Жизненный цикл звезды

Объяснение финальной части эволюции звезд

Для нормальных равновесных звезд описанные процессы эволюции маловероятны. Однако существование белых карликов и нейтронных звезд доказывает реальное существование процессов сжатия звездной материи. Незначительное количество подобных объектов во Вселенной свидетельствует о скоротечности их существования. Финальный этап эволюции звезд можно представить в виде последовательной цепочки двух типов:


  • нормальная звезда — красный гигант – сброс внешних слоев – белый карлик;
  • массивная звезда – красный сверхгигант – взрыв сверхновой – нейтронная звезда или черная дыра – небытие.

Схема эволюции звезд. Варианты продолжения жизни звезд вне главной последовательности.

Объяснить с точки зрения науки происходящие процессы достаточно трудно. Ученые-ядерщики сходятся во мнении, что в случае с финальным этапом эволюции звезд мы имеем дело с усталостью материи. В результате длительного механического, термодинамического воздействия материя меняет свои физические свойства. Усталостью звездной материи, истощенной длительными ядерными реакциями, можно объяснить появление вырожденного электронного газа, его последующую нейтронизацию и аннигиляцию. Если все перечисленные процессы проходят от начала до конца, звездная материя перестает быть физической субстанцией – звезда исчезает в пространстве, не оставляя после себя ничего.

Межзвездные пузыри и газопылевые облака, являющиеся местом рождения звезд, не могут пополняться только за счет исчезнувших и взорвавшихся звезд. Вселенная и галактики находятся в равновесном состоянии. Постоянно происходит потеря массы, плотность межзвездного пространства уменьшается в одной части космического пространства. Следовательно, в другой части Вселенной создаются условия для образования новых звезд. Другими словами, работает схема: если в одном месте убыло определенное количество материи, в другом месте Вселенной такой же объем материи появился в другой форме.

Молодые звёзды

Процесс формирования звёзд можно описать единым образом, но последующие стадии эволюции звезды почти полностью зависят от её массы, и лишь в самом конце эволюции звезды свою роль может сыграть её химический состав.

Молодые звёзды малой массы

Молодые звёзды малой массы (до трёх масс Солнца)[источник не указан 1512 дней], находящиеся на подходе к главной последовательности, полностью конвективны, — процесс конвекции охватывает все тело звезды. Это ещё по сути протозвёзды, в центрах которых только-только начинаются ядерные реакции, и всё излучение происходит, в основном, из-за гравитационного сжатия. До тех пор пока гидростатическое равновесие не установится, светимость звезды убывает при неизменной эффективной температуре. На диаграмме Герцшпрунга-Рассела такие звёзды формируют почти вертикальный трек, называемый треком Хаяши. По мере замедления сжатия молодая звезда приближается к главной последовательности. Объекты такого типа ассоциируются со звёздами типа T Тельца.

В это время у звёзд массой больше 0,8 масс Солнца ядро становится прозрачным для излучения, и лучистый перенос энергии в ядре становится преобладающим, поскольку конвекция все больше затрудняется всё большим уплотнением звездного вещества. Во внешних же слоях тела звезды превалирует конвективный перенос энергии.

О том, какими характеристиками в момент попадания на главную последовательность обладают звёзды меньшей массы, достоверно неизвестно, так как время нахождения этих звёзд в разряде молодых превышает возраст Вселенной[источник не указан 1093 дня]. Все представления об эволюции этих звёзд базируются только на численных расчётах и математическом моделировании.

По мере сжатия звезды начинает расти давление вырожденного электронного газа и при достижении определённого радиуса звезды сжатие останавливается, что приводит к остановке дальнейшего роста температуры в ядре звезды, вызываемого сжатием, а затем и к её снижению. Для звёзд меньше 0,0767 масс Солнца это не происходит: выделяющейся в ходе ядерных реакций энергии никогда не хватит, чтобы уравновесить внутреннее давление и гравитационное сжатие. Такие «недозвёзды» излучают энергии больше, чем образуется в процессе термоядерных реакций, и относятся к так называемым коричневым карликам. Их судьба — постоянное сжатие, пока давление вырожденного газа не остановит его, и, затем, постепенное остывание с прекращением всех начавшихся термоядерных реакций.

