Чим темніша ніч, тим ясніші зорі
Ці маленькі світлячки у небі оспівані в народній мудрості різних народів світу!
Подивіться в небо. Те, що світиться над нами — чи, скоріше, шалено палить — робить це вже понад чотири з половиною мільярди років. Протягом усієї історії людства Сонце було там весь час, згорало та давало життя на нашій планеті.
4,6 мільярда років тому. Це число, яке ми, можливо не можемо собі й уявити! Проте вчені вважають, що наше Сонце пройшло лише половину свого життєвого циклу.
Дайте Сонцю ще чотири мільярди років — і, як усі зірки середньої маси, воно завершить своє життя: залишить фазу головної послідовності, розшириться у червоного гіганта, а потім скине зовнішні шари та утворить планетарну туманність. Те, що залишиться, — це білий карлик, а зоряне ядро повільно згасатиме мільярди років.
Ми не доживемо до моменту, коли це станеться – і під «ми» ми маємо на увазі планету Земля.
В цій статті ми поговоримо про життя зірки.
Поговоримо про сили, які створюють її, і про ті, що зрештою призводять до її розпаду.
А також про те, що допомагає їй зберігати форму й розмір протягом неймовірно довгого проміжку часу між цими двома подіями.
Також поговоримо про те, про що ви, мабуть, чули лише мимохідь: червоний гігант, нейтронні зорі, чорні діри, а також білі карлики, червоні карлики, коричневі карлики та наднові.
Усе це складає фази в житті зірки.
Але давайте поговоримо про все по черзі і трохи детальніше!
Що таке зірка?
Ми всі добре знайомі з Сонцем (принаймні здалеку).
Цілком ймовірно, що ви також бачили якісь зірки у своєму житті, хіба тільки ви не живете в мегаполісі або ніколи не дивилися вгору.
Але чи знаєте ви, що таке зірка насправді? Окрім того, що вона «блищить» і знаходиться «на небі».
Сонце є центром нашої Сонячної системи (не Земля) і це найвідоміша для нас зірка.
Але що таке зірка?
Зірка — це масивний об'єкт у космосі, що утримується разом завдяки гравітації та випромінює власне світло й тепло. Він відрізняється від планети своєю світністю, або тим фактом, що він виробляє світло, а не поглинає його.
Це досить коротка відповідь. Пропонуємо вам трохи детальніше розібратись з усім. Але по черзі!
Що ж, як ми зазначили, зірка — це куля з плазми та газу, яка випромінює енергію у вигляді тепла та світла. Це випромінювання зумовлене термоядерним синтезом водню в гелій, який відбувається в її ядрі.
Цього б всього не відбувалося, якби зірки не були такими великими. Але під дією сили тяжіння та всіляких інших молекулярних сил атоми збиваються разом і утворюються нові елементи. Це вивільняє енергію. Цей процес, який ми називаємо ядерним синтезом.
До речі, саме цей процес людство намагається відтворити на Землі — як потенційне джерело майбутньої, чистої й потужної енергії.
Насправді зірки не «горять» у звичному нам сенсі — не існує слова, яке б описало те, що відбувається.
Процеси всередині зірок кардинально відрізняються від усіх нам відомих: замість згоряння відбувається термоядерний синтез — і саме тому Сонце в рази гарячіше й потужніше за будь-який вогонь, який ми коли-небудь бачили.
Етапи життєвого циклу зірки
Одна з найдивовижніших речей у нашому Всесвіті полягає в тому, що він існує.
Колись філософ Готфрід Вільгельм Лейбніц задався питанням філософ: Чому є щось, а не нічого? Це питання дещо доречне, коли йдеться про зірки. Адже саме зірки створюють ті умови, без яких життя у Всесвіті було б неможливим: вони виробляють світло, тепло й хімічні елементи, з яких складаємося ми самі.
Які ж етапи проходять ці корисні об'єкти на небі протягом свого життя?
Молекулярні хмари
Уявіть собі порожній, надзвичайно холодний простір, що заповнений газами і пилом, який є уламками старих планет і зірок. Зоряне формування починається, коли в цьому сильному холоді весь міжзоряний пил і газ повільно починають злипатися. Гази досягають вищої щільності в холоді, а атоми зв'язуються.
Це перший крок у життєвому циклі зірок: молекулярні хмари — гігантські скупчення газу й пилу, що дрейфують у просторі Всесвіту.
Як тільки в окремих ділянках хмари досягається вища щільність, гравітаційні сили посилюються, і всі гази та частинки починають повільно збиратися разом. Ці великі молекулярні хмари починають колапсувати. В процесі стискання температура зростає.
Коли вся ця речовина злипається, у центрі формується ядро, яке з часом стає зіркою — іноді навіть двома чи трьома. Так утворюються зоряні скупчення.
Тим часом інші частини хмари можуть перетворитися на планети, або ж залишитися у вигляді космічного пилу — як це сталося в нашій Сонячній системі.
На пізніших етапах свого життя деякі зірки, зокрема подібні до нашого Сонця, викидають зовнішні шари в космос та утворюють яскраві планетарні туманності. Це — не початок, а фінальна стадія еволюції таких зірок. Те, що залишається після цього, — гаряче зоряне ядро, яке поступово охолоджується і стає білим карликом.
До речі, весь цей процес займає близько десяти мільйонів років. Для порівняння, люди існують лише двісті тисяч років!
Ми з вами трохи розібрались, як створюються зірки у Всесвіті – з великих безладних хмар пилу та газу.
Але те, що створюють ці хмари, ще навряд чи можна назвати зірками. Швидше, це протозірки, які є самим початком життєвого циклу зірки.
Протозірки
Після початкового етапу у вигляді молекулярної хмари зародження зорі починається з формування протозірки.
Протозаріка – це етап, коли зірка по суті ще зростає, ще збирає пил і матеріал з хмари, яка її утворила.
На початку свого життя протозірка становить лише близько 1% від маси майбутньої зорі. Проте завдяки гравітації, яка притягує навколишню речовину до ядра, маса швидко накопичується, і зірка зростає досить стрімко.
Лише коли в ядрі починається термоядерний синтез, зірка перестає бути протозіркою і натомість стає зіркою головної послідовності. У цей момент маса зірки стабільна – вона створює «зоряний вітер», який запобігає падінню подальшої маси.
Фаза Т-Тельця
Коли дмуть зоряні вітри, вони відштовхують будь-які залишкові молекули та гази, чим змушують новостворену зірку швидко обертатися. Її повний оберт займає близько 10-12 днів, що досить мало, порівняно з обертанням Сонця, якому потрібен цілий місяць, щоб виконати один повний оберт.
Зорі типу Т-Tельця перебувають на стадії до головної послідовності й наближаються до неї вздовж треків Хаяші.
На цьому етапі зірка ще молода — їй лише близько 10 000 років. Її температура ще занадто низька, щоб розпочати термоядерний синтез водню. Вона не генерує достатньо тепла, тож поки що покладається на власну гравітацію, яка змушує її стискатися дедалі більше.
Приблизно через 100 мільйонів років зірка завершує свою фазу Т-Тельця та рухається до фази «головної послідовності».
Зірки головної послідовності
Зірки головної послідовності ідентифікуються за своїм кольором та яскравістю, а також за місцем на діаграмі Герцшпрунга-Рассела (ми поговоримо більше про цю діаграму трохи згодом).
Більшість зірок у Всесвіті є зірками головної послідовності. Наше Сонце також є однією з них.
На цьому етапі життя зірка досягла стабільності: тиск на ядро зірки через гравітаційне колапсування її зовнішніх шарів збалансований її внутрішнім тепловим тиском. Цей акт балансування називається гідростатичною рівновагою, і саме він надає зіркам їхньої форми.
Ця стадія займає приблизно 90% життя зірки. Протягом цієї стадії зірка безперервно синтезує водень та утворює гелій для живлення свого ядра.
Зірки головної послідовності також називають карликовими зірками через їх відносно малий розмір та низьку світність.
Примітка: слово «карлик» використовується для позначення малих зірок. Окрім карликових зірок, які ми щойно дослідили, у нас є білі та червоні карлики, а також...
Коричневі карлики
Якщо протозірки не стають достатньо великими (а під цим ми маємо на увазі приблизно вісім відсотків від розміру Сонця) вони ніколи насправді не стають зірками. Натомість вони стають коричневими карликами, своєрідними невдалими зірками, в яких не відбувається термоядерний синтез.
Діаграма Герцшпрунга-Рессела (HRD) дозволяє відстежувати життєвий цикл зірки.
Розуміння Діаграми Герцшпрунга-Расселя
Перш ніж рухатися далі по еволюційному шляху зірки, ми повинні зрозуміти, як відслідкувати її ріст, еволюцію та загибель зірки. Або, навіть краще сказати: нам потрібно зрозуміти, як ці процеси відстежувати.
