ПОХОДЖЕННЯ І ЕВОЛЮЦІЯ НЕБЕСНИХ ТІЛ, ЗЕМЛІ

Походження та еволюція галактик і зірок

... Сутність Всесвіту не має в собі сили, яка могла б протистоять мужності пізнання.

Г. Гегель

При побудові розглянутої вище космологічної моделі Всесвіту приймалося, що речовина в ній розподілено однорідний і изотропно. Мається на увазі середнє по Метагалактиці розподіл речовини. Насправді в даний час значна маса речовини сконденсована в формі галактик і скупчень галактик. Возникаю наступні питання: які причини призводять до фрагментації спочатку однорідно розподіленого, речовини, що розширяється Всесвіту і чому найбільш суттєві властивості галактик - їх форми, розмір і маси - саме такі?

Вперше питання про фрагментацію однорідно розподіленого речовини розглянув англійський вчений Дж. Джинс в 1902 р Він виходив з того що якщо в однорідному середовищі виникає з яких-небудь причин згущення - неоднорідність з розмірами г, то вона може або продовжувати ущільнюватися (рости) під дією власного тяжіння, або рассасиватьс (затухати) під дією газового тиску. Напрямок протікання процесу залежить від того, чи буде розмір згущення більше або менше критичного. Критичний розмір легко оцінити, якщо прирівняти газове

тиск в згустку тиску сили тяжіння

З цієї умови випливає, що розмір згущення визначається наступним співвідношенням

Згущення певної маси можуть формуватися лише за певних співвідношеннях між величинами Т і р. Якщо, наприклад, щільність догалактіческого речовини р «10 24 г / см 3 (це середня щільність Галактики), то згущення масою тп тп 0 може утворитися лише в разі якщо температура 10 6 К. При меншій температурі утворюються згущення меншої маси.

Поряд з масою найважливішою характеристикою галактики є міра її осьового обертання - обертальний момент на одиницю маси. Швидкість обертання у еліптичних галактик значно менше, ніж у спіральних галактик. Дуже повільне обертання еліптичних галактик не може пояснити їх спостережувану еліптичності, тобто сплюснутістю, подібно, наприклад того, як дією відцентрової сили можна пояснити сплюснутий земної кулі біля полюсів. Мабуть, сплюснутістю еліптичних галактик пояснюється самим характером зіркових рухів в таких галактиках На противагу цьому вплив відцентрової сили у порівняно швидко обертаються рукавів спіральних галактик вельми істотно Є серед частини вчених думку, що відмінності між еліптичних і спіральними галактиками не є еволюційним ефектом. Іншими словами, галактики народжуються або як спіральні, або як еліптичні, і в процесі еволюції тип галактики зберігається. Структур галактики визначається початковими умовами її освіти, зокрема характером обертання того згустку газу, з якого вона утворилася.

Сьогодні є вже досить добре розроблені моделі перетворення величезної хмари газу, що стискається в результаті дії закону всесвітнього тяжіння, спершу в протогалактик, а потім в галактику. На самому початку слід уявити собі величезний газовий кулю стискується але закону вільного падіння до центру. Первоначальна температура цього газу могла бути досить високою, швидко зменшувалася, причому через гравітаційної нестійкості образовиваліс великих розмірів згущення, що еволюціонували в хмари. Вследстви безладного руху ці хмари стикалися, а це призводило до їх подальшого ущільнення. На цьому досить ранньому етапі з хмар стали утворюватися зірки «першого покоління», що складаються в основному з водню і гелію. Найбільш масивні з них встигали проеволюціоніроват задовго до того, як припинилося стиснення протогалактик. Вибухаючи ка наднові, вони збагачували міжзоряне середовище металами. З цієї причини зірки наступних поколінь мали вже інший хімічний склад Це призвело, наприклад, до того, що зірки поблизу центру еліптично галактик багатші важкими елементами, ніж знаходяться на периферії, що як раз і спостерігається.

У спіральних протогалактик зореутворення йшло повільніше. Тому в них зміг утворитися газовий диск досить значної маси. Цьому сприяло також досить швидке обертання спіральних протогалактик, що перешкоджає оттеканія всього газу в область ядра і перетворенню його там в зірки. Іншими словами, обертання протогалактик зменшує швидкість зореутворення.

Таким чином, різні типи галактик відбуваються від протооблаков з різною щільністю і різними розкидом швидкостей внутрішніх рухів. Зокрема, еліптичні галактики утворилися з більш щільні хмар газу, що знаходиться в стані досить швидкого безладного руху. У «бідних» розріджених скупченнях спостерігаються переважно спіральні галактики. Вік галактик практично раве віку Всесвіту.

Зірки можуть утворюватися в результаті гравітаційного стиснення неоднорідностей в міжзоряному середовищі. Міжзоряне середовище розподілений дуже неоднорідний, вона має клоччасту структуру. В деякій області середовища виконується критерій Джинса і ці комплекси є гравітаційно нестійкими, вони повинні стискатися. У міру стиснення критерій гравітаційної нестійкості Джинса починає виконуватися дл неоднорідностей всередині хмари з меншими масами, аж до сонячної. Масивне газопилову хмара починає дробитися на менш масивні частини, які, стискаючись, дають початок зірок.

Для того щоб утворилася неоднорідність з масою, що дорівнює масі зірки, - протозвезда могла стискатися далі, необхідно, щоб по заходів стиснення з неї відводилося тепло, що виділилося при стисненні. Таким механізмом відводу тепла є інфрачервоне випромінювання пилу і молекулами міжзоряного газу. Значить, протозвезди є потужними джерелами інфрачервоного випромінювання. У міру того як протозвезда стискається, щільність її підвищується, зростає її непрозорість по відношенню до інфрачервоного випромінювання.

Подальше, більш повільне стиснення відбувається до тих пір, поки температура всередині зірки не підвищиться настільки, що стають можливими термоядерні реакції синтезу гелію з водню. Розрахунки показують, що стиснення протосолнца від радіуса = Ю /? 0 до Я = 1 тривало близько 20 млн років. Найпотужніші протозвезди еволюціонують швидше а менш масивні - повільніше.

Стабільне але випромінювання і властивостями стан зірки триває до тих пір, поки в її надрах не вичерпані ядерне пальне - водень Ясно, що масивні зірки завдяки своїй високій світності вичерпають свій водень швидше, ніж менш масивні.

У міру вичерпання водню в центрі зірки коефіцієнт непрозорості речовини безперервно зменшується. Це призводить до безперервної перебудови зірки, що супроводжується стисненням її ядра і зростанням протяжності оболонки. Ядерні реакції синтезу гелію з водню йду в тонкому шарі, безпосередньо навколишньому ядро. У міру вигоряння водню в слоевом джерелі маса гелієвого ядра поступово збільшується. Це призводить до збільшення сили тяжіння, подальше стиснення ядра і збільшення його температури. При цьому зростає світність зірки Енергія не встигає переноситися випромінюванням назовні, настає конвекція. Стиснення ядра і підвищення температури відбувається до тих пір, пок в ньому не почнуться термоядерні реакції синтезу більш важких хімічних елементів. Наприклад, при температурі в сотні мільйонів градусо відбувається синтез ядер атома вуглецю при злитті трьох ядер атома гелію а потім при ще більш високих температурах утворюються кисень, нео і т.д. При цьому виділяється велика кількість енергії, здатне зупинити стиснення ядра. Реакції синтезу йдуть з виділенням енергії аж до утворення ядер атомів заліза. Освіта важчих хімічних елементів вимагає витрати енергії і призводить до охолодження зірки Після вигоряння водню в ядрі зірка стає червоним гігантом мул надгігантом в залежності від своєї маси.

Якщо маса зірки в 1,2 рази менше маси Сонця, то після вичерпання водню в ядрі останнім почне стискатися. Стиснення ядра останавліваетс тиском виродженого електронного газу, тобто ядро зірки представляють собою зірку - білий карлик. У той же час оболонка зірки збільшується в розмірах до 10-100 радіусів Сонця, так що сама становитс червоним гігантом. Досить швидко оболонка взагалі відділяється від ядра і на місці зірки залишається ядро - зірка білий карлик і расшіряющаяс оболонка, тобто феномен планетарної туманності. Потім за кілька тися років розширюється оболонка розсіюється в міжзоряному середовищі, а білі карлик ще протягом сотень мільйонів років виділяє теплову енергію накопичену їм при стисненні.

Така доля чекає і наше Сонце через 5 млрд років. Структура його визначається тиском виродженого електронного газу, а перенесення енергії з центру - теплопровідністю.

Якщо ж початкова маса ядра зірки перевершує в 1,2 рази масу Сонця, але була в 2,4 рази менше маси Сонця, то в ній після вичерпання ядерного пального відбувається катастрофа у вигляді спалаху наднової зірки. Сила тяжіння настільки велика, що навіть тиск вирожденног електронного газу не в змозі їй протидіяти. Тому по заходів стиснення ядра тут відбувається розпад ядер важких елементів на більш прості і перетворення всіх частинок в нейтрони. Протони, які входячи до складу атомних ядер, що утворилися на попередній стадії еволюції зірки, в кінці кінців перетворюються в нейтрони. При великій щільності (> 10 9 кг / м 3 ) відповідно до принципу заборони Паулі в нейтронном газ буде також діяти специфічна сила відштовхування і рівновага підтримується тиском нейтронного газу. Підтвердженням наявності нейтронних зірок у Всесвіті є пульсари (пульсірующі зірки, виявлені в 1967 р).

Якщо маса ядра зірки перевершує в 2,5-3 рази масу Сонця, то її необмежену стиск під тиском сили гравітації вже нічим не зупинити. Вона перетворюється в «чорну діру». Швидкість, необхідна дл видалення з цієї зірки, стає більше швидкості світла. Грунтуючись на законі всесвітнього тяжіння і кінцівки швидкості поширення світла, можливість існування «чорних дірок» передбачив ещ в XVIII в. Лаплас. Зірка з масою, рівною сонячною, при перетворення в «чорну діру» мала б радіус 3 км. Теоретичні оцінки показують що число «чорних дірок» у Галактиці може досягати сотень мільйонів «Чорну діру» можна виявити, якщо вона є компонентом подвійної зірки - вона може бути потужним джерелом рентгенівського випромінювання. Прикладом такого джерела можна назвати потужний рентгенівськ джерело Лебідь Х-1.

Назва «чорна діра» пов'язане з тим, що могутнє поле тяжіння зіщулена зірки не випускає за її межі ніякого випромінювання (світло рентгенівське випромінювання і т.д.). Тому «чорну діру» можна побачить ні в якому діапазоні електромагнітних хвиль. У разі тісної подвійної зірки гравітаційний вплив «чорної діри» притягує га з поверхні звичайної зірки, утворюючи диск навколо неї. Температура газу в цьому обертовому диску може досягти 10 7 К. При температурі в мільйони градусів Кельвіна газ буде випромінювати в рентгенівському діапазоні. І по ньому можна визначити наявність в даному місці «чорної діри».

З еволюцією зірок тісно пов'язане питання про походження хімічних елементів. Якщо водень і гелій є елементами, які осталіс від ранніх стадій еволюції Всесвіту, то більш важкі хімічні елементи могли утворитися тільки в надрах зірок при термоядерних реакціях. Всередині зірок в ході термоядерних реакцій может утворитися до 30 хімічних елементів.

В кінці еволюції зірка в залежності від маси або вибухає, або скидає спокійніше речовина, вже збагачене важкими елементами. При цьому утворюються інші елементи періодичної системи З збагаченої важкими елементами міжзоряного середовища образуютс зірки наступних поколінь. Наприклад, Сонце - зірка другого покоління, що утворилася з речовини, вже одного разу побував в надра зірок і збагаченого важкими елементами. Ось чому про вік звез можна судити по їх хімічним складом, визначеному методом спектрального аналізу.

Подальший розвиток науки покаже, які з сьогоднішніх уявлень про походження галактик і зірок виявляться правильними. За вже тепер немає сумніву в тому, що зірки, по-перше, підкоряючись законам природи, народжуються, живуть і вмирають, а не є одного разу створені і вічно незмінні об'єкти Всесвіту і, по-друге, зірки народжуються групами причому процес зореутворення триває в даний час.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >