Способ переноса энергии звезд главной последовательности

Способ переноса энергии звезд главной последовательности

Изменения в строении звезд главной последовательности со временем.

Можно определить время жизни звезды на главной последовательности как время горения водорода в ядре, соответственно внутреннее строение звезды не остается постоянным и меняется за время жизни на ГП. Для Солнца время жизни на ГП составит 10 10 лет (напомним, что современный возраст Солнца оценивается как 4.5 10 9 лет). Ниже приведена схема внутреннего строения Солнца на начальной ГП и в конце жизни, когда уже почти полностью выгорел водород, а также схема внутреннего строения более масивной звезды в 5-10M_sun.

Звезда солнечной массы

Как обычно, на наших рисунках, нижний (оранжевый) сектор означает однородный водородный состав звезды. Правый вертикальный сектор соответствует доле накопленной светимости, она создается в основном в ядре. Наконец, на фронтальном разрезе показан способ переноса энергии: фиолетовое свечение — это энерговыделяющее ядро, далее зона лучистого переноса и около поверхности конвективная оболочка.

Рассмотрим происшедшие с звездой изменения: на нижнем секторе зеленым показано гелиевое ядро, образовавшееся после выгорания водорода, на правом вертикальном секторе — доля накопленой светимости, строение же звезды изменилось не сильно — это ядро, лучистая зона и конвективная зона.

Звезда верхней части главной последовательности, с массой 5-10 солнечных.

Строение массивных звезд сильно отличается от строения звезд с 1М_sun , в отличие от первых они имеют конвективное ядро и обширную зону лучистого переноса в начале жизни и сохраняют такую же структуру во все время жизни на ГП.

Источник

Способ переноса энергии звезд главной последовательности

Изменения в строении звезд главной последовательности со временем.

Можно определить время жизни звезды на главной последовательности как время горения водорода в ядре, соответственно внутреннее строение звезды не остается постоянным и меняется за время жизни на ГП. Для Солнца время жизни на ГП составит 10 10 лет (напомним, что современный возраст Солнца оценивается как 4.5 10 9 лет). Ниже приведена схема внутреннего строения Солнца на начальной ГП и в конце жизни, когда уже почти полностью выгорел водород, а также схема внутреннего строения более масивной звезды в 5-10M_sun.

Звезда солнечной массы

Как обычно, на наших рисунках, нижний (оранжевый) сектор означает однородный водородный состав звезды. Правый вертикальный сектор соответствует доле накопленной светимости, она создается в основном в ядре. Наконец, на фронтальном разрезе показан способ переноса энергии: фиолетовое свечение — это энерговыделяющее ядро, далее зона лучистого переноса и около поверхности конвективная оболочка.

Рассмотрим происшедшие с звездой изменения: на нижнем секторе зеленым показано гелиевое ядро, образовавшееся после выгорания водорода, на правом вертикальном секторе — доля накопленой светимости, строение же звезды изменилось не сильно — это ядро, лучистая зона и конвективная зона.

Звезда верхней части главной последовательности, с массой 5-10 солнечных.

Строение массивных звезд сильно отличается от строения звезд с 1М_sun , в отличие от первых они имеют конвективное ядро и обширную зону лучистого переноса в начале жизни и сохраняют такую же структуру во все время жизни на ГП.

Источник

Виды звёзд [Типы]

Рис. 72. Диаграмма масса—радиус для белых карликов

Полностью конвек­тивные звёзды

Во всей звезде перенос энергии осуществляет­ся конвекцией. Источник энергии — гравитационное сжатие — соответствует только что возникшей звезде. На диаграмме Герцшпрунга — Рассела звезда, построенная по этой модели, находится в облас­ти красных гигантов и между этой областью и главной после­довательностью. Конвекция обеспечивает эффективное переме­шивание вещества, поэтому химический состав звезды одно­роден. Модель описывает звезду на ранней стадии эволюции.

Звёзды главной последовательно­сти

Звёзды нижней части главной последовательно­сти

Масса звёзд верхней части главной последовательно­сти больше 1,4M_☉. Температура в центре звезды составляет 17—20 млн кельвин, горение водорода осуществляется в углерод­но-азотном цикле. Темп выделения энергии очень высок, и в центре образуется конвективное ядро, которое окружено лу­чистой оболочкой.

Высокий темп выгорания водорода приводит к тому, что в центральной части звезды накапливается гелий, и химиче­ский состав звезды перестаёт быть однородным.

Звёзды с неоднородным химическим составом

Звёзды с неоднородным химическим составом — это мо­дели массивных звёзд главной последовательности и красных гигантов, т. е. звёзд, находящихся на поздних стадиях эволюции. Характерной их особенностью является наличие слоевых источников энергии, когда в центре звезды полностью исчер­пывается водород, образуется гелиевое ядро, на поверхности которого продолжается горение водорода.

Более сложные модели (это модели звёзд большой массы на поздних стадиях эволюции) могут иметь несколько слое­вых источников энергии, каждый из которых отделяет зоны с различным химическим составом. Так, переходя все к более глубоким слоям звезды, мы пересечём первый слоевой источ­ник, отделяющий богатую водородом внешнюю оболочку звез­ды от слоя чистого гелия. На нижней границе этого слоя го­рит гелий (реакции 3He => C и C + He => 0), слоевой источник отделяет от гелиевого слоя слой смеси углерода и кислорода, в нижней части которого происходит реакция C + O => Mg, и т. д. В такой модели может чередоваться и несколько кон­вективных и лучистых зон.