Ейнар Герцшпрунг був датським хіміком/астрономом, який працював у Лейденській обсерваторії.
Генрі Норріс Рассел був американським астрономом, який працював у Кембриджській обсерваторії, а пізніше обійняв посаду в Принстонській обсерваторії.
Пан Рассел також відомий своєю співпрацею з канадсько-американським фізиком Фредеріком Сондерсом, результатом якої став зв'язок Рассела-Сондерса (відомий як зв'язок LS).
Фотографічні спектроскопічні дослідження зірок у великих масштабах розпочалися ще в XIX столітті в обсерваторії Гарвардського коледжу.
Великомасштабні зображення показували спектральні класифікації тисяч зірок, колекція яких згодом стала відомою як Каталог Генрі Дрейпера.
Астрономи досить швидко звернули увагу на ширину спектральних ліній, що відображалися у каталогах.
Герцшпрунг дійшов висновку, що зірки з вужчими спектральними лініями мають менші власні рухи, і він інтерпретував це так, що ці зірки є набагато яскравішими, ніж ті, у яких лінії ширші.
Незалежно від роботи данського вченого, пан Рассел побудував діаграму видимої зоряної величини на основі трьох стандартних випромінювань спектральних ліній, щоб визначити приблизну температуру зірок.
Дві діаграми астрономів були складені разом та стали діаграмою залежності світності від температури зірок.
Сьогодні діаграма Герцшпрунга-Рассела продовжує допомагати астрономам обчислювати вік зірки, етап її життєвого циклу та відображає зв'язок між світністю та температурою.
Ця діаграма відома під багатьма іншими назвами: діаграма H-R, діаграма HR або просто HRD, і, так само як назв, існує кілька її форм, але всі вони приблизно дотримуються певного розташування.
Горизонтальна вісь відображає спектральний «тип» зірок, а значення на вертикальній осі вказують на яскравість або візуальну зоряну величину.
Таким чином, ми розуміємо, що дуже яскраві зірки знайдуть своє місце у верхньому лівому куті діаграми, тоді як старіші, більш тьмяні зірки будуть знаходитися у нижньому правому куті.
Тепер, коли ми маємо приблизне розуміння того, як відстежується еволюція зірок, давайте подивимося, що відбувається після зміни карликових зірок.
З чого складається наша Сонячна система? Читайте в нашій статті.
Фаза червоного гіганта
На момент, коли зірка стає червоним гігантом, вона має великий радіус і відносно низьку температуру. Її зовнішня атмосфера значно роздута і слабка, нездатна протистояти розширенню ядра.
Такі зірки зазвичай дуже великі та дуже яскраві.
Перш ніж далі досліджувати життя зірок, давайте повторимо, що ми дізналися до цього моменту.
Як обговорювалося раніше, зірки утворюються в молекулярних хмарах. Ці хмари складаються здебільшого з водню та гелію, а також містять інші елементи у дуже малих кількостях.
В астрономії всі елементи, окрім водню та гелію, називають «металами». Це означає будь-який елемент із атомним номером більшим за два. Така назва допомагає вченим простіше говорити про хімічний склад зірок і газових хмар.
Мікроелементи змішані та рівномірно розподілені по всій зірці частково через гравітаційне тяжіння зірки, а частково через її обертання.
Коли ядро зірки досягає температури, достатньо високої для початку синтезу водню, кажуть, що вона досягла фази головної послідовності.
Ця фаза триває доти, доки зірка здатна перетворювати водень на гелій. Коли запаси водню в ядрі майже вичерпуються, зірка більше не може підтримувати ядерний синтез на тому ж рівні. Внаслідок цього зникає гідростатична рівновага: тиск від тепла синтезу вже не здатен врівноважувати гравітаційне стиснення зовнішніх шарів.
Ядро зірки починає стискатися під дією власної ваги, чому сприяє гравітація.
Коли ядро зірки стискається, воно створює простір для надходження більшої кількості водню.
Однак ядро в цей момент дуже щільне, тому процес синтезу починається в оболонці, що оточує ядро.
У міру цього процесу зовнішні шари збільшуються в діаметрі, а ядро, яке тепер перебуває під величезним зовнішнім тиском, ще більше стискається.
Цей процес одночасного охолодження та розширення робить зірки на цьому етапі їхнього життя такими яскравими. Саме зараз вони стають субгігантами.
У міру того, як в оболонці триває процес синтезу, що розсуває зовнішні краї зірки, ці зовнішні проміжки стають холоднішими та створюють конвективний процес – фактично повертають тепло синтезу всередину. Зірка перестає розширюватися і стає ще яскравішою.
Місце цих червоних гігантів на HRD – і те, що відбувається на наступному етапі їхньої еволюції – залежить від їхньої маси.
Якщо зірка не надто масивна — приблизно вдвічі більша за Сонце, — електрони в її ядрі змусять речовину дегенерувати настільки, що подальший гравітаційний колапс буде зупинено.
Однак ядро продовжуватиме нагріватися, поки не стане достатньо гарячим, щоб синтезувати гелій. Цей процес, відомий як спалах гелієвого ядра.
Зірки з більш масивними ядрами дегенерують повільніше, проте досягають температур, достатніх для початку синтезу гелію ще до повного виродження ядра. Такі зірки не зазнають гелієвих спалахів. У них цей процес відбувається поступово й стабільно.
Астрономи вважають, що наша галактика сповнена червоних карликів.
Про історію дослядження космосу читайте в нашій статті.
Чи кожна зірка стає червоним гігантом?
Зірки з ядром меншої маси є повністю конвективними, тобто вони горітимуть, можливо, трильйон років.
Їх температура та світність збільшуються так само, як і у масивніших зірок, але оскільки вони горять так довго, їхня температура збільшується лише приблизно на 50%, а світло, яке вони випромінюють, стає яскравішим лише в десять разів.
Такі зірки можуть ставати гарячішими за наше Сонце, але все одно ніколи не досягають такого рівня яскравості, навіть якщо на цьому етапі вони світніші, ніж коли вони утворилися.
Протягом мільярдів років їхнє світло тьмяніє, і вони стають холоднішими, а зрештою отримують класифікацію «білих карликів».
Що відбувається далі?
Це залежить від розміру та маси зірки.
Як ми щойно згадували, природа та процеси життєвого циклу зірки залежать від маси конкретної зірки. Тому ми розділимо це тут на два окремі потоки.
Є зірки, які мають приблизно масу Сонця – Сонце має досить «нормальний» розмір, якщо говорити про зірки. Але є й набагато більші зірки.
Чим більші зірки, тим швидше вони згорають.
Тож, в той час як зірки розміром із Сонце залишаються зірками головної послідовності близько десяти мільярдів років, масивна зірка не прожила б так довго.
Як згадувалося вище, близько дев'яноста відсотків життя зірки – це її етап розвитку у вигляді зірки головної послідовності, в якій вона постійно перетворює водень на гелій. Коли водень у її ядрі вичерпається, ядро почне стискатися і вона стане набагато гарячішою.
Зі збільшенням температури ядра воно виштовхує решту зірки назовні, що призводить до охолодження її зовнішніх країв.
Найпоширенішими зірками є зірки розміром із Сонце. Приблизно через десять мільярдів років, коли вони вичерпають щапаси водню, вони повільно стануть білими карликами.
Білі карлики
Білі карлики – це круті маленькі об'єкти, які й сьогодні спантеличують вчених, навіть попри їхню поширеність. Уявіть собі масу Сонця, стиснуту до розмірів Землі — так коротко можна описати білого карлика.
Ці об'єкти мають надзвичайну щільність. І що цікаво: чим меншим є білий карлик, тим він щільніший. Це означає, що масивніші зірки залишають після себе менших за розміром, але щільніших білих карликів.
Це надзвичайно щільні об'єкти, які не стискаються далі завдяки активності електронів.
Однак, так як вони не мають можливості виробляти енергію, немає нічого, що насправді тримало б їх разом. Тож при поступовому охолодженні, вони просто зникають.
Червоні карлики
Ці зірки найменші та найхолодніші з усіх. Вони також є найпоширенішими зірками в нашій галактиці. Їх дуже важко побачити, тому що вони не дуже яскраві.
Один із червоних карликів, наприклад, розташований дуже близько до Сонця, але виявити його досить складно. Те саме стосується й приблизно 50 інших карликів, які також знаходяться поблизу, але залишаються важкопомітними.
Цих карликів не можна побачити неозброєним оком, але деякі астрономи підозрюють, що цілих три чверті Чумацького Шляху складаються з червоних карликів.
Червоні та коричневі карлики (особливо масивні коричневі карлики з низьким вмістом «металів») мають кілька спільних характеристик — зокрема схожі температурні діапазони та спектральні типи. Така схожість класифікацій не є випадковою.
Термін «червоний карлик» використовується як узагальнена назва для зірок низької маси, які іноді не мають чіткої межі з коричневими карликами, особливо на ранніх етапах їх вивчення.
Раніше термін «червоний карлик» використовували для позначення зірок, які значно холодніші та менш яскраві порівняно з гарячими зорями вищих спектральних класів, такими як білі або блакитні зорі. Це дозволяло відрізняти їх за температурою, світністю та кольором.
Визначати зірки таким чином є нечітким підходом до речей у такій «дисциплінованій галузі», але коли справа доходить до червоних карликів, нечіткість у визначеннях існує й досі.
Масивні зірки
Масивні зірки мають зовсім інший фінал.
Якщо зірка має масу приблизно у вісім разів більшу за масу Сонця або більше, вона завершує своє життя грандіозним вибухом — надновою. Цей вибух — результат колапсу ядра після завершення термоядерних реакцій у серці зорі.
Пам’ятайте, що чим більша зірка, тим швидше вона спалює водень. А коли у них закінчується водень, вони виробляють залізо в результаті довгої серії хімічних реакцій. Коли це відбувається, ядро за лічені секунди стискається з п'яти тисяч миль у діаметрі до лише дванадцяти.
Температура досягає ста мільярдів градусів. Тоді наднова стає яскравішою за цілу галактику.
Що таке чорна діра?
Особливо масивні та щільні зірки створюють одне з найзагадковіших явищ у Всесвіті, коли завершують своє життя. Вони колапсують під дією власної гравітації і перетворюються на чорні діри.
Замість того щоб вибухнути назовні, ці зірки імплодують — стискаються всередину під дією власної гравітації — й утворюють об’єкт настільки щільний, що з нього не може вирватися навіть світло.
Ці «діри» притягують все навколо себе та випромінюють величезну кількість радіації. Межа, що позначає чорні діри, називається горизонтом подій.
Найвидатніший астрофізик нашого часу, сер Стівен Гокінг, не залишився байдужим до таємниць гравітації чорних дір. Ще у 1974 році він висунув припущення, що квантові ефекти поблизу горизонту подій чорної діри повинні створювати особливе випромінювання — те, що сьогодні відоме як випромінювання Гокінга.
Сучасні астрофізики припускають (деякі з них присвячують всю свою кар'єру вивченню цього явища), що ця гіпотеза не нова. Ще у 18 столітті проникливі уми боролися з можливістю існування об'єктів, гравітаційні поля яких були занадто сильними, щоб дозволяти світлу вирватися.
Відкриття нейтронних зірок у 1967 році, здійснене астрофізиком Джоселін Белл Бернеллом, стало ключовим моментом у розумінні гравітаційно колапсованих об'єктів. Ці надзвичайно щільні залишки надгігантських зірок перевели ідею гравітаційного колапсу з гіпотетичної можливості у фізично підтверджену реальність.
Такі відкриття незмінно призводять до глибших питань, таких як: чи є інше життя у Всесвіті?
Вивчення зірок має вирішальне значення для розуміння нашого Всесвіту.
Зірки — це не лише джерела світла, що прикрашають нічне небо, а й ключові «фабрики» хімічних елементів. Саме в їхніх надрах утворюються атоми, з яких складається все — від води до живих істот.
Дослідження еволюції зірок дозволяє нам краще зрозуміти історію та майбутнє нашої Сонячної системи, зокрема й Землі.
Крім того, спостереження за зірками допомагає астрономам вивчати фізичні закони у найекстремальніших умовах. Зірки також слугують орієнтирами у просторі, що робить їх незамінними в навігації та космічних дослідженнях.
І нарешті, зірки надихають — вони пробуджують у людях допитливість, мрії й бажання пізнати більше.
Хочете дізнатися більше про зірки? Подумайте про те, щоб найняти пофесійного репетитора, який допоможе вам з усім розібратись.
З персоналізованим керівництвом ви зможете дослідити тонкощі планетарних орбіт, особливості кожної планети та їхніх супутників, а також різноманітні явища, що відбуваються в нашій Сонячній системі. Таке індивідуальне навчання допоможе вам розширити знання й глибше зрозуміти безмежний і захопливий всесвіт, у якому ми живемо.
Вивчайте зірки разом із Superprof!
Хочете знати більше про космічні науки? Читайте нашу статтю.
Вам сподобалась ця стаття? Оцініть її!
Loading...
