Презентация - Физическая природа звезд

Физическая природа звезд

Космос - звезды и планеты, галактики и туманности — огромный загадочный мир, понять который с древних времен хотят люди. Сначала астрология, а затем и астрономия стремились познать законы протекающей на его просторах жизни. Сегодня можно смело говорить, что нам известно многое, но внушительная часть процессов и явлений имеет лишь предположительное объяснение. Физическая природа звезд — один из широко обсуждаемых вопросов в астрономии. Сегодня в целом картина ясна, однако остаются и пробелы в наших знаниях о небесных светилах.

Любая звезда представляет собой газовый шар, постоянно испускающий свет. Силы гравитации и внутреннего давления предотвращают его разрушение. Физическая природа звезд такова, что в ее недрах постоянно протекают термоядерные реакции. Они прекращаются лишь на определенных стадиях развития светила, о чем будет сказано ниже.

При хороших погодных условиях и отсутствии искусственного освещения на небе можно разглядеть до 3000 тысяч звезд в каждом полушарии. Однако это лишь малая часть того количества, что наполняет космос. Самая близкая к нам звезда — это Солнце. Изучая его поведение, ученые очень многое узнают о светилах вообще. Наиболее близкая звезда вне Солнечной системы — Проксима Центавра. Ее отделяет от нас примерно 4,2 световых года.

Наука о звездах знает сегодня достаточно, чтобы понимать, как влияют на их эволюцию основные характеристики. Наиболее важными параметрами для любого светила являются масса и состав. Они определяют продолжительность существования, особенности прохождения разных этапов и все прочие характеристики, например, спектр, размер, блеск. Однако в силу огромного расстояния, отделяющего нас от всех звезд, кроме Солнца, не всегда есть возможность получить точные данные о них.

В современных условиях более или менее точные данные о массе звезд можно получить только в том случае, если они являются компаньонами двойной системы. Однако и такие вычисления дают достаточно высокую погрешность — от 20 до 60%. Для остальных звезд масса вычисляется косвенно. Ее выводят из различных известных соотношений (например, масса — светимость).

Физическая природа звезд с изменением этого параметра остается прежней, но многие процессы начинают течь в несколько иной плоскости. Масса непосредственно влияет на тепловое и механическое равновесие всего космического тела. Чем она больше, тем значительнее газовое давление и температура в центре звезды, а также количество вырабатываемой термоядерной энергии. Для поддержания теплового равновесия светило должно излучить столько же, сколько образовалось в его недрах. Для этого происходит изменение диаметра звезды. Подобные изменения продолжаются, пока не установятся оба типа равновесия.

Основа звезды — это водород и гелий. Кроме них, в состав в разном соотношении входят и более тяжелые элементы. «Полный набор» свидетельствует о возрасте и поколении светила, указывает на некоторые другие его свойства. Процентное содержание более тяжелых элементов крайне мало, однако именно они влияют на скорость протекания термоядерного синтеза. Его замедление и ускорение отражается на яркости, цвете и продолжительности жизни светила. Знание химического состава звезды позволяет без труда определить время ее образования.

Процесс формирования светил еще недостаточно изучен. Полному пониманию картины мешают огромные расстояния и невозможность непосредственного наблюдения. Однако сегодня существует общепринятая концепция, описывающая рождение звезды.
По-видимому, светила образуются из межзвездного газа, сжимающегося под действием собственной гравитации. При этом энергия тяготения преобразуется в тепло — растет температура сформировавшейся глобулы. Завершается этот процесс, когда ядро разогревается до нескольких миллионов Кельвинов и запускается образование более тяжелых, чем водород, элементов (нуклеосинтез). Такой звезда остается достаточно длительное время, располагаясь на Главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела.

Красный гигант Следующий этап эволюции начинается после исчерпания ядром всего топлива. Весь водород в центре звезды превращается в гелий и его горение продолжается во внешних оболочках светила. Космическое тело начинает изменяться. Увеличивается его светимость, внешние слои расширяются, а внутренние, наоборот, сжимаются, временно снижается яркость, падает температура поверхности. Звезда сходит с Главной последовательности и становится красным гигантом. В таком состоянии светило проводит гораздо меньшее время своей жизни, чем на предыдущей стадии.

Вскоре (по космическим меркам) ядро снова начинает сжиматься, не выдерживая собственного веса. Возрастающая температура при этом стимулирует начало синтеза из гелия более тяжелых элементов. На таком топливе звезда также может просуществовать достаточно долго. Дальнейшие события зависят от первоначальных параметров светила. Массивные звезды проходят еще несколько стадий, когда в качестве топлива начинает выступать сначала углерод (образовался из гелия), а затем кремний (образовался из углерода). В результате переработки последнего образуется железо. К этому моменту наступает завершающая стадия жизни звезды, когда она может преобразоваться в нейтронную. Однако большинство светил после выгорания всего водорода в красном гиганте превращаются в белых карликов.

Нужно заметить, что не всякая яркая звезда, внезапно загоревшаяся на небе, является «новорожденной». Как правило, это так называемая переменная — светило, чей блеск со временем изменяется. Объекты, обозначаемые в астрономии как «новая звезда», также не относятся к только что появившимся телам. Они относятся к катаклизмическим переменным, достаточно резко меняющим свой блеск. Однако сверхновые их в этом значительно опережают: амплитуда изменения у них может составлять до 9 величин.

Физическая природа звезд во многом сегодня понятна, хотя нет гарантии, что новые данные не опровергнут устоявшиеся теории. Принятые гипотезы и идеи доминируют в науке лишь до того момента, пока могут объяснить наблюдаемые феномены. Каждая новая звезда, обнаруженная на просторах Вселенной, выявляет нерешенные задачи астрономии. Существующее понимание космических процессов далеко не полно, в нем есть достаточно обширные пробелы, касающиеся, например, процесса формирования черных дыр, сверхновых и так далее. Однако, независимо от состояния теории, небесные светила продолжают радовать нас по ночам. В сущности, яркая звезда не перестанет быть прекрасной, если мы полностью познаем ее природу. Или же, наоборот, прекратим всякое изучение.