Теория распада или теория конденсации? Часть2

Втр, 06/10/2014 - 19:55

Диаграмма Рессела...


SN 1987A — сверхновая звезда, вспыхнувшая в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике-спутнике Млечного Пути, приблизительно в 50 килопарсеках от Солнца...

Изображение Крабовидной туманности в условных цветах...

— 5 —

Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды. Если масса достаточно велика, звезда быстро проходит стадию остывающего гиганта и становится сверхгигантом. Сопоставление диаграмм ничего не говорит о связи звезд главной последовательности с белыми карликами. Белый карлик — это горячая звезда малых размеров. Такие звезды часто наблюдаются внутри «планетарных туманностей», похожих на отделившиеся от звезд оболочки. Сравнительно большая масса белого карлика говорит о его высокой плотности. Вероятно, красный гигант, сбрасывая наружную оболочку, превращается в белый карлик. Наблюдения за вспышками сверхновых звезд и оставшимися после них туманностями заставляют предположить, что так избавляются от своих оболочек сверхгиганты. Диаграмма «спектр-светимость» подтверждает связь вспышек сверхновых с эволюцией звезд, выявив следующее соответствие. Немного ниже линии звезд главной последовательности, повторяя ее очертание, проходит линия субкарликов. Звезды, послужившие образами ее точек, принадлежат к сферической подсистеме Галактики. Как показывают наблюдения, звездный состав Галактики не отличается от звездного состава других спиральных галактик. Таким образом, существуют два типа звезд. Звезды первого типа населяют плоские подсистемы спиральных галактик. К ним принадлежат звезды главной последовательности. Звезды второго типа населяют эллиптические галактики и сферические подсистемы спиральных галактик. От звезд первого типа они отличаются меньшим содержанием тяжелых элементов. Возможно, это является причиной различия в светимостях при одинаковой температуре. Звезды обоих типов проходят одинаковые этапы эволюционных изменений, но в разном темпе. Например, на стадии превращения в красный гигант звезда становится переменной — ее блеск начинает периодически меняться. Такие звезды называются цефеидами. У цефеид первого типа период изменения блеска длиннее, чем у цефеид второго типа. В системах звезд второго типа также наблюдаются вспышки сверхновых. От аналогичных вспышек в системах звезд первого типа они отличаются большей мощностью и более быстрым спаданием блеска.

Таким образом, взрыв сверхновой означает превращение сверхгиганта в звезду, которую из теоретических соображений называют нейтронной звездой.
Теория, согласованная с диаграммой «спектр-светимость», утверждает, что в недрах звезд главной последовательности идет термоядерная реакция превращения водорода в гелий. После исчерпания водорода центральная область звезды сжимается, при этом температура повышается, и становится возможной ядерная реакция превращения гелия в углерод, а затем, в зависимости от массы звезды, возможны и дальнейшие реакции с образованием все более тяжелых ядер, вплоть до ядер железа. Если масса звезды не ограничена верхним пределом, то в результате сжатия сверхмассивных звезд должны образовываться черные дыры — объекты, связанные с окружающим миром только посредством гравитации.
Теперь о том, с чем теория не справляется.

В переломные моменты своей эволюции звезда становится переменной.

Перед выходом на главную последовательность, т.е. на этапе превращения протозвезды в звезду, она начинает проявлять вспышечную активность. Блеск звезды в течение нескольких секунд может увеличиться в 10 или 100 раз, а затем вернуться в первоначальное состояние. Вспышки могут происходить иррегулярно или регулярно, могут быть продолжительными или короткими; могут одновременно наблюдаться в различных участках спектра в любых сочетаниях. Последнее обстоятельство является самым трудным для объяснения — считается, что каждый вид излучения имеет свою причину.

После выхода на главную последовательность звезда успокаивается, но на этапе превращения в красный гигант начинает пульсировать. Ее радиус и температура периодически изменяются, что сопровождается изменением блеска. Период колебаний может быть постоянным; может периодически или спонтанно изменяться; может быть результатом сложения нескольких колебаний. Колебания могут не только складываться, но и накладываться друг на друга — известны звезды с несколькими периодами колебаний. Пульсация звезды может сопровождаться выбросами из ее недр огромных масс диффузной материи — из-за окутывающей их пелены, такие звезды выглядят как неправильные переменные, в колебаниях блеска которых нет какой-либо периодичности.
Переменность звезды легко объясняется потерей устойчивости в моменты включения термоядерной реакции и переключения ее на другой режим. Но при попытке уложить в одну схему все многообразие явлений переменности возникают трудности, которые не должны были бы возникнуть, если звезда — это просто сжатое облако водорода. У звезд и окружающей их обстановки не так уж много свойств, сочетанием которых можно было бы объяснить наблюдаемое разнообразие явлений. Дело даже не в широте этого разнообразия, а в его внутренней организации.

На примере Солнца видно, что вспышечная активность и пульсации сопровождают звезду на протяжении всей ее жизни. В спокойные времена масштабы явлений намного скромнее, но их упорядоченное разнообразие сохраняется. Например, Солнце пульсирует, по крайней мере, с двумя различными периодами. Мощность солнечных радиовспышек трудно объяснить иначе, как согласованным, «когерентным» движением электронов в больших объемах плазмы. Комплекс явлений, называемый солнечной активностью, имеет сложную циклическую структуру. Все говорит о том, что переменность является характерным свойством звезды, а не отклонением от нормы.

В теории эволюции звезд до сих пор нет удовлетворительной модели взрыва сверхновой. Остается непонятным механизм излучения пульсара — молодой нейтронной звезды; трудности здесь те же, что и с переменными звездами.

Условия внутри звезд могут сильно отличаться от предсказанных стандартной моделью. Скорость протекания ядерной или химической реакции — это ее вероятность. Высокая температура нужна, чтобы увеличить вероятность реакции, или, что то же самое, — снизить ее энергетический барьер. В химии снижение энергетического барьера достигается выбором оптимального режима протекания реакции и применением катализаторов. В живой природе тот же вопрос решается на качественно ином уровне. Оптимальные условия для каждой из протекающих в организме реакций заключаются в их взаимной согласованности. В качестве катализаторов используются ферменты — биомолекулы, структура которых строго соответствует преобразованию структуры реагирующих веществ. Фермент в организме и вне организма — принципиально разные вещи. Для извлеченного из организма и помещенного в питательный раствор фермента мерой активности служит разность концентраций субстрата и продукта осуществляемой им реакции. Но в организме концентрация определенного вещества создается не отдельным ферментом, а согласованной работой всей системы ферментов. В результате статистические черты процессов полностью стираются. Биофизики до сих пор не могут ответить на основной вопрос: каким образом химическая энергия, запасенная в молекулах АТФ, превращается в другие виды энергии, например в механическую энергию мышечного сокращения? Дело в том, что работа мышц как раз и заключается в расщеплении молекул АТФ, поэтому не удается провести границу между выделением и поглощением энергии. По всей видимости, выражения «выделение энергии», «превращение энергии» для описания взаимодействий биомолекул неприменимы — определяющее значение в данном случае имеет не энергетическое, а структурное соответствие; энергетический баланс формально выполняется, но не несет информации о процессе.

Согласно бюроканской концепции, жизнедеятельность звезды определяется наличием в ее центре активного ядра. Механизм взаимодействия ядра с оболочкой не уточняется. Продолжая аналогию с номогенезом, предположим, что подобно тому, как ядро клетки управляет ее жизнедеятельностью посредством ферментов, так ядро звезды управляет ее жизнедеятельностью посредством различных модификаций электромагнитного поля. При этом ядро может получать энергию как из звездной плазмы, превращая водород в гелий, так и черпать ее из своих недр. Таким образом, различные виды звездной активности имеют общую внутризвездную причину. Внешние условия играют роль регулятора внутренней активности. Но, как и в случае живых организмов, зачастую трудно провести границу между внешними и внутренними причинами активности.

Термин «модификации электромагнитного поля» мало о чем говорит, но тем и продолжает аналогию. Взаимосвязь протекающих в организме процессов удобно выражать понятием морфогенетического поля, элементами которого являются биомолекулы и клетки. Это «поле» имеет вполне реальные проявления, но заменяет их понимание термином.

Раздел теории эволюции звезд, посвященный тесным двойным системам, напоминает росток номогенеза на поле классической концепции. В диске нашей Галактики (а значит и в дисках других спиральных галактик) тесных двойных систем не меньше, чем одиночных звезд. Члены пары не объединяются по воле сил гравитации, а рождаются совместно в результате разделения на две части общего протообъекта. Эволюция пары предопределена эволюцией отдельной звезды. При этом эволюционные трансформации звезды играют неожиданно конструктивную роль. Равновесие сил в двойной системе таково, что стоит одной звезде увеличить свой радиус до определенного предела, как ее вещество начинает перетекать на соседку. Когда приходит время, более массивная звезда пары превращается в красный гигант, ее радиус увеличивается, и вещество начинает перетекать на соседнюю звезду. В свое время звезда-донор превращается в белый карлик или нейтронную звезду. Так как значительная часть оболочки уже потеряна, взрыв сверхновой не разрушает двойную систему. Наконец и вторая звезда превращается в красный гигант. Начинается второй обмен массами, но из-за высокой плотности звезды-потребителя он качественно отличается от предыдущего обмена. Вокруг белого карлика или нейтронной звезды образуется аккреционный диск, и вместе с ним звезда превращается в источник рентгеновского излучения — при падении вещества на поверхность звезды кинетическая энергия превращается в тепловую.

Остановим внимание на рентгеновских источниках с нейтронными звездами. Их можно разделить на два класса: пульсары и барстеры. В первом случае аккреция происходит на звезду с сильным магнитным полем, во втором — со слабым или отсутствующим. Падая на магнитосферу, вещество обтекает ее с двух сторон и соприкасается с поверхностью звезды в районах магнитных полюсов. В результате на поверхности образуются два горячих излучающих пятна; при вращении звезды они периодически появляются в поле зрения наблюдателя, создавая рентгеновский пульсар. В отсутствие магнитного поля падение вещества происходит на всю поверхность звезды, превращая ее в источник излучения. Излучение тормозит падение газа, тот накапливается на поверхности и через некоторое время взрывается, давая вспышку рентгеновского излучения. Очевидно, вспышечная активность источника зависит от темпа аккреции.
Как и в случае квазаров, тепловое излучение рентгеновских звезд сочетается с синхротронным излучением. Последнее возникает при торможении релятивистских электронов в магнитном поле. Магнитное поле присутствует везде, где есть движение вещества; механизм ускорения электронов также понятен: при достаточно высоком темпе аккреции давление излучения сначала тормозит падающий газ, а затем отталкивает его от поверхности. Странно то, что выбросы осуществляются в виде направленных потоков и струй. С точки зрения классической концепции, здесь имеет место явление самоорганизации, когда неравновесная система скачком переходит в более устойчивое состояние. О механизме, превращающем тепло в упорядоченное движение вещества, можно строить предположения. Возможно, он подобен лазеру и связан с нейтронной звездой. Его поразительная эффективность особенно отчетливо видна на примере объекта SS 433. Объект представляет собой двойную систему с нейтронной звездой. Перпендикулярно аккреционному диску в противоположных направлениях от поверхности звезды отходят две тонкие, как лучи, струи плазмы. Газ в струях движется со скоростью 80 тысяч километров в секунду. Судя по окружающей систему туманности, начальный момент выброса струй сопровождался взрывом, подобным взрыву сверхновой.
Режим аккреции зависит от параметров системы. В квазарах и ядрах галактик параметры, определяющие их активность, часто меняются, что говорит о более свободных, чем в двойных системах, условиях аккреции. По всей видимости, донором, поставляющим газ в центральную область ядра, является сама галактика: центральный объект находится на дне «потенциальной ямы», в которую постоянно стекает газ.
В центральных областях шаровых скоплений Галактики обнаружены рентгеновские источники со свойствами барстеров. Вероятно, это не двойные системы, а уменьшенные копии ядра Галактики. Их вспышечная активность однообразна, но иногда наблюдаются всплески активности в различных участках спектра.

Другие материалы рубрики


  • ...Уходить от Солнца на еще большее расстояние, по подсчетам швейцарского астрофизика, нет смысла. Потому что в стадии красного гиганта Солнце пробудет всего несколько миллионов лет, а затем станет снова быстро сжиматься, превратится в белого карлика и начнет деградировать как источник энергии. И тогда Земле, чтобы получать достаточное количество тепла и света, понадобится орбита меньшая, чем сейчас у Меркурия. Но при таком приближении к светилу силы притяжения довольно скоро остановят вращение Земли вокруг ее оси. Планета будет повернута к Солнцу всегда одной стороной. Значит, жизнь на Земле быстро погибнет: на ночной стороне — от тьмы и холода, а на освещенной — от жары и губительного для всего живого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, идущего от белого карлика.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Пока ваш звездолет выбирается из гравитационной ловушки Гаргантюа, вы строите планы возвращения домой. К тому моменту, когда вы достигнете Млечного Пути, Земля станет на 2,4 млрд. лет старше, чем во время вашего старта. Изменения в человеческом обществе будут настолько велики, что вы не испытываете особого желания возвращаться на Землю. Вместо этого вы и команда звездолета решаете освоить пространство вокруг какой-нибудь подходящей вращающейся черной дыры. Ведь именно энергия вращения дыры в квазаре 8C 2975 позволяет квазару «проявить себя» во Вселенной, поэтому энергия вращения дыры меньших размеров может стать источником энергии для человеческой цивилизации.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Прошло без малого сто лет с того момента, как были открыты космические лучи-потоки заряженных частиц, приходящих из глубин Вселенной. С тех пор сделано много открытий, связанных с космическими излучениями, но и загадок остается еще немало. Одна из них, возможно, наиболее интригующая: откуда берутся частицы с энергией более
    1020 эВ, то есть почти миллиард триллионов электрон-вольт, в миллион раз большей, чем будет получена в мощнейшем ускорителе — Большом адронном коллайдере (LHC)? Какие силы и поля разгоняют частицы до таких чудовищных
    энергий?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Космические фонтаны из водяного льда, пара и смеси других веществ, поднимающиеся над равнинами луны Сатурна, давно интригуют специалистов. Не хотят сходиться уравнения, описывающие энергетику этого мира, столь удаленного от Солнца. Однако все встает на свои места, если учесть новое открытие: волнующая активность Энцелада по геологическим меркам — мимолетный эпизод.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Был ли Большой взрыв началом времени или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
    Вопрос о начале начал занимать философов и богословов с давних времен. Он переплетается с множеством фундаментальных проблем, нашедших свое отражение в знаменитой картине Поля Гогена «D’ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous?» («Откуда мы пришли? Кто мы такие? Куда мы идем?»). Полотно изображает извечный цикл: рождение, жизнь и смерть — происхождение, идентификация и предназначение каждого индивидуума. Пытаясь разобраться в своем происхождении, мы возводим свою родословную к минувшим поколениям, ранним формам жизни и прото-жизни, химическим элементам, возникшим в молодой Вселенной, и, наконец, к аморфной энергии, некогда заполнявшей пространство. Уходит ли наше фамильное древо корнями в бесконечность или космос так же не вечен, как и мы?

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • Уже очень скоро сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики украсит красочный венец из молодых и ярких звезд. Следы метилового спирта в огромном газовом кольце вокруг нее означают, что в нем уже формируются массивные звезды. Раньше астрономы думали, что черная дыра образованию звезд может помешать.
    В центрах большинства галактик, особенно крупных, находятся сверхмассивные черные дыры, весящие миллионы и даже миллиарды солнечных масс — куда больше тех, что возникают в конце эволюции звезд. Судя по всему, эти объекты зародились еще в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, и с тех пор лишь росли, постепенно нагуливая массу и освещая свои вселенские окрестности ярким светом активности галактического ядра

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • В нашей Галактике за пределами Солнечной системы обнаружено несколько сотен планет. Исследовать их проще и дешевле при помощи автоматических зондов сверхмалого размера. Запускать эти аппараты можно с Земли из электромагнитной пушки, а ускорять и корректировать орбиты будут гравитационные поля встречных звезд.
    Полеты к звездам — любимая тема фантастов и авторов компьютерных игр. Лихо носятся их звездолеты на просторах Галактики! Вот только неясно — как и зачем? Но эти вопросы не очень волнуют любознательных читателей: «как» — это придумают инженеры, а уж «зачем» — вообще неприлично спрашивать. Вы только представьте: новые неизведанные миры, братья по разуму... Разве это неинтересно?!
    Но не все фантазии удается воплотить в жизнь. Романтическая эпоха поиска внеземных цивилизаций, рожденная в начале 1960-х успехами космонавтики и радиоастрономии, к концу столетия почти сошла на нет.



  • ...Итак, согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигла 1010 К — это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство Вселенной было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью — один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков. Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4