, возникшая на месте ядра галактики, звёзды ядра провалились в эту дыру. Не все квазары являются активными радиоисточниками, некоторые почти молчат в радиодиапазоне. Однако в любом случае квазары являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной. Притягивая и разгоняя звёзды и газ, они заставляют их генерировать электромагнитные волны в самых разных диапазонах. Чёрные дыры, не обязательно такие массивные, как квазары, находятся в центре многих, если не всех, галактик. Предположительно, чёрная дыра массой порядка миллиона солнечных, есть и в центре нашей галактики - Млечного пути. Центральные части галактического диска закрыты таким количеством космической пыли, что надёжно проверить эту гипотезу пока не удаётся.
Галактики, скопления галактик и крупномасштабная структура Вселенной
Не так давно словом "галактика" обозначалась крупная звёздная система. Помимо звёзд в ней существует межзвёздный газ и космическая пыль. Галактики различались по форме - делились на спиральные, шаровые, эллиптические и прочие. В настоящее время представления о галактиках решительно меняются. Звёзды, газ и пыль - то, что далее будем называть «видимое вещество» - составляют незначительную долю от общей массы галактики. Основным в ней является «тёмное вещество». «Тёмное вещество» существует, но мы не знаем, что это такое. Ограничимся обзором наиболее изученных галактик вроде той, в которой обитаем мы, а именно - спиральных. Спиральные галактики обычно имеют два рукава - изогнутые зоны наибольшего скопления звёзд. Если смотреть на спираль в профиль, то она предстанет в виде полоски с шаровидным утолщением в центре - балджем. Понятия «балдж» и «ядро галактики» во многом совпадают. В центре балджа находится чёрная дыра порядка сотни тысяч солнечных масс и более. Масса чёрной дыры связана с размерами балджа. И, наконец, галактику окружает сферическое гало из звёздных скоплениий более низкого порядка.По самой оси балджа расположены молодые горячие звёзды. Газ и пыль здесь неоднородны, образуют значительные скопления, особенно плотные в рукавах. В этих скоплениях приблизительно одновременно возникает множество звёзд. Процессы образования новых звёзд продолжаются здесь до сих пор. Межзвёздный газ охлаждается за счёт излучения и смещается к центру галактики, где излучение чёрной дыры балджа (точнее, вещества, падающего на чёрную дыру) вновь его нагревает. Галактический газ образует холодные струи, направленные к «нагревателю» - центру галактики и горячие струи, уходящие к периферии. Эллиптические галактики, в отличие от спиральных, представляют из себя один огромный балдж. Соответственно этому, чёрная дыра в его центре в тысячи раз массивней тех, что находятся в центрах спиральных галактик. Вещество - газ и пыль, падая на чёрную дыру, порождают излучение в самых разных диапазонах. Считается, что квазары - это светящиеся диски газа, засасыва-емого массивной чёрной дырой ядра галактики. Жизнь ядра галактики может быть очень активной, иногда оно взрывается с выделением энергии, в миллионы раз превышающей энергию вспышек сверхновых. В пересечённых спиральных галактиках падающее на центральную чёрную дыру вещество образует эллиптическую воронку - «бар»; рукава галактики выходят не из балджа, а из бара. В спиралях формируются отдельные плотные скопления звёзд, хорошо заметные на фотографиях ближних галактик, а также скопления газа и пыли. В целом приходится признавать, что видимое вещество в галактиках распределено крайне неодно-родно. Галактика значительно шире узкого диска ярких звёзд. Старые красные звёзды образуют слабо светящуюся «шубу» кнаружи от яркого диска, образованного более молодыми звёздами. Она получила название "толстый диск". Крупные галактики часто имеют мелкие галактики-спутники. Таковыми для нашей Галактики являются Большое и Малое Магеллановы облака. Галактики образуют скопления. В Местном скоплении галактик нашим ближайшим соседом является Туманность Андромеды. В целом скопления галактик образуют ячеистую структуру. Внутри ячеек пространство практически пусто. Галактики, как и звёзды, имеют свою историю, изучение которой только начинается. Считается, что первичные галактики, сформировавшиеся в первые сотни миллионов лет после Большого Взрыва, были карликовыми. В настоящее время, когда телескопы и другие астрофизические приборы стало возможным вывести в космос, астрономы впервые смогли увидеть очень далёкие галактики, свет от которых пришёл к нам более чем за 10 млрд. лет, то есть звёздное население очень ранней Вселенной. В 2004 г. благодаря новому оборудованию на телескопе «Хаббл» были получены снимки объектов в момент, соответствующий приблизительно 0,5 млрд. лет после Большого Взрыва. Первая из «древних» галактик, которую удалось сфотографировать таким образом, в 200 раз меньше нашей нынешней.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
