§ 123. Эволюция звезд: рождение, жизнь и смерть звезд

Определения и обозначения

Протозвезда — формирующееся небесное тело из сжимающегося газопылевого облака. При сжатии вещество нагревается и начинает излучать, но протозвезда ещё не стала звездой в обычном смысле: в её недрах пока не идут устойчивые термоядерные реакции. Это понятие обозначает переходную стадию между облаком вещества и звездой, поддерживаемой внутренним источником энергии.

Главная последовательность — этап жизни звезды, на котором её свойства относительно устойчивы благодаря термоядерным реакциям в недрах. В основном при этом водород превращается в гелий, а выделяемая энергия поддерживает звезду против сжатия под действием гравитации. Термин нужен, чтобы назвать самый длительный этап развития звезды и отличить его от стадий рождения и поздней перестройки.

Красный гигант — поздняя стадия эволюции звезды, наступающая после исчерпания водорода в центральной области. Её внешние слои расширяются, поэтому звезда становится намного больше, а поверхность сравнительно холодной. Название помогает узнать эту стадию по размерам и цвету, но красный гигант ещё не является конечным компактным остатком.

Белый карлик — компактный остаток звезды небольшой или средней массы, в котором термоядерные реакции практически прекратились. Он остаётся горячим и излучает за счёт накопленного тепла, постепенно остывая. Это понятие описывает один из возможных финалов звездной эволюции и отличает плотный остаток от расширенной оболочки красного гиганта.

Как это устроено

Началом звезды служит газопылевое облако, частицы которого притягиваются друг к другу гравитацией. Если это притяжение становится сильнее давления газа, облако начинает сжиматься; его плотность растёт, а при сжатии повышается и температура. Вещество собирается в более плотную центральную область — протозвезду. Она ещё не поддерживается устойчивыми термоядерными реакциями, но уже может излучать, поскольку нагревается при сжатии.

По мере дальнейшего сжатия температура в недрах протозвезды повышается. Когда она достигает условий, необходимых для термоядерных реакций, ядра водорода начинают соединяться с образованием гелия, а при этом выделяется энергия. Давление горячего вещества и излучения начинает противодействовать гравитации, которая стремится сжать звезду. Так устанавливается длительный этап главной последовательности, когда основные свойства звезды меняются сравнительно медленно.

На главной последовательности в центральной области постепенно расходуется водородное топливо. Пока реакции дают достаточно энергии, внутреннее давление поддерживает равновесие с гравитацией и звезда сохраняет относительно устойчивое состояние. Когда водорода в центре становится недостаточно, прежний источник энергии ослабевает, а структура внутренних слоёв меняется. Поэтому звезда перестаёт оставаться на главной последовательности и начинает перестраиваться.

Изменение процессов в недрах приводит к перестройке всей звезды: её внешние слои могут расшириться, и она становится красным гигантом. Дальнейший ход эволюции определяется прежде всего массой, потому что от неё зависят давление и температура в недрах, а значит, и возможные реакции. Звезды небольшой и средней массы сбрасывают внешние оболочки, оставляя компактное ядро. Оно становится белым карликом: активные термоядерные реакции в нём практически прекращаются.

Массивные звезды развиваются иначе: после поздних стадий их ядро может быстро сжаться, а внешние слои выбрасываются при взрыве сверхновой. В результате остаётся очень плотный объект — нейтронная звезда, если масса остатка позволяет ему удержаться в таком состоянии. При достаточно большой массе сжатие продолжается, и может образоваться чёрная дыра. Таким образом, общая последовательность рождения и жизни звезды похожа, но масса определяет, каким будет её конечный исход.

Основные этапы эволюции звезд

Читайте таблицу сверху вниз как путь от облака вещества к возможному конечному объекту. Чтобы сравнить судьбы звезд, проследите, где расходятся варианты после расширения оболочки. В последнем столбце указано, почему одинаковый старт не приводит к одинаковому финалу.

Разбор задач

Задача 1. Расположите стадии: протозвезда, газопылевое облако, главная последовательность, красный гигант — в порядке развития звезды. Чтобы не перепутать последовательность, сначала определите, что существует до появления звезды, а затем выясните, когда начинается устойчивое термоядерное горение. Красный гигант возникает уже после расходования водорода в центре.

1. Сначала существует газопылевое облако, поскольку именно из его вещества формируется будущая звезда. Его сжатие приводит к нагреванию и образованию плотного центрального тела. Поэтому облако должно стоять первым.
2. Следом появляется протозвезда: она уже сформировалась из сжимающегося вещества, но ещё не вышла на устойчивый режим термоядерных реакций. Это промежуточное звено между облаком и звездой главной последовательности. Значит, протозвезда ставится второй.
3. Когда в недрах начинаются термоядерные реакции и устанавливается относительное равновесие, наступает главная последовательность. Красный гигант появляется позже, когда водорода в центральной области становится недостаточно. Поэтому эти стадии идут третьей и четвёртой соответственно.

Ответ: газопылевое облако → протозвезда → главная последовательность → красный гигант. Стрелки показывают последовательность стадий, а не обязательный финал каждой звезды. После красного гиганта возможны разные исходы, зависящие от массы.

Задача 2. Объясните, почему после исчерпания водорода в центральной области звезда покидает главную последовательность и может расшириться. Здесь нужно связать изменение топлива не только с прекращением реакции, но и с равновесием звезды. Затем проследить, как перестройка внутренних областей отражается на оболочке.

1. На главной последовательности превращение водорода в гелий выделяет энергию. Она поддерживает давление горячего вещества и излучения, которое противодействует гравитационному сжатию. Поэтому уменьшение количества водорода в центре ослабляет прежний источник энергии.
2. Когда центральная область уже не может поддерживать прежний режим реакций, меняются условия внутри звезды. Гравитация и давление больше не уравновешиваются так, как раньше, и звезда перестраивает внутренние слои. По этой причине её свойства перестают соответствовать этапу главной последовательности.
3. Перестройка не ограничивается ядром: она влияет на внешние слои. Оболочка может расшириться, и звезда становится красным гигантом. Следовательно, расширение — результат изменения внутреннего равновесия, а не просто «раздувание» звезды после исчезновения всего водорода.

Ответ: исчерпание водорода в центральной области ослабляет прежние термоядерные реакции и нарушает установившееся равновесие. Из-за этого внутреннее строение меняется, а внешняя оболочка может расшириться. Звезда покидает главную последовательность и переходит к поздней стадии.

Задача 3. Сопоставьте звезду небольшой или средней массы и массивную звезду, указав возможные конечные объекты. Важно сравнивать не только последние названия, но и путь, который к ним ведёт. Основа различия — масса звезды и связанные с ней условия в недрах.

1. Для звезды небольшой или средней массы после поздних стадий характерен сброс внешних оболочек. Остаётся компактное ядро, в котором термоядерные реакции практически прекратились. Такой остаток называется белым карликом.
2. Массивная звезда может завершить жизнь взрывом сверхновой. При этом внешние слои выбрасываются, а плотный остаток в центре продолжает сжиматься. Если его масса позволяет, он становится нейтронной звездой.
3. Если масса остатка массивной звезды достаточно велика, сжатие может привести к образованию чёрной дыры. Значит, нельзя определять исход только по тому, что все звезды проходят главную последовательность: нужно учитывать их массу. Она задаёт различия между возможными финалами.

Ответ: звезда небольшой или средней массы может оставить белый карлик. Массивная звезда может взорваться как сверхновая и оставить нейтронную звезду либо, при достаточно большой массе остатка, чёрную дыру. Это возможные сценарии, а не единый финал для всех звезд.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что звезда начинает светиться только после появления термоядерных реакций. Так думают, потому что именно термоядерные реакции служат главным источником энергии звезды на долгом устойчивом этапе. Однако при сжатии протозвезда тоже нагревается и излучает. Проверка: различайте начало свечения и начало устойчивых реакций в недрах.

Ошибка: представлять главную последовательность как отдельный вид звезд. Такое впечатление может возникнуть из-за названия, похожего на классификацию объектов. На самом деле это этап эволюции, который звезда проходит, пока в её недрах идёт устойчивое превращение водорода в гелий. Проверка: спросите себя, описывает ли термин строение объекта или период его жизни.

Ошибка: утверждать, что все звезды заканчивают жизнь одинаково. Эту ошибку допускают, когда запоминают одну последовательность стадий и забывают о различиях в массе. Но масса влияет на развитие недр и тем самым на конечный остаток: возможны белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра. Проверка: для любого ответа укажите, о звезде какой массы идёт речь.

Ошибка: путать красного гиганта с белым карликом. Оба названия относятся к поздним стадиям, поэтому их иногда смешивают. Красный гигант — расширившаяся звезда, а белый карлик — компактный остаток после сброса оболочек у звезды небольшой или средней массы. Проверка: сопоставьте слова «гигант» и «карлик» с размерами и местом объекта в эволюции.

Связь с другими темами

Чтобы понять, почему облако сжимается и звезда не разрушается под собственной гравитацией, нужны представления о гравитационном притяжении, давлении и тепловом излучении. Термоядерные реакции связывают эволюцию звезд с ядерной физикой и объясняют, откуда звезда получает энергию на главной последовательности. Знания о звездах и их остатках пригодятся при изучении галактик, сверхновых и строения Вселенной. Так отдельные стадии жизни звезд становятся частью картины развития космических объектов.

Что запомнить

• Звезды формируются при сжатии газопылевых облаков.
• Протозвезда предшествует началу устойчивой термоядерной стадии.
• На главной последовательности звезда долго преобразует водород в гелий в центральной области.
• Исчерпание водорода в ядре приводит к перестройке звезды.
• Дальнейший путь звезды зависит от её массы.
• Белые карлики, нейтронные звезды и чёрные дыры — возможные конечные объекты эволюции звезд.