Мир Знаний

Еволюція зірок (стр. 4 из 7)

Отже, щоб підтримувати тиск, зірка тепер починає стискуватися, поповнюючи, таким чином, запас своєї внутрішньої енергії. Як довго продовжується цей стиск? Фред Хойл і його колеги ретельно досліджували подібну ситуацію і прийшли до висновку, що в дійсності відбувається катастрофічний стиск, за яким випливає катастрофічний вибух. Поштовхом вибухові, що рятує зірку від надлишку маси, є значення щільності, створюване при стиску. Позбувшись від надлишкової маси, зірка відразу повертається на шлях звичайного вгасання.

Найбільший інтерес для вчених представляє процес, у ході якого крок за кроком здійснюється поступове вигоряння ядерного палива. Для розрахунку цього процесу використовується інформація, отримана з лабораторних досвідів; величезну роль при цьому грають сучасні швидкодіючі обчислювальні машини. Хойл і Фаулер змоделювали за допомогою ЕОМ процес енерговиділення в зірці і простежили її хід. Як приклад вони взяли зірку, маса якої втроє перевершує сонячну, тобто зірку, що знаходиться далеко за межею Чандрасекара. Зірка з такою масою повинна мати світність, у 60 разів перевищуючу світність Сонця, і час життя близько 600 млн. років.

Ми вже знаємо, що в ході звичайних термоядерних реакцій, що протікають у надрах зірки майже протягом усього її життя, водень перетворюється в гелій. Після того як значна частина речовини зірки перетвориться в гелій, температура в її центрі зростає. При збільшенні температури приблизно до 200 млн. До ядерним пальним стає гелій, що потім перетворюється в кисень і неон. Таким чином, гелієве ядро починає породжувати більш важке ядро, що складається з двох цих хімічних елементів. Тепер зірка стає багатошарової енергопроводящою системою. У тонкій оболонці, по одну сторону від якої знаходиться водень, а по іншу гелій, відбувається перетворення водню в гелій; ця реакція йде з виділенням енергії. Тому, поки така реакція здійснюється, температура ядра зірки неухильно росте. Стиск зірки веде до ущільнення її ядра і росту температури в центрі до 200-300 млн. К. Але навіть при настільки високих температурах кисень і неон цілком стійкі і не вступають у ядерні реакції. Однак через якийсь час ядро стає ще щільніше, температура подвоюється, тепер вона вже дорівнює 600 млн. К. І тоді ядерним паливом стає неон, що у ході реакцій перетворюється, а магній і кремній. Утворення магнію супроводжується виходом вільних нейтронів. Коли зірка народилася з праматерії, вона вже містила деякі метали групи заліза. Вільні нейтрони, вступаючи в реакцію з цими металами, створюють атоми більш важких металів - аж до урану - найважчого з природних елементів.

Але от витрачений весь неон у ядрі. Ядро починає стискуватися, і знову стиск супроводжується ростом температури. Настає наступний етап, коли кожні два атоми кисню, з'єднуючись, породжують атом кремнію й атом гелію. Атоми кремнію, з'єднуючись попарно, утворять атоми нікелю, що незабаром перетворюються в атоми заліза. У ядерні реакції, що супроводжуються виникненням нових хімічних елементів, вступають не тільки нейтрони, але також протони й атоми гелію. З'являються такі елементи, як сірка, алюміній, кальцій, аргон, фосфор, хлор, калій. Температура ядра піднімається до півтора мільярдів градусів. Як і раніше продовжується утворення більш важких елементів з використанням вільних нейтронів, але на цій стадії через велику температуру відбуваються деякі нові явища.

Хойл вважає, що при температурах порядку мільярда градусів виникає могутнє гамма-випромінювання, здатне руйнувати ядра атомів. Нейтрони і протони відриваються від ядер, але цей процес оборотний: частки знову з'єднуються, створюючи стійкі комбінації. Коли температура перевищить 1,5 млрд. ДО, більш ймовірними стають процеси розпаду ядер. Цікавий і несподіваним виявився наступний результат: при подальшому збільшенні температури і посиленні процесів руйнування і сполуки ядра в підсумку приєднують усе більше і більше часток і, як наслідок цього, виникають більш важкі хімічні елементи. Так, при температурах 2-5 млрд. До народжуються титан, ванадій, хром, залізо, кобальт, цинк, і ін. Але з усіх цих елементів найбільш представлене залізо. Як і колись, при перетворенні легких елементів у важкі виробляється енергія, що утримує зірку від колапсу. Своєю внутрішньою будівлею зірка тепер нагадує цибулину, кожен шар якої заповнений переважно яким-небудь одним елементом.

Як відзначає Хойл, з утворенням групи заліза зірка виявляється напередодні драматичного вибуху. Ядерні реакції, що протікають у залізному ядрі зірки, приводять до перетворення протонів у нейтрони. При цьому випускаються потоки нейтрино, що несуть із собою в космічний простір значна кількість енергії зірки. Якщо температура в ядрі зірки велика, то ці енергетичні втрати можуть мати серйозні наслідки, тому що вони приводять до зниження тиску випромінювання, необхідного для підтримки стійкості зірки. І як наслідок цього, у дію знову вступають гравітаційні сили, покликані доставити зірці необхідну енергію. Сили гравітації усе швидше стискають зірку, заповнюючи енергію, віднесену нейтрино. Як і колись стиск зірки супроводжується ростом температури, що, зрештою, досягають 4-5 млрд. К. Тепер події розвиваються трохи інакше. Ядро, що складається з елементів групи заліза, піддається серйозним змінам: елементи цієї групи вже не вступають у реакції з утворенням більш важких елементів, а починають знову перетворюватися в гелій, випускаючи при цьому колосальний потік нейтронів. Велика частина цих нейтронів захоплюється речовиною зовнішніх шарів зірки і бере участь у створенні важких елементів.

На цьому етапі, як указує Хойл, зірка досягає критичного стану. Коли створювалися важкі хімічні елементи, енергія вивільнялася в результаті злиття легких ядер. Тим самим величезної її кількості зірка виділяла протягом сотень мільйонів років. Тепер же кінцеві продукти ядерних реакцій знову розпадаються, утворити гелій: зірка виявляється змушеної заповнити втрачену раніше енергію. Залишається останнє її надбання - гравітація. Але щоб зірка могла скористатися цим резервом, щільність її ядра повинна збільшуватися украй швидко, тобто ядро повинне різко; відбувається «вибух усередину», що відривається ядро зірки від її зовнішніх шарів. Він повинний відбутися за лічені секунди. Це і є початок кінця масивної зірки.

Імплозія, або зривши усередину, усуває тиск, що підтримував зовнішні шари зірки, її оболонку, і з цього моменту оболонка, стискуючись, починає падати на ядро. Падіння супроводжується виділенням колосальної кількості енергії - так ще раз виявляє себе гравітація. Виділення енергії приводить у свою чергу до різкого підвищення температури (приблизно 3 млрд. ДО), і падаюча оболонка зірки виявляється в незвичайних для неї температурних умовах. Для зірки з температурою ядра, рівної 2,5 млрд. ДО, легкі елементи оболонки служать потенційним ядерним паливом. Але щоб забезпечити світіння під час вибуху, температура повинна піднятися вище цього значення до 3 млрд. К. Протягом секунди кінетична енергія зірки перетворюється в теплову, і речовина оболонки нагрівається. При такій високій температурі більш легкі елементи - в основному кисень - виявляють вибухову нестійкість і починають взаємодіяти. Підраховано, що за час менше секунди в ході цих ядерних реакцій виділяється енергія, рівна енергії, що Сонце випромінює за мільярд років!

Раптово звільнилася енергія зриває з зірки її зовнішні шари і викидає них у космічний простір зі швидкістю, що досягає декількох тисяч кілометрів у секунду. На ці шари приходиться значна частина маси зірки. Газова оболонка віддаляється від зірки утворити туманність, що простирається на багато мільйонів мільйонів кілометрів.

Газ по інерції продовжує віддалятися від зірки доти, поки, можливо через 100 000 років, речовину туманності не стане настільки вирядженим і дифузійним, що більше вже не зможе збуджуватися короткохвильовим випромінюванням дуже гарячої материнської зірки; тоді ми перестанемо його бачити. Але самій головне: як у речовині, що вибухнула, так і в міжзоряному газі присутній магнітне поле. Стиск газу за фронтом ударної хвилі викликає стиск силових ліній і підвищення напруженості міжзоряного магнітного поля, що у свою чергу приводить до збільшення енергії електронів, і їх прискоренню. У результаті залишається сверхгоряча зірка, маса якої зменшилася саме настільки, щоб вона могла гідно згаснути і вмерти. По всій імовірності вона стане нейтронною зіркою, маса якої в 1,2-2 маси Сонця. Якщо ж її маса більш, ніж удвічі перевищує масу Сонця, то вона, у кінцевому рахунку, може перетворитися в чорну діру.

Наднові - дуже рідкі об'єкти. Історія засвідчила лише кілька випадків появи наднових. Перша - це, звичайно, Крабовидна туманність, друга - Наднова Тихо Бразі, виявлена в 1572р., і третя - Наднова Кеплера, відкрита їм у 1604 р. Недавно стало відомо про наднової у сузір'ї Вовка. Астрономи обчислили, що кожна зоряна система, галактика, у середньому раз у сто-триста років народжує наднову. В даний час астрономами відкрито близько 150 наднових.

Тільки три з них виявилися в нашій Галактиці, хоча існує багато об'єктів, такі, як Петля в Лебедеві і Кассіопея А, що, як припускають, можуть виявитися залишками вибухів наднових Чумацького шляху. Точний час вибуху для Петлі в Лебедеві майже неможливо установити, але думають, що якщо це дійсно залишки вибуху наднової, те Петля в Лебедеві початку своє розширення близько 60 тисяч років тому. Кассіопея А - наймолодша наднова на небі, тому що її розширення почалося приблизно в 1700р.

Чому природа створює такі дивовижні об'єкти? Як вони виникають? Який механізм спалахів, що по своїй яскравості можуть суперничати із сяйвом десятків мільярдів зірок? Який кінцевий продукт зоряного вибуху? Це тільки частина питань, що виникають в астронома, що спостерігає за великими вибухами в тім або іншому куточку неба. Щоб відповісти хоча б на деякі з них, необхідно досліджувати історію життя зірки.