Блог вчителя фізики та інформатики: 11 клас астрономія

11 квітня 2022 року

Тема:Еволюція зір. Білі карлики. Фiзично-змінні зорі. Нейтронні зорі. Чорні діри.

ПЛАН

Фізично змінні зорі
Еволюція зір
Червоні гіганти
Нейтронні зорі і пульсари
Чорні діри

1. За фізичними властивостями речовини в надрах всі відомі зорі поділяють на три основні групи: нормальні зорі, білі карлики й нейтронні зорі. Разом з тим нормальні зорі можуть бути й червоними карликами, і такими, як наше Сонце, і блакитними гігантами й надгігантами.
До нормальних належить абсолютна більшість усіх зір у Всесвіті, але часто зустрічаються ще змінні зорі – зорі, у яких спостерігається зміна блиску, що зумовлена процесами, які відбуваються у їхніх надрах.
У 1609 році при спостереженні зміни яскравості зорі було відкрито першу змінну зорю під назвою Міра (дивовижна). Ця зоря належить до сімейства фізично змінних зір. Зараз достовірно виявлено кілька десятків тисяч фізичних змінних зір у наший Галактиці й десятки тисяч в інших галактиках. Фізично змінні зорі поділяються на дві основні групи – пульсуючі та спалахуючи змінні зорі.
Найвідомішими серед пульсуючих змінних зір є цефеїди. Зараз відомо, що цефеїди – це зорі, оболонки яких здатні нагромаджувати енергію, що йде від глибин, а потім віддавати її. Зоря періодично стискається, розігріваючись, і розширюється, охолоджуючись. Тому енергія то поглинається зоряним газом, то знову виділяється. Внаслідок цього світність цефеїди змінюється в кілька разів з періодом у кілька діб. Аналіз показав, що пульсувати можуть лише зорі-гіганти і надгіганти, у яких є протяжні, розріджені оболонки.
Спалахуючими змінними зорями є нові та наднові зорі.
Давайте детальніше розглянемо їхні характеристики.
Нові зорі. (стор. 136 підручника) Зорі, блиск яких раптово зростає в тисячі й навіть мільйони разів, при чому цей процес періодично повторюється, називаються новими зорями. При цьому виділяється енергія, яку Сонце випромінює за 100 000 років. Початковий період спалаху нової до досягнення максимуму блиску триває кілька діб, після чого він повільно, впродовж років чи десятків років зменшується до початкового значення.
Виникнення спалахів нових зір пов'язане з особливостями обміну речовиною в тісних подвійних системах.
Коли одна із зір у тісній подвійній системі значно збільшує свої розміри (розширюється), її речовина починає вільно перетікати на другий компонент і осідає на поверхню компактної «сусідки» у щораз більшій кількості, збільшуючи її масу і температуру. У підсумку за характерний час від кількох до сотень років, температура й щільність її поверхневого шару збільшується до таких великих значень, що розпочинається термоядерна реакція.
При цьому виділяється величезна кількість енергії, що й спостерігається як вибух нової зорі зі швидким розширенням скинутої оболонки у навколишній простір. Після спалаху перетікання газу на білий карлик починається знову, і через деякий час спалах повторюється. Таким чином, у тісній подвійній системі спалахи нової повторюються багато разів.
За підрахунками щороку в Галактиці спалахує близько 200 нових, однак, виявляють тільки дві-три з них. Дотепер зареєстровано близько 180 спалахів нових у нашій Галактиці та близько 250 - у галактиці Андромеди.
Наднові зорі. (стор. 134 підручника) Наднові зорі – це зорі, блиск яких під час спалаху збільшується на десятки зоряних величин упродовж кількох діб.
Ця короткочасна астрономічна подія відбувається на кінцевих стадіях еволюції зір з масою у кілька разів більшою, ніж сонячна.
