АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

Тема 2.2. Фізика зір і міжзоряного середовища

§ 23. Кінцеві стадії еволюції зір

Вступ

Немає нічого вічного в нашому всесвіті. Навіть зорі, що живуть сотні мільйонів і десятки мільярдів років, зрештою, закінчують своє існування, перетворюючись в інші космічні об’єкти, чи руйнуючись повністю.

Цілі вивчення § 23

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти поняття червоний гігант, білий карлик, пульсар, чорна діра, сфера Шварцшильда; зорі на різних стадіях еволюції; кінцеву стадію еволюції Сонця; причину виникнення чорної діри; фізичні процеси, що протікають поблизу чорної діри; природу нових та наднових зір; механізм утворення хімічних елементів під час спалаху наднової зорі;

• уміти пояснити кінцеву стадію еволюції Сонця;

• оцінювати зоряну еволюцію, як важливий чинник розвитку Всесвіту в цілому.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Повторіть увесь матеріал теми 2.2, що стосується зір. З курсу хімії треба пригадати періодичну систему хімічних елементів Менделєєва.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на те, що особливості прикінцевого етапу існування зорі визначає її маса. Від її значення залежить не лише перебування зорі на головній послідовності діаграми Герцшпрунга- Рассела, але й «сценарій», за яким зоря буде розвиватися, коли покине головну послідовність, і якою буде природа того небесного тіла, в яке вона перетвориться. Ще одна особливість, яку треба взяти до уваги: незважаючи на значні досягнення у вивченні Наднових, повної теорії цього явища досі не створено, тому їх вивчення є дуже важливим для розвитку астрономії загалом.

Пояснювальний текст

Згадаймо, зоря існує як самодостатній об’єкт завдяки рівновазі двох сил: гравітації та газового тиску. У такому стані зоря посідає певне місце на головній послідовності діаграми Герцшпрунга—Рассела, яке залежить від маси зорі.

1. Прикінцеві етапи існування зорі. Після того, як весь водень у ядрі зорі перетвориться в гелій, джерелом енергії для неї стає «горіння» водню у шарі, що прилягає до гелієвого ядра. Тут водень ще є, але через низьку температуру реакція відбувається мляво. У цей час зоря покидає головну послідовність і починає зміщуватися в зону червоних гігантів. Гелій, що утворюється в шаровому джерелі енерговиділення, додається до ядра, збільшуючи його масу. Ядро дуже повільно стискається й розігрівається. Зростає температура і в шаровому джерелі навколо ядра, швидкість горіння водню збільшується. Для відводу підвищеної кількості тепла від шарового джерела речовина оболонки зорі починає інтенсивно перемішуватись і, розширюючись, охолоджується. Потужні конвективні потоки виносять в атмосферу продукти горіння, серед них і вуглець. Атмосфера зорі стає непрозорою, і тиск випромінювання зсередини розширює оболонку до велетенських розмірів. Зоря перетворюється в червоний гігант. Тепер на діаграмі Герцшпрунга-Рассела вона остаточно посідає певне місце в зоні червоних гігантів, яке залежить від маси зорі. Тут зоря проводить 10% свого життя. Для нашого Сонця, наприклад, цей період триватиме 1 млрд років.

Червоні гіганти мають вкрай неоднорідну структуру. Тонкий шар, де тільки й може відбуватись воднева реакція, ділить зорю на дві істотно різні частини: внутрішню (гелієве ядро), де реакції не відбуваються з причини відсутності водню, і зовнішню потужну конвективну зону, де водень є, але реакції не відбуваються через низькі температуру й тиск. Фізичні процеси в двох зонах зорі розгортаються по-різному.

Подивімось, які зміни відбуваються всередині зорі? Завдяки надходженню в ядро гелію із шарового джерела енерговиділення, його маса й температура поступово збільшуються. За досягнення ядром маси 0,4-0,5 сонячної й температури до 150 млн К починає «горіти» гелій, даючи на виході вуглець, кисень і деякі інші елементи. І так доти, доки не вигорить гелій і не утвориться вуглецево-кисневе ядро.

2. Білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри. Зорі в кілька разів масивніші або з меншою массою, ніж Сонце, на цьому етапі «доживають» віку, бо вичерпують всі запаси речовини, які могли б підтримувати зростання тиску й температури в ядрі, а отже, і продовження термоядерних реакцій. Холодна протяжна оболонка або поступово стікає в навколишній

простір, або відділяється від ядра у вигляді планетарної туманності, яка розширюється зі швидкістю до 20 — 40 км/сек. Під дією ультрафіолетового випромінювання ядра вона яскраво світиться (рис.23.1) Гаряче вуглецево-кисневе ядро, що залишилося, стає білим карликом — компактним об’єктом із розмірами, які, залежно від маси, можуть бути навіть меншими від розмірів Землі в десятки разів (див. § 20). На діаграмі спектр—світність білі карлики посідають місце у лівому нижньому куті, де розміщені зорі дуже малої світності, але з високою температурою поверхні. У підсумку, поступово охолоджуючись, білий карлик перетвориться в чорний карлик — недогарок колишньої зорі.

Отже, діаграма спектр—світність набуває глибокого фізичного змісту, бо демонструючи залежність зоряних параметрів (температура на поверхні і в ядрі, світність, тривалість життя) від початкової маси зорі, дає можливість прослідкувати весь її життєвий шлях від «народження» до «смерті».

Рис. 23.1. Планетарна туманність — залишок зовнішньої оболонки зорі — червоного гіганта.

Розрахунки показують, що білими карликами можуть стати лише ті зорі, в надрах яких утворюється вироджене ядро з масою не більше, ніж 1,4 сонячної. Цю граничну масу для білих карликів, обчислену американським вченим індійського походження С. Чандрасекаром в 1931 р., називають межею Чандрасекара. Такий об’єкт є стійким, бо дію сил гравітації врівноважує тиск виродженого електронного газу.

Саме так після стадії червоного гіганта закінчить свій життєвий шлях Сонце. Згідно з сучасними уявленнями, воно покине головну послідовність у віці близько 10 млрд років. Через 2,2 млрд років потому Сонце досягне верхівки гілки червоних гігантів. На той час його світність перевищить нинішню в 2700 разів, а радіус становитиме приблизно одну астрономічну одиницю. Після загоряння гелію, Сонце проведе близько 100 млн р. на горизонтальній гілці маючи світність у 50 разів більшу, ніж нині, а радіус вдесятеро більший нинішнього. На цій стадії еволюції температурні нестійкості всередині Сонця призведуть до того, що воно почне втрачати массу, скидаючи оболонку. Потім буде короткочасна стадія зорі, коли її світність становитиме від 2000 до 4000 нинішніх, а радіус — приблизно 0,8 а.о. Так триватиме доти, доки Сонце остаточно не скине оболонку у вигляді планетарної туманності й не залишиться тільки дуже гарячий білий карлик розмірами в кілька разів більшими за Землю. Далі впродовж мільярдів років він буде остигати й поступово згасати, перетворюючись в чорний огарок.

Зрозуміло, що внаслідок повільного збільшення світності Сонця, поверхня Землі стане непридатною для життя ще тоді, коли воно перебуватиме на головній послідовності.

По-іншому завершують свій життєвий шлях масивні зорі. Залежно від кінцевої маси ядра, що утворюється після вичерпання всіх можливих видів палива, вони закінчують своє життя або як нейтронні зорі, або спалахують як Наднові, або перетворюються в чорні діри.

Розгляньмо коротко ці варіанти.

У зорі з масою 8 сонячних водень в ядрі вигорає приблизно за 20 мільйонів років. На цьому етапі, як і в разі менш масивних зір, внутрішня частина зорі має гелієве ізотермічне ядро, оточене шаром речовини, де відбуваються термоядерні реакції. У міру надходження гелію в ядро і збільшення його маси, зростають температура і тиск. За досягнення в ньому температури понад 100—150 млн К спалахує гелій, утворюючи вуглець, кисень і важчі елементи.

Реакції синтезу вуглецю протікають із значно більшим виділенням енергії, ніж водневі реакції, тому ядро досить швидко розігрівається до 200—300 млн К. на деякий час світність зорі зростає і вона повертається на головну послідовність. Але це триває недовго. Стадія горіння гелію в 10 разів коротша за стадію горіння водню.

Коли гелій у ядрі вичерпується й через припинення «горіння» воно дещо охолоджується, знову порушується рівновага між тиском і гравітацією, і знову починається стискання ядра. Водночас зоря знову розширюється до велетенських розмірів і стає червоним надгігантом. Гелій ще горить, але тільки у прилеглому до вуглецевого ядра тонкому сферичному прошарку. А утворений при цьому вуглець нарощує масу вуглецевого ядра. На цьому етапі всередині зорі є два шарових джерела енерговиділення: внутрішнє, де навколо вуглецево-кисневого ядра «горить» гелій з утворенням вуглецю і кисню, і зовнішнє, де «догорає» водень з утворенням гелію.

Збільшуючи масу, ядро стискається, розігрівається, і за досягнення в ньому температури близько 1 млрд К починає «горіти» вуглець з утворенням неону й попутно натрію й магнію.

Отак поступово із збільшенням густини, тиску й температури в ядрі масивної зорі після вичерпання чергового палива, у принципі, можуть займатися все нові й нові термоядерні реакції. При цьому продукти попереднього термоядерного горіння стають паливом для утворення наступних за ними в таблиці Мендєлєєва хімічних елементів.

Так триває аж до утворення ядра з елементів групи заліза. На цю пору зоря стає схожою на «цибулину»: залізне ядро оточене багатьма шарами з продуктів ядерного горіння на попередніх етапах. Далі, незважаючи на те, що температура в ядрі досягла 3,5 млрд К, термоядерні реакції припиняються, бо для утворення ще важчих елементів у зорі не вистачає енергії, і потрібно підводити енергію ззовні, тобто зорю треба «підігрівати». Разом з тим, доки всередині зорі займаються все нові джерела ядерного палива, роздута до велетенських розмірів оболонка значною мірою звітрюється в міжзоряний простір або взагалі скидається.

Весь цей процес, починаючи з моменту спалаху водню навколо ядра й закінчуючи стадією червоного надгіганта, триває близько двох мільйонів років. Горіння від вуглецю до неону і магнію триває до 200 тис років, неону — лише рік, кремнію й сірки — десятки годин а всіх інших елементів до заліза — дуже швидко. Тож масивна зоря має бурхливе й відносно швидкоплинне життя. За мізерний в космологічних масштабах час (менше 20 мільйонів років) вона повністю змінює свою будову, а отже і зовнішній вигляд. Але це ще не фінал існування зорі.

З утворенням залізного ядра, коли зоря вичерпує запаси ядерного пального, вона інтенсивно втрачає енергію через випромінювання нейтрино. Втрати енергії призводять до охолодження ядра й наступного його стискання, а отже, й нагрівання речовини. Збільшення температури до 7—8 млрд К і густини врешті-решт спричиняє розпад елементів групи заліза на ядра гелію і нейтрони, що своєю чергою розпадаються на нейтрони і протони. Цей процес вимаагає таких великих затрат енергії теплового руху на подолання енергії зв’язку атомних ядер, що зі збільшенням густини різко сповільнюється зростання тиску. До цього додаються процеси народження електрон-позитронних пар і нейтронізація речовини (протони поглинають електрони й виникають нейтрони). Як наслідок, зоря втрачає всі можливості для підтримання гідростатичної рівноваги. Тиск тепер не може протидіяти гравітації, і починається гравітаційний коллапс ядра.

Образно кажучи, відбувається «обвал» зорі усередину, речовина центральних зон майже зі швидкістю вільного падіння (до 20% від швидкості світла) падає до центра.

Якщо масса ядра лежить у межах 1,4 < 2 сонячних маси і зоря значною мірою втратила свою оболонку через її одно- чи кількаразове скидання або поступове звітрювання в навколишній простір, тиск виродженого нейтронного газу, а також блискавичне збільшення відцентрової сили внаслідок збільшення швидкості обертання зорі за різкого зменшення її радіуса припиняють гравітаційний колапс. Гаряча нейтрона зоря, що утворилася, охолоджувана нейтринним випромінюванням, стає холодною нейтронною зорею , й ніякого вибуху Наднової не відбувається.

Якщо ж оболонка зорі збереглася, то під дією сили тяжіння вона падає на ядро й, наштовхнувшись, «відскакує» від нього зі швидкістю в десятки тисяч кілометрів на секунду. Ця швидкість значно перевищує швидкість звуку в речовині зорі, тому виникає ударна хвиля, що

прямує зсередини назовні, розігріває оболонку до мільярдів кельвінів, в ній починаються реакції з утворенням всіх елементів таблиці Менделєєва. За короткий проміжок часу виділяється колосальна кількість енергії, яка розкидає речовину оболонки в навколишній простір. Так виникає Наднова ІІ типу.

Внаслідок вибуху оголюється колишнє ядро зорі — гаряча нейтронна зоря — компактна куля діаметром до десяти кілометрів, заповнена щільно упакованими нейтронами. А навколо неї утворюється волокниста туманність, що розширюється, — залишок Наднової.

Нейтронна зоря дуже швидко обертається — період обертання досягає кількох сотих чи то й тисячних часток секунди, і має дуже сильне магнітне поле. Поблизу магнітних полюсів, що зазвичай не збігаються з полюсами обертання, утворюються магнітні воронки, звідки електрони, прискорені потужним магнітним полем до майже світлових швидкостей, покидають поверхню нейтронної зорі. При цьому вони випромінюють у напрямку свого руху в радіо-, рентгенівскому, гамма-, а також в оптичному діапазонах. Випромінювання від нейтронної зорі поширюється в простір на величезні відстані у вигляді конусів. Конуси випромінювання, наче прожектори, обертаються разом з зорею і з тим же періодом, що й вона. Якщо Земля потрапляє в такий конус, ми маємо можливість реєструвати пульсуючі сигнали від дивовижного об’єкта Всесвіту — пульсара.

Властивості пульсарів з часом суттєво змінюються. У міру сповільнення обертання поступово зникає високочастотне випромінювання, все рідше приходять радіосигнали, час від часу вони взагалі «завмирають», аж поки пульсар, пославши останній імпульс, не «замовкне» назавжди. Таких «мертвих» пульсарів, згідно підрахунків, у кілька тисяч разів більше, ніж тих, що генерують потужне радіовипромінювання. Тривалість життя пульсара вимірюється кількома мільйонами років.

Рис. 23.2. Нейтронна зоря — пульсар в уяві художника-фантаста (а) і запис випромінювання одного з пульсарів (б).

Наднові відіграють дуже важливу роль у зореутворенні, бо під час вибуху виникає ударна хвиля, що спричиняє ущільнення міжзоряного газу й пилу, а це зрештою призводить до початку зореутворення в туманностях. Крім того, внаслідок вибухів Наднових змінюється склад міжзоряного середовища: воно збагачується важкими хімічними елементами, що їх викинула зоря зі своїх надр (див. п. 3 цього параграфа). А вони потрібні для утворення планет земного типу і виникнення життя на них.

Донедавна астрономи вважали, що маса зорі не може перевищувати сто мас Сонця. Але дослідження показали, що зорі такої маси (і навіть більшої — до 250 сонячних)) існують. Наприкінці життя вони теж вибухають, тільки ще енергійніше, ніж Наднові. Вибух надмасивної зорі називають «Гіперновою». Хоча явище Гіпернової досить рідкісне, але вже відомо кілька таких випадків, зокрема SN 2007bi. Всі Гіпернові спостерігали в інших галактиках. Наприклад, SN 2005ap вибухнула в галактиці на відстані 1.44 млрд пк (4,7 млрд св.р.), а SN 2006gy в галактиці на відстані 73 Мпк (238 млн св.р.) від Землі.

Варто зауважити, що теоретики прорахували механізм, що приводить до появи Гіпернової. Його суть полягає в тому, що зорях з массами 90 — 250 сонячних задовго до утворення залізного ядра, на етапі формування вуглецево-кисневого ядра, в надрах відбувається народження пар електрон—позитрон. Цей процес забирає колосальну кількість енергії, наслідком чого стає колапс ядра, у ході якого відбувається детонація кисню й вибухове руйнування зорі дощенту. Хоча є припущення, що під час вибуху аж надто масивних зір можуть утворюватись кваркові зорі, які є проміжними об’єктами між нейтронними зорями й чорними дірами.

Рис. 23.3. Модель зорі-попередниці 2007bi. Ядро з нікелю (білий колір) розпадається на кобальт, випромінюючи гамма-промені й позитрони, що збуджують навколишні шари, багаті важкими елементами (жовтий колір), зокрема, залізом. Зовнішні шари (темні кольори) містять легкі елементи, такі, як кисень і вуглець, і не вносять вклад у видимий спектр.

А як утворюються Наднові Іа типу? Про це в додатку до цього параграфу.

У зір, маса яких становить 10—20 сонячних, а масса ядра перевищує 2,5 сонячної, під час необмеженого колапсу в ядрі замість нейтронної зорі виникає інший об’єкт — чорна діра (часто навіть без спалаху Наднової). Термін для цих об’єктів придумав 1967 р. американський астрофізик Дж. Уілер.

Чорна діра — це ділянка простору, де поле тяжіння таке велике, що друга космічна швидкість для тіл, які там перебувають, є більшою за швидкість світла. Було з’ясовано, що колапс масивної зорі приводить до повної руйнації її речовини й появи точки сингулярності, в якій сила тяжіння зростає до нескінченності. Крім маси чорна діра успадковує момент інерції й електричний заряд зорі, що зазнала гравітаційного колапсу. Всі інші параметри зорі — її хімічний склад, спектральний клас тощо зникають.

Хоча існування таких екзотичних об’єктів випливає із закону всесвітнього тяжіння, їх вивчення розпочалося лише в рамках загальної теорії відносності (ЗТВ), створеної в 1916 р. А. Анштайном. Невдовзі К. Шварцшильд на підставі ЗТВ показав — певна маса, сконцентрована в ділянці простору, обмеженій гравітаційним радіусом, не посилає назовні ніяких сигналів

Тож чорна діра — це не речовина й не випромінювання, а радше гравітаційне поле, сконцентроване в певній ділянці простору-часу. Зовнішня межа чорної діри — замкнута поверхня, яку називають горизонтом подій. Якщо в чорну діру перетворилася зоря, яка не оберталася, то ця поверхня є сферою, радіус якої збігається з гравітаційним радіусом (його також називають радіусом Шварцшильда). Якщо зоря оберталася, то відцентрові сили стискають горизонт подій вздовж осі обертання і розтягують в площині екватора, тому сфера перетворюється в щось схоже на еліпсоїд. Окрім цього, обертання зменшує лінійні розміри горизонту. Тому горизонт чорної діри, яка обертається, лежить ближче до її центра, ніж горизонт статичної діри такої ж маси.

Обертаючись, чорна діра захоплює за собою навколишній простір. Біля неї захоплення повне, на периферії воно поступово слабшає. Тобто горизонт подій чорної діри занурений в особливу ділянку простору — ергосферу. Вона дотикається до горизонту біля полюсів діри і найдалі відходить від нього в площині екватора. На цій поверхні швидкість захоплення простору дорівнює світловий; всередині неї вона більша за швидкість світла, а зовні — менша. Будь-яке матеріальне тіло, чи то молекула газу, чи то частинка космічного пилу або зонд- розвідник, потрапивши в ергосферу неодмінно починають обертатися навколо діри, причому в тому ж напрямку, що й вона сама.

Горизонт подій — це просторова межа між подіями, які може фіксувати зовнішній спостерігач, і подіями, інформація про які не вийде назовні. Далеко від горизонту подій сила тяжіння чорної діри обернено пропорційна квадрату відстані, тому для віддаленого спостерігача вона проявляє себе як звичайне тіло певної маси.

Оскільки розміри звичайної чорної діри неймовірно малі, то до такого об’єкта можна застосувати закони квантової механіки. Вони, як виявилося, не допускають існування нескінченно малої сингулярності. Її обмежує так звана довжина Планка, що дорівнює 10"33 сантиметри. Фізичні умови в такій малій ділянці простору досі залишаються мало вивченими.

Нинішні уявлення про фізичний вакуум, де постійно виникають і зникають віртуальні частинки, вказує на те, що чорні діри мають втрачати масу. Народжені парами, віртуальні частинки рухаються у протилежних напрямках (цього вимагає закон збереження імпульсу). Якщо одна з них виникне зовні, а друга (античастинка першої) всередині горизонту подій чорної діри, то зовнішня за сприятливих умов може віддалитись від горизонту подій. Тобто, чорна діра є джерелом випромінювання і тому втрачає енергію, а отже, й масу. Це явище називають ефектом Гокінга, на честь фізика-теоретика, який його відкрив в середині 1970-х років.

Гокінг виявив, що горизонт чорної діри випромінює фотони так, як і абсолютно чорне тіло, нагріте до температури T = 0,5 х 10-7 х M/M. Звідси випливає, що зі зменшенням маси діри її температура зростає, а «випаровування», посилюється. Цей процес надзвичайно повільний, і час життя чорної діри масою M становить близько 1065 х (M/M)3років. Коли її розмір досягає значення довжини Планка, діра втрачає стабільність і вибухає, виділяючи величезну кількість енергії. (У цей момент її маса становить 22 мікрограма)

Зважаючи на те, що чорні діри не можна спостерігати прямо, для їх пошуку й вивчення застосовують непрямі методи. Зокрема, якщо чорна діра входить до складу тісної подвійної системи, а видима сусідка — це зоря-гігант, то під дією сили тяжіння її речовина буде перетікати на чорну діру. Падаючи в полі тяжіння діри, газ нагрівається до температури в мільйони кельвінів і випромінює при цьому рентгенівські промені. Наявність рентгенівського джерела є характерною ознакою подвійних систем, куди входять чорні діри. З появою рентгенівської астрономії з’явилась можливість реєструвати такі джерела приймачами, що винесяться за межі земної атмосфери. Одним із них є джерело Х-І, знайдене в сузір’ї Лебедя ще на початку 70-х років ХХ століття. Воно лежить на відстані 2,45 кпк (8 тис.св.р.) від Землі. Відомий компонент цієї подвійної зоряної системи — нормальна зоря з масою майже 30 мас Сонця, а невидимий — з масою понад 6 сонячних мас. Та раз жодна нейтронна зоря не може мати массу більшу за 2 маси Сонця, то ототожнення Лебедя-ХІ з чорною дірою видається цілком імовірним.

Нині відомо про велетенські чорні діри в ядрах масивних галактик, серед них і в нашій Галактиці. Водночас припускають існування мікроскопічних чорних дір, що утворилися на самому початку Всесвіту.

Рис. 23.4. Чорна дір в подвійній зоряні системі (фрагмент малюнка художника-фантаста).

3. Утворення хімічних елементів. Наш Всесвіт має складну хімію. Астрономічні спостереження вказують на те, що зорі, міжзоряний газ, планети містять багато різних хімічних елементів — вуглець, кисень, азот, кремній тощо. Водночас відомо, що на початку існування Всесвіту (див. § 30) його упродовж сотень мільйонів років заповнювали лише водень (75%), в меншій кількості гелій (23%), а також в дуже малій кількості дейтерій, літій і берилій (2%). Всі інші хімічні елементи утворилися в інший час існування Всесвіту й за інших обставин. Це відбувається в надрах зір і є наслідком термоядерних реакцій.

Перше покоління зір сформувалося з водню й гелію приблизно через 300 млн років після виникнення Всесвіту. Термоядерні реакції, основне джерело енергії зір, «переплавляли» легкі ядра у важчі. Наприклад, вуглець виник після злиття трьох альфа-частинок в ядрах масивних зір, коли основна частина водню в них перетворилася в гелій. Внаслідок спалахів перших зір, синтезовані елементи розпорошувалися в космічному просторі. З цієї газопилової речовини згодом формувалися зорі другого покоління, які також робили свій внесок у хімію Всесвіту.

Спостереження з допомогою потужних телескопів дуже віддалених галактик вказує на те, що присутній там газ — це суміш водню і гелію. Ніяких слідів інших елементів у таких об’єктах не виявлено. Астрономи, які за традицією всі елементи, окрім водню й гелію, називають «металами», вказують на низьку металічні сть об’єктів, що виникали в ранньому Всесвіті.

Зорі, маса яких удвічі менша за сонячну, зупиняються на етапі синтезу гелію. Масивніші зорі виробляють вуглець і кисень, а ті, що мають масу більшу, ніж 10 сонячних мас, наприкінці життя породжують всі інші елементи — неон, натрій, магній, кисень, кремній, алюміній і, зрештою, залізо. На цьому утворення елементів в надрах зір шляхом термоядерних реакцій припиняється, бо для того щоб «запалити» залізо і близький до нього нікель, потрібно мати додаткову енергію, якої у зорі немає.

Пояснити процес утворення елементів, важчих, ніж залізо, фізики змогли лише в 1950-х роках з огляду на здатність ядер швидко захоплювати нейтрони. Видатний внесок у створення теорії зоряного нуклеосинтезу в астрофізиці зробили фізики Фред Хойл і Вільям Фаулер та астрономи Маргарет і Джефрі Бербіджі. Вони зробили висновок про те, що вибухи Наднових — це головне джерело постачання у Всесвіт елементів, важчих за водень і гелій. До того часу, коли утворилася Сонячна система, цей процес тривав майже 8 млрд років, і близько 1% міжзоряної речовини нашої Галактики встигло перетворитися на важкі елементи, з яких, зокрема, складається наша планета, а також тіла кожного з нас (див. Додаток 2).

Склад речовини у Всесвіті повільно змінюється і в нашу епоху. Зорі невпинно виробляють дедалі більше елементів, важчих за гелій. Спостереження вказують на те, що зорі з більшою металічністю мають вищу ймовірність сформувати біля себе планети. Тобто хімічна еволюція Всесвіту сприяє появі складних структур (можливо аж до появи розумних істот, тіла яких утворює «попіл давно згаслих зір»). Водночас з’ясовано, що складна хімія — це доволі мала частина на тлі великої кількості водню, який досі є найпоширенішим елементом у Всесвіті. Щоправда, вся хімія нашого світу становить не більше п’яти відсотків від його загальної маси — значно більше темної матерії і темної енергії (§ 30).

Навчальні завдання

• Поясніть, чому для нас важливими є спалахи Наднових?

• Опишіть якісно, що відбувається із зорею, яка стала Надновою.

• Поясніть, чому не можна спостерігати прямо чорні діри?

Висновки

Час існування зорі на головній послідовності діаграми Герцшпрунга-Рессела визначається її масою. Що масивніше зоря, то менше часу вона існує в стабільному стані, коли сила гравітації врівноважена силою газового тиску. Заключні етапи життя зорі також визначені її масою. Зорі, типу нашого Сонця, врешті перетворюються на білих карликів, масивніші — на нейтронні зорі, а наймасивніші закінчують своє існування у вигляді чорних дір. Усі хімічні елементи, окрім водню і гелію, виникли у процесі термоядерних реакцій в надрах зір, та під час вибухів Наднових.

Запитання для самоперевірки

1. Яка характеристика зорі визначає час її перебування на головній послідовності діаграми Г ерцшпрунга—Расслела?

2. Поясніть, як виникають білі карлики, нейтронні зорі й чорні діри?

3. Поясніть фізичну суть горизонту подій чорної діри.

4. З яких хімічних елементів складався Всесвіт на початку існування?

5. Чому в надрах зір синтез елементів припиняється після утворення заліза?

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 23

• Пункт «Зорі» розділу «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/zori-z)

• Навчальне кіно «Утворення та еволюція зір» (https://www.youtube.com/watch?v=PJMg4ckdmqw)

Додатки

Додаток 1

Найвідоміший залишок Наднової

Крабоподібна туманність — найкраще вивчений залишок Наднової, яка вибухнула 1054 року. Туманність було відкрито 1731 р., коли англійський лікар Дж. Бевіс, досвідчений астроном-аматор, помітив слабку пляму поряд з зорею ζ Тельця. 1758 р. туманність спостерігав Ш. Месьє. Він і заніс її згодом у свій знаменитий каталог під номером 1. А 1848 р. лорд Росс дав туманності назву Крабоподібна.

Використання фотографії прискорило дослідження туманності. Порівнюючи дві фотографії, зроблені в 1909 і 1921 роках, Дж. Дункан виявив її розширення. Він також першим помітив у центрі туманності слабку зорю 16-ї зоряної величини: сьогодні відомо, що це пульсар.

Наступний крок у розвитку досліджень Крабоподібної туманності здійснив Едвін Габбл. У 1928 р., виходячи з розмірів та швидкості розширення туманності, він розрахував, що її вік має бути близько 900 років, що збігалося із свідченнями давніх хронік про появу близько 900 років тому «нової» зорі в сузір’ї Тельця. Але тільки в 40-х роках минулого століття завдяки дослідженню Наднових і розвитку теорії нейтронних зір було встановлено чітку кореляцію між зорею, яку спостерігали китайці в 1054 р., Крабоподібною туманністю і нейтронною зорею- пульсаром, що є в зоні залишку вибуху.

Рис. 23.6. Крабоподібна туманність — найкраще вивчений залишок Наднової, яка вибухнула 1054 року.

Додаток 2

Зоряний попіл для нас

Практично всі атоми вашого тіла свого часу побували в надрах зір. Багато з них пережили катастрофічні вибухи Наднових. Ба більше, деякі утворилися саме в моменти таких вибухів. Ми, як фенікс, народилися з попелу, але з попелу зір. Вибухи Наднових дуже важливі вже тому, що це ефективний спосіб викинути в космос напрацьовані в зорі елементи. Якщо підсумком вибуху, як це найчастіше буває, стає нейтронна зоря, у неї перетворюється лише відносно невелике ядро червоного гіганта, що складається в основному із заліза і нікелю. Наприклад, за початкової маси зорі в 20 сонячних в нейтронну зорю перетвориться не більше 7% речовини, все інше вимітається вибухом в космос і стає доступним для формування нових світил.

Однак підтриманням цього космічного кругообігу речовини роль Наднових не вичерпується. Прямо під час вибуху в них можуть утворюватися нові елементи. Приблизно 10 секунд новонароджена нейтронна зоря встигає побути «алхіміком». На момент вибуху структура масивної зорі схожа на цибулину. Ядро оточене кількома оболонками, що складаються з все більш легких елементів. Тоді, коли ядро починає катастрофічно стискатися, перетворюючись на нейтронну зорю або чорну діру, в шарах зорі, що лежать вище від центру, відбуваються термоядерні реакції. У результаті хімічний склад речовини сильно зсувається в бік важких елементів.

Вважають, що найефективніше збагачують Всесвіт важкими елементами зорі з масами від 12 до 25 сонячних. Їх залізне ядро оточує потужна кремнієво-киснева оболонка, яка після

скидання дає елементи від натрію до германію (включаючи залізо). У більш масивних зорях занадто багато речовини, що складається з важких елементів, провалюється всередину чорної діри, і назовні проникають тільки досить легкі. Зорі з масами 8—12 сонячних не мають такої оболонки, і тому елементів групи заліза в них утворюється мало.

За результатами вивчення § 23 Ви маєте:

знати й розуміти

поняття червоний гігант, білий карлик, пульсар, чорна діра, сфера Шварцшильда; зорі на різних стадіях еволюції; кінцеву стадію еволюції Сонця; причину виникнення чорної діри; фізичні процеси, що протікають поблизу чорної діри; природу нових та наднових зір; механізм утворення хімічних елементів під час спалаху наднової зорі.

уміти

пояснити кінцеву стадію еволюції Сонця.

оцінювати

зоряну еволюцію, як важливий чинник розвитку Всесвіту в цілому.




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити