Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Как гаснут звезды?

    Говорят, что звезды гаснут на утренней заре и зажигаются на вечерней, но ночью, когда наша атмосфера прозрачна для видимого света и рассеянные солнечные лучи не создают яркий голубой фон, звезды светят так же, как светили нашим предкам миллионы лет тому назад. И все же звезды не вечны, они гаснут по-настоящему.

    На небе одновременно видны звезды разных возрастов: одни зажигаются, другие затухают. Самые массивные живут всего миллионы лет, а звезды малых масс доживают до нескольких миллиардов лет.

    Все определяет их масса, а следовательно, гравитация. В недрах  звезд происходят термоядерные реакции, в результате повышается температура и  создается высокое газовое давление. Газовое давление, борясь с гравитацией, удерживает звезду в равновесии. Когда включаются новые реакции, равновесие нарушается: ядро еще больше сжимается, уплотняется и разогревается, а атмосфера раздувается и медленно остывает. Звезда превращается в красного гиганта.

    У звезд с массой порядка массы Солнца (в этой статье будем рассматривать только их) атмосфера, расширяясь, пульсируя, отрывается от ядра и, продолжая расширяться, превращается в планетарную туманность. Это еще один неудачный исторически сложившийся термин: планетарные туманности не имеют никакого отношения к планетам. Их сферическая структура при наблюдениях в небольшой телескоп напоминала планетный диск, а происхождение оставалось загадкой. Академик И.С. Шкловский первым понял, что планетарные туманности и их ядра – белые карлики – происходят от красных гигантов.

 

    С  относительно холодной поверхности красного гиганта медленно истекает вещество (звездный ветер). От раскаленного ядра звезды «дуют» гораздо более энергичные ветры. Они догоняют раздувающуюся атмосферу с ее звездным ветром, «сгребают» газ, образуя вокруг ядра более плотную сферическую оболочку – планетарную туманность.

     Так как ядро очень горячее, максимум его излучения приходится на ультрафиолет. Атомы оболочки переизлучают полученные энергичные кванты в кванты видимого диапазона и поэтому планетарные туманности выглядят гораздо ярче их ядер.  Чем дальше от ядра, тем туманность холоднее.

     Спектр  туманности – непрерывный с линиями излучения. Внутренние слои планетарной туманности излучают в линиях ионизованных элементов: гелия, углерода, кислорода, азота и других. Особенно выделяются две зеленые линии небулия. Их не смогли  отождествить и приписали несуществующему химическому элементу, будто бы свойственному туманностям, небулам. Оказалось, что это запрещенные линии дважды ионизованного кислорода, которые появляются только в условиях очень разреженного газа; такие условия возникают в туманностях, в том числе и в планетарных.

    Дальше от ядра газ становится нейтральным, еще дальше – образуются молекулы. Их линии в спектрах планетарных туманностей можно наблюдать с помощью наземных радиоителескопов. Еще дальше, где значительно холоднее, молекулы объединяются в пылинки. Это показали наблюдения в инфракрасной области спектра, проводимые на космических аппаратах. Планетарные туманности – один из основных поставщиков пыли в межзвездную среду.

    Планетарные туманности медленно расширяются со скоростью всего в  десятки километров в секунду и постепенно, за десятки тысяч лет, рассеиваются в межзвездном пространстве.

     Ядро планетарной туманности – белый карлик – ядро бывшей звезды, в котором прекратились ядерные реакции. Его температура - десятки миллионов К,  плотность достигла миллиона тонн в кубическом сантиметре, так как оно сжалось до размеров Земли. При таких условиях вещество ядра превращается в вырожденную электронно-ионную плазму.

    Чем больше масса белого карлика, тем сильнее его гравитационное сжатие, поэтому чем больше масса, тем меньше размер. Чем меньше размер белого карлика, тем больше его плотность, ионы теснее подходят друг к другу. Чем больше плотность, тем больше, согласно принципу Паули, средняя энергия электронов и соответственно их средние скорости. Давление, создаваемое электронами выроженного газа, противостоит гравитационному сжатию, звезда  на многие годы приобретает устойчивость. Даже остывая, белый карлик не сжимается, так как скорости электронов теперь не зависят от температуры, а зависят только от плотности вещества.

      Масса звезды «втиснута» в размер небольшой планеты. Поэтому сила притяжения на ее поверхности очень велика. Этим обстоятельством определяются особенности спектров белых карликов. В их спектрах  наблюдаются линии водорода и гелия – элементов, которые давно выгорели в этих звездах. Оказывается, белые карлики натягивают на себя вещество из межзвездной среды. Кроме того, линии спектра смещены в длинноволновую сторону  - «гравитационное красное смещение» - излучаемые кванты, вырываясь из мощного гравитационного поля, теряют часть своей энергии.

    Излучение белых карликов даже при очень высокой температуре поверхности в тысячи раз меньше излучения Солнца из-за их небольших размеров. Излучая накопленную в ядре звезды энергию, белые карлики продолжают существовать еще многие миллиарды лет. Постепенно остывая,  они становятся желтыми, красными, черными. Их температура приближается к температуре окружающей среды, примерно 10 К, поэтому в оптическом диапазоне они перестают излучать.

     Выдающийся индийский ученый, лауреат Нобелевской премии, Чандрасекар определил верхний предел массы, при которой белые карлики остаются устойчивыми – 1.46 масс Солнца. Другой Нобелевский лауреат, Л.Д. Ландау, обосновал этот вывод на основе физики сверхплотных тел.

      При больших массах звездных ядер скорости электронов приближаются к скорости света. В новых физических условиях белые карлики не в состянии  противостоять силам гравитации, которые сжимают их до размеров всего в десятки километров. Они превращаются в недоступные для оптических наблюдений нейтронные звезды. Для нейтронных звезд существует свой предел массы, способной противостоять гравитации.

     А если масса превосходит и этот предел, то гравитация перестает «играться», создавая противодействующие ей самой силы, и превращает бывшую звезду в черную дыру.

      Невидимые остатки звезд, у которых масса сосредоточена в маленьком объеме, обладают огромным градиентом гравитационного поля. Ускорение свободного падения у белых карликов - порядка тысяч километров в секунду за секунду! У нейтронных звезд - еще гораздо больше. Они представляют большую опасность для будущих космических кораблей: могут затянуть, а как вырваться? Пока представить это невозможно.

Самая главная для нас звезда - Солнце. От Солнца реально зависит жизнь человечества. Казалось бы, мы должны интересоваться всем, что происходит с Солнцем. Но вот факты:

Каждый четвертый россиянин считает, что "Солнце вращается вокруг Земли", а не наоборот. Социологи на протяжении нескольких лет задают россиянам этот вопрос, и всякий раз значительная часть населения демонстрирует приверженность альтернативному взгляду на устройство мира.

«Это социологический факт, который мы установили, затем перепроверили и снова подтвердили», — сообщил глава ВЦИОМа и признался, что был поражен ответом части россиян на этот вопрос — другие социологические данные его настолько не впечатляли.

На всякий случай сообщаем:

В действительности Земля вращается вокруг Солнца и делает полный оборот за 1 год.

Было бы смешно, если бы не было так печально!