Происхождение и развитие звезд

      Непрерывный дождь атомов, срывающихся с поверхности звезды, образует вокруг нее сплошную, но непрерывно рассеивающуюся в пространство атмосферу.

      Атомы газа, ее составляющие, непрерывно  обновляются за счет звезды, истекающей  газом.

      Вместо яркой линии мы видим  в спектре такой звезды широкую полосу как совокупность множества линий, смещенных с нормального места на различную величину и слившихся друг с другом.

      Особый тип составляют новые  и сверхновые звезды, отличающиеся  кратковременным (десятки лет)  возрастанием яркости в сотни и миллионы раз и быстрым ее затуханием в течение шестидесяти дней. В момент максимальной яркости поверхности резко изменяется ее спектр, характеризующийся смещением линии в фиолетовую часть спектра, что может служить основанием для предположения о быстром расширении звезды, связанным с внезапной перестройкой вещества, инициирующей сильнейший взрыв, сопровождающийся возрастанием свечения галлия. При вспышке сверхновой звезды тот же эффект оказывается во много раз больше. В среднем сверхновая звезда появляется в каждой галактике один раз в 150-300миллионов лет. Установлено, что волокнистая Крабовидная туманность— результат взрыва сверхновой звезды, наблюдавшейся китайскими астрономами в 1054 году нашей эры. Осенью 1999 года сотрудниками Европейской южной обсерватории в Чили, создающими гигантскую систему из четырех 8-метровых и трех 2-метровых телескопов на горе Сьеро-Параналь в пустыне Атакама, посредством «Очень большого телескопа» удалось получить фотографию Крабовидной туманности, удаленной от Солнца на 6000 световых лет. Фотография впервые демонстрируют тонкие детали стремительно разлетающегося остатка взрыва сверхновой звезды, начавшегося 945 лет назад. Главные элементы изображения на фотографии – фронтальная волна взрыва в цветном изображении и пульсар – молодая нейтронная звезда, оставшаяся на месте взрыва. Пульсарами называются космические источники импульсного излучения во всех диапазонах электромагнитных волн, в том числе и оптическом, а нейтронными звездами — небесные тела, возникающие в результате того, что оголенные ядра поглощают нейтроны, превращая свои протоны в нейтроны. Другой взрыв, подобный описанному, отмечен в туманности Андромеды в 1885 году.

      Во время вспышек новых и  сверхновых звезд большая часть  вещества звезды исторгается  в межзвездное пространство и смешивается с исходным водородом. Когда в пространстве, где происходил взрыв сверхновых звезд, снова образуются звезды (второго поколения), входящий в них водород уже не чистый, к нему примешаны следы других элементов, и звезда, развивающаяся из такого газа, уже с самого начала содержит много разных элементов. Явления взрыва звезд интересны и как механизмы синтеза ядер, которые тяжелее железа и не могут образовываться даже в самых горячих центрах звезд. Таковы, например, золото, свинец, уран. Развитие звезд второго поколения не очень отличается от звезд первого поколения, так как примесь вещества, отличного от водорода, очень мала. Примером звезды второго поколения, возникшей из водородного облака, загрязненного остатками взрывавшихся звезд, является Солнце. Оно находится теперь во второй стадии своего развития, так как водород в нем превращается в гелий.

      В конце эволюционного цикла,  когда все водородное горючее  истрачено, звезда сжимается до  бесконечной плотности (масса  остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» — звезду, имеющую относительно высокую температуру поверхности (7-30 тысяч К) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.

      Предполагается, что образование  новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя, как миллиарды солнц, является одной из стадий эволюции нейтронных звезд. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.

      Если звезда имела сверхкрупные  размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, то есть образуется «черная дыра», переходящая затем в «белую дыру».черные дыры являются релятивистскими объектами – объектами, в окрестности которых особенно выпукло проявляются следствия из общей теории относительности Эйнштейна.

      Таким образом, процесс эволюции  звезд можно представить схемой:

      Одна из задач современной  астрономии – понять, как образовались  галактики и как они эволюционируют. Во времена Эдвина Хаббла было заманчиво верить в то, что типы галактик соответствуют разным стадиям их развития. Однако эта гипотеза оказалась неверной, и задача реконструкции историй жизни галактик оказалась трудной. Самой же трудной оказалась проблема первоначального происхождения галактик.

      Природа Вселенной в те времена,  когда еще не существовали  галактики, неизвестна, и приписываемые  ей гипотетические характеристики  в значительной степени зависят  от выбираемой космологической  модели. Большинство принятых в  настоящее время космологических моделей предполагает общее расширение, начиная с нулевого момента времени (сразу же после которого Вселенная имеет исключительно высокую плотность и температуру). Физические процессы, описывающие первичный взрыв в этих моделях, могут быть довольно надежно прослежены до момента, когда плотность и температура становятся достаточно низкими, чтобы стало возможным образование галактик. 
 
 
 
 
 
 

2. Образование галлактик. 

         Хотя можно представить несколько механизмов образования галактик из этого водородно-гелиевого газа, найти хотя бы одну модель, работающую в вероятных условиях ранней Вселенной, трудно. Очень мало резонов для образования галактик в расширяющейся Вселенной с однородным распределением температуры и вещества. В такой идеализированной Вселенной никогда не будет галактик. Существование галактик во Вселенной и видимое преобладание их как формы вещества говорят о том, что догалактическая среда никак не напоминала такое идеализированное газовое облако. Вместо этого должны были существовать какие-то неоднородности.

      Допустим, в ранней Вселенной  происходили ничтожно малые флуктуации  плотности (локальные увеличения  плотности (либо одного вещества, либо как вещества, так и излучения)  в ранней Вселенной. Чтобы объяснить  последующее образование галактик, необходимо считать, что в начале эти флуктуации были очень малы). Как должны эволюционировать эти флуктуации в ходе расширения? Предполагается, что расширение Вселенной должно было оказывать стабилизирующее действие на такие неоднородности. Процесс расширения должен был в значительной мере препятствовать воздействию тех сил, которые в отсутствие расширения могли бы привести к катастрофическим последствиям. Статистическая Вселенная, в которой имеются области с избыточной областью, была бы в высшей степени неустойчива по отношению к локальному сжатию или расширению. Однако в расширяющейся Вселенной образование локальных областей повышенной плотности приводит лишь к появлению медленно  изменяющихся возмущений.

      В ранние времена, вновь образовавшиеся плотные области должны были бы иметь большую плотность, чем сегодняшние галактики. Расширение в значительной степени замедляет процесс роста малых флуктуаций. Тем не менее флуктуации продолжали расти в течение очень длительного времени, и даже незначительная начальная неоднородность могла вырасти настолько, что в конце концов произошло бы ее сжатие. В области, имеющей небольшой избыток вещества по сравнению с окружающим пространством, локальное гравитационное поле несколько возрастает, порождая силу, которая действует на прилегающие области.

      В качестве причины появления  неоднородностей пытаются, например, рассматривать рождение пар частиц  вблизи к сингулярности (области пространства-времени, в которой нарушаются известные физические законы, и кривизна пространства-времени становится бесконечной). Можно было бы отнести возникновение начальной неоднородности к плановскому моменту, который очень близок к моменту сингулярности, когда вполне могло бы происходить рождение вещества.

      Если какое-то количество вещества возникло в то же время, то почему бы не предположить и дальнейшее возникновение вещества в виде огромных сгустков или даже черных дыр? Возможно, скопления черных мини-дыр, которые могли образоваться в первую миллисекунду, и обеспечили те начальные флуктуации, вокруг которых сформировались галактики.

      Другую возможность предлагает физика элементарных частиц, постулирующая существование в ранней Вселенной тяжелых барионов. Эти сверхмассивные элементарные частицы рано или поздно распадаются, оставляя заметные неоднородности в плотности вещества. В качестве еще одной возможности рассматривают фазовый переход (изменение состояния), который мог происходить в ранней Вселенной.

      Согласно революционному подходу, первоначально во Вселенной царил всеобъемлющий хаос, и расширение было в высшей степени анизотропным (зависимым от направления) и неоднородным. Для больших неоднородностей коллапс, приводящий к образованию черной дыры, всегда неизбежен, поскольку даже свет удерживается гравитационным полем такой неоднородности. (Коллапс – явление, когда звезда начинает с огромной скоростью сжиматься, одновременно уплотняясь. За каких-нибудь несколько секунд звезда может превратиться в сверхплотную «точку»).

      Анизотропия – это несколько иная черта хаотической ранней Вселенной. Вселенная могла расширяться в одних направлениях значительно быстрее, чем в других. Она могла даже расширяться в одном направлении, одновременно сжимаясь в другом. Поверхность сферы, на которой первоначально располагалась какая-то группа частиц, могла деформироваться в блинообразную или сигарообразную поверхность, а затем различные конфигурации могли превращаться друг в друга. Революционный подход допускает, что явление, аналогичное трению, могло оглаживать анизотропию в ранней Вселенной, приводя тем к обычному изотропному расширению.

      Это «трение» пытаются объяснить существованием огромного числа нейтрино. Нужно понять, каким образом эти частицы, распространяющиеся со скоростью света, могли играть столь важную роль в ранней Вселенной. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Однако в первую секунду жизни Вселенной плотность вещества была на столько велика, что нейтрино полностью поглощались атомными ядрами. В те мгновения нейтрино, поглощаясь веществом, могли оказывать существенное давление на вещества Вселенной (подобно тому, как свет оказывает давление на пылинки). Если первоначально расширение Вселенной было в значительной степени анизотропным, то воздействие нейтрино стремилось бы сгладить начальную анизотропию и сделать расширение более однородным и изотропным. По мере расширения Вселенной нейтрино менее эффективно поглощаются веществом. Сразу после того, как произойдет аннигиляция электронов и позитронов, нейтрино совсем перестают взаимодействовать с окружающим веществом.

      Первоначальные крупномасштабные возмущения, возможно, оказывали действие, напоминающее действие брошенных в водоем камней, которые вызывают волнение на поверхности воды. По аналогии можно представить себе волны (реальные звуковые волны), распространяющиеся в поле излучения в ранней Вселенной. Звуковые волны возникают из-за изменения давления. И лишь в том случае, когда возмущение оказывалось достаточно крупномасштабным, силы самогравитации в локальной области брали верх над направленным наружу давлением излучения, и тогда должен был происходить коллапс с образованием черной дыры.

      В периоды, предшествовавшие эпохе  отделения излучения от вещества, давления излучения в локальной области с повышенной областью было весьма велико. Однако после отделения излучения от вещества излучение стало свободно распространяться через вещество (почти целиком состоящее из атомов), оказывая на него очень слабое давление. Резкое повышение давление могло привести к взрыву или коллапсу больших областей. Это в свою очередь могло вызвать образование ударных волн, в которых происходило бы сжатие газа. Резкое сжатие вызвало бы гравитационный коллапс и в конце концов привело бы к образованию галактик.

      Большинство попыток найти способы  конденсации вещества Вселенной в галактики основаны на гипотезе, впервые подробно разработанной сэром Джеймсом Джинсом. Хотя сейчас принимается, что в ранней Вселенной газ расширялся в соответствии с релятивистской космологической моделью, идеи Джинса основывались на более простой ньютоновской модели Вселенной, где гравитационная неустойчивость возникает, когда сгусток более плотного вещества (называемый возмущением) становится достаточно шалым и плотным. Характерный размер возмущений плотности, которые являются только слегка неустойчивыми, называется джинсовой длиной и, как было установлено, она зависит от скорости звука в среде, постоянной тяготения и плотности вещества.

      Джинсовская масса определяется  как массой вещества, которая может стать неустойчивой и начать сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Согласно расчетам, в начале «эры вещества» джинсовская масса составляет около 10⁵ солнечных масс, и, таким образом, в этот момент истории Вселенной возмущения с такими массами и больше (что включает все известные галактики) должны были стать неустойчивыми и сжаться. Простая модель Джинса не позволяет исследовать ситуацию во время «эры излучения», так как в этом простом анализе не учитывается влияние давления излучения на газ.