Молодые звёзды промежуточной массы

Молодые звёзды промежуточной массы (от 2 до 8 масс Солнца)[источник не указан 1512 дней] качественно эволюционируют точно так же, как и их меньшие сестры и братья, за тем исключением, что в них нет конвективных зон вплоть до главной последовательности.

Объекты этого типа ассоциируются с т. н. звёздами Ae\Be Хербига неправильными переменными спектрального класса B—F0. У них также наблюдаются диски и биполярные джеты. Скорость истечения вещества с поверхности, светимость и эффективная температура существенно выше, чем для T Тельца, поэтому они эффективно нагревают и рассеивают остатки протозвёздного облака.

Молодые звёзды с массой больше 8 солнечных масс

Звезды с такими массами уже обладают характеристиками нормальных звезд, поскольку прошли все промежуточные стадии и смогли достичь такой скорости ядерных реакций, которая компенсировала потери энергии на излучение, пока накапливалась масса для достижения гидростатического равновесия ядра. У этих звёзд истечение массы и светимость настолько велики, что не просто останавливают гравитационный коллапс ещё не ставших частью звезды внешних областей молекулярного облака, но, наоборот, разгоняют их прочь. Таким образом, масса образовавшейся звезды заметно меньше массы протозвёздного облака. Скорее всего, этим и объясняется отсутствие в нашей галактике звёзд с массой больше, чем около 300 масс Солнца.

Фаза главной последовательности

Несмотря на то, что некоторые реакции термоядерного синтеза запускаются при более низких температурах, основная фаза водородного горения стартует при температуре в 4 млн. градусов. С этого момента начинается фаза главной последовательности. В дело вступает новая форма воспроизводства звездной энергии — ядерная. Кинетическая энергия, высвобождаемая в процессе сжатия объекта, отходит на второй план. Достигнутое равновесие обеспечивает долгую и спокойную жизнь звезды, оказавшейся в начальной фазе главной последовательности.

Деление и распад атомов водорода в процессе термоядерной реакции, происходящей в недрах звезды

С этого момента наблюдение за жизнью звезды четко привязано к фазе главной последовательности, которая является важной частью эволюции небесных светил. Именно на этом этапе единственным источником звездной энергии является результат горения водорода

Объект пребывает в состоянии равновесия. По мере расхода ядерного топлива меняется только химический состав объекта. Пребывание Солнца в фазе главной последовательности продлится ориентировочно 10 млрд. лет. Столько времени потребуется, чтобы наше родное светило израсходовало весь запас водорода. Что касается массивных звезд, то их эволюция происходит быстрее. Излучая больше энергии, массивная звезда пребывает в фазе главной последовательности всего 10-20 млн. лет.

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела, оценивающая взаимосвязь спектра звезд с их светимостью. Точки на диаграмме – месторасположение известных звезд. Стрелки указывают смещение звезд от главной последовательности в фазы гигантов и белых карликов.

Чтобы представить эволюцию звезд, достаточно взглянуть на диаграмму, характеризующую путь небесного светила в главной последовательности. Верхняя часть графика выглядит менее насыщенной объектами, так как именно здесь сосредоточены массивные звезды. Это месторасположение объясняется их непродолжительным жизненным циклом. Из известных на сегодняшний день звезд некоторые имеют массу 70М. Объекты, масса которых превышает верхний предел — 100М, могут вообще не сформироваться.


У небесных светил, масса которых меньше 0,08М, нет возможности преодолеть критическую массу, необходимую для начала термоядерного синтеза и остаются всю свою жизнь холодными. Самые маленькие протозвезды сжимаются и образуют планетоподобные карлики.

Планетоподобный коричневый карлик в сравнении с нормальной звездой (наше Солнце) и планетой Юпитер

Эпизод I. Протозвезды

Протопланетный диск, окружающий молодую солнечную систему в туманности Ориона

Жизненный путь звезд, как и всех объектов макромира и микрокосма, начинается с рождения. Это событие берет свое начало в формировании невероятно огромного облака, внутри которого появляются первые молекулы, поэтому образование называется молекулярным. Иногда употребляется еще и другой термин, непосредственно раскрывающий суть процесса, – колыбель звезд.

Только когда в таком облаке, в силу непреодолимых обстоятельств, происходит чрезвычайно быстрое сжатие составляющих его частиц, имеющих массу, т. е. гравитационный коллапс, начинает формироваться будущая звезда. Причиной этому является выплеск энергии гравитации, часть которой сжимает молекулы газа и разогревает материнское облако. Затем прозрачность образования постепенно начинает пропадать, что способствует еще большему нагреванию и возрастанию давления в его центре. Заключительным эпизодом в протозвездной фазе является аккреция падающего на ядро вещества, в ходе чего происходит рост зарождающегося светила, и оно становится видимым, после того, как давление испускаемого света буквально сметает всю пыль на окраины.

Найди протозвезды в туманности Ориона!

Эта огромная панорама туманности Ориона получена из снимков телескопа Хаббл. Данная туманность одна из самых больших и близких к нам колыбелей звезд. Попробуйте найти в этой туманности протозвезды, благо разрешение этой панорамы позволяет это сделать.

Звездные скопления

Астрономы очень любят исследовать скопления звезд. Есть гипотеза, что все светила рождаются именно группами, а не поодиночке. Так как звезды, принадлежащие к одному скоплению, обладают схожими свойствами, то и различия между ними являются истинными, а не обусловленными расстоянием до Земли. Какие бы изменения не приходились на долю этих звезд, свое начало они берут в одно и то же время и при равных условиях. Особенно много знаний можно получить, изучая зависимость их свойств от массы. Ведь возраст звезд в скоплениях и их удаленность от Земли примерно равны, поэтому отличаются они только по этому показателю. Скопления будут интересны не только профессиональным астрономам – каждый любитель будет рад сделать красивую фотографию, полюбоваться их исключительно красивым видом в планетарии.

Яркость и светимость

Различаются они и по таким признакам, как блеск, яркость. То, насколько яркой окажется наблюдаемая с поверхности Земли звезда, зависит не только от ее светимости, но и от удаленности от нашей планеты. Учитывая расстояние до Земли, звезды могут обладать совершенно различной яркостью. Этот показатель колеблется от одной десятитысячной блеска Солнца до яркости, сопоставимой более чем с миллионом Солнц.


Большая часть звезд находится на нижнем отрезке этого спектра, являясь тусклыми. Во многих отношениях Солнце является среднестатистической, типичной звездой. Однако, по сравнению с другими, оно обладает гораздо большей яркостью. Большое количество тусклых звезд могут наблюдаться даже невооруженным глазом. Причина, по которой звезды отличаются по яркости, заключается в их массе. Цвет, блеск и изменение яркости во времени определяется количеством вещества.

Эпизод III. Расцвет жизненного пути звезды

Солнце снятое в линии H альфа. Наше звезда в самом расцвете сил.

В середине своей жизни космические светила могут обладать самыми разнообразными цветами, массой и габаритами. Цветовая палитра варьируется от голубоватых оттенков до красных, а их масса может быть значительно меньше солнечной, либо превышать ее более чем в триста раз. Главная последовательность жизненного цикла звезд длится около десяти миллиардов лет. После чего в ядре космического тела заканчивается водород. Этот момент принято считать переходом жизни объекта на следующий этап. По причине истощения водородных ресурсов в ядре останавливаются термоядерные реакции. Однако в период вновь начавшегося сжатия звезды начинается коллапс, который приводит к возникновению термоядерных реакций уже с участием гелия. Этот процесс стимулирует просто невероятное по масштабам расширение звезды. И теперь она считается красным гигантом.

Интересные факты из жизненных циклов звезд

Одним из самых своеобразных и примечательных сведений из звездной жизни космоса является то, что подавляющее большинство светил в нашей находятся на стадии красных карликов. Такие объекты обладают массой значительно меньшей, чем у Солнца.

Довольно интересно также и то, что магнитное притяжение нейтронных звезд в миллиарды раз выше аналогичного излучения земного светила.

Влияние массы на звезду

Еще одним не менее занимательным фактом можно назвать продолжительность существования самых огромных из известных типов звезд. В силу того, что их масса способна в сотни раз превышать солнечную, выделение ими энергии тоже многократно больше, иногда даже в миллионы раз. Следовательно, период их жизни длится гораздо меньше. В некоторых случаях их существование укладывается всего в несколько миллионов лет, против миллиардов лет жизни звезд с небольшой массой.

Интересным фактом также является противоположность черных дыр белым карликам. Примечательно то, что первые возникают из самых гигантских по массе звезд, а вторые, наоборот, из наименьших.


Во Вселенной существует огромное количество уникальных явлений, о которых можно говорить бесконечно, ведь космос крайне слабо изучен и исследован. Все человеческие знания о звездах и их жизненных циклах, которыми обладает современная наука, в основном получены из наблюдений и теоретических расчетов. Такие малоизученные явления и объекты дают почву для постоянной работы тысячам исследователей и ученых: астрономов, физиков, математиков, химиков. Благодаря их непрерывному труду, эти знания постоянно накапливаются, дополняются и изменяются, становясь, таким образом, более точными, достоверными и всеобъемлющими.

Звезды-гиганты и звезды-карлики

Звезды больших размеров являются самыми горячими и яркими. На вид они обычно белые или голубоватого оттенка. Несмотря на то что они обладают гигантскими размерами, топливо внутри них сгорает настолько быстро, что они лишаются его за каких-то несколько миллионов лет.

Звезды небольших размеров, в противоположность гигантским, обычно не столь яркие. Они обладают красным цветом, живут достаточно долго – в течение миллиардов лет. Но среди ярких звезд на небосклоне есть также красные и оранжевые. Примером может послужить звезда Альдебаран – так называемый «глаз быка», находящийся в созвездии Тельца; а также звезда Антарес в созвездии Скорпиона. Почему же эти холодные звезды способны конкурировать по яркости с раскаленными звездами, наподобие Сириуса?

Так происходит из-за того, что когда-то они очень сильно расширились, и по своему диаметру стали превосходить огромные красные звезды (сверхгиганты). Огромная площадь позволяет этим звездам излучать на порядок больше энергии, чем Солнце. И это несмотря на тот факт, что их температура намного ниже. К примеру, диаметр Бетельгейзе, находящейся в созвездии Ориона, в несколько сотен раз больше диаметра Солнца. А диаметр обыкновенных красных звезд обычно не составляет и десятой части размера Солнца. Такие звезды называют карликами. Эти виды жизненного цикла звезд может проходить каждое небесное светило – одна и та же звезда на разных отрезках своей жизни может быть и красным гигантом, и карликом.

Как правило, светила, подобные Солнцу, поддерживают свое существование за счет находящегося внутри водорода. Он превращается в гелий внутри ядерной сердцевины звезды. Солнце располагает огромным количеством топлива, однако даже оно не бесконечно – за последние пять миллиардов лет была израсходована половина запаса.

Примечания

  1. Twentieth Century Physics / Brown, Laurie M.; Pais, Abraham (англ.)русск.; Pippard, A. B. (англ.)русск.. — Bristol; New York: Institute of Physics, American Institute of Physics, 1995. — С. 1696. — ISBN 978-0-7503-0310-1.
  2. Russell, H. N. «Giant» and «dwarf» stars (англ.) // The Observatory (англ.)русск.. — 1913. — Vol. 36. — P. 324—329. — .
  3. Strömgren, Bengt. On the Interpretation of the Hertzsprung-Russell-Diagram (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — EDP Sciences (англ.)русск., 1933. — Vol. 7. — P. 222—248. — .
  4. Howell, Elizabeth . Space.com (2 апреля 2018). Дата обращения 2 апреля 2018.
  5. .
  6. .
  7. Patrick Moore. The Amateur Astronomer. — Springer, 2006. — ISBN 978-1-85233-878-7.
  8. . Астронет.
  9. Adams, F. C.; Bodenheimer, P.; Laughlin, G. . Astronomische Nachrichten.
  10. . University of Nebraska. Дата обращения 6 декабря 2007.
  11. . Астронет. Астронет.
  12. . University of St. Andrews. Дата обращения 18 мая 2010.
  13. Karttunen, Hannu. Fundamental Astronomy. — Springer, 2003. — ISBN 978-3-540-00179-9.
  14. . Астронет. Астронет.
  15. . Centre de Données astronomiques de Strasbourg. Дата обращения 21 ноября 2008.
  16. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. — 2-е, исправленное. — УРСС, 2004. — С. 395. — 544 с. — ISBN 5-354-00866-2.
  17. Киппенхан Р. 100 миллиардов солнц: рождение, жизнь, и смерть звёзд. — Мир. — Москва, 1990. — ISBN 5-03-001195-1.
  18. Padmanabhan, Thanu. Theoretical Astrophysics. — Cambridge University Press, 2001. — ISBN 978-0-521-56241-6.
  19. Tayler, Roger John. The Stars: Their Structure and Evolution. — Cambridge University Press, 1994. — ISBN 978-0-521-45885-6.
  20. . Астронет. Астронет.
  21. Ken Croswell, The Alchemy of the Heavens, (New York: Oxford UP, 1995), 87.
  22. .
  23. . Астронет. Астронет.
  24. ↑ .
  25. .
  26. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. — 2-е, исправленное. — УРСС, 2004. — С. 243. — 544 с. — ISBN 5-354-00866-2.
  27. . Астронет.
  28. Hansen, Carl J. & Kawaler, Steven D. (1999), , Astronomy and Astrophysics Library, Springer Science & Business Media, с. 39, ISBN 978-0387941387
  29. .
  30. .
  31. ↑ . Астронет.
  32. . jila.colorado.edu (2003). Дата обращения 22 января 2019.
  33. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. — 2-е, исправленное. — УРСС, 2004. — С. 441. — 544 с. — ISBN 5-354-00866-2.
  34. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. — 6-е. — Москва: Наука, 1987.
  35. . Астронет.
  36. .
  37. . Астронет. Астронет.
  38. Prialnik, Dina. An Introduction to the Theory of Stellar Structure and Evolution (англ.). — Cambridge University Press, 2000. — ISBN 978-0-521-65937-6.

Главная последовательность как стадия эволюции

Приближённая зависимость времени пребывания звезды на главной последовательности от её массы.

Области звездообразования с большим количеством звёзд главной последовательности спектрального класса O.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела для двух рассеянных звёздных скоплений: M 67 и NGC 188, позволяющая определить их возраст.

Эволюционный трек после главной последовательности для звезды с массой как у Солнца и солнечной металличностью на диаграмме Герцшпрунга — Рассела.

Основная статья: Звёздная эволюция

Звёзды попадают на главную последовательность после стадии протозвезды. Момент, когда мощность излучения звезды сравнивается с мощностью термоядерных реакций внутри неё (то есть, когда энергия перестаёт вырабатываться за счёт сжатия), считается моментом попадания звезды на главную последовательность. Считается, что в этот момент у звезды нулевой возраст, и область, где расположены такие звёзды, называется начальной главной последовательностью или главной последовательностью нулевого возраста. Она расположена в нижней части главной последовательности.

Общее количество энергии, которое звезда сможет произвести в процессе синтеза гелия из водорода, ограничено, в первую очередь, количеством водорода. Если звезда находится в равновесии, то она должна излучать столько же энергии, сколько и вырабатывает. Следовательно, можно оценить время нахождения звезды на главной последовательности, поделив общий запас энергии, который выделится, если весь водород в термоядерных реакциях превратится в гелий, на её светимость. Например, для Солнца этот период составит порядка 1010 лет.

Для звёзд главной последовательности с массами в диапазоне 2 M < M < 20 M зависимость масса — светимость выглядит как LM3,5, похожее соотношение выполняется и для меньших масс. Следовательно, у таких звёзд время нахождения на главной последовательности связано с массой как tM−2,5. Значит, более тяжёлые звёзды раньше сходят с главной последовательности и меньше живут. Тем не менее, у самых тяжёлых звёзд зависимость светимости от массы становится линейной, срок их жизни перестаёт уменьшаться с ростом массы, но составляет, по разным оценкам, от одного до нескольких миллионов лет, что очень мало с астрономической точки зрения. Самые маломассивные красные карлики могут жить порядка 10 триллионов лет.

Эта особенность позволяет определять возраст звёздных скоплений с учётом того, что звёзды в них образовались одновременно. Если построить диаграмму Герцшпрунга — Рассела для звёздного скопления, то главная последовательность будет ограничена слева и будет переходить в ветвь субгигантов — скопление живёт уже достаточно времени, чтобы самые массивные звёзды сошли с главной последовательности. Эта особенность позволяет рассчитывать возраст скопления как время нахождения на главной последовательности для звёзд на точке изгиба.

В течение жизни звезды в ядре постепенно накапливается гелий, который уменьшает темп реакций, и характеристики звезды меняются, чтобы сохранялось равновесие. Она постепенно отходит от начальной главной последовательности в сторону увеличения светимостей и уменьшения температур. Для звёзд средней массы стадия главной последовательности завершается, когда температура в недрах становится настолько большой, что водород начинает сгорать уже за пределами ядра. В этот момент звезда переходит на ветвь субгигантов, а через некоторое время становится красным гигантом, после чего в ней происходит гелиевая вспышка и начинается горение гелия. У звёзд с большей массой также начинается горение гелия, хотя и немного другим путём.

О дальнейшей эволюции звёзд наименьшей массы имеются лишь теоретические сведения, так как потенциальный срок их жизни превышает возраст Вселенной. Считается, что звёзды с массами меньше 0,5 M не могут стать гигантами, и по мере накопления гелия в ядре звезда сжимается и нагревается, становясь голубым карликом.

Так или иначе, дальнейшим стадиям эволюции звезды соответствует большая светимость, чем на стадии главной последовательности. Напротив, дальнейшие термоядерные реакции, если они идут, имеют гораздо меньшее удельное энерговыделение: для горения гелия оно примерно в 10 раз меньше, чем для синтеза гелия из водорода, а для следующих реакций оно ещё меньше. Из-за этого дальнейшие стадии эволюции звёзд проходят гораздо быстрее, чем стадия главной последовательности: к примеру, для Солнца стадия красного гиганта займёт около 130 миллионов лет — примерно на два порядка меньше, чем стадия главной последовательности. У большинства звёзд ситуация аналогичная, поэтому абсолютное их большинство, до 90 %, находится на главной последовательности.

Звёзды Be и B (e)

Основная статья: B(e)-звезда

Спектральные объекты, известные как «звёзды Ве», представляют собой массивные, но не сверхгигантские объекты, которые имеют или имели в своё время 1 или более бальмеровских линий излучения. Причём ряд электромагнитных спектральных серии водорода, излучаются звёздами, представляющими особый научный интерес. Обычно считается, что звёзды обладают необычно сильными звёздными ветрами, высокими поверхностными температурами и значительным истощением звёздной массы, когда объекты вращаются с необычайно высокой скоростью, и в этом их главное отличие от многих других типов звёзд главной последовательности.

Хотя соответствующие терминологии являются не совсем однозначными, спектральные объекты, известные как «звёзды B (e)» или «B », отличаются от звёзд Be, поскольку указанные объекты — B(e) — обладают отличительными нейтральными линиями или линиями эмиссии с низкой ионизацией, которые считаются «запрещёнными линиями», что обозначается скобками или квадратными скобками. Другими словами, излучение этих конкретных звёзд, по-видимому, подвергается процессам, которые обычно не допускаются согласно стационарной теории возмущений I-го порядка в квантовой механике. Определение «B (e) звезда» может включать в себя объекты, которые достаточно велики, чтобы быть голубым гигантом или голубым сверхгигантом, то есть находится за пределами размера стандартных звёзд главной последовательности.


С этим читают