Evoluția stelelor de diferite mase

Astronomii nu pot observa viața unei stele de la început până la sfârșit, deoarece chiar și cele mai scurte stele există de milioane de ani - mai mult decât viața întregii omeniri. Modificări ale caracteristicilor fizice și compoziției chimice a stelelor de-a lungul timpului, de ex. Astronomii studiază evoluția stelară comparând caracteristicile multor stele în diferite stadii de evoluție.

Modelele fizice care leagă caracteristicile observate ale stelelor sunt reflectate în diagrama culoare-luminozitate - diagrama Hertzsprung - Russell, pe care stelele formează grupuri separate - secvențe: secvența principală de stele, secvențe de supergiganți, giganți strălucitori și slabi, subgiganți, subpitici și pitici albi.

Pentru cea mai mare parte a vieții sale, orice stea se află pe așa-numita secvență principală a diagramei culoare-luminozitate. Toate celelalte etape ale evoluției stelei înainte de formarea unei rămășițe compacte durează nu mai mult de 10% din acest timp. Acesta este motivul pentru care majoritatea stelelor observate în galaxia noastră sunt modeste pitice roșii cu masa Soarelui sau mai mică. Secvența principală conține aproximativ 90% din toate stelele observate.

Durata de viață a unei stele și în ce se transformă la sfârșit drumul vietii, este complet determinată de masa sa. Stelele cu mase mai mari decât Soarele trăiesc mult mai puțin decât Soarele, iar durata de viață a celor mai masive stele este de doar milioane de ani. Pentru marea majoritate a stelelor, durata de viață este de aproximativ 15 miliarde de ani. După ce o stea își epuizează sursele de energie, începe să se răcească și să se contracte. Produsul final al evoluției stelare sunt obiecte compacte, masive, a căror densitate este de multe ori mai mare decât cea a stelelor obișnuite.

Stele de mase diferite ajung în una din cele trei stări: pitice albe, stele neutronice sau găuri negre. Dacă masa stelei este mică, atunci forțele gravitaționale sunt relativ slabe și compresia stelei (colapsul gravitațional) se oprește. Trece la o stare stabilă de pitică albă. Dacă masa depășește o valoare critică, compresia continuă. La densități foarte mari, electronii se combină cu protonii pentru a forma neutroni. În curând, aproape întreaga stea constă numai din neutroni și are o densitate atât de enormă încât masa stelară uriașă este concentrată într-o minge foarte mică cu o rază de câțiva kilometri și compresia se oprește - se formează o stea neutronică. Dacă masa stelei este atât de mare încât chiar și formarea unei stele neutronice nu va opri colapsul gravitațional, atunci etapa finală a evoluției stelei va fi o gaură neagră.

Este destul de firesc ca stelele să nu fie ființe vii, dar trec și prin stadii evolutive asemănătoare nașterii, vieții și morții. Ca o persoană, o vedetă suferă schimbări radicale de-a lungul vieții. Dar trebuie remarcat faptul că în mod clar trăiesc mai mult - milioane și chiar miliarde de ani pământeni.

Cum se nasc vedetele? Inițial, sau mai degrabă după Big Bang, materia din Univers a fost distribuită inegal. Stelele au început să se formeze în nebuloase - nori giganți praf interstelarși gaze, în principal hidrogen. Această materie este afectată de gravitație și o parte a nebuloasei este comprimată. Apoi se formează nori rotunzi și denși de gaz și praf - globule Bok. Pe măsură ce o astfel de globulă continuă să se condenseze, masa sa crește datorită atracției materiei din nebuloasă. În partea interioară a globului, forța gravitațională este cea mai puternică și începe să se încălzească și să se rotească. Acesta este deja un protostar. Atomii de hidrogen încep să se bombardeze unul pe altul și astfel să producă un numar mare de energie. În cele din urmă, temperatura părții centrale atinge o temperatură de aproximativ cincisprezece milioane de grade Celsius, iar miezul se formează nova. Nou-născutul se aprinde, începe să ardă și să strălucească. Cât timp va continua acest lucru depinde de masa noii stele. Ce ți-am spus la ultima noastră întâlnire. Cu cât masa este mai mare, cu atât durata de viață a stelei este mai scurtă.
Apropo, depinde de masă dacă o protostea poate deveni o stea. Conform calculelor, pentru ca acest corp ceresc contractat să se transforme într-o stea, masa lui trebuie să fie de cel puțin 8% din masa Soarelui. O globulă mai mică, în condensare, se va răci treptat și se va transforma într-un obiect de tranziție, ceva între o stea și o planetă. Astfel de obiecte se numesc pitici maro.

Planeta Jupiter, de exemplu, este prea mică pentru a deveni o stea. Dacă Jupiter ar fi mai masiv, poate că căldura ar începe în adâncurile sale. reactii nucleare, și ale noastre sistem solar ar fi un sistem de stele duble. Dar acestea sunt toate versurile...

