§99. Эволюция звёзд

Определения и обозначения

Протозвезда — уплотняющееся и разогревающееся газовое облако, из которого формируется звезда. Гравитация стягивает вещество к центру: облако становится плотнее, а столкновения частиц нагревают его. Это понятие обозначает раннюю стадию, когда звезда ещё только формируется.

Главная последовательность — этап эволюции, на котором в ядре звезды водород превращается в гелий, а давление уравновешивает гравитацию. Эту стадию считают устойчивой: звезда сохраняет размеры, пока выделяемая в ядре энергия поддерживает противодействующее гравитации давление. По ней можно понять, как звезда проводит большую часть своей жизни.

Красный гигант — поздняя стадия, когда водород в ядре истощён, ядро сжимается, а внешние слои расширяются и охлаждаются. Название описывает видимые свойства звезды: большой размер и сравнительно низкую температуру поверхности. Термин помогает не перепутать изменения ядра и оболочки.

Белый карлик — компактный остаток звезды небольшой или средней массы, уже не поддерживаемый термоядерными реакциями и постепенно остывающий. Он сохраняет тепло, накопленное ранее, но больше не производит энергию обычным для звезды способом. Это один из возможных конечных этапов звёздной эволюции.

Как это устроено

Звёзды рождаются в холодных газопылевых облаках. Отдельные участки облака могут уплотняться под действием гравитации, и чем больше вещества собирается в одном месте, тем сильнее становится его притяжение. При сжатии частицы чаще сталкиваются, поэтому температура растёт. Когда центральная область становится достаточно горячей и плотной, там начинаются термоядерные реакции — формируется звезда.

На главной последовательности звезду удерживает равновесие двух противоположных воздействий. Гравитация стремится сжать вещество, а нагретый газ и излучение создают давление, направленное наружу. Энергия для поддержания температуры поступает из превращения водорода в гелий в ядре. Если реакции идут интенсивнее, водород расходуется быстрее; у массивных звёзд это происходит быстрее, поэтому их пребывание на главной последовательности короче.

Когда запасы водорода в центральной области истощаются, выделение энергии там ослабевает. Гравитация начинает сильнее сжимать ядро, и оно нагревается; при этом внешние слои расширяются и остывают. Так звезда становится красным гигантом. Это не означает, что вся звезда одинаково расширяется: ядро сжимается, тогда как увеличивается оболочка.

Дальнейший путь зависит от массы звезды. Звезда небольшой или средней массы сбрасывает внешние оболочки, а оставшееся ядро становится белым карликом. Вытолкнутое вещество может светиться вокруг остатка и образовать планетарную туманность. Белый карлик больше не поддерживается обычным термоядерным горением, поэтому со временем теряет тепло и остывает.

В массивной звезде после исчерпания водорода могут последовательно гореть более тяжёлые элементы. В центре в итоге формируется железное ядро: дальнейшее превращение железа не даёт энергии, необходимой для поддержки звезды. Ядро быстро коллапсирует, а выброшенные наружу слои создают взрыв сверхновой. В зависимости от массы оставшегося ядра после взрыва может образоваться нейтронная звезда или чёрная дыра.

Основные стадии эволюции звёзд и возможные остатки

Читайте таблицу сверху вниз как возможную последовательность, но учитывайте развилку по массе звезды. У звезды небольшой или средней массы путь ведёт к белому карлику, а массивная звезда может завершить эволюцию сверхновой. Последняя строка показывает два возможных исхода, а не обязательную последовательность двух объектов.

Разбор задач

1. Расположите стадии: красный гигант, протозвезда, белый карлик, главная последовательность. Укажите, какая из них возможна только для звезды небольшой или средней массы.

Нужно восстановить путь звезды от формирования до одного из конечных состояний. Сначала определим, на какой стадии звезда только возникает, затем — где она устойчиво превращает водород. После этого учтём изменения, происходящие при истощении водорода, и выясним, какой остаток соответствует указанной ветви эволюции.

1. Протозвезда — начальный этап: облако сжимается и разогревается.
2. Главная последовательность наступает, когда в ядре начинается превращение водорода в гелий.
3. После истощения водорода в ядре звезда может стать красным гигантом.
4. Белый карлик образуется в конце эволюции звезды небольшой или средней массы.

Правильная последовательность: протозвезда → главная последовательность → красный гигант → белый карлик. Белый карлик в этой цепочке — конечная стадия, характерная для звезды небольшой или средней массы; массивная звезда может пройти другой путь.

2. Сравните две звезды на главной последовательности, если одна из них значительно массивнее другой. Какая израсходует водород быстрее и почему?

Сравнивать нужно не только количество топлива, но и темп его расходования. У массивной звезды больше вещества, однако её ядро сильнее сжато, а температура и давление в нём выше. Поэтому термоядерные реакции идут интенсивнее, чем в менее массивной звезде.

1. Определяем, что сравниваются звёзды одной стадии — главной последовательности.
2. У более массивной звезды в ядре выше условия для протекания термоядерных реакций.
3. Следовательно, водород превращается в гелий быстрее, и запасы топлива исчерпываются за меньшее время.

Быстрее водород израсходует более массивная звезда. Поэтому большая масса не означает более долгую жизнь: решающим оказывается сочетание запасов топлива и скорости их расходования.

3. Массивная звезда завершила эволюцию взрывом сверхновой. Объясните, почему её остатком может стать нейтронная звезда или чёрная дыра, и от чего зависит выбор исхода.

Взрыву массивной звезды предшествует коллапс её ядра: гравитация сжимает его, когда оно уже не может поддерживать себя выделением энергии. После взрыва часть вещества выбрасывается, но компактное ядро может сохраниться. Чтобы определить его возможную судьбу, нужно учитывать не только сам факт сверхновой, но и массу оставшегося вещества.

1. В финале эволюции массивной звезды формируется железное ядро, которое не может обеспечивать прежнюю поддержку.
2. Гравитация вызывает коллапс ядра; выброс внешних слоёв проявляется как сверхновая.
3. Оставшееся ядро сжимается до компактного остатка, а его дальнейшее состояние зависит от массы.

Если массы остатка достаточно для образования нейтронной звезды, возникает именно она; при ещё большей массе коллапс может привести к чёрной дыре. Следовательно, сверхновая — общий тип события, но не указание на один-единственный вид остатка.

Типичные ошибки

• Считать, что все звёзды заканчивают эволюцию одинаково. Так думают, если воспринимают стадии как одну неизменную цепочку, хотя исход прежде всего зависит от начальной массы. Проверьте себя: спросите, о звезде какого типа идёт речь и может ли её путь закончиться белым карликом или сверхновой.

• Путать расширение внешних слоёв с расширением ядра красного гиганта. Большой видимый размер звезды может создать впечатление, будто расширяется каждая её часть. На самом деле после истощения водорода ядро сжимается, а оболочка расширяется; сверяйте отдельно изменения этих областей.

• Полагать, что белый карлик продолжает обычное термоядерное горение. Его называют звёздным объектом, поэтому можно ошибочно приписать ему свойства звезды на главной последовательности. Проверьте себя: белый карлик — остаток, который больше не поддерживается такими реакциями и постепенно остывает.

• Считать сверхновую обязательным этапом для любой звезды. Эту ошибку вызывают яркие описания взрыва, но он характерен для массивных звёзд. Чтобы проверить ответ, проследите ветвь небольшой или средней массы: она ведёт к сбросу оболочек и белому карлику.

Связь с другими темами

Для понимания эволюции звёзд нужны представления о гравитации, давлении и тепловом равновесии: они объясняют сжатие облака и устойчивость звезды. Также важно знать, что термоядерные реакции превращают лёгкие ядра в более тяжёлые и выделяют энергию. Эти знания пригодятся при изучении диаграммы Герцшпрунга — Рассела, строения звёзд и происхождения химических элементов, которые образуются в звёздах и распространяются при сбросе вещества и взрывах.

Что запомнить

• Звёзды формируются при гравитационном сжатии газопылевых облаков.
• На главной последовательности в ядре звезды водород превращается в гелий.
• Чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует ядерное топливо.
• После истощения водорода в ядре звезда может стать красным гигантом.
• Звёзды небольшой и средней массы оставляют после себя белые карлики.
• Массивные звёзды могут завершить эволюцию взрывом сверхновой.
• После сверхновой могут образоваться нейтронная звезда или чёрная дыра.