Подобно нейтронной звезде, она может стягивать на себя газ с обычной звезды. Этот газ будет закручиваться орбитальным движением вокруг черной дыры, образуя диск. Трение частиц друг с другом нагревает их до десятков миллионов Кельвинов, и газ начинает испускать рентгеновские лучи. В результате дыра-невидимка окажется окутанной ореолом мощного рентгеновского излучения, которое можно «уловить» из космоса. В отличие от излучения рентгеновских пульсаров, оно стабильно.
Однако самым надежным критерием установления принадлежности рентгеновского источника к черным дырам является измерение его массы. Массы компонентов двойной системы можно измерить по их орбитальному движению. И вот оказалось, что у четырех рентгеновских двойных массы рентгеновских источников не менее чем в пять-семь раз превосходят массу Солнца. Первый такой объект — Лебедь Х-1. Ученые считают, что в созвездии Лебедя открыта первая черная дыра во Вселенной. Назовем еще три черные дыры по порядку их открытия: LМС Х-3 в Большом Магеллановом Облаке (БМО — спутник нашей Галактики), А0620-00 в экваториальном созвездии Единорога и совсем недавно открытая система V404 Лебедя. В последнее время появилось еще несколько претендентов в черные дыры. Есть предположения, что в ядрах активных галактик существуют черные дыры с очень большими массами — до 1 млрд масс Солнца!
Струи раскаленного газа, исходящие от оптической (видимой) звезды-сверхгиганта, закручиваются вокруг черной дыры по сходящейся к ее центру спирали и исчезают в ней. Падение на нее новых порций вещества только увеличивает массу черной дыры, но заполнить дыру «до краев» нельзя ничем!
Космический корабль вне чёрной дыры может двигаться в любом направлении. Но не приведи Бог оказаться путешественникам под горизонтом событий черной дыры. Оттуда нет выхода назад! И независимо от мощности двигателей корабль с большим ускорением станет падать к центру чёрной дыры. Движение в обратном направлении (от центра!) просто невозможно. При этом приливные силы неограниченно нарастают и разрывают корабль на части... Проникновение в чёрную дыру равносильно самоубийству.
Допустим, что космонавту, оказавшемуся под горизонтом событий, то есть в черной дыре, удалось каким-то образом уцелеть. Тогда он увидел бы совершенно другую Вселенную и, вероятно, свое будущее. Объяснить это можно тем, что внутри чёрной дыры пространственная и временная координаты как бы меняются местами и путешествие в пространстве здесь заменяется путешествием во времени. Но так ли безвозвратно исчезает все вещество в этой бездонной «черной пропасти»?
Оказалось, что ничего не излучающие «мертвые» чёрные дыры могут «испаряться» в результате так называемых квантовых процессов, протекающих в сильных гравитационных полях. На первый взгляд это кажется еще более удивительным, чем сам факт существования черных дыр. Теоретические исследования английского ученого С. Хоукинга показали: если на чёрную дыру не падают извне вещество и излучение, она начинает терять массу и уменьшается. Мало того, она может даже полностью «испариться»! Принципиальная важность этого (пока чисто теоретического) положения состоит в том, что опровергнуто представление о вечности чёрных дыр: они способны медленно исчезать, превращаясь в тепловое излучение. В конце же эволюции чёрной дыры происходит лавинообразное выделение энергии, эквивалентное взрыву 1 млн мегатонных водородных бомб!
Открытие чёрных дыр — это важное доказательство наличия во Вселенной совершенно необычных — релятивистских пространственно-временных структур, это и новое осмысление процессов эволюции материи во Вселенной.
Ещё раз о судьбах звезд
Большинство исследователей звёздной Вселенной сходятся на мысли, что гравитационное сжатие галактических газопылевых облаков является главенствующим процессом образования звёзд. Правда, существует и совершенно иная точка зрения на «предысторию» огненных светил. Так, академик Виктор Амазаспович Амбарцумян (1908—1996) обосновал гипотезу, согласно которой звезды и галактики возникают из гипотетического сверхплотного «дозвёздного» вещества. Не исключено, что этот процесс тоже имеет место. Но вот звезда тем или иным образом родилась. Что будет с ней дальше? По какому пути пойдет ее развитие?
Моделирование на ЭВМ показало, что звезды могут рождаться различных типов и поэтому их развитие должно протекать по-разному. Этот вывод подтверждают и наблюдения звёзд, выполненные в разных диапазонах спектра.
Как только в недрах протозвезды температура повысится до 10 млн К, там начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. При этом выделяющаяся энергия разогревает вещество до самосвечения. Огромное лучевое давление останавливает дальнейшее сжатие, и протозвезда превращается в обычную звезду главной последовательности диаграммы Герцшпрунга—Рессела. А так как светимость и поверхностная температура звезды зависят от ее массы (светимость звезды примерно пропорциональна четвертой степени ее массы), то звезды вступают на разные участки главной последовательности: массивные — выше Солнца, а звезды малой массы — ниже нашего светила. Продолжительность пребывания звезды на главной последовательности тоже зависит от ее первоначальной массы. Массивные звезды, излучающие большое количество энергии, довольно быстро расходуют запасы своего ядерного «горючего». Так, например, горячие голубые гиганты с массой, превышающей солнечную в 20 раз, находятся в стационарной стадии всего лишь немногим более 1 млн лет, в то время как звезды, подобные Солнцу, «живут» на главной последовательности 10—15 млрд лет и больше.
После выгорания водорода в недрах звезды образуется гелиевое ядро. Теперь «термояд» будет совершаться не в центре звезды, а в слое, прилегающем к ядру. В результате этого ядро начинает сжиматься. Последнее обстоятельство неизбежно приводит к разогреванию гелиевого ядра. Но рост температуры внутри звезды тоже зависит от ее массы. У звезд, уступающих по массе нашему Солнцу в пять и более раз, температура ядра хотя и повышается, но остается недостаточной для возникновения в нем новых термоядерных реакций. Зато у более массивных звезд температура ядра при сжатии достигает экстремального значения, и в нем начинается превращение гелия в углерод, а потом углерод превращается в другие более тяжёлые химические элементы.
Во внутренней части ядра звёзд из углерода синтезируются кислород и кремний. Окончательный продукт термоядерного ''горения" в звёздах - железо с атомным номером 26.
Хотя простого накопления атомных ядер в результате реакций термоядерного "горения" в звёздах недостаточно для создания ядра более тяжёлого, чем у Fе26, этот же процесс (термоядерный синтез) приводит к образованию нейтронов (n), которые не несут электрического заряда и потому сравнительно легко включаются в атомное ядро. Это явление известно как реакция захвата нейтронов. Именно за счёт него в звёздах возникают элементы с атомными номерами вплоть до 83 (висмут).
Таким образом, все химические элементы во Вселенной, от Н1 до Вi83 появились в процессе последовательных термоядерных реакций, начало которым дал Большой взрыв с последующим стремительным расширением Вселенной. Данный процесс последовательного образования всё более сложных и тяжёлых элементов за счёт термоядерного "горения" носит общее название нуклеосинтез и подразделяется на несколько стадий. На ранней стадии, занявшей первые минуты после Большого взрыва, за счёт взаимодействия элементарных частиц протоматерии возникли Н1 и Не2. Далее, в процессе первичного структурирования Вселенной, занявшего около 300 тыс. лет, образовались лёгкие элементы до В5 включительно. К тому времени Вселенная настолько расширилась и остыла, что "ядерный фейерверк" в ней прекратился. Но на этой стадии уже появились первые звёзды, в центральных областях которых за счёт сжатия температура поднялась настолько, что стали возможными реакции термоядерного синтеза более тяжёлых элементов - от С6 до Fе26. Однако простого накопления атомных ядер недостаточно для формирования ядра более тяжелого, чем у Fе26. Поэтому на зрелой стадии нуклеосинтеза более сложные и тяжёлые элементы (от Со27 до Вi83) образовывались уже за счёт захвата медленных нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Однако и такой процесс не может продолжаться до бесконечности: если атомное ядро несёт в себе слишком много нейтронов, оно становится нестабильным и распадается. Для того чтобы получить ядро более тяжёлое, чем у 209Вi83 необходимо облучение чрезвычайно мощным потоком быстрых нейтронов. Здесь начинается следующий процесс образования элементов, тесно связанный с эволюцией зв ё зд.