Deci, etapa principală a vieții unei vedete. Pentru cea mai mare parte a existenței sale, steaua se află într-o stare de echilibru. Forța gravitației tinde să comprime steaua, iar energia eliberată ca urmare a reacțiilor termonucleare care au loc în stea forțează steaua să se extindă. Aceste două forțe creează o poziție de echilibru stabilă - atât de stabilă încât steaua trăiește astfel milioane și miliarde de ani. Această fază a vieții unei stele își asigură locul în secvența principală. -

După ce a strălucit milioane de ani, o stea mare, adică o stea de cel puțin șase ori mai grea decât Soarele, începe să se ardă. Când nucleul rămâne fără hidrogen, steaua se extinde și se răcește, devenind o supergigantă roșie. Acest supergigant se va micșora apoi până când în cele din urmă va exploda într-o explozie monstruoasă și dramatică, genială numită supernova. Trebuie remarcat aici că supergiganții albastre foarte masive ocolesc etapa de transformare într-o supergigantă roșie și explodează într-o supernovă mult mai repede.
Dacă nucleul rămas al supernovei este mic, atunci compresia sa catastrofală (colapsul gravitațional) începe într-o stea neutronică foarte densă, iar dacă este suficient de mare, se va comprima și mai mult, formând o gaură neagră.

Decesul unei stele obișnuite este oarecum diferită. O astfel de stea trăiește mai mult și moare cu o moarte mai liniștită. Soarele, de exemplu, va arde încă cinci miliarde de ani înainte ca miezul său să rămână fără hidrogen. Straturile sale exterioare vor începe apoi să se extindă și să se răcească; se formează o gigantă roșie. În această formă, o stea poate exista timp de aproximativ 100 de milioane de ani pe heliu format în timpul vieții sale în miezul său. Dar și heliul arde. În plus, straturile exterioare vor fi duse - vor forma o nebuloasă planetară, iar o pitică albă densă se va micșora din miez. Deși pitica albă este destul de fierbinte, se va răci în cele din urmă, devenind o stea moartă numită pitică neagră.

Stea-- un corp ceresc în care au loc, au avut loc sau vor avea loc reacții termonucleare. Stelele sunt bile masive luminoase de gaz (plasmă). Format dintr-un mediu gaz-praf (hidrogen și heliu) ca rezultat al compresiei gravitaționale. Temperatura materiei din interiorul stelelor este măsurată în milioane de kelvin, iar pe suprafața lor - în mii de kelvin. Energia majorității mari a stelelor este eliberată ca rezultat al reacțiilor termonucleare care transformă hidrogenul în heliu, care are loc atunci când temperaturi mariîn zonele interioare. Stelele sunt adesea numite corpurile principale ale Universului, deoarece conțin cea mai mare parte a materiei luminoase din natură. Stelele sunt obiecte uriașe, sferice, formate din heliu și hidrogen, precum și din alte gaze. Energia unei stele este conținută în miezul său, unde heliul interacționează cu hidrogenul în fiecare secundă. La fel ca tot ce este organic în universul nostru, stelele apar, se dezvoltă, se schimbă și dispar - acest proces durează miliarde de ani și se numește procesul de „Evoluție a stelelor”.

1. Evoluția stelelor

Evoluția stelelor-- succesiunea schimbărilor pe care o stea le suferă în timpul vieții sale, adică pe parcursul a sute de mii, milioane sau miliarde de ani în timp ce emite lumină și căldură. O stea își începe viața ca un nor rece, rarefiat de gaz interstelar (un mediu gazos rarefiat care umple tot spațiul dintre stele), comprimându-se sub propria gravitație și luând treptat forma unei bile. Când este comprimată, energia gravitațională (interacțiunea fundamentală universală dintre toate corpurile materiale) se transformă în căldură, iar temperatura obiectului crește. Când temperatura din centru atinge 15-20 milioane K, încep reacțiile termonucleare și compresia se oprește. Obiectul devine o stea cu drepturi depline. Prima etapă a vieții unei stele este similară cu cea a soarelui - este dominată de reacțiile ciclului hidrogenului. Rămâne în această stare cea mai mare parte a vieții sale, aflându-se pe secvența principală a diagramei Hertzsprung-Russell (Fig. 1) (care arată relația dintre magnitudinea absolută, luminozitate, clasa spectrală și temperatura de suprafață a stelei, 1910), până când rezervele sale de combustibil se epuizează la bază. Când tot hidrogenul din centrul stelei este transformat în heliu, se formează un miez de heliu și arderea termonucleară a hidrogenului continuă la periferia sa. În această perioadă, structura stelei începe să se schimbe. Luminozitatea sa crește, straturile sale exterioare se extind, iar temperatura de suprafață scade — steaua devine o gigantă roșie, care formează o ramură pe diagrama Hertzsprung-Russell. Steaua petrece mult mai puțin timp pe această ramură decât pe secvența principală. Când masa acumulată a miezului de heliu devine semnificativă, acesta nu își poate suporta propria greutate și începe să se micșoreze; dacă steaua este suficient de masivă, creșterea temperaturii poate determina transformarea termonucleară suplimentară a heliului în elemente mai grele (heliul în carbon, carbonul în oxigen, oxigenul în siliciu și, în final, siliciul în fier).

2. Fuziunea termonucleară în interiorul stelelor

Până în 1939, s-a stabilit că sursa energiei stelare este fuziunea termonucleară care are loc în intestinele stelelor. Majoritatea stelelor emit radiații deoarece în miezul lor patru protoni se combină printr-o serie de pași intermediari într-o singură particulă alfa. Această transformare poate avea loc în două moduri principale, numite ciclu proton-proton sau p-p și ciclu carbon-azot sau CN. În stelele cu masă mică, eliberarea de energie este asigurată în principal de primul ciclu, în stelele grele - de al doilea. Furnizarea de combustibil nuclear într-o stea este limitată și este cheltuită în mod constant pentru radiații. Procesul de fuziune termonucleară, care eliberează energie și modifică compoziția materiei stelei, în combinație cu gravitația, care tinde să comprime steaua și, de asemenea, eliberează energie, precum și radiația de la suprafață, care duce energia eliberată, sunt principalele forțe motrice ale evoluției stelare. Evoluția unei stele începe într-un nor molecular gigant, numit și leagăn stelar. Majoritatea spațiului „gol” dintr-o galaxie conține de fapt între 0,1 și 1 moleculă pe cm?. Norul molecular are o densitate de aproximativ un milion de molecule pe cm?. Masa unui astfel de nor depășește masa Soarelui de 100.000-10.000.000 de ori datorită dimensiunii sale: de la 50 la 300 de ani lumină în diametru. În timp ce norul se rotește liber în jurul centrului galaxiei sale natale, nu se întâmplă nimic. Cu toate acestea, din cauza neomogenității câmpului gravitațional, în acesta pot apărea perturbări, ducând la concentrații locale de masă. Astfel de perturbări provoacă colapsul gravitațional al norului. Unul dintre scenariile care duc la aceasta este ciocnirea a doi nori. Un alt eveniment care provoacă prăbușirea ar putea fi trecerea unui nor prin brațul dens al unei galaxii spirale. De asemenea, un factor critic ar putea fi explozia unei supernove din apropiere, a cărei undă de șoc se va ciocni cu norul molecular cu o viteză enormă. În plus, este posibilă o coliziune a galaxiei, care ar putea provoca o explozie de formare a stelelor ca nori de gazîn fiecare dintre galaxii sunt comprimate ca urmare a unei coliziuni. În general, orice neomogenități în forțele care acționează asupra masei norului pot iniția procesul de formare a stelelor. Datorită neomogenităților apărute, presiunea gazului molecular nu mai poate împiedica comprimarea ulterioară, iar gazul începe să se adune în jurul centrului viitoarei stele sub influența forțelor de atracție gravitațională. Jumătate din energia gravitațională eliberată este destinată încălzirii norului, iar jumătate din radiația luminoasă. În nori, presiunea și densitatea cresc spre centru, iar prăbușirea părții centrale are loc mai repede decât la periferie. Pe măsură ce se contractă, calea liberă medie a fotonilor scade, iar norul devine din ce în ce mai puțin transparent la propria sa radiație. Acest lucru duce la o creștere mai rapidă a temperaturii și o creștere și mai rapidă a presiunii. Ca urmare, gradientul de presiune echilibrează forța gravitațională și se formează un miez hidrostatic, cu o masă de aproximativ 1% din masa norului. Acest moment este invizibil. Evoluția ulterioară a protostelei este acumularea de materie care continuă să cadă pe „suprafața” nucleului, care datorită acestui lucru crește în dimensiune. Masa de materie care se mișcă liber din nor este epuizată, iar steaua devine vizibilă în domeniul optic. Acest moment este considerat sfârșitul fazei protostelare și începutul fazei de stea tânără. Procesul de formare a stelelor poate fi descris într-un mod unitar, dar etapele ulterioare ale dezvoltării unei stele depind aproape în întregime de masa acesteia și doar la sfârșitul evoluției stelare poate juca un rol compoziția chimică.

3. Ciclul mijlociu al unei stele

Stelele vin într-o mare varietate de culori și dimensiuni. Tipul lor spectral variază de la albastru fierbinte la roșu rece, iar masa lor variază de la 0,0767 la mai mult de 200 de mase solare. Luminozitatea și culoarea unei stele depind de temperatura suprafeței sale, care, la rândul ei, este determinată de masa sa. Toate stelele noi „își iau locul” în secvența principală în funcție de compoziția lor chimică și de masă. Nu vorbim despre mișcarea fizică a stelei - doar despre poziția sa pe diagrama indicată, în funcție de parametrii stelei. De fapt, mișcarea unei stele de-a lungul diagramei corespunde doar unei modificări a parametrilor stelei. Piticile mici și roșii reci își ard încet rezervele de hidrogen și rămân în secvența principală timp de sute de miliarde de ani, în timp ce supergiganții masivi vor părăsi secvența principală în câteva milioane de ani de la formare. Stelele de dimensiuni medii precum Soarele rămân pe secvența principală timp de o medie de 10 miliarde de ani. Se crede că Soarele este încă pe el, deoarece se află la mijlocul ciclului său de viață. Odată ce o stea rămâne fără hidrogen în miezul său, ea părăsește secvența principală. După un anumit timp - de la un milion la zeci de miliarde de ani, în funcție de masa inițială - steaua epuizează resursele de hidrogen ale nucleului. La stelele mari și fierbinți acest lucru se întâmplă mult mai repede decât la cele mici și mai reci. Epuizarea aportului de hidrogen duce la oprirea reacțiilor termonucleare. Fără presiunea generată de aceste reacții pentru a echilibra propria atracție gravitațională a stelei, steaua începe să se contracte din nou, așa cum a făcut înainte în timpul formării sale. Temperatura și presiunea cresc din nou, dar, spre deosebire de stadiul protostar, la mai mult nivel inalt. Colapsul continuă până când reacțiile termonucleare care implică heliu încep la o temperatură de aproximativ 100 milioane K. Arderea termonucleară a materiei reluată la un nou nivel provoacă expansiunea monstruoasă a stelei. Steaua „slăbește”, iar dimensiunea ei crește de aproximativ 100 de ori. Astfel, steaua devine o gigantă roșie, iar faza de ardere a heliului durează aproximativ câteva milioane de ani. Aproape toate giganții roșii sunt stele variabile. Ceea ce se întâmplă în continuare depinde din nou de masa stelei.

4. Anii mai târziu și moartea stelelor

Stele vechi cu masă mică

Până în prezent, nu se știe cu certitudine ce se întâmplă cu stelele luminoase după ce aprovizionarea lor cu hidrogen este epuizată. Întrucât vârsta universului este de 13,7 miliarde de ani, ceea ce nu este suficient pentru a epuiza rezerva de combustibil cu hidrogen în astfel de stele, teoriile moderne se bazează pe simulări computerizate ale proceselor care au loc în astfel de stele. Unele stele pot sintetiza heliu doar în anumite zone active, provocând instabilitate și vânturi stelare puternice. În acest caz, formarea unei nebuloase planetare nu are loc, iar steaua doar se evaporă, devenind chiar mai mică decât o pitică maro. Stelele cu mase mai mici de 0,5 solare nu sunt capabile să transforme heliul chiar și după ce reacțiile care implică hidrogen încetează în miez - masa lor este prea mică pentru a oferi o nouă fază de compresie gravitațională în măsura în care inițiază „aprinderea” heliului. Aceste stele includ pitici roșii precum Proxima Centauri, care au durate de viață secvențe principale de zeci de miliarde până la zeci de trilioane de ani. După încetarea reacțiilor termonucleare în miezul lor, aceștia, răcindu-se treptat, vor continua să emită slab în intervalele de infraroșu și microunde ale spectrului electromagnetic.

Stele de dimensiuni medii

Când o stea de mărime medie (de la 0,4 la 3,4 mase solare) ajunge în faza gigantului roșu, miezul său rămâne fără hidrogen și încep reacțiile de sinteză a carbonului din heliu. Acest proces are loc la temperaturi mai ridicate și, prin urmare, fluxul de energie din miez crește, ceea ce duce la faptul că straturile exterioare ale stelei încep să se extindă. Începutul sintezei carbonului marchează o nouă etapă în viața unei stele și continuă de ceva timp. Pentru o stea de dimensiuni similare cu Soarele, acest proces poate dura aproximativ un miliard de ani. Modificările cantității de energie emisă fac ca steaua să treacă prin perioade de instabilitate, inclusiv modificări ale dimensiunii, temperaturii suprafeței și producției de energie. Ieșirea de energie se deplasează către radiații de joasă frecvență. Toate acestea sunt însoțite de creșterea pierderii de masă din cauza vântului stelar puternic și a pulsațiilor intense. Stelele din această fază sunt numite stele de tip târziu, stele OH-IR sau stele asemănătoare Mira, în funcție de caracteristicile lor exacte. Gazul ejectat este relativ bogat în elemente grele produse în interiorul stelei, cum ar fi oxigenul și carbonul. Gazul formează o înveliș în expansiune și se răcește pe măsură ce se îndepărtează de stea, permițând formarea de particule și molecule de praf. Cu radiații infraroșii puternice de la steaua centrală, în astfel de cochilii se formează condiții ideale pentru activarea maserelor. Reacțiile de ardere a heliului sunt foarte sensibile la temperatură. Uneori, acest lucru duce la o mare instabilitate. Apar pulsații puternice, care în cele din urmă conferă suficientă accelerație straturilor exterioare pentru a fi aruncate și transformate într-o nebuloasă planetară. În centrul nebuloasei rămâne nucleul gol al stelei, în care reacțiile termonucleare se opresc și, pe măsură ce se răcește, se transformă într-o pitică albă de heliu, având de obicei o masă de până la 0,5-0,6 solar și un diametru pe ordinea diametrului Pământului.

Pitici albi

La scurt timp după flash-ul de heliu, carbonul și oxigenul „se aprind”; fiecare dintre aceste evenimente provoacă o restructurare serioasă a stelei și mișcarea sa rapidă de-a lungul diagramei Hertzsprung-Russell. Dimensiunea atmosferei stelei crește și mai mult și începe să piardă intens gaz sub formă de fluxuri împrăștiate de vânt stelar. Soarta părții centrale a unei stele depinde în întregime de masa sa inițială: nucleul unei stele își poate încheia evoluția ca pitică albă (stele de masă mică); dacă masa sa în etapele ulterioare ale evoluției depășește limita Chandrasekhar - ca o stea neutronică (pulsar); dacă masa depășește limita Oppenheimer - Volkov - ca o gaură neagră. În ultimele două cazuri, finalizarea evoluției stelelor este însoțită de evenimente catastrofale - explozii de supernova. Marea majoritate a stelelor, inclusiv Soarele, își încheie evoluția contractându-se până când presiunea electronilor degenerați echilibrează gravitația. În această stare, când dimensiunea stelei scade de o sută de ori, iar densitatea devine de un milion de ori mai mare decât densitatea apei, steaua este numită pitică albă. Este lipsit de surse de energie și, răcindu-se treptat, devine întunecat și invizibil. În stelele mai masive decât Soarele, presiunea electronilor degenerați nu poate opri comprimarea ulterioară a nucleului, iar electronii încep să fie „presați” în nuclee atomice, ceea ce duce la transformarea protonilor în neutroni, între care nu există repulsie electrostatică. forte. O astfel de neutronizare a materiei duce la faptul că dimensiunea stelei, care, de fapt, reprezintă acum un nucleu atomic imens, este măsurată pe câțiva kilometri, iar densitatea este de 100 de milioane de ori mai mare decât densitatea apei. Un astfel de obiect se numește stea neutronică.

Stele supermasive

După ce o stea cu o masă mai mare de cinci ori cea a soarelui intră în stadiul de supergigant roșie, miezul său începe să se micșoreze sub influența gravitației. Pe măsură ce compresia crește, temperatura și densitatea cresc și începe o nouă secvență de reacții termonucleare. În astfel de reacții se sintetizează elemente din ce în ce mai grele: heliu, carbon, oxigen, siliciu și fier, care limitează temporar prăbușirea miezului. În cele din urmă, pe măsură ce se formează elemente din ce în ce mai grele ale tabelului periodic, fierul-56 este sintetizat din siliciu. În această etapă, fuziunea termonucleară ulterioară devine imposibilă, deoarece nucleul de fier-56 are un defect de masă maximă și formarea de nuclee mai grele cu eliberarea de energie este imposibilă. Prin urmare, atunci când nucleul de fier al unei stele atinge o anumită dimensiune, presiunea din el nu mai este capabilă să reziste gravitației straturilor exterioare ale stelei și are loc colapsul imediat al nucleului odată cu neutronizarea materiei sale. Ce se întâmplă în continuare nu este încă complet clar, dar, în orice caz, procesele care au loc în câteva secunde duc la explozia unei supernove de o forță incredibilă. Explozia însoțitoare de neutrini provoacă o undă de șoc. Jeturi puternice de neutrini și un câmp magnetic rotativ împing în afară o mare parte din materialul acumulat de stele - așa-numitele elemente semințe, inclusiv fier și elemente mai ușoare. Materia care explodează este bombardată de neutroni emiși din nucleu, captându-i și creând astfel un set de elemente mai grele decât fierul, inclusiv radioactive, până la uraniu (și poate chiar californiu). Astfel, exploziile de supernove explică prezența unor elemente mai grele decât fierul în materia interstelară, care, totuși, nu este singura modalitate posibilă de formare a acestora; de exemplu, acest lucru este demonstrat de stelele de tehnețiu. Unda de explozie și jeturile de neutrini transportă materia departe de steaua pe moarte spațiu interstelar. Ulterior, pe măsură ce se răcește și se mișcă prin spațiu, acest material de supernovă se poate ciocni cu alte „gunoaie” spațiale și poate participa la formarea de noi stele, planete sau sateliți. Procesele care au loc în timpul formării unei supernove sunt încă studiate și, până acum, nu există claritate cu privire la această problemă. De asemenea, este discutabil ce rămâne de fapt din steaua originală. Cu toate acestea, sunt luate în considerare două opțiuni: stele neutronice și găuri negre.

Stele neutronice

Se știe că în unele supernove, gravitația puternică în adâncurile supergigantului forțează ca electronii să fie absorbiți de nucleul atomic, unde se contopesc cu protonii pentru a forma neutroni. Acest proces se numește neutronizare. Forțele electromagnetice care separă nucleele din apropiere dispar. Miezul stelei este acum o minge densă de nuclee atomiceși neutroni individuali. Astfel de stele, cunoscute sub numele de stele neutronice, sunt extrem de mici - nu mai mult de oraș mareși au o densitate inimaginabil de mare. Perioada lor orbitală devine extrem de scurtă pe măsură ce dimensiunea stelei scade (datorită conservării momentului unghiular). Unii fac 600 de rotații pe secundă. Pentru unele dintre ele, unghiul dintre vectorul de radiație și axa de rotație poate fi astfel încât Pământul să cadă în conul format de această radiație; în acest caz, este posibil să se detecteze un impuls de radiație care se repetă la intervale egale cu perioada orbitală a stelei. Astfel de stele cu neutroni au fost numite „pulsari” și au devenit primele stele cu neutroni care au fost descoperite.

Găuri negre

Nu toate supernovele devin stele neutronice. Dacă steaua are o masă suficient de mare, atunci prăbușirea stelei va continua, iar neutronii înșiși vor începe să cadă în interior până când raza sa devine mai mică decât raza Schwarzschild. După aceasta, steaua devine o gaură neagră. Existența găurilor negre a fost prezisă de teoria generală a relativității. Conform acestei teorii, materia și informația nu pot părăsi o gaură neagră în nicio condiție. Cu toate acestea, mecanica cuantică face posibile excepții de la această regulă. Rămân o serie de întrebări deschise. Principalul dintre ei: „Există găuri negre?” La urma urmei, pentru a spune exact ce este un obiect dat gaură neagră, este necesar să se observe orizontul său de evenimente. Acest lucru este imposibil doar prin definirea orizontului, dar folosind interferometrie radio de bază ultra-lungă, este posibil să se determine metrica în apropierea unui obiect, precum și să se înregistreze variabilitatea rapidă, în milisecunde. Aceste proprietăți, observate într-un singur obiect, ar trebui să dovedească definitiv existența găurilor negre.

Viața internă a unei stele este reglementată de influența a două forțe: forța gravitațională, care contracarează steaua și o reține, și forța eliberată în timpul reacțiilor nucleare care au loc în nucleu. Dimpotrivă, tinde să „împingă” steaua în spațiul îndepărtat. În timpul etapelor de formare, o stea densă și comprimată este puternic influențată de gravitație. Ca urmare, are loc o încălzire puternică, temperatura ajunge la 10-20 de milioane de grade. Acest lucru este suficient pentru a începe reacțiile nucleare, în urma cărora hidrogenul este transformat în heliu.

Apoi, pe o perioadă lungă de timp, cele două forțe se echilibrează reciproc, steaua este într-o stare stabilă. Când combustibilul nuclear din miez se epuizează treptat, steaua intră într-o fază de instabilitate, două forțe opuse. Vine un moment critic pentru o stea, o varietate de factori intră în joc - temperatura, densitatea, compoziție chimică. Masa stelei este pe primul loc; viitorul acestui corp ceresc depinde de ea - fie steaua va exploda ca o supernova, fie se va transforma într-o pitică albă, o stea neutronică sau o gaură neagră.

Cum se epuizează hidrogenul

Doar cele mai mari dintre corpurile cerești (de aproximativ 80 de ori masa lui Jupiter) devin stele, cele mai mici (de aproximativ 17 ori mai mici decât Jupiter) devin planete. Există și corpuri de masă medie, sunt prea mari pentru a aparține clasei planetelor și prea mici și reci pentru ca reacțiile nucleare caracteristice stelelor să apară în adâncurile lor.

Aceste corpuri cerești de culoare închisă au luminozitate scăzută și sunt destul de greu de distins pe cer. Se numesc „pitici maro”.

Deci, o stea se formează din nori de gaz interstelar. După cum am menționat deja, destul perioadă lungă de timp steaua este într-o stare echilibrată. Apoi vine o perioadă de instabilitate. Mai departe soarta stelele depind de diverși factori. Luați în considerare o stea mică ipotetică a cărei masă este între 0,1 și 4 mase solare. Trăsătură caracteristică stele cu masă mică este absența convecției în straturile interioare, adică. Substanțele care alcătuiesc steaua nu se amestecă, așa cum se întâmplă la stelele cu masă mare.

Aceasta înseamnă că atunci când hidrogenul din miez se epuizează, nu există rezerve noi ale acestui element în straturile exterioare. Hidrogenul arde și se transformă în heliu. Încetul cu încetul, miezul se încălzește, straturile de suprafață își destabilizează propria structură, iar steaua, după cum se poate observa din diagrama H-R, părăsește încet faza Secvenței Principale. În noua fază, densitatea materiei din interiorul stelei crește, compoziția nucleului „degenerează” și, ca urmare, apare o consistență specială. Este diferit de materia normală.

Modificarea materiei

Când materia se schimbă, presiunea depinde doar de densitatea gazelor, nu de temperatură.

În diagrama Hertzsprung–Russell, steaua se mișcă la dreapta și apoi în sus, apropiindu-se de regiunea gigant roșie. Dimensiunile sale cresc semnificativ și, din această cauză, temperatura straturilor exterioare scade. Diametrul unui gigant roșu poate atinge sute de milioane de kilometri. Când al nostru intră în această fază, va „înghiți” sau Venus, iar dacă nu poate captura Pământul, îl va încălzi într-o asemenea măsură încât viața pe planeta noastră va înceta să mai existe.

În timpul evoluției unei stele, temperatura nucleului acesteia crește. Mai întâi au loc reacții nucleare, apoi, la atingerea temperaturii optime, heliul începe să se topească. Când se întâmplă acest lucru, creșterea bruscă a temperaturii de la miez provoacă o erupție și steaua se deplasează rapid în partea stângă a diagramei H-R. Acesta este așa-numitul „bliț de heliu”. În acest moment, miezul care conține heliu arde împreună cu hidrogenul, care face parte din învelișul care înconjoară miezul. Pe diagrama H-R, această etapă este înregistrată prin deplasarea spre dreapta de-a lungul unei linii orizontale.

Ultimele faze ale evoluției

Când heliul este transformat în carbon, nucleul este modificat. Temperatura lui crește până când (dacă steaua este mare) până când carbonul începe să ardă. Apare un nou focar. În orice caz, în ultimele faze ale evoluției stelei, se remarcă o pierdere semnificativă a masei acesteia. Acest lucru se poate întâmpla treptat sau brusc, în timpul unei izbucniri, când straturile exterioare ale stelei izbucnesc ca o bulă mare. În acest din urmă caz, se formează o nebuloasă planetară - o înveliș sferică care se răspândește în interior spațiul cosmic cu o viteză de câteva zeci sau chiar sute de km/sec.

Soarta finală a unei stele depinde de masa rămasă după tot ce se întâmplă în ea. Dacă a ejectat multă materie în timpul tuturor transformărilor și erupțiilor și masa sa nu depășește 1,44 mase solare, steaua se transformă într-o pitică albă. Această cifră este numită „limita Chandra-sekhar” în onoarea astrofizicianului pakistanez Subrahmanyan Chandrasekhar. Aceasta este masa maximă a unei stele la care s-ar putea să nu aibă loc un capăt catastrofal din cauza presiunii electronilor din miez.

După explozia straturilor exterioare, nucleul stelei rămâne, iar temperatura suprafeței acesteia este foarte ridicată - aproximativ 100.000 °K. Steaua se deplasează spre marginea stângă a diagramei H-R și coboară. Luminozitatea sa scade pe măsură ce dimensiunea sa scade.

Steaua ajunge încet în zona piticii albe. Acestea sunt stele cu diametru mic (ca la noi), dar caracterizate printr-o densitate foarte mare, de un milion și jumătate de ori densitatea apei. Un centimetru cub din materialul care alcătuiește o pitică albă ar cântări aproximativ o tonă pe Pământ!

O pitică albă reprezintă stadiul final al evoluției stelelor, fără izbucniri. Ea se răcește treptat.

Oamenii de știință cred că sfârșitul piticii albe este foarte lent, cel puțin de la începutul Universului, se pare că nici măcar o pitică albă nu a suferit de „moarte termică”.

Dacă steaua este mare și masa ei mai mare decât soarele, va exploda ca o supernova. În timpul unei erupții, o stea se poate prăbuși complet sau parțial. În primul caz, ceea ce va rămâne în urmă este un nor de gaz cu materie reziduală din stea. În al doilea, corpul ceresc rămâne cea mai mare densitate– stea neutronică sau gaură neagră.

Evoluția stelară în astronomie este succesiunea schimbărilor pe care o stea le suferă în timpul vieții sale, adică pe parcursul a sute de mii, milioane sau miliarde de ani în timp ce emite lumină și căldură. În perioade atât de enorme, schimbările sunt destul de semnificative.

Evoluția unei stele începe într-un nor molecular gigant, numit și leagăn stelar. Majoritatea spațiului „gol” dintr-o galaxie conține de fapt între 0,1 și 1 moleculă pe cm 3 . Un nor molecular are o densitate de aproximativ un milion de molecule pe cm 3 . Masa unui astfel de nor depășește masa Soarelui de 100.000–10.000.000 de ori datorită dimensiunii sale: de la 50 la 300 de ani lumină.

Evoluția unei stele începe într-un nor molecular gigant, numit și leagăn stelar.

În timp ce norul se rotește liber în jurul centrului galaxiei sale natale, nu se întâmplă nimic. Cu toate acestea, din cauza neomogenității câmpului gravitațional, în acesta pot apărea perturbări, ducând la concentrații locale de masă. Astfel de perturbări provoacă colapsul gravitațional al norului. Unul dintre scenariile care duc la aceasta este ciocnirea a doi nori. Un alt eveniment care provoacă colapsul ar putea fi trecerea unui nor prin brațul dens al unei galaxii spirale. De asemenea, un factor critic ar putea fi explozia unei supernove din apropiere, a cărei undă de șoc se va ciocni cu norul molecular cu o viteză enormă. Este, de asemenea, posibil ca galaxiile să se ciocnească, ceea ce ar putea provoca o explozie de formare de stele, deoarece norii de gaz din fiecare galaxie sunt comprimați în urma coliziunii. În general, orice neomogenități în forțele care acționează asupra masei norului pot declanșa procesul de formare a stelelor.

orice neomogenități în forțele care acționează asupra masei norului pot declanșa procesul de formare a stelelor.

În timpul acestui proces, neomogenitățile norului molecular se vor comprima sub influența propriei gravitații și vor lua treptat forma unei mingi. Când este comprimată, energia gravitațională se transformă în căldură, iar temperatura obiectului crește.

Când temperatura din centru atinge 15-20 milioane K, reacțiile termonucleare încep și compresia se oprește. Obiectul devine o stea cu drepturi depline.

Etapele ulterioare ale evoluției unei stele depind aproape în întregime de masa acesteia și doar la sfârșitul evoluției unei stele poate juca un rol compoziția sa chimică.

Prima etapă a vieții unei stele este similară cu cea a soarelui - este dominată de reacțiile ciclului hidrogenului.

Rămâne în această stare pentru cea mai mare parte a vieții sale, fiind pe secvența principală a diagramei Hertzsprung–Russell, până când rezervele de combustibil din miezul său se epuizează. Când tot hidrogenul din centrul stelei este transformat în heliu, se formează un miez de heliu, iar arderea termonucleară a hidrogenului continuă la periferia miezului.

Piticile mici și roșii reci își ard încet rezervele de hidrogen și rămân pe secvența principală timp de zeci de miliarde de ani, în timp ce supergiganții masivi părăsesc secvența principală la câteva zeci de milioane (și unele doar câteva milioane) de ani de la formare.

În prezent, nu se știe cu certitudine ce se întâmplă cu stelele luminoase după ce cantitatea de hidrogen din nucleele lor este epuizată. Întrucât vârsta universului este de 13,8 miliarde de ani, ceea ce nu este suficient pentru a epuiza rezerva de combustibil cu hidrogen în astfel de stele, teoriile moderne se bazează pe simulări computerizate ale proceselor care au loc în astfel de stele.

Conform conceptelor teoretice, unele dintre stelele luminoase, pierzându-și materia (vânt stelar), se vor evapora treptat, devenind din ce în ce mai mici. Altele, piticele roșii, se vor răci încet de-a lungul miliardelor de ani, în timp ce continuă să emită emisii slabe în intervalele de infraroșu și microunde ale spectrului electromagnetic.

Stelele de dimensiuni medii precum Soarele rămân pe secvența principală timp de o medie de 10 miliarde de ani.

Se crede că Soarele este încă pe el, deoarece se află la mijlocul ciclului său de viață. Odată ce o stea rămâne fără hidrogen în miezul său, ea părăsește secvența principală.

Odată ce o stea rămâne fără hidrogen în miezul său, ea părăsește secvența principală.

Fără presiunea care a apărut în timpul reacțiilor termonucleare și a echilibrat gravitația internă, steaua începe să se micșoreze din nou, așa cum a făcut anterior în timpul procesului de formare.

Temperatura și presiunea cresc din nou, dar, spre deosebire de stadiul protostar, la un nivel mult mai ridicat.

Prăbușirea continuă până când, la o temperatură de aproximativ 100 milioane K, încep reacțiile termonucleare care implică heliu, timp în care heliul este transformat în elemente mai grele (heliul în carbon, carbonul în oxigen, oxigenul în siliciu și, în final, siliciul în fier).

Colapsul continuă până când reacțiile termonucleare care implică heliu încep la o temperatură de aproximativ 100 milioane K.

„Arderea” termonucleară a materiei, reluată la un nou nivel, provoacă o expansiune monstruoasă a stelei. Steaua „se umflă”, devenind foarte „slăbită”, iar dimensiunea ei crește de aproximativ 100 de ori.

Steaua devine o gigantă roșie, iar faza de ardere a heliului durează aproximativ câteva milioane de ani.

Ce se întâmplă în continuare depinde și de masa stelei.

În stelele de dimensiuni medii, reacția de ardere termonucleară a heliului poate duce la eliberarea explozivă a straturilor exterioare ale stelei cu formarea de nebuloasă planetară. Miezul stelei, în care se opresc reacțiile termonucleare, se răcește și se transformă într-o pitică albă de heliu, având de obicei o masă de până la 0,5-0,6 mase solare și un diametru de ordinul diametrului Pământului.

Pentru stelele masive și supermasive (cu o masă de cinci mase solare sau mai mult), procesele care au loc în miezul lor pe măsură ce compresia gravitațională crește duc la o explozie supernova cu eliberarea unei energii enorme. Explozia este însoțită de ejectarea unei mase semnificative de materie stelară în spațiul interstelar. Această substanță participă ulterior la formarea de noi stele, planete sau sateliți. Datorită supernovelor, Universul ca întreg și fiecare galaxie în particular evoluează chimic. Miezul stelar rămas după explozie poate ajunge să evolueze ca o stea neutronică (pulsar) dacă masa stelei din stadiul târziu depășește limita Chandrasekhar (1,44 mase solare) sau ca o gaură neagră dacă masa stelei depășește limita Oppenheimer-Volkoff (valori estimate de 2,5-3 mase solare).

Procesul de evoluție stelară în Univers este continuu și ciclic - stelele vechi se estompează și altele noi se aprind pentru a le înlocui.

Conform conceptelor științifice moderne, elementele necesare pentru apariția planetelor și a vieții pe Pământ s-au format din materie stelară. Deși nu există un singur punct de vedere general acceptat asupra modului în care a apărut viața.