Белые карлики

Белый карлик обладает очень высокой плотностью вещества (ρ ≈ 10 9 — 10 11 кг/м 3 ). При таких плотностях газ уже не является идеальным. В полностью ионизованном веществе белого карлика как бы сосуществуют два газа: ионный, обладающий свойствами идеального газа, и электронный, обладающий свойствами вырожденного газа. Дав­ление в белом карлике обеспечивается электронным газом, и оно зависит исключительно от плотности вещества.

Звезда находится в равновесии, если гравитационное дав­ление равно давлению газа. Гравитационное давление p_g

GM 2 / R 4 , давление вырожденного газа p

ρ 5/3 , тогда при равновесии GM 2 / R 4

M 5/3 / R 5 . Отсюда следует, что равновесие возмож­но, если R

M -1/3 , т. е. при уве­личении массы радиус белого карлика уменьшается. Материал с сайта http://wikiwhat.ru

Но свойства вырожденного газа при некоторой критической плот­ности меняются так, что при боль­ших плотностях меняется урав­нение состояния, т. е. изменяется зависимость давления от плотнос­ти. Теперь она будет такой: p

ρ 4/3 . Но при этом равенство гравитаци­онного и газового давлений возмож­но только при определённом зна­чении массы. Предельная масса белого карлика оказывается равной примерно 1,4M_☉. Зависимость радиуса от массы показана на рисунке 72.

В белом карлике плотность значительно увеличивается к центру, температура же благодаря высокой теплопроводности вырожденного газа повышается очень медленно. При дости­жении плотности более 10 12 кг/м 3 в центре белого карлика мо­жет образоваться кристаллическое (твёрдое) ядро.

Источник

Главная последовательность звезд

Как известно, одним из основных классов является главная последовательность звезд. В принципе, это видно на диаграмме Герцшпрунга-Рассела.

Собственно говоря, на ней область данных светил располагается по диагонали, которая начинается слева от верхнего угла и направлена вправо к нижнему углу. То есть от наивысшей светимости к самой низкой (от синего цвета к красному). Таким образом, главная последовательность звезд широко охватывает объекты, различные по своим характеристикам.

Между прочим все светила в тот или иной момент своей жизни проходят данный этап эволюции. Причем он отличается высокой продолжительностью.

Правда, бывают исключения. Например, субкарлики не достигают основной категории звёздных тел. Хотя они относятся к одному спектральному классу, субкарлики менее яркие. Поэтому в диаграмме лежат ниже, чем главная последовательность звезд.

Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Чем отличается главная последовательность звезд

Разумеется, классы звёзд отличаются между собой. Собственно, для этого их и разгруппировали по характеристикам и свойствам.

Во-первых, как вы уже поняли, это продолжительность нахождения светила на этом этапе. И вправду, формирование, так сказать, становление и дальнейшее развитие проходят намного быстрее. Проще говоря, большую часть своей жизни звезда пребывает на этом этапе. В следствии чего, во Вселенной больше всего звёзд, которые принадлежат к основной последовательности.

Во-вторых, на главной последовательности энергия звёздного тела вырабатывается за счёт термоядерных процессов. А точнее благодаря превращению (сгоранию) водорода в гелий, то есть синтеза. Стоит отметить, что в это время гелий не сгорает. Но после того, как закончится запас водорода, наступит его очередь.

Спектральные классы звёзд

При уменьшении водородных ресурсов скорость реакций и давление также падают. Из-за чего светило сжимается, а в его центре увеличивается давление. В результате растёт количество выделяемой энергии, светимость и температура поверхности.

Значит на диаграмме тело изменяет положение, как только меняются процессы внутри него. То есть с течением времени звезда сходит основной области и переходит на другую эволюционную стадию.

Иногда звёзды, относящиеся к этому классу, называют карликами из-за того, что многие имеют небольшие размеры. Но это не совсем верно, а точнее верно не для всех. Потому как объекты спектральных классов А, В, F и О не намного отличаются от гигантов. Между собой их различают, прежде всего, по линиям поглощения.

Строение звезд главной последовательности:

• ядро,
• зона лучистого переноса (внутри),
• конвективная зона (во внешних слоях).

Однако подобную структуру имеют не все светила класса. К примеру, массивные тела (то есть имеющие массу выше солнечной) не содержат конвективную зону. То есть по всей области кроме центра перенос энергии осуществляется излучением и поглощением фотонов.

Строение звезд главной последовательности

Примеры звезд главной последовательности

Безусловно, самый яркий и простой пример это Солнце. Правда, сейчас оно находится как раз на этом этапе жизни. Между прочим, многие параметры и черты других звёздных тел сравнивают с солнечными значениями.

Как оказалось, у популярного Сириуса есть спутник — Сириус В. Этот белый карлик лежит на диаграмме Герцшпрунга-Рассела внизу с левой стороны.

Более того, известная Альфа Ориона — Бетельгейзе также находится на основном жизненном цикле. Хотя она относится к сверхгигантам.
А вот из красных гигантов, можно выделить, Альфу Волопаса (Арктур).

• Сириус A и Сириус B
• Бетельгейзе
• Арктур

В общем, все представители главной последовательности звезд состоят из плотного и горячего ядра. В котором, как известно, происходит синтез гелия из водорода. Можно сказать, что пребывание на рассматриваемом этапе эволюции светила равно времени, за которое в нём иссякнет водородный запас. Проще говоря, за которое он сгорит.

