§ 67. Эволюция звёзд

Определения и обозначения

Протозвезда — формирующаяся звезда, возникающая при сжатии газопылевого облака. В её недрах растут температура и давление, поэтому со временем могут начаться термоядерные реакции. Это понятие обозначает начальную стадию рождения звезды.

Главная последовательность — длительный этап жизни звезды, когда в её ядре водород превращается в гелий. Выделяющаяся энергия поддерживает высокую температуру и давление, препятствуя дальнейшему сжатию. На этой стадии звезда проводит большую часть жизни, потому что водорода в ней много, а его расходование идёт постепенно.

Красный гигант — поздняя стадия эволюции звезды, наступающая после исчерпания водорода в ядре. Внешние слои расширяются, их температура падает, поэтому поверхность выглядит красноватой. Размер звезды становится огромным, хотя поверхность уже не такая горячая.

Белый карлик — компактный горячий остаток звезды небольшой или средней массы. После сброса внешних оболочек термоядерные реакции в нём прекращаются, и он постепенно остывает. Это не обычная действующая звезда, а плотное ядро бывшей звезды.

Как это устроено

Звёзды рождаются в плотных участках межзвёздного газа и пыли. Гравитация притягивает частицы друг к другу, облако сжимается, а его потенциальная энергия превращается во внутреннюю энергию вещества. Поэтому температура и давление в центре растут, и формируется горячая протозвезда.

При достаточной температуре ядра начинается термоядерное превращение водорода в гелий. Оно выделяет энергию, которая нагревает газ и создаёт давление излучения; вместе с давлением газа оно направлено наружу и противостоит гравитации. Так устанавливается равновесие, при котором звезда не сжимается быстро и надолго оказывается на главной последовательности.

Когда запас водорода в ядре уменьшается, там накапливается гелий и основной источник энергии ослабевает. Ядро начинает сжиматься и нагреваться, а реакции перемещаются в оболочку вокруг него. Энергия оболочки нагревает внешние слои, они расширяются, плотность и температура поверхности уменьшаются, поэтому звезда превращается в красного гиганта или сверхгиганта.

Дальнейшая судьба определяется начальной массой звезды, поскольку от неё зависят температура ядра, сила гравитации и набор возможных реакций. Небольшие и средние звёзды сбрасывают внешние оболочки, а их горячее ядро становится белым карликом. Массивные звёзды проходят более бурные стадии и могут завершить жизнь вспышкой сверхновой.

После сверхновой остаётся очень плотное ядро. Если его масса позволяет удержать вещество в состоянии нейтронной звезды, образуется объект, состоящий главным образом из нейтронов. При ещё большей массе сжатие не останавливается, и возникает чёрная дыра, из которой не может выйти даже свет.

Стадии эволюции звёзд и возможные исходы

Таблицу удобно читать сверху вниз: это основной путь от рождения звезды к одному из конечных состояний. Последние строки показывают два разных направления, которые зависят прежде всего от массы. В каждой строке можно отдельно найти стадию, источник энергии и причину следующего перехода.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Расположите этапы жизни звезды небольшой массы: белый карлик, протозвезда, красный гигант, главная последовательность. Нужно восстановить путь от формирования звезды до её остывающего остатка.

1. Сначала газопылевое облако сжимается под действием гравитации. Образуется протозвезда.
2. После запуска реакций превращения водорода в гелий звезда переходит на главную последовательность. Это самая продолжительная стадия.
3. Когда водород в ядре заканчивается, внешние слои расширяются. Звезда становится красным гигантом.
4. Звезда небольшой массы сбрасывает оболочки, а оставшееся ядро превращается в белый карлик.

Ответ: протозвезда → главная последовательность → красный гигант → белый карлик. Цепочка отражает изменение источника энергии и внутреннего строения звезды.

Задача 2

Условие. Звезда исчерпала водород в ядре. Объясните, почему её размеры могут увеличиться, а температура поверхности снизиться.

1. В ядре прекращается прежнее водородное горение, поэтому меняется распределение энергии и нарушается прежнее равновесие.
2. Ядро сжимается и нагревается, а термоядерные реакции продолжаются в оболочке вокруг него.
3. Оболочка выделяет энергию во внешние слои, и они расширяются. При расширении энергия распределяется по большей площади, поэтому температура поверхности падает.

Ответ: размеры увеличиваются из-за расширения внешних оболочек, а поверхность охлаждается из-за распределения излучения по большей площади. Поэтому звезда становится красным гигантом.

Задача 3

Условие. Сравните судьбу двух звёзд, одна из которых изначально значительно массивнее другой. Укажите возможные конечные объекты и причину различий.

1. У звезды небольшой или средней массы гравитации недостаточно для длительного сжатия ядра до экстремальных состояний. После стадии красного гиганта она сбрасывает оболочки и оставляет белый карлик.
2. Массивная звезда сильнее сжимает своё ядро и проходит более энергичные стадии термоядерных реакций.
3. После исчерпания топлива её ядро может разрушительно сжаться, вызвав сверхновую. В зависимости от массы остатка образуется нейтронная звезда или чёрная дыра.

Ответ: меньшая звезда обычно заканчивает жизнь белым карликом, а массивная — взрывом сверхновой с компактным остатком. Различие вызвано прежде всего начальной массой и массой ядра после сброса вещества.

Типичные ошибки

Обычное горение. Ошибка — считать, что звезда светит из-за химического сгорания топлива. Так думают из-за сходства слов горение и выделение тепла, но в звезде идут ядерные превращения. Проверка проста: источник энергии связан с превращением водорода в гелий.

Красный гигант как горячая массивная звезда. Ошибка возникает потому, что слово гигант ассоциируется с большой мощностью и высокой температурой. На самом деле его поверхность расширена и сравнительно холодна, хотя внутри температура очень велика. Нужно различать размер звезды и температуру её поверхности.

Одинаковый конец для всех звёзд. Ошибка появляется при запоминании только общей последовательности стадий. Масса определяет силу сжатия, скорость эволюции и конечный объект. Проверяйте ответ вопросом: какова начальная масса звезды?

Белый карлик как продолжающаяся главная последовательность. Ошибка связана с тем, что белый карлик остаётся горячим и светится. Однако в нём уже нет обычного устойчивого водородного горения, поэтому он постепенно остывает. Белый карлик — остаток звезды, а не её прежняя активная стадия.

Связь с другими темами

Для понимания рождения и равновесия звезды нужны закон всемирного тяготения, представления о давлении газа и тепловом излучении. Они объясняют, почему облако сжимается, а горячая звезда противостоит собственной гравитации.

Состав атомных ядер и термоядерные реакции помогают понять происхождение энергии звёзд. Без этих знаний трудно объяснить длительность главной последовательности и смену источников энергии.

Тема связана со строением Галактики, сверхновыми, нейтронными звёздами и чёрными дырами. Эволюция отдельных звёзд влияет на состав межзвёздного вещества и появление компактных объектов.

Что запомнить

• Звезда формируется при гравитационном сжатии газопылевого облака.
• На главной последовательности в ядре звезды водород превращается в гелий.
• Эволюция звезды связана с изменениями её внутреннего строения и источников энергии.
• После исчерпания водорода в ядре внешние слои звезды могут расшириться.
• Судьба звезды зависит от её начальной массы.
• Звезда небольшой или средней массы может оставить после себя белый карлик.
• Массивная звезда может завершить эволюцию сверхновой и оставить нейтронную звезду или чёрную дыру.