Олег Фейгин - Взрыв мироздания
Отдельно – правее и выше – расположена группа звезд с очень высокой светимостью, не пропорциональной их температуре, которая относительно низка, это так называемые красные звезды-гиганты и сверхгиганты. Условно говоря, они светят, но не греют. Ниже и левее главной последовательности расположены карлики – группа относительно мелких и холодных звезд. Еще раз отметим, что подавляющее большинство звезд относится к главной последовательности, и энергия в них образуется путем термоядерного синтеза гелия из водорода.
Три последовательности на диаграмме ГР строго соответствуют трем этапам жизненного цикла звезд. Например, в левом нижнем углу диаграммы мы видим белых карликов. Это очень горячие звезды – но очень мелкие, размером, обычно, не больше нашей Земли. Поэтому, излучая в космос относительно немного энергии, они, по причине весьма незначительной (на фоне других звезд) площади их поверхностной оболочки, светятся в достаточно ярком спектре, поскольку она оказывается достаточно высокотемпературной.
Распределение ГР носит не случайный характер: по соотношению спектра со светимостью звезды делятся на три астрофизические «последовательности». Из верхнего левого угла в правый нижний тянется так называемая главная последовательность. К ней относится, в частности, и наше Солнце. В верхней части главной последовательности расположены самые яркие и горячие звезды, а справа внизу – самые тусклые и, как следствие, долго живущие.
Вообще, по диаграмме ГР можно проследить весь жизненный путь звезды. Сначала звезда главной последовательности, подобная Солнцу, конденсируется из газо-пылевого облака и уплотняется до создания давлений и температур, необходимых для разжигания первичной реакции термоядерного синтеза. При этом она, соответственно, появляется где-то в основной последовательности диаграммы ГР. Пока звезда горит (запасы водорода не исчерпаны), она так и остается, как Солнце, в основной последовательности, практически не смещаясь. После того как запасы водорода исчерпаны, звезда сначала перегревается и раздувается до размеров красного гиганта или сверхгиганта, отправляясь в правый верхний угол диаграммы, а затем остывает и сжимается до размеров белого карлика, оказываясь слева внизу.
Хотя по человеческой шкале времени звезды и кажутся вечными, они, подобно всему сущему в природе, рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе звездообразования, оно происходит в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает критического предела.
В последующем возможны два сценария развития событий: концентрация материи в больших структурах с последующим формированием в них звезд или формирование звезд с последующим объединением их в большие структуры.
Пока еще неизвестно, какой из них был реализован и что в действительности являлось источником энергии для первых источников света, осветивших Вселенную, – звезды с их термоядерным синтезом или излучение, вызванное падением материи на черные дыры.
Черные дыры могут играть важную роль на начальной стадии формирования галактик, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Новые открытия супермассивных черных дыр в центрах трех ближайших эллиптических галактик только прибавляют в этом уверенности.
Такая связь, естественно вызывает вопрос и о том, что появилось сначала – галактика или черная дыра, хотя последние данные в большей степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики. Стало быть, есть надежда: спор по поводу того, что появилось раньше – «курица» (галактика) или «яйцо» (массивная черная дыра), по всей видимости, будет разрешен уже в обозримом будущем.
Рано или поздно, однако, любая звезда израсходует весь пригодный для сжигания в своей термоядерной топке водород. Что дальше? Это также зависит от массы звезды. Солнце (и все звезды, не превышающие его по массе более чем в восемь раз) заканчивают жизнь весьма банально. По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия, терпеливо ожидавшие этого часа с самого момента зарождения светила, начинают одерживать верх – и под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться.
Этот процесс приводит к двоякому эффекту: температура в слоях непосредственно вокруг ядра звезды повышается до уровня, при котором содержащийся там водород вступает, наконец, в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия. В то же время температура в самом ядре, состоящем теперь практически из одного гелия, повышается настолько, что уже сам гелий – своего рода «пепел» затухающей первичной реакции нуклеосинтеза – вступает в новую реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Этот процесс вторичной реакции термоядерного синтеза, топливом для которого служат продукты первичной реакции, – один из ключевых моментов жизненного цикла звезд.
При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает раздуваться. В частности, оболочка Солнца на этой стадии жизни расширится за пределы орбиты Венеры. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течение основной фазы ее жизни, но поскольку теперь эта энергия излучается через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.
Для звезд класса Солнца после истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза, снова наступает стадия гравитационного коллапса – на этот раз окончательного. Температура внутри ядра больше не способна подняться до уровня, необходимого для начала термоядерной реакции следующего уровня. Поэтому звезда сжимается до тех пор, пока силы гравитационного притяжения не будут уравновешены следующим силовым барьером. В его роли выступает давление электронного газа. Электроны, до этой стадии игравшие роль безработных статистов в эволюции звезды, на определенной стадии сжатия оказываются лишенными «жизненного пространства» и начинают «сопротивляться» дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Состояние звезды стабилизируется, она превращается в вырожденного белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно.
Срок жизни звезды и то, во что она превращается в конце пути, полностью определяется ее массой. Звезды с массой больше солнечной живут гораздо меньше Солнца, а время жизни самых массивных звезд – всего миллионы лет. Для подавляющего большинства звезд время жизни – около 15 млрд лет. После того как звезда исчерпает источники энергии, она начинает остывать и сжиматься. Конечным продуктом эволюции звезд являются компактные массивные объекты, плотность которых во много раз больше, чем у обычных звезд.
Подобно земной бабочке, жизнь белого карлика начинается с того, что он сбрасывает с себя кокон, под которым была скрыта сущность. Продолжая эту аналогию, можно сказать, что наше Солнце – это своеобразная гусеница, а когда оно сбросит с себя кокон газовой оболочки, это будет великолепнейшее зрелище! Когда-нибудь наше Солнце тоже превратится в «бабочку белого карлика», но это случится не раньше, чем через 5 млрд лет.
С одной стороны, общая картина рождения и жизни звезд ясна, поскольку в радио– и инфракрасном диапазонах исследовано большое число протозвезд на разных стадиях процесса рождения. С другой – образование звезды происходит достаточно быстро, и некоторые наиболее короткие этапы этого процесса, к сожалению, не представляется возможным наблюдать. Кроме того, пыль (звезда ведь не рождается из ничего) мешает рассмотреть многие важные детали. Поэтому изучение звездообразования является одним из основных приоритетов в мировой астрономии, и многие крупные проекты (включая космические) нацелены на исследование именно этого процесса.
Любопытно, что в составе земных живых организмов и человека много кислорода, азота и углерода. И все эти элементы когда-то побывали внутри ядерных топок звезд, а потом, будучи выброшенными в межзвездное пространство, образовали пылегазовые облака.
Глава 9. Сверхновые, белые карлики и нейтронные светила
Так что, собственно, у нас общего с новыми и сверхновыми? Разве не правда, что за исключением случайного беглого взгляда, брошенного нами на какую-нибудь яркую звезду в небе, нам от них ни жарко, ни холодно, и мы оставляем их астрономам и писателям научно-популярной литературы?
К такому взгляду можно прийти, если мы, в самом деле, полностью безразличны к тому, как образовалась наша Вселенная, как появились Солнце и Земля, как развилась жизнь и какие возможные опасности будут подстерегать человечество в будущем, потому что взрывающиеся звезды имеют самую тесную связь с каждой из этих вещей.