Поскольку идущее в звёздах термоядерное "горение" - чрезвычайно производительный источник энергии, жизнь любой звезды имеет длительный стабильный период, который называется главной последовательностью. Например, у звёзд типа Солнца, которое, как уже говорилось, находится на главной последовательности, он продолжается примерно 1010 лет. Звёзды, более массивные, чем Солнце, находятся на главной последовательности дольше, а менее массивные звёзды, наоборот, меньший промежуток времени.
Однако в конце концов водород - основное "горючее" термоядерных реакций в звёздах любой массы - начинает иссякать. В результате у звезды формируется гелиевое ядро с примесью всех элементов, образовавшихся в процессе нуклеосинтеза, размеры которого непрерывно растут, а окружающая ядро оболочка сгорающего водорода медленно смещается к внешним областям. Внутренняя область звезды, лишенная водородного "горючего", охлаждается и сжимается, оставляя внешние части звезды без поддержки, так что они тоже сжимаются и резко нагреваются (этот процесс называется коллапсом звезды). Но во внешних частях звезды еще содержится много несожженного водородного "горючего", и, поскольку термоядерные реакции чрезвычайно чувствительны к температуре, процесс развивается неудержимо: термоядерное "горение" повышает температуру, а это, в свою очередь, ускоряет сгорание водорода. У звезды нет уже времени приспособиться к новой обстановке, и большая часть оставшегося у неё водородного "горючего" сгорает в считанные секунды. Взорванная внешняя оболочка звезды рассеивается в . космическом пространстве.
Такой катастрофический конец эволюции звёзд называется взрывом Сверхновых. Название "Сверхновые" эти звезды получили потому, что в течение нескольких недель перед взрывом они могут светиться так же ярко, как целая звёздная галактика. Самая известная Сверхновая наблюдалась китайскими астрономами в 1054 г., а её быстро разлетающиеся осколки до сих пор видны и образуют Крабовидную туманность. Взрывы Сверхновых (точнее, последние моменты звёздной эволюции перед взрывами) как раз и создают потоки быстрых нейтронов, необходимых для образования химических элементов тяжелее 209Вi83.
Следует иметь в виду, что все описанные выше процессы, кроме возникновения лёгких элементов сразу же после Большого взрыва, повторялись во Вселенной многократно. Элементы образовывались накопительно: каждая звезда в процессе своей эволюции создавала определенную порцию сложных элементов из простейших, затем эта звезда превращалась в Сверхновую и взрывалась, её вещество возвращалось в межзвездную среду и включалось в состав других звезд. Таким образом, в производство элементов, из которых построена Земля и создан сам человек, было вовлечено много Сверхновых, причём каждая последующая генерация звёзд наследовала химический состав предыдущих. Между временем Большого взрыва (15 - 20 млрд лет назад) и временем, когда образовалась Солнечная система (около 5 млрд лет назад), во Вселенной сменилось много поколений звёзд, которые превращались в Сверхновые, взрывались и понемногу обогащали межзвездное пространство, а значит, и более поздние звёзды, тяжёлыми элементами.
Рассмотрим финальную картину эволюции звёзд.
В результате усиления газового давления фотосфера звезды начинает медленно расширяться, а её поверхностная температура понижается. Звезда сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант или сверхгигант. Многие звёзды, по-видимому, не сразу становятся устойчивыми гигантами. Проходя в своем развитии стадию жёлтого сверхгиганта, звезда может оказаться пульсирующей цефеидой, то есть физической переменной звездой.
Заключительный этап жизни звезды практически целиком зависит от её остаточной массы. Раздувшаяся оболочка звезды, по массе схожей с нашим Солнцем, будет слабо притягиваться её ядром. Постепенно расширяясь, она в конце концов совсем отделится от ядра и превратится в планетарную туманность. А на месте бывшего красного гиганта останется лишь его горячее ядро – белый карлик, который будет медленно остывать и станет невидимым чёрным карликом, то есть «потухшей звездой».
Эволюция самых массивных звёзд протекает стремительно и бурно. В конце своей жизни массивное солнце может взорваться сверхновой. Обычно вспышка сверхновой происходит после того. Как в центре звезды образуется железное ядро – конечный продукт термоядерных реакций. Внутренне давление в таком ядре уже не в состоянии противостоять гравитационному сжатию. В условиях высочайшей температуры и чудовищного давления ядра атомов железа распадаются на нейтроны и протоны, и звёздное ядро, резко сжимаясь, превращается в «крошечную» нейтронную звезду. А сброшенная звездой оболочка, обогащённая тяжёлыми химическими элементами, будет служить материалом для формирования в галактическом пространстве звёзд нового поколения. Есть все основания утверждать, что наше Солнце — звезда второго поколения, ибо оно содержит примеси вещества, прошедшего через «горнило» звёзд первого поколения. И наконец, самые увесистые ядра взорвавшихся сверхновых в процессе неограниченного сжатия «проваливаются» в чёрные дыры.
Итак, характер всей жизни звезды и её конечная судьба определяются массой небесного светила. И тут возникает вопрос: а как велики бывают потери звездой своей массы? Сказывается ли это на её эволюции? Наше Солнце, например, за счёт излучения «худеет» примерно на 200 триллионов (2·1014) тонн ежегодно. Кроме того, в результате постоянного истечения вещества из внешней оболочки светила, получившего название солнечного ветра, оно каждый год дополнительно теряет 20 триллионов т своей массы. Одним словом, в течение 27 млн лет наше дневное светило теряет 6·1021 т вещества, что равно массе Земли. Нетрудно подсчитать, что к концу своей жизни (возраст Солнца оценивается примерно в 5 млрд лет, и жить ему осталось столько же) Солнце «похудеет» совсем немного — на одну тысячную долю своей первоначальной массы. В численном выражении эта потеря массы составит 2·1024 т (масса Солнца - 2·1027 т). В эволюции Солнца это не может играть какой-либо существенной роли.
Схема эволюции зв ё зд с различной массой. Характер развития звезды определяется критическими значениями е ё массы: 1 — масса звезды (М3) меньше солнечной в 5 раз и более; 2 — М3 (точнее, е ё ядра) от 0,2 до 1,2 массы Солнца; 3 — М3 от 1,2 до 3 масс Солнца; 4 — М3 в 3 и более раз превосходит массу Солнца
Совсем иная картина вырисовывается, когда мы обращаемся к горячим звёздам с большой массой. Поверхность- таких звёзд охвачена поистине чудовищным ураганом. Огненные фонтаны вещества вырываются из звёздных недр. Струи раскаленных газов с огромнейшей скоростью разлетаются во все стороны. Звезда буквально истекает газовыми потоками — звездным ветром. Она сама себя разрушает и губит. Наглядным примером таких звёзд-«само- убийц» могут служить звезды типа Вольфа—Райе. Они особенно энергично извергают в окружающее пространство своё вещество. Вокруг этих звёзд, погруженных в газовые туманности, звёздный ветер «выдувает» гигантские «пузыри» межзвёздного газа. Один из таких пузырей наблюдается в созвездии Большого Пса. Масса находящегося внутри него горячего ионизованного газа в 20 раз превышает массу Солнца. А внешняя оболочка этого гигантского газового шара (его размер около 10 пк) расширяется со скоростью 60 км/с!
Массивные звёзды в ходе эволюции теряют в среднем более 10% своей массы, что уже существенно влияет на конечный результат их развития. Так, согласно классической теории эволюции звёзд (то есть без учета потери массы), все звёзды с массой более трёх масс Солнца должны в конце концов превращаться в чёрные дыры. В действительности же ничего подобного не происходит. Остаточная масса у этих звёзд такова, что они не в состоянии дотянуть даже до нейтронной звезды и заканчивают свою старость белыми карликами. Видимо, поэтому вспышки сверхновых наблюдаются не так часто, как это предсказывает классическая теория звёздной эволюции. Резкое возрастание потери вещества при увеличении начальной массы звезды вполне объясняет и отсутствие в природе звёзд с массами больше 100 солнечных масс.
Эта волокнистая туманность — свидетельство о гибели еще одной звезды
Намного проще складывается судьба маломассивных звёзд, масса которых в несколько раз меньше солнечной массы. Такая звезда после исчерпания водорода будет медленно сжиматься и остывать, пока не превратится в холодный гелиевый карлик. Размеренная жизнь карликовой звезды может длиться 80— 100 млрд лет: скудные энергетические запасы карликовая звезда расходует исключительно бережно.
Рассмотрев схематично эволюцию звёзд с различной массой, мы можем теперь ответить на вопрос: какие звёзды моложе, а какие старше? Так, например, звёзды, расположенные в верхней части главной последовательности, — это, безусловно, молодые звёзды. Из числа наиболее ярких звёзд к молодым относятся горячие звёзды с голубоватым оттенком — Спика, Регул, Ригель и горячие звёзды чисто белого цвета — Вега, Сириус, Кастор, Денеб, Альтаир.
Красные карлики, занимающие всю нижнюю часть главной последовательности,— самые старые звёзды. К «старикам» следует отнести белые карлики, а также красные гиганты и сверхгиганты (Бетельгейзе, Антарес), хотя их век был совсем недолог.
Загадка красного Сириуса
Кто из нас не любовался на зимнем небе искрящимся Сириусом? Египтяне его обожествляли: называли Сотис, то есть «сияющая» звезда, слеза Исиды (в древнеегипетской мифологии Исида — богиня плодородия, воды и ветра). Слеза эта, упав, как бы переполняла верховья Нила — с появлением Сириуса в лучах зари наступало половодье. Таким образом, для древних земледельцев Нильской долины Сириус был важным небесным предвестником. Только вот загадка: почему в начале нашего летосчисления авторитетные учёные древности относили Сириус к красным звёздам? В своем знаменитом «Альмагесте» Клавдий Птолемей поместил Сириус в группу таких красных светил, как Антарес, Бетельгейзе, Альдебаран...
В 1874 году датский астроном Шеллеруп опубликовал в Петербурге свой перевод сочинения персидского астронома X века Аль-Суфи. Это был звёздный каталог с оценками блеска и цвета звёзд. Но Аль-Суфи Сириус представлялся уже таким, каким видим его мы. Выходит, что в течение одного тысячелетия Сириус превратился из красного в... белую звезду! Возможно ли столь быстрое превращение?
Многие астрономы конца XIX и начала XX века, опираясь на распространенную в то время идею о развитии звезды от горячей стадии к холодной, категорически отрицали возможность обратного перехода. Но так ли это?
Сириус — двойная звезда. Она состоит из главной звезды (Сириуса А) и его спутника (Сириуса В). Обе звезды обращаются вокруг общего центра масс системы. Как известно, спутник Сириуса — белый карлик. При массе, равной почти солнечной, он меньше Земли и, следовательно, имеет невообразимо большую плотность: средняя плотность его вещества в 2 млн 800 тыс. раз больше плотности воды! 1 см3 такого вещества на Земле весил бы 2800 кг! Так, может быть, в диковинной звезде Сириус В кроется разгадка красного Сириуса?
Можно представить, что несколько миллионов лет назад Сириус В, находившийся тогда на заключительном этапе развития, расширился и превратился в красный гигант. Затем он сбросил раздувшуюся оболочку, и на месте красного гиганта осталось лишь его горячее ядро — белый карлик. Современная теория звёздной эволюции признает возможность такого направления в развитии звезды — от красной к белой, только на подобное превращение требуется по меньшей мере 1 млн лет. Как обойти это затруднение с Сириусом? Остаётся предположить, что процесс начался задолго до нашей эры и во времена Сенеки и Птолемея ещё не завершился, когда система Сириуса выглядела уже достаточно красной.
Казалось бы, проблема исчерпана и можно поставить точку. Но не будем торопиться с выводами, ибо есть и другие версии. Американский ученый Роджер Кераджоли отстаивает, например, свою точку зрения: Сириус никогда не был красной звездой! Всё обстоит гораздо проще, считает астроном. Древние ежегодно наблюдали первое появление Сириуса на небе в лучах утренней зари. И вблизи горизонта звезда могла казаться красной вследствие атмосферного рассеяния света точно так же, как это бывает с Солнцем или Луной.
Что ж, рассуждение вполне правильное. Но ведь и белый карлик (Сириус В) мог образоваться только из красного гиганта. По-видимому, божественная звезда в глубокой древности действительно была красной.
Созвездие Большого Пса и Сириус.
Что будет с нашим Солнцем?
Вот уже почти 5 млрд лет Солнце ежесекундно излучает огромное количество энергии. За это время оно использовало около половины своих водородных запасов, а это значит, что дневное светило находится на середине своего жизненного пути. Относительно спокойно жить ему осталось «всего»... 3,5 млрд лет.
Что же произойдет с Солнцем, когда весь водород в его ядре «выгорит»? Мы
уже говорили, что звезда — это тонко сбалансированный природный механизм, а Солнце — тоже звезда, главная звезда людей. И если выделение энергии в центральных областях Солнца ослабеет, а затем и вовсе прекратится, давление излучения резко упадет и не сможет противодействовать силе тяготения, сжимающей звезду. Ядро Солнца начнет сжиматься, а температура его будет повышаться.
В этом плотном и горячем ядре, состоящем из гелия (в который превратится водород), ядерные реакции протекать не будут. Зато довольно интенсивно они начнут совершаться на периферии ядра: водород, падающий к центру Солнца, будет нагреваться до такой степени, что начнется его сгорание в тонком слое, окружающем ядро. Таким образом, появится новый источник энергии. Верхние слои Солнца нагреются и начнут расширяться, пока не станут достаточно разреженными, чтобы лучше пропускать избыточное излучение. В результате температура поверхности Солнца уменьшится — оно превратится в красный гигант. Столь знаменательное событие в жизни нашего дневного светила должно произойти примерно через 4,8 млрд лет. И хотя поверхностная температура красного гиганта заметно уменьшится, в целом светило станет намного ярче теперешнего Солнца, да и греть оно будет нестерпимо. И Земля закипит...
В стадии красного гиганта Солнце будет непомерно расходовать ограниченные резервы ядерного топлива. В его оболочке водород будет сгорать все быстрее и быстрее. А в центральной зоне светила будет продолжаться накапливание ядерной золы — гелия. Температура там начнет расти, и когда она достигнет примерно 200 млн градусов, гелий сам станет ядерным горючим — в глубинах Солнца возникнет новая ядерная реакция: образование ядер атомов углерода путем слияния трех ядер гелия в одно ядро. Сжатие центральных областей Солнца прекратится. Эта смена ядерного горючего, то есть «воспламенение» гелия, ожидается через 6,4 млрд лет.
В течение следующих 1,3 млрд лет начнется медленное расширение Солнца. Вступив на новый этап развития, красный гигант заполнит собой орбиту Меркурия. Тогда при наблюдении с Земли (только будет ли кому наблюдать?) видимый диаметр солнечного диска увеличится в 40 раз!
Неизбежно наступит момент, когда реакция «гелий—углерод» в недрах гигантской звезды исчерпает себя так же, как со временем исчерпает себя реакция «водород—гелий». Что произойдет с Солнцем дальше? Данные наблюдений звезд типа Солнце, а также теоретические расчеты и моделирование говорят о том, что звезды, подобные нашему светилу, в конце своего существования как красного гиганта теряют устойчивость. Звездное ядро уменьшается в размерах и становится горячее. Усилившееся давление излучения «сбрасывает» наружную оболочку звезды. Эта конечная вспышка приведет, по всей вероятности, к тому, что Солнце — красный гигант на короткое время «разбухнет» до орбиты Земли... Как видим, заключительная стадия эволюции нашего великого светила будет протекать весьма бурно. И хотя здесь нет ничего похожего на взрыв новой или сверхновой, но и такая вспышка грозит гибелью самой нашей планете, ее дальнейшему существованию.
Наружная оболочка, отделившаяся от Солнца, будет разлетаться в космическом пространстве, а в самом центре ее засияет маленькая, но очень горячая звезда с температурой поверхности около 100 тыс. градусов. Эта «центральная» звезда (по сути дела, солнечное ядро) — то, что останется от бывшего светила. Сорванная вспышкой оболочка через несколько десятков тысяч лет рассеется в космическом пространстве, а раскаленное солнечное ядро, постепенно охлаждаясь, превратится в очень плотную звезду — белый карлик размером с нашу Землю. В конце концов он остынет и сделается черным карликом.
Через 10 млрд лет от нашего лучезарного светила останется мертвая глыба ядерных отходов, заключенных в невидимом черном карлике, а от голубой планеты людей не будет и следа. Финал донельзя печальный, но предотвратить эту вселенскую катастрофу нам не дано.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 294.