На данной стадии эволюции характеристики светил очень разнообразны. Однако все параметры звёздных тел тесно связаны между собой. Правда, они зависят от массы, то есть она напрямую влияет на них.

К тому же масса во многом определяет конечный этап эволюции. Проще говоря, чем они в будущем станут в космосе.

Источник

Способ переноса энергии звезд главной последовательности

Звезды и модели их строения

К счастью, существует возможность заглянуть в недра звезд, узнать их внутреннее строение. Ведь звезды — это не чудо, на которое можно лишь взирать с благоговением. Они, как и все реальные объекты нашего мира, подчиняются законам физики и могут быть объектом научного исследования. Выше мы уже увидели, как был, без лишних слов, поставлен и решен вопрос о том, откуда берется энергия звезд, и как долго может существовать звезда за счет этой энергии ядерных реакций. Однако звезды подчиняются не только закону сохранения энергии, но и всем другим физическим законам, как любой другой объект во Вселенной.

Ниже мы коротко остановимся на том, как, опираясь на физические законы и некоторые известные свойства звездного вещества, можно получить представление о внутренней структуре звезд, как можно с помощью компьютера заглянуть в их недра. В случае простых звезд достаточно знать массу и химический состав звездного газа. Затем можно, даже не видя этой звезды на небе, решить за письменным столом уравнения, описывающие ее свойства, и полностью определить ее структуру. Таким способом можно узнать не только температуру поверхности звезды и ее светимость, а, следовательно, и положение звезды на диаграмме Г — Р, но и вычислить ее диаметр, а также, что интереснее всего, определить давление, температуру и плотность в любой точке звезды: не только на поверхности, но и в объеме. Читатель, который не слишком интересуется подробностями таких расчетов, может перейти сразу к разделу «Модель „молодого“ Солнца». В этом разделе мы исходим из того, что физические законы и свойства солнечного вещества, уже описанные нами раньше, заложены в большой программе для вычислительной машины. Затем мы будем только экспериментировать с этой программой.

Сила тяжести и давление газа

Все звезды должны (за исключением коротких переходных периодов) находиться в равновесии. Вес звездного вещества, который давит на внутренние слои звезды, и давление звездного газа должны взаимно уравновешиваться. Не будь давления газа, все звездное вещество сжалось бы в точку в центре звезды. Не будь силы тяжести, давление газа распылило бы все звездное вещество в пространстве. Параметры звездного вещества — давление, температура и плотность — должны быть такими, чтобы в каждой точке звезды сила тяжести и давление уравновешивали друг друга. Это условие равновесия помогает определить давление газа в каждой точке объема звезды. Мы уже видели, как Эддингтон использовал это условие, чтобы найти давление в центре Солнца. Определив это давление, он пришел к выводу, что температура в центре Солнца составляет около 40 миллионов градусов. Чтобы определить величины давления и температуры, необходимо знать свойства газа, из которого состоят звезды.

Вещество, из которого построены звезды, не является чем-то необычным и удивительным. Звезды образованы из элементов, которые мы встречаем и на Земле. Свойства водорода и гелия, основных компонентов солнечного вещества, так же, как и свойства других химических элементов, уже давно изучены. Однако в земных условиях не удается довести вещество до таких высоких давлений и температур, какие существуют в недрах звезд. Тем не менее знание физических законов позволяет нам определить свойства вещества в таких экстремальных условиях. Этому способствует одно чрезвычайно счастливое обстоятельство. На Земле мы привыкли к тому, что газы имеют малую плотность. Если бы мы сжали воздух земной атмосферы или любой газ до плотности воды или еще сильнее, то давление газа в этом случае зависело бы от плотности достаточно сложным образом. Газ может перейти в жидкое или даже в твердое состояние. Законы, описывающие свойства конденсированных тел, сложнее физических законов для газа. Поэтому так плохо изучены свойства вещества в центре Земли и мы так мало знаем о земных недрах. Трудность состоит в том, что при больших давлениях атомы сильно сближаются и их электронные оболочки начинают перекрываться. Как описать такое взаимодействие электронных оболочек разных атомов, точно до сих пор неизвестно.

Другое дело звезды. В их недрах возникают чрезвычайно высокие температуры. В звездах вещество сжато до очень высоких давлений. Одновременно оно разогрето так сильно, что атомы полностью лишены своих электронных оболочек. Электроны уже не связаны с атомными ядрами. Ядра и электроны движутся независимо друг от друга. В таком виде частицы (электроны и ядра) занимают существенно меньше места, чем электрически нейтральный атом водорода. Поэтому горячее звездное вещество ведет себя как разреженный газ, хотя плотность этого вещества так велика, что один его кубический сантиметр может весить более ста граммов. Только этому обстоятельству мы обязаны тем, что о недрах Солнца нам известно больше, чем о земных. Даже если плотность звездного вещества будет еще больше, то и в этом случае-из-за еще более высоких температур — параметры звездного газа будут хорошо известны. Свойства звездного вещества усложняются только тогда, когда температура звезды понижается и ее вещество переходит в твердое кристаллическое состояние. Однако такие процессы важны лишь для небольшого числа звезд, прежде всего — для низкотемпературных белых карликов.

Выделение и перенос энергии

В центральных областях звезд развиваются настолько высокие температуры, что там могут протекать ядерные реакции и выделяется ядерная энергия. Если Аткинсон и Хоутерманс, Бете и фон Вайцзеккер показали в 20-30-е годы, что в недрах звезд ядра атомов могут взаимодействовать друг с другом, то в последующие годы другие ученые-физики получили всю необходимую информацию, которая позволяет нам вычислить, какое количество энергии выделяется в одном грамме звездного вещества при определенных давлении и температуре путем ядерных реакций.

В горячих внутренних областях звезд происходит выделение энергии. Эта энергия постепенно достигает внешних слоев звезды. Ее перенос происходит в основном за счет излучения. Важным свойством звездного вещества является его прозрачность для светового и теплового излучения. Прежде всего следует отметить, что во внешних слоях звезды, где атомы не полностью лишены своих электронных оболочек, кванты электромагнитного излучения из центра звезды могут поглощаться оставшимися электронными оболочками атомов. Спустя некоторое время возбужденные электроны переходят в основное состояние, и поглощенные кванты света вновь излучаются. Кванты электромагнитного излучения на своем пути из внутренних областей звезды к ее поверхности «переходят» от атома к атому. И наконец, на поверхности звезды кванты электромагнитного излучения покидают ее и устремляются в межзвездное пространство. Поэтому для расчетов внутреннего строения звезд чрезвычайно важна величина прозрачности звездного вещества. Для ее определения были выполнены сложные расчеты. Счастливым обстоятельством для астрофизиков было то, что эту работу за них уже проделали специалисты в области атомной физики. Им тоже очень нужно было знать коэффициенты поглощения излучения атомами.

После второй мировой войны данные о коэффициентах поглощения света неожиданно понадобились. При взрыве атомной бомбы возникает чрезвычайно интенсивное световое и тепловое излучение. Это излучение поглощается и затем переизлучается атомами окружающих воздушных масс. Чтобы предсказать эффект от взрыва атомной бомбы, специалистам в области атомной физики потребовалось точно знать коэффициенты прозрачности газов для светового и теплового излучения.

Несмотря на режим секретности, часть данных, необходимых для расчетов коэффициентов поглощения, можно было опубликовать. Этими данными воспользовались астрофизики. В центре атомных исследований США в Лос-Аламосе работала целая группа исследователей, которые занимались астрофизическими проблемами. Ученые как Востока, так и Запада дружно и успешно пользовались таблицами, рассчитанными в Лос-Аламосе. В этих таблицах были приведены значения прозрачности звездного вещества при различных давлениях и температурах. Успешное взаимодействие ученых Востока и Запада уже тогда проявилось в том, что часть своих таблиц исследователи из Лос-Аламоса опубликовали в журнале Академии наук СССР.

Бурлящее звездное вещество

В определенных условиях поток излучения из внутренних областей звезды наружу становится таким сильным, а прозрачность звездного вещества настолько малой, что энергия начинает накапливаться в недрах звезды. В таких условиях срабатывает другой механизм передачи энергии от внутренних областей звезды к внешним. Аналогичный процесс мы можем найти и на Земле. Рассмотрим для примера раскаленную печь. Часть ее энергии передается в пространство за счет излучения. Однако существует и другой способ переноса энергии. Воздух над печью нагревается и за счет этого расширяется. Поскольку плотность нагретого воздуха уменьшилась, он поднимается вверх, а на его место поступают новые холодные массы воздуха. При этом теплый воздух переносит энергию от печи к другим участкам комнаты. В этом случае говорят о переносе энергии с помощью конвекции. Когда мы обогреваем комнату с помощью печи, энергия передается как за счет излучения, так и путем конвекции. Над открытым огнем и над поверхностью асфальта, нагретого солнцем, хорошо видны струящиеся вверх потоки нагретого газа. Более холодные массы газа опускаются сверху вниз, нагреваются и через некоторое время опять поднимаются вверх. Конвекция играет большую роль в энергетических процессах земной атмосферы. Поэтому она была хорошо изучена метеорологами задолго до того, как ею заинтересовались астрофизики.

Существует множество звезд, вещество которых находится в постоянном бурлящем движении. В этих звездах излучение не может полностью обеспечить перенос энергии; ведущая роль переходит к конвекции. Так, например через внешние слои Солнца энергия переносится не с помощью излучения, а за счет перемещения нагретых газовых струй. Кипящую газовую оболочку Солнца можно разглядеть даже в небольшой телескоп, если воспользоваться сильным фильтром, ослабляющим солнечный свет. Оказывается, что поверхность Солнца неодинаково яркая: мы видим поднимающиеся на поверхность горячие, светлые струи диаметром около тысячи километров, которые окружены холодными, более темными газовыми массами, опускающимися сверху вниз. На рис. 4.1 показан вид солнечной поверхности с постоянно меняющейся ячеистой структурой, которую астрономы называют грануляцией. Этот снимок показывает, что хорошо известная на Земле конвекция играет важную роль в мире звезд.

Рис. 4.1. Грануляция на поверхности Солнца. Во внешних слоях Солнца энергия переносится из центра к поверхности с помощью конвекции. Поэтому на внешней поверхности Солнца появляются горячие, а, следовательно, более светлые газовые струи, в то время как более холодные газовые массы опускаются вглубь (на снимке они выглядят темными). Эти потоки образуют на поверхности Солнца постоянно изменяющуюся ячеистую структуру. Если в масштабе этого рисунка изобразить нашу Землю, то ее диаметр составил бы всего 14 мм. [8]

Компьютерная модель звезды

В этом разделе мы приведем лишь некоторые примеры известных физических законов и свойств вещества, которые помогают понять, как устроены звезды. На основе этих сведений, большинство из которых было известно уже перед второй мировой войной, можно вычислить характеристики внутреннего строения звезд просто за письменным столом. Первым, кто это сделал, был профессор термодинамики Мюнхенского высшего технического училища Роберт Эмден. Его книга «Газовые сферы», вышедшая в 1907 г., стала классической работой по теории строения звезд. Затем в Англии появились работы Артура Эддингтона, а позже — Томаса Каулинга и Субраманьяна Чандрасекара. Эти исследователи построили в 20-30-е годы модель внутренней структуры звезд. Уже эта модель позволила сделать основные выводы и получить грубые оценки для некоторых параметров звезд.

Развитие современных вычислительных средств позволило заново решить эту задачу и имитировать процессы в звездах с помощью вычислительных машин. Что имеется в виду? Нужно было «научить» электронно-вычислительные машины законам, которые определяю строение звезд. Нужно было заложить в них информацию о свойствах звездного вещества. Иначе говоря, следовало ввести в машину сведения о давлении звездного газа при всех необходимых для расчета значениях плотности и температуры. Следовало учесть в программе, в каких условиях водород превращается в гелий и какая энергия выделяется при этом процессе. Нужно было научить компьютер тому, как происходит передача энергии, освобождающейся в недрах звезд, через слои звездного вещества к поверхности. Иными словами, следовало предусмотреть случаи, когда происходит передача энергии с помощью излучения, а когда — путем конвекции. Все эти многочисленные сведения требовалось объединить в большой программе для вычислительной машины.

В настоящее время возможно сконструировать модель звезды с помощью компьютера, а затем теоретически изучить процесс ее развития. ЭВМ печатает на больших листах бумаги значения температуры, плотности, давления газа и интенсивности потока энергии для различных слоев звезды. Информация на таких распечатках описывает строение звезд в определенный момент времени. При этом мы можем сказать, что вычислительная машина рассчитала для нас модель строения звезды.

Модель «молодого» Солнца

Представим себе, что у нас есть достаточно большая вычислительная машина и программа, которая моделирует внутреннее строение звезды. Мы хотим с их помощью построить модель звезды. Прежде всего необходимо задать химический состав звездного вещества. Выберем для начала смесь химических элементов, состав которой характерен для Солнца и большинства других звезд. Предположим, таким образом, что килограмм звездного вещества содержит около 700 граммов водорода и 270 граммов гелия. В остальных 30 граммах содержатся более тяжелые элементы, прежде всего углерод и кислород. Затем вычислительная машина должна будет определить свойства звездного вещества данного состава, и прежде всего его прозрачность. Теперь нужно определить еще количество вещества, которое содержится в нашей модельной звезде. Пусть масса этой звезды будет близка к массе Солнца. Тогда машина рассчитает параметры модели звезды с помощью заложенных в программу законов природы и известных свойств звездного вещества. В настоящее время вычислительные машины работают так быстро, что решение подобной задачи занимает меньше минуты. Модель звезды, в которую мы заложили данные для Солнца, получается немного меньше нашего Солнца: ее диаметр составляет около 92 % диаметра Солнца, она излучает несколько меньше энергии, чем мы ожидали. Ее светимость составляет лишь 75 % светимости настоящего Солнца. Температура поверхности близка к 5620 градусам, что на 180 градусов ниже реальной температуры солнечной поверхности. Однако мы не будем вначале обращать внимания на эти небольшие различия и рассмотрим более подробно звезду, которая получилась в нашей модели. Эта звезда лежит на диаграмме Г-Р на главной последовательности, немного ниже настоящего Солнца.

На рис. 4.2, а показано внутреннее строение Солнца, полученное в нашей модели. [9] В подписи к рисунку подробно объясняются обозначения. С этими обозначениями мы еще не раз встретимся в нашей книге.

Рис. 4.2. Внутреннее строение звезд разной массы, полученное с помощью компьютерной модели. Масса выражается в единицах массы Солнца М. Звезды в левой части рисунка (а, б, г) показаны в одинаковом масштабе. В этом же масштабе изображена и звезда на рис. в. Чтобы лучше показать внутреннее строение звезд, на рис. а и г изображения увеличены еще в 10 раз. На рис. б в 10 раз увеличена только внутренняя область, показанная на левом рисунке белым цветом. На трех плоскостях, образующих вырез, показан химический состав (внизу), выделение энергии (слева вверху) и характер переноса энергии (справа вверху). Точками на нижней плоскости показаны области с исходным химическим составом. Все изображенные на рисунке звезды образованы из исходной богатой водородом газовой смеси. Светлые области на левой верхней плоскости разреза показывают, где происходит выделение энергии за счет ядерной реакции. Волнистыми стрелками в правом верхнем секторе каждого рисунка обозначены области, где происходит перенос энергии с помощью излучения. «Облака» изображают области, где происходит конвективный перенос энергии из внутренних областей звезды к поверхности.

В центре звезды плотность вещества в нашей модели составляет около 100 граммов на один кубический сантиметр. Эта величина примерно в 13 раз выше плотности железа. Давление составляет 130 миллиардов атмосфер. Температура центральной области близка к 10 миллионам градусов. При этой температуре протекают ядерные реакции. Ядерная энергия выделяется в результате реакций протон-протонной цепочки! Таким образом, мы получили звезду, светимость которой объясняется превращением водорода в гелий! Энергия из внутренних областей звезды переносится наружу с помощью излучения. Однако во внешних слоях этот механизм переноса энергии работает недостаточно эффективно. Там энергия передается к поверхности с помощью конвекции. Массы газа поднимаются вверх и вновь опускаются вниз, точно как на поверхности Солнца, где эти потоки образуют так называемую грануляцию.

Сформулируем основные выводы. Мы взяли вещество с составом, близким к солнечному, и такой же массой и построили из него звезду, В результате получился объект, который находится на главной последовательности диаграммы Г-Р, в объеме которого водород превращается в гелий, во внешних слоях происходит конвективный перенос тепла, как на Солнце, а основные свойства этого объекта очень близки к свойствам Солнца.

Но почему же нам не удалось в точности повторить свойства Солнца, в чем кроется причина различий? Может быть что-то неправильно в нашей программе? Далее мы увидим, что отличие модельного Солнца от реального связано с тем, что в нашей модели мы предположили: состав солнечного вещества постоянен во всех точках. Однако настоящее Солнце светит уже более трех миллиардов лет. За это время в центральных областях Солнца накопился гелий, который образовался в результате ядерных реакций. Это обстоятельство мы не учли в нашей программе. Мы построили такое Солнце, в котором химический состав центральных областей не отличается от состава внешних слоев. Таким образом, мы построили Солнце, в котором реакция ядерного горения водорода только что началась — Солнце в самом начале его жизни. Следовательно, мы построили «молодое Солнце».[10] Прежде чем увидеть, как молодое Солнце превращается в Солнце наших дней, мы проведем численные эксперименты со звездами одинакового состава, но разной массы.

Численная модель позволяет построить «молодую» главную последовательность

Вновь возьмем вещество с химическим составом, характерным для Солнца. Зададим теперь нашему компьютеру, который только что построил модель Солнца, величину массы, которая в два раза превышает солнечную! Менее чем через минуту машина напечатает нам величины, описывающие новую звезду. Звезда, которая получается в результате расчета, тоже существует за счет превращения водорода в гелий. С помощью такого метода мы можем получить модели для целого ряда звезд различной массы. Что мы обнаружим? Все эти звезды существуют за счет превращения водорода в гелий. Если звезды с массой, равной солнечной, и более «легкие» звезды получают энергию за счет реакций последовательного присоединения протонов, то в «тяжелых» звездах водород превращается в гелий в реакциях углеродного цикла.

Вычислительная машина определяет нам в каждом случае светимость и температуру поверхности звезды. Поэтому мы, пользуясь нашими моделями, можем нанести на диаграмму Г-Р значения светимости и температуры поверхности для звезд разной массы, существующих за счет сжигания водорода (рис. 4.3). При этом мы увидим, что все эти звезды лежат на одной линии, которая опускается слева направо. Наиболее массивные звезды расположены наверху, более легкие — внизу. Таким образом мы снова получили главную последовательность, но на этот раз не из наблюдений звездного неба. Мы обнаружили эту последовательность на распечатках компьютера, которые описывают звезды разной массы, существующие за счет сжигания водорода. Раньше мы могли только предполагать, зная продолжительность жизни Солнца и других звезд главной последовательности, что их излучение объясняется сжиганием водорода, теперь же это предположение обрело силу уверенности. Главная последовательность — это такое место на диаграмме Г-Р, где располагаются звезды, существующие за счет ядерной энергии превращения водорода в гелий!

Рис. 4.3. Точками показаны данные для звезд с разной массой, полученные с помощью компьютерной модели. Все звезды состоят из богатой водородом смеси одинакового состава. На диаграмме Г-Р они образуют главную последовательность со всеми свойствами наблюдаемой главной последовательности. Массы звезд выражены в единицах массы Солнца М. Видно, что светимость звезд главной последовательности резко падает с уменьшением массы.

Теоретическая модель строения звезд предсказывает и другое свойство главной последовательности. О нем уже говорилось выше. Речь идет о наблюдаемой зависимости между массой звезды и ее светимостью. Если мы построим модель для звезды, масса которой в 10 раз превышает солнечную, то ее светимость будет существенно выше светимости модельной звезды с солнечной массой. Это возрастание светимости звезд с увеличением массы хорошо согласуется с наблюдаемой зависимостью светимости от массы (см. рис. 2.4).

Для всех модельных звезд разной массы, полученных с помощью расчетов на ЭВМ, справедливо одно обстоятельство, о котором мы уже говорили. Модель дает свойства этих звезд в начале их жизни, когда только началась реакция превращения водорода в гелий. Таким образом, речь идет о «молодых звездах». Поэтому построенная нами главная последовательность — это не та главная последовательность звезд, которую мы наблюдаем сейчас на небе, а главная последовательность молодых звезд, «молодая главная последовательность». Однако в большинстве звезд реальной главной последовательности запасы водорода еще не слишком истощены. Поэтому реальные звезды не слишком сильно отличаются по своим свойствам от «молодых».

Мы видим, что если вести речь о свойствах звезд, доступных для наблюдения с Земли, наша модель дает хорошее согласие теоретических предсказаний с наблюдаемыми свойствами. Поэтому мы можем надеяться, что и внутреннее строение звезд, предсказанное с помощью компьютерной модели, не слишком сильно отличается от внутреннего строения реальных небесных тел. Это означает, что теоретическая модель позволяет нам заглянуть в недра звезд. Такой возможности лишена наблюдательная астрономия. Мы уже обсудили внутреннее строение Солнца. Посмотрим теперь, как устроены другие звезды, масса которых больше или меньше солнечной.

Строение Спики (Альфы Девы)

Рассмотрим для примера звезду, масса которой в 10 раз превышает солнечную. Поскольку Спика (Альфа Девы) как раз имеет примерно такую массу, наша компьютерная модель должна описывать ее свойства. Действительно, температура поверхности и светимость, полученные с помощью расчета, хорошо согласуются с соответствующими величинами для Спики. Как устроена такая звезда внутри? Температура в центральной области составляет 28 миллионов градусов. Выделяющаяся в центральной части энергия возникает в реакциях углеродного цикла. Ядерная реакция протекает в пределах сферы, диаметр которой в 5 раз меньше внешнего диаметра звезды. Там выделяется такое количество энергии, что излучение не может справиться с ее переносом. Поэтому возникает конвекция. Примерно 22 % массы во внутренней части звезды находится в состоянии конвективного движения (см. рис. 4.2, б). За пределами этой области энергия переносится с помощью излучения. Кванты света на своем пути к поверхности поглощаются и переизлучаются атомами и электронами. Достигнув поверхности, эти кванты излучаются в космическое пространство. Плотность в центре такой звезды не превышает 8 граммов на кубический сантиметр. Таким образом, газообразное звездное вещество в центре Спики близко по плотности к железу. Давление в центре звезды составляет 35 миллиардов атмосфер. Таково внутреннее строение Спики, самой яркой звезды в созвездии Девы.

Во всех звездах, масса которых во много раз превышает массу Солнца, перенос энергии во внутренних областях происходит путем конвекции, как мы показали на примере Спики. Это хорошо видно из приведенной на рис. 4.2, в модели звезды, масса которой превышает солнечную в 72 раза. Отметим, что с возрастанием массы звезд главной последовательности увеличивается и их диаметр.

Выше мы уже обсуждали модель для молодого Солнца. Рассмотрим теперь звезду, масса которой существенно меньше солнечной.

Красный карлик в созвездии Лебедя

В созвездии Лебедя (по латыни Cygnus) есть звезда, хорошо знакомая всем астрономам: 61 Лебедя. Она стала известной, когда Фридрих-Вильгельм Бессель в 1837–1838 гг. впервые [11] опробовал на ней свой новый метод определения расстояний (см. приложение Б). Имя Фридриха-Вильгельма Бесселя уже известно нам из истории открытий спутника Сириуса.

Звезда 61 Лебедя в действительности представляет собой двойную систему: две звезды с массой 0,5 и 0,6 солнечной движутся с периодом 720 лет вокруг общего центра масс. Нас интересует более тяжелая из этих звезд, 61 Лебедя А. Эта звезда принадлежит к главной последовательности, температура ее поверхности составляет 4000 градусов. Она меньше и существенно холоднее Солнца, и поэтому принадлежит к числу красных звезд: представляет собой так называемый красный карлик.

Если построить с помощью вычислительной машины модель звезды с массой 0,6 солнечной, то мы получим для этой звезды примерно такие же свойства, как у звезды 61 Лебедя А. Наша модельная звезда будет расположена примерно в том же месте на диаграмме Г-Р. Как выглядит внутреннее строение красного карлика? Оно схематически изображено на рис. 4.2, г. Температура в центре составляет всего около 8 миллионов градусов. Все ядерные реакции принадлежат к протон-протонной цепочке. Плотность в центральной части звезды составляет 65 граммов на кубический сантиметр. Таким образом, плотность в центре красного карлика меньше плотности вещества в центре Солнца. Давление составляет около 75 миллиардов атмосфер и примерно равно давлению в центре Спики. Перенос энергии во внутреннем объеме звезды происходит путем излучения. Во внешних слоях наблюдается конвекция, как на Солнце, однако толщина конвективного слоя существенно больше. Толстый внешний конвективный слой характерен для красных звезд.

Чем ниже мы будем опускаться по главной последовательности, переходя ко все более холодным и красным карликам, тем толще будет внешняя конвективная зона звезд. Если масса звезды составляет всего одну десятую массы Солнца, то все ее вещество от поверхности до центра находится в конвективном движении.

Свойства «молодой» главной последовательности

Теперь мы в основных чертах понимаем свойства звезд главной последовательности. Нам известно, что к главной последовательности принадлежит более 90 % всех звезд. Мы уже установили, что все эти звезды существуют за счет превращения водорода в гелий. Свойства атомов водорода определяют количество выделяющейся энергии, а, следовательно, и наблюдаемые свойства звезд главной последовательности. Если говорить о цвете и яркости звезд, т. е. о свойствах, которые мы можем наблюдать невооруженным глазом, то можно с уверенностью сказать, что эти звезды наглядно демонстрируют нам на небе свойства атомов водорода. Если бы атомы водорода обладали другими свойствами, то и звезды выглядели бы иначе.

Где расположены границы главной последовательности? Можно ли, взяв любое количество богатого водородом вещества подходящего состава, построить из него звезду, которая будет светить за счет превращения водорода в гелий? Допускают ли это законы природы? Как далеко простирается главная последовательность в сторону малых масс? Будет ли функционировать звезда, масса которой не превышает массу человека?

Если мы будем с помощью компьютера, начав со звезды, близкой по размерам к Солнцу, переходить ко все более легким звездам, то температура центральных областей наших звезд будет постепенно понижаться. Реакции протон-протонной цепочки скоро не будут доходить до конца. Эта цепочка обрывается на слиянии двух ядер Не 3 . Таким образом, превращение водорода в Не 4 становится невозможным. Если мы опустимся примерно до восьми сотых массы Солнца, то в таких звездах уже не может происходить превращение водорода в гелий. Температура в недрах столь малых звезд недостаточно велика, чтобы могли сливаться друг с другом ядра водорода. Таким образом, главная последовательность звезд, которые светят за счет превращения водорода в гелий, опускается немного ниже одной десятой массы Солнца. Здесь она заканчивается. Если потребовать от компьютера, чтобы он построил модель для звезды с меньшей массой, в которой сгорает водород, то он откажется это сделать. Если бы я захотел в гигантском эксперименте построить звезду с массой в одну тысячную массы Солнца, то в лучшем случае получилось бы небесное тело, напоминающее по свойствам планету. И никогда не удалось бы образовать мини-звезду, светящуюся за счет ядерных реакций с участием водорода.

А какова же максимальная масса звезды, принадлежащей к главной последовательности? Что будет, если я попытаюсь с помощью компьютера построить звезду в 100, 1000, 1 000 000 раз тяжелее Солнца? В случае таких гигантских масс вычислительная машина позволяет построить «работающую» модель звезды. Однако столь тяжелые звезды имеют одну важную особенность: если такая звезда на короткий промежуток времени немного сожмется, то в ее центральной части давление сильно возрастет, резко увеличится и температура. Превращение водорода в гелий, которое в такой звезде происходит по углеродному циклу, резко ускорится и вызовет такой сильный нагрев внутренних областей звезды, что выделяющаяся энергия вызовет резкое расширение сжавшегося звездного вещества. Но при этом центральная область звезды заметно охладится, выделение ядерной энергии упадет, газовое давление уменьшится и сила тяжести внешних слоев звезды снова начнет сжимать внутренние области. По мере увеличения давления снова возрастет температура звезды и т. д.

Точные решения для этого процесса, полученные наряду с другими исследователями астрономом Иммо Аппенцеллером, работающим в Гейдельберге, показывают, что эти перемещения звездного вещества становятся все сильнее и сильнее до тех пор, пока при каждом цикле расширения некоторая часть внешних слоев звезды не начнет двигаться так быстро, что уже не сможет возвратиться обратно. С каждым циклом расширения звезда будет терять часть массы, и такой циклический процесс будет продолжаться до тех пор, пока масса нашей сверхзвезды не упадет примерно до 90 масс Солнца. Тогда «заколдованный круг» разрывается. Центральные области такой звезды уже не нагреваются заметным образом из-за давления внешних слоев, ядерные реакции уже не приводят к «перепроизводству» энергии, и причины для периодической «пульсации» звезды исчезают. Звезда становится обычным представителем главной последовательности с массой примерно в 90 солнечных, и в ней происходит спокойное превращение водорода в гелий.

Мне могут возразить, что для начала циклических расширений и сжатий нашей сверхзвезды необходимо, чтобы кто-то сжал эту звезду. Однако во Вселенной нет никого, кто мог бы сжимать звезды. Тем не менее цикл расширения и сжатия все равно начинается, поскольку для его «запуска» достаточно очень небольшого сжатия, чрезвычайно малого отклонения от равновесия. В окружающем нас мире всегда возникают самопроизвольные возмущения. И хотя на звезду никто не воздействует снаружи, достаточно уже перемещения атомов звездного вещества или движения звездного газа в областях, где происходит конвекционный перенос энергии, чтобы «запустить» цикл расширения и сжатия. После такого запуска периодическое расширение и сжатие происходит до тех пор, пока звезда не потеряет достаточно большую долю своей массы.

Таким образом, мы определили естественный верхний предел главной последовательности в нашей модели строения звезд. Этот верхний предел тоже хорошо совпадает с данными наблюдений. До сих пор никто не мог найти звезду, масса которой была бы существенно выше теоретического верхнего предела.

Мы почти правильно определили верхний предел главной последовательности с помощью нашей компьютерной модели. Однако эта модель описывает только «молодые» звезды, звезды, которые только начали свою жизнь. Постепенно количество водорода в центральных областях звезд понижается: вначале в наиболее тяжелых звездах, а затем — во все более и более легких. Звезды начинают стареть. В следующей главе мы рассмотрим этот процесс с помощью все той же компьютерной модели Солнца.

Примечания:

Я часто приводил в своих популярных лекциях пример с питекантропом человекообразной обезьяной с острова Ява. Однажды после лекции ко мне подошел репортер одной из известных ежедневных немецких газет и сказал, что он хочет написать статью о моем докладе. Но ему нужно этого требует название издания поместить в статье какие-нибудь иллюстрации. Репортер спросил меня, где можно найти изображение человекообразной обезьяны с острова Ява. Я сказал ему, что вообще-то моя лекция была посвящена звездам, а про питекантропа я упоминаю лишь между прочим. Поэтому если поместить в заметке только изображения этой человекообразной обезьяны с острова Ява, то может сложиться неправильное впечатление о содержании лекции. «Нужно подумать», сказал репортер. И через минуту ответил: «Тогда мы поместим еще и Вашу фотографию!»

Снимок получен Д. Зольтау с помощью 40-сантиметрового вакуумного рефлектора Института физики Солнца им. Кипенхойера (Фрайбург) в Исана (о. Тенерифе).

В этой книге я использую расчетные данные, полученные в диссертации Курта фон Сейнбуша, выполненной в Гёттингене в 1967 г., хотя аналогичные расчеты проводились как до, так и после этой работы. В следующей главе, где рассматривается история развития Солнца, также используются данные Сейнбуша.

Иногда такие объекты называют звездами «нулевого возраста». — Прим. перев.

Первые определения расстояния до звезд были проведены В. Струве в Дерпте несколькими годами раньше. — Прим. ред.

Источник