Підручник з Астрономії (рівень стандарту). 11 клас. Пришляк - Нова програма

3. Еволюція зір. Білі карлики. Нейтронні зорі. Чорні діри

Астрономи створили теорію еволюції зір завдяки тому, що в космосі можна спостерігати мільярди зір різного віку. Всесвіт — це своєрідний космічний парк, у якому зорі народжуються, певний час світять, а потім гинуть. Важко побачити зорю до її народження, поки вона не почне світитися у видимій частині спектра. Зорі зароджуються разом із планетами з розріджених газопилових хмар, які утворюються після вибуху старих зір. За допомогою сучасних телескопів астрономи виявили в космосі сотні таких величезних газопилових туманностей, де зараз відбувається утворення молодих світів (рис. 3.1). Наприклад, такі своєрідні «ясла» новонароджених зір можна побачити в сузір'ї Оріон (рис. 3.2) та зоряному скупченні Плеяди (рис. 3.3).

Рис. 3.1. Зародження зорі

Рис. 3.2. Туманність у сузір'ї Оріон можна побачити навіть неозброєним оком. Відстань до неї близько 1000 св. років

Доля зорі та тривалість її життя залежать від початкової маси зародка зорі — протозорі. Якщо вона була в кілька разів більшою, ніж маса Сонця, то під час гравітаційного стискування утворюються гарячі зорі спектральних класів О та В. Протозорі з такою початковою масою, як маса Сонця, під час гравітаційного стиснення нагріваються до температури 6000 K. Протозорі з масою у кілька разів меншою, ніж сонячна, можуть перетворитися тільки на червоних карликів. Найменша маса, яка необхідна для початку термоядерних реакцій у надрах зорі, дорівнює майже 0,08 маси Сонця. Об'єкти меншої маси ніколи не перетворяться на зорі — вони будуть випромінювати енергію тільки в інфрачервоній частині спектра. Такі космічні тіла ми спостерігаємо навіть у Сонячній системі — це планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Нептун. Можливо, що в міжзоряному просторі кількість таких холодних інфрачервоних тіл (їх ще називають «коричневі карлики») може бути набагато більшою, ніж видимих зір.

Рис. 3.3. Туманність у зоряному скупченні Плеяди, з якої утворюються нові зорі

Нові та Наднові зорі. Зорі з масою у кілька разів більшою, ніж сонячна, закінчують своє життя грандіозним вибухом. У 1054 р. китайські астрономи спостерігали надзвичайно яскраву нову зорю, яку було видно вдень протягом кількох тижнів. Цю незвичайну зорю помітили також літописці в Київській Русі, адже це був рік смерті Ярослава Мудрого. Вважалося, що поява нової зорі віщувала «Боже знамення» на сумну подію. Сьогодні на тому місці, де спалахнула ця таємнича зоря, видно туманність Краб (рис. 3.4). Зорі спектральних класів О та В, які протягом кількох днів збільшують свою яскравість у сотні мільйонів разів, називають Новими. Інколи Нова випромінює майже стільки ж енергії, скільки виділяють разом усі зорі в галактиці — такі зорі мають назву Наднові. Туманність Краб у сузір'ї Тільця є залишком такої Наднової, що спалахнула в 1054 р. Вірніше, якщо врахувати, що туманність Краб розміщується на відстані 6500 св. років від Землі, то спалах Наднової стався ще 7500 р. тому.

Рис. 3.4. Туманність Краб, яка утворилася після спалаху Наднової у 1054 р.

Останній спалах Наднової астрономи спостерігали в 1987 р. у сусідній галактиці — Великій Магеллановій Хмарі. Вибухнула гігантська зоря спектрального класу В, яка кілька тижнів світила яскравіше від усіх зір у галактиці (рис. 3.5). Приблизно за 20 год перед спалахом Наднової було зареєстровано ударну хвилю нейтринного потоку, який тривав 13 с і за потужністю був у десятки тисяч разів більший, ніж енергія в оптичному діапазоні.

Рис. 3.5. Спалах Наднової у сусідній галактиці Велика Магелланова Хмара (1987 р.)

Таким чином, у 1987 р. астрономи вперше отримали інформацію про далеку космічну подію, яка відбулася майже 200 тис. років тому. Після спалаху зорі всі планети, які оберталися навколо неї, випарувалися і перетворилися на газопилову туманність, з якої в майбутньому може утворитися нове покоління зір. Тобто у Всесвіті спостерігається своєрідний кругообіг речовини: «зорі — спалах зір — туманність — і знову народження молодих зір» (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Еволюція зір

Білі карлики. Білі карлики — зорі низької світності з масами, порівняними із масою Сонця, та високими ефективними температурами. Назва «білі карлики» пов'язана з кольором перших відкритих представників цього класу — Сіріуса B і 40 Ерідана B.

Нова зоря — зоря класу вибухових змінних, блиск якої раптово збільшується на 7-20m

Наднова — зоря, світність якої несподівано зростає і за декілька діб досягає (108-1010) L

Для допитливих

Після спалаху Нової або Наднової залишається ядро, у якому відсутнє джерело енергії. Така зоря поступово зменшує свій радіус і світить тільки завдяки гравітаційному стискуванню — потенціальна енергія зорі перетворюється на тепло. При стискуванні маса залишається сталою, тому збільшується густина, і зоря перетворюється на білого карлика.

Якщо початкова маса зорі була в кілька разів більшою, ніж сонячна, то білий карлик може перетворитись на нейтронну зорю, радіус якої не перевищує кількох десятків кілометрів, а густина сягає фантастичної величини 1015г/см3. Першу нейтронну зорю випадково відкрили в Кембриджському університеті в 1967 р. За допомогою невеликої антени астрономи зареєстрували радіосигнал, який повторювався з постійним періодом 1 с. Уночі в тому напрямку, звідки надходили імпульси, не було видно жодної зорі, тому астрономи навіть висунули гіпотезу про радіосигнал штучного походження від позаземної цивілізації. Потім спостереження показали, що такі періодичні сигнали надходять на Землю від сотень інших невидимих джерел, які було названо пульсарами. Один із пульсарів було виявлено навіть у центрі знаменитої туманності Краб.

Білий карлик — зоря низької світності з масою, порівняною з масою Сонця, однак з радіусом у ≈100 разів меншим від радіуса Сонця і з високою ефективною температурою

Пульсар — галактичний об'єкт, джерело чіткого періодичного імпульсного випромінювання

Нейтронні зорі. Сучасні теоретичні розрахунки показують, що пульсари і нейтронні зорі — це одні й ті самі об'єкти. Внаслідок стискування нейтронної зорі має виконуватися закон збереження моменту імпульсу. Цей закон часто демонструють на льоду фігуристи, коли треба викликати швидке обертання свого тіла навколо осі. Спортсмени спочатку починають повільно обертатися навколо осі з витягнутими в різні сторони руками. Потім поступово руки підводять до тулуба, при цьому кутова швидкість обертання різко зростає. Таке саме зростання кутової швидкості спостерігається при зменшенні радіуса зорі. Наприклад, зараз Сонце обертається навколо своєї осі з періодом приблизно 28 діб. Якби радіус Сонця зменшився до 10 км, то його період обертання дорівнював би 1 с. При гравітаційному стискуванні настільки зростає напруженість магнітного поля зорі, що вона «випускає» випромінювання тільки через магнітні полюси у вигляді своєрідних «прожекторів», які описують у космосі величезний конус (рис. 3.7). Можливо, що в Галактиці існують мільйони нейтронних зір, але зареєстровано тільки кілька сотень у вигляді пульсарів (рис. 3.8), адже більшість таких «прожекторів» не спрямовані на Землю.

Рис. 3.7. Художнє зображення пульсара

Рис. 3.8. Один із зареєстрованих пульсарів

Для допитливих

Уявіть собі, що космічний корабель наближається до чорної діри. Його швидкість має поступово зростати до швидкості світла. Але згідно з теорією відносності швидкість матеріального тіла, маса спокою якого відрізняється від нуля, ніколи не досягне швидкості світла. Тобто за земним годинником уявний космічний корабель ніколи не долетить до межі чорної діри, тому що час для космонавтів на борту корабля буде сповільнюватися. Якщо космонавти будуть підтримувати зв'язок із Землею за допомогою радіо, то сповільнення часу проявиться у тому, що сигнали з корабля будуть надходити все рідше і рідше. З іншого боку, космонавти на космічному кораблі спостерігатимуть зовсім інший плин часу — сигнали від землян будуть надходити все частіше і частіше. Тобто космонавти на кораблі, який падає у чорну діру, могли б побачити далеке майбутнє нашого світу, але вони не зможуть передати нам інформацію про наше майбутнє, адже сигнал через межу чорної діри ніколи не досягне Землі.

Рис. 3.9. Художнє зображення чорної діри

Чорні діри. Ці космічні об'єкти утворюються на останній стадії еволюції зір із масою, більшою ніж 3M. Така дивна назва пов'язана з тим, що ці тіла мають бути невидимі, оскільки не випускають за свої межі світла. З іншого боку, такі об'єкти втягують все з навколишнього простору (рис. 3.9). Якщо космічний корабель потрапить на межу «чорної діри», то вирватися з її поля тяжіння він не зможе, адже друга космічна швидкість біля її поверхні дорівнює швидкості світла 300 000 км/с (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Художнє зображення космічного корабля, що наближається до чорної діри

Чорна діра не випускає з поля тяжіння ні елементарних частинок, ні електромагнітні хвилі. Радіус чорної діри залежить від її маси, і може бути від кількох сантиметрів або метрів до мільярдів кілометрів

Дізнайтеся більше про відкриття наднової німецьким астрономом XVI ст. Тихо Браге.

Контрольні запитання

  • 1. Як відбувається еволюція зір?
  • 2. Чим відрізняється Нова зоря від Наднової?
  • 3. Що може спричинити вибух Нових і Наднових зір?
  • 4. Що таке білий карлик і чому він отримав таку назву?
  • 5. Як улаштовані нейтронні зорі?
  • 6. Який об'єкт називають чорною дірою? Які властивості має чорна діра?

Виконайте тестові завдання із автоматичною перевіркою на сайті «Інтерактивне навчання».

Висновки. У космосі постійно відбуваються народження молодих зір із газопилових туманностей та вибухи старих, коли утворюються нові туманності. Спостерігається своєрідний кругообіг речовини: зорі — спалах зір — туманність — і знову народження молодих зір. Чорна діра не випускає з поля тяжіння ані елементарні частинки, ані електромагнітні хвилі.

Фізичні характеристики зір: світність, температура, радіус, густина — суттєво різняться між собою. Між цими характеристиками існує взаємозв'язок, який відображає еволюційний шлях зорі. Сонце за своїми параметрами належить до жовтих зір, які перебувають у стані рівноваги і не змінюють своїх розмірів протягом мільярдів років.

Зоря в стані гравітаційної рівноваги не змінює своїх параметрів, адже інтенсивне випромінювання енергії з поверхні компенсується джерелом енергії в надрах — термоядерними реакціями.