Спалах наднової зорі - явище незрівнянно більшого масштабу, ніж спалах нової, але кожне таке явище було настільки грандіозним, що фіксувалося в історичних хроніках. Так, наднова 1885 р. у галактиці М31 лише в 4 рази поступалася світловим потоком материнській галактиці. А наднова у галактиці NGC5253 приблизно у 13 разів перевершувала загальну її світність.
У максимумі блиску світність наднових перевищує сонячну у мільярди разів.
Під час вибуху наднова скидає свою оболонку, яка далі розширюється зі швидкістю від 5 000 до 20 000 км/с і через деякий час спостерігається у вигляді туманності специфічної форми.
Найвиразнішою серед них є знаменита Крабоподібна туманність у сузір'ї Тельця. Вона розширюється зі швидкістю біля 1 200 км/с і є одним із найпотужніших джерел радіовипромінювання у нашій Галактиці. У центрі туманності знаходиться пульсар діаметром близько 10 км, який є нейтронною зорею, що залишилася після вибуху наднової. Сучасні розміри туманності такі, що її розширення могло розпочатись не раніше як 900 років тому, тобто якраз тоді, коли спалахнула Наднова 1054 p., явище якої зафіксовано в китайських хроніках.
У нашій Галактиці за останні 1000 років достовірно спостерігались три наднові зорі: 1054 р. - в Тельці, 1572 р. - в Кассіопеї, 1604 р. - в Змієносці. Загалом у Галактиці виявлено (в основному радіоастрономічними методами) понад 100 залишків спалахів наднових.
В наш час відбувається інтенсивне відкриття наднових в інших галактиках (велику роль у цьому відіграють аматорські спостереження). У видимій частині нашої Галактики явище наднової трапляється один раз на 200-300 років.
2. Еволюція зір. (стор. 139 підручника)
Еволюція зір – зміна фізичних характеристик, хімічного складу та внутрішньої будови зорі з часом.
Зірки утворюються з космічних газопилових хмар, При стисканні під дією сили тяжіння згустку газу до його центру, його внутрішня частина поступово розігрівається. Коли температура в центрі досягне приблизно мільйона градусів, починаються ядерні реакції - утвориться зірка. Джерело енергії зірки знаходиться в його ядрі, де водень перетворюється на гелій у ході термоядерних реакцій.
Але як би довго не світили зорі, зокрема наше Сонце, пальне в них в кінці кінців закінчиться і вони будуть переходити на наступні стадії еволюції. А якими вони будуть залежить від маси самих зірок.
Ви вже знаєте, що місце зорі на діаграмі «спектр-світність» (стор. 130 підручника) залежить від її фізичних параметрів та стадії еволюції. Зорі головної послідовності — це зорі, що перебувають у найстабільнішій фазі свого життя, коли в їхніх ядрах відбувається синтез ядер гелію з протонів. Ця фаза становить майже 90 % життя будь-якої зорі. Саме тому більшість зір належать до головної послідовності.
На головній послідовності зоря проводить основну частину свого «життя», строк якого визначається її початковою масою. Масивна блакитна зоря з великими запасами водневого палива живе набагато менше часу, ніж маленький червоний карлик з його мізерними запасами. Адже інтенсивність термоядерних реакцій у надрах масивної зорі набагато вища, ніж у холодного червоного карлика.
Відхід зорі від головної послідовності. Після вигорання водню в центрі зорі навколо гелієвого ядра утворюється тонкий сферичний енерговиділяючий шар. Він поділяє зорю на дві зони - вигоріле ядро і зовнішню оболонку. Фізичні процеси у двох зонах зорі розгортаються по-різному.
У міру вичерпання водню цей прошарок щораз далі відсувається від центральної зони, збільшуючи розміри і масу ядра.
3. Червоні гіганти.
В дуже товстій оболонці зорі енергія шляхом конвекції переноситься до поверхневих шарів. Потужні конвективні течії виносять в атмосферу продукти згорання (зокрема вуглець та інші), які, переходячи в молекулярний стан, інтенсивно поглинають випромінювання з глибин, через що атмосфера стає непрозорою. Під дією значного тиску випромінювання зсередини оболонка починає розбухати, досягаючи сотень і навіть тисяч радіусів Сонця завтовшки. Для зорі з масою Сонця такий процес починається, коли маса гелієвого ядра досягає 0,4 маси Сонця.
Через велетенські розміри поверхні температура зорі поступово знижується, і вона, пересуваючись праворуч упоперек головної послідовності, поступово зміщується у правий верхній кут діаграми спектр-світність.
Отже, Червоний гігант - це велика зірка червонуватого або оранжевого кольору в пізньої стадії еволюції, коли запаси водню підходять до кінця і гелій починає перетворюватися в інші елементи.
Врешті-решт шар енерговиділення відсувається так далеко від ядра, що через низьку температуру водневі реакції значно зменшують свою інтенсивність. Тепер температура і тиск у ядрі не можуть підтримуватись на рівні, необхідному для протидії силі гравітації, воно починає стискатись, а температура в ньому за рахунок енергії гравітаційного стиснення зростає. У центрі утворюється дуже щільна гаряча область із гелію з домішками важчих елементів. Подальший розвиток подій залежить від початкової маси зорі.
Маломасивні зорі, як наше Сонце і менші за нього, утворюють вуглецево-кисневе ядро, яке знаходиться всередині червоного гіганта. Протяжна оболонка гіганта гравітаційно дуже слабко пов'язана з ядром. Під дією тиску випромінювання зсередини вона або поступово стікає у простір, або через 10-20 тис. років відділяється від ядра у вигляді планетарної туманності, розширюючись зі швидкістю до 20 км/с. Гаряче ядро з гелію, що залишилося, стає білим карликом - компактним об'єктом із розмірами, які залежно від маси можуть бути навіть меншими від розмірів Землі в десятки разів. Густина речовини білих карликів може становити від 1 кг/см3 до 100 т/см3.
По-іншому проходить заключний етап еволюції масивних зір. В залежності від кінцевої маси ядра, яке утворюється після вичерпання всіх можливих видів термоядерного палива, вони можуть закінчити свій життєвий шлях або у вигляді нейтронної зорі, або спалахом наднової зорі, або у вигляді чорної діри.
4. Нейтронні зорі і пульсари.
Як показали теоретичні розрахунки, зорі з масою 3-8МСонця при масі ядра до 1,5МСонця, не можуть зупинитись на стадії білого карлика. Як тільки у зорі утворилось ядро, що досягло таких меж, тиск газу не може забезпечити протидію силам гравітації і, проминувши стадію білого карлика, ядро продовжує стрімко стискатися. Такий процес називається гравітаційним колапсом.
Розрахунки показують, що для зорі, удвічі масивнішої за Сонце, через деякий час гравітаційний колапс дещо сповільнюється і починається утворення гарячої нейтронної зорі - електрони «впресовуються» в протони, утворюючи нейтрони.
Отже, нейтронні зорі – це надгусті зорі, речовина яких складається з нейтронів. При досягненні температури Т = 1012 К і густини 1 млрд т/см3 гравітаційний колапс узагалі припиняється і вся велетенська маса зорі зосереджується в невеликому об'ємі діаметром близько 10 кілометрів. При колапсі від розмірів у тисячу кілометрів до десяти кілометрів період обертання зменшується до сотих і навіть тисячних часток секунди, а також дуже сильно ущільнюється магнітне поле. На поверхні нейтронної зорі, де ще є вільні електрони, потужне магнітне поле розганяє їх до швидкостей, близьких до швидкості світла, і викидає у навколишній простір. При цьому електрони випромінюють у напрямку свого руху, утворюючи два вузьких пучки електромагнітних хвиль різних діапазонів.
Як правило, магнітні полюси не збігаються з полюсами обертання, і пучки обертаються навколо осі з періодом, що дорівнює періоду обертання зорі. Якщо конуси випромінювання, описуючи кола у просторі, пробігають по земній поверхні, ми спостерігаємо їх як пульсуюче радіо-, оптичне, рентгенівське або гамма-випромінювання. Так пояснюється явище пульсарів. Отже, назва «пульсари» не зовсім точна, адже ці об'єкти не пульсують, а обертаються.
Таким чином пульсар – це величезна намагнічена дзиґа, яка крутиться навколо осі, яка не збігається з віссю магніту.
Влітку 1967 р. за допомогою радіотелескопа у Кембриджі (Великобританія) було відкрито пульсуючі джерела радіовипромінювання або просто пульсари. Коли ж було відкрито досить багато пульсарів, виявилося, що деякі з них спостерігаються в залишках спалахів наднових зір.
Найвідоміший пульсар з періодом 0,033 с знаходиться в Крабоподібній туманності.
5. Чорні діри.
Чорна діра — астрофізичний об’єкт, який створює настільки велику силу тяжіння, що жодні як завгодно швидкі частинки не можуть покинути його поверхню, в т. ч. світло. Навколо чорної діри існує математично визначена поверхня, що називається горизонтом подій, яка визначає точку, з якої вже немає повернення. Вона називається "чорною", тому що поглинає все світло, що потрапляє на горизонт, нічого не відбиваючи
Очікується, що чорні діри утворюються, коли у зорі масою більше 20 мас Сонця закінчується паливо. Це призводить до скидання зовнішніх шарів газу при вибуху наднової. Ядро зорі колапсує і стає надгустим, так що навіть атомні ядра стискаються разом. Густина енергії у ядрі при цьому прямує до нескінченності. Після того, як чорна діра утворилася, вона може продовжувати рости, поглинаючи масу зі свого оточення та зливаючись з іншими чорними дірами. Таким чином можуть утворитися надмасивні чорні діри з масами порядку мільйонів мас Сонця. Припускають, що надмасивні чорні діри існують в центрах більшості галактик. Зокрема, є беззаперечний доказ існування чорної діри масою більше 4 мільйонів мас Сонця у центрі нашої Галактики.
Незважаючи на невидимість структури, присутність чорної діри може бути виявлена через її взаємодію з іншою матерією, світлом або іншим електромагнітним випромінюванням. Із зоряних рухів може бути обчислена маса та положення невидимого компонента. Було відкрито близько шести подвійних зоряних систем, в яких одна з зір невидима, але має існувати, тому що вона змушує своєю гравітаційною силою іншу, видиму зорю обертатися навколо їх спільного центру мас. Таким чином, ці невидимі зорі є добрими кандидатами у чорні діри. Астрономи ідентифікували численні кандидати у чорні діри зоряних мас у подвійних системах, вивчаючи рух їх компаньйонів таким чином.
Зоряний попіл для нас. Треба зазначити, що при спалахах наднових у її оболонці під дією величезного тиску і температури утворюються всі хімічні елементи з таблиці Менделєєва, з який складається наша планета і наші тіла зокрема. І ці елементи разом зі скинутою речовиною зорі потрапляють у міжзоряний простір. Таким чином, тільки через вибухи наднових міжзоряне середовище збагачується прихованими раніше у надрах зір важкими елементами. Проникаючи у хмари газу та пилу, вони входять потім до складу зір другого покоління, які утворюються із вторинної речовини Всесвіту, а разом з тим ідо складу планет. Мабуть, саме такий спалах наднової відбувся колись в околицях того газово-пилового комплексу, із якого згодом утворилися Сонце - зоря другого покоління - і Сонячна система. Значення вибухів наднових для розвитку життя важко переоцінити. Отже, те, що ми створені з попелу давно згаслих зір - не просто красива фраза. Вона дуже точно відображає події, що відбуваються у Всесвіті.
Виконати завдання: