Александр Потупа - Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

• Название: Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Юнацтва
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1991
• ISBN: 5-7880-0325-3

На основе обширных данных из астрономии, астрологии, географии, физики, математики, химии, биологии, истории, археологии и других наук автор рассказывает о строении Вселенной, истории человечества, о планетах Солнечной системы и Галактике, о звездах и их эволюции, о возможностях существования внеземных цивилизаций, о перспективах космических исследований, об идее контакта с инопланетянами.

---

Длительность протозвездной фазы зависит от массы первичной конденсации и заключена в пределах от миллионов до сотен миллионов лет. Чем массивней протозвезда, тем быстрее она превращается в полноценную звезду.

Возникшая звезда попадает на главную последовательность диаграммы Герцшпрунга-Рессела и как бы путешествует вдоль нее. Длительность этого путешествия, то есть время жизни в собственно звездной фазе, существенно зависит от массы и начального химического состава. Самые массивные и яркие звезды могут очень быстро исчерпать запасы термоядерного горючего — за каких-то несколько миллионов лет. Маломассивные звезды (М ~ 0,5 ÷ 0,7 М€) со светимостью L ~ 0,1 ÷ 0,3L€ (спектральный класс К) могут пребывать на главной последовательности многие десятки миллиардов лет — дольше известных нам космологических сроков.

Когда водород в центральной области звезды выгорает, ее ядро, в котором накапливаются гелий и более тяжелые продукты термоядерного синтеза, начинает резко сжиматься — теперь уже практически нет давления, противодействующего гравитации. Плотность ядра значительно возрастает, а его поверхностный слой, где еще продолжаются термоядерные реакции, становится как бы печкой для подогрева газовой оболочки. Эта оболочка, разогреваясь, расширяется, и ее светимость заметно возрастает. Звезда становится красным гигантом и покидает главную последовательность.

В ядре звезды при температуре выше 100 млн. градусов создаются условия для синтеза углерода из трех ядер гелия. Вступление в углеродный цикл термояда приостанавливает сжатие, но всему приходит конец, в том числе и запасу гелия.

Если масса звезды не слишком велика (М (1,2. М€), ее дальнейшая судьба выглядит так. Прекращение термоядерного синтеза ведет к дальнейшему сжатию ядра, а оболочка, получившая мощный тепловой импульс, сбрасывается. Ее мы можем наблюдать в виде так называемой «планетарной туманности», светящейся за счет накачки мощным ультрафиолетовым излучением ядра. Оболочка будет расширяться и постепенно растворится в окружающем пространстве.

Ядро этой звезды сожмется чрезвычайно сильно — разрушатся атомы, ядра будут как бы вдавлены в электроны, откуда и возникнет огромная плотность, соответствующая упаковке «нуклона в электроне». Дальнейшее сжатие тормозится давлением электронного газа. Образуется белый карлик, который при массе порядка М€ имеет радиус всего около 1000 км[137]. Постепенно остывая, он превращается в холодное сверхплотное тело (черный карлик). Такую судьбу должно иметь и наше Солнце. Примерно через 8 млрд. лет оно раздуется до масштабов красного гиганта и, сбросив оболочку, станет белым карликом. Многие звезды старших поколений в промежуточной и сферической составляющих Галактики, образовавшиеся на 5-10 млрд. лет раньше Солнца, уже проделали весь этот путь или заметную его часть. Как правило, срок их жизни на главной последовательности не превышает 10 млрд. лет. Поэтому в космосе должно находиться множество погасших карликов — памятников некогда ярким мирам.

Если масса звездного ядра превышает 1,2. М€, судьба звезд оказывается несколько более впечатляющей.

Сброс оболочки сопряжен в этом случае с одним из самых мощных процессов во Вселенной — вспышкой Сверхновой. Пиковая светимость такого объекта того же порядка, что и светимость целых галактик. Вещество, выброшенное взрывом, расширяется в окружающее пространство со скоростями до 10 000 км/с, причем общее энерговыделение доходит до 1045 Дж. Видимо, столь мощный взрыв связан с протеканием в массивном звездном ядре реакции синтеза довольно сложных атомных ядер. При разогреве до миллиарда градусов начинается синтез кислорода, неона, натрия и более тяжелых элементов. Для этих реакций характерны высокая скорость и огромное энерговыделение — в 10–15 раз выше, чем при синтезе легчайших ядер. В результате химический состав такой звезды оказывается куда сложней, чем у менее массивных звезд. Можно сказать, что конечные стадии ее эволюции создают своеобразный термоядерный комбинат по производству тяжелых элементов. Действительно, при взрыве Сверхновой в пространство выбрасывается значительное количество элементов, которые не могут образоваться за счет чисто космологической эволюции — в эпоху ядерно-плотной Вселенной на это просто не хватает времени. Взрывы Сверхновых постоянно обогащают межзвездную газово-пылевую среду.

Благодаря относительно быстрой эволюции вдоль главной последовательности, от нескольких миллионов до нескольких миллиардов лет, самые древние массивные звезды давно успели пройти свой путь и значительно изменить химический состав Вселенной. Из выброшенного ими вещества стали формироваться звезды второго поколения, к которым относится и наше Солнце.

После завершения термоядерных циклов ядра массивных звезд сжимаются гораздо сильней, не задерживаясь на стадии белых карликов. Если их масса не превышает 2,5–3 М€, они завершают свою эволюцию в виде пульсаров нейтральных звезд с плотностью атомного ядра.

При большей массе эволюция звездного остатка должна неизбежно завершиться черной дырой — не известны силы, способные приостановить сжатие и в этой ситуации. Впрочем, если ядро звезды быстро вращается, возможен дополнительный сброс массы и остаток должен избежать чернодырного финиша. Первое поколение массивных звезд, образовавшихся на первом этапе космогонической фазы (13–15 млрд. лет назад), в основном завершило свой путь, преобразовавшись в сгустки темной материи — нейтронные звезды и черные дыры, проявляющие себя в кратных системах, вблизи от более молодых и активных звезд. С другой стороны, очень правдоподобно, что вторичные конденсации охотно развиваются неподалеку от места взрыва Сверхновой, повышающего плотность вещества в своей окрестности. «Семейные ячейки» звезд, видимо, наблюдаются, но общая закономерность их образования до конца не ясна, не совсем понятны и правила химической наследственности, хотя роль изменения химического состава изучена очень неплохо.

Теперь обратимся к эволюции в масштабах околозвездного пространства проблемам планетарной космогонии.

Планетам не слишком повезло, астрофизики гораздо уверенней чувствуют себя, обсуждая происхождение звезд и галактик. Это и неудивительно природа предоставила нам обширнейшую коллекцию гигантских объектов на разных стадиях эволюции, но открыла для непосредственного изучения лишь одну планетную систему.

Современная точка зрения в основном соответствует классическим идеям Канта-Лапласа, но, разумеется, на гораздо более высоком уровне. Принимается во внимание неплохо исследованный химический состав, распределение момента количества движения и магнитное поле. Первичная туманность, из которой по мере сжатия формируются Солнце и планеты, обладает большим вращательным моментом. От туманности отделяются газово-пылевые диски, удаляемые от основной массы магнитным полем. Вращение основной массы несколько тормозится, а вещество дисков постепенно сгущается в планеты. Ситуация такова, что рождающаяся звезда как бы заранее сбрасывает большую часть своего момента будущим планетам — лишь бы правильно работало магнитное поле. В результате основными носителями момента становятся массивные и далекие от центра планеты. В Солнечной системе основная его часть заключена в движении Юпитера и Сатурна.

Видимо, нормальное поведение силовых линий магнитного поля имеет место у не слишком горячих и массивных звезд спектрального класса F5 и ниже. Судя по имеющимся оценкам, их собственное вращение сильно заторможено. Можно думать, что большинство из них обладает планетными системами — иначе куда бы делось 80–90 % такой фундаментальной сохраняющейся величины, как момент импульса? Разумеется, при этом предполагается, что протозвездные облака близкие по массе и составу эволюционизируют одинаково. Данные факты составляют наглядную основу нашей убежденности в множественности планетных миров.

Моделирование сложной задачи планетной космогонии успешно проводится с помощью ЭВМ, которые разыгрывают различные варианты гравитационной конденсации. В основном работа ведется с прицелом на параметры Солнечной системы. Среди решений, представляемых ЭВМ, возникают и такие распределения по массам и расстояниям до Солнца, которые хорошо соответствуют наблюдениям. Наряду с ними встречаются и совсем иные решения — это указывает на разнообразие конкретных вариантов планетной системы, реализующихся у звезд типа Солнца.

Например, протооблако может породить пятнадцатипланетную систему с более или менее равномерным распределением масс между планетами (от 0,06 Мã до 32,7 Мã). В другом варианте едва ли не вся масса протопланетных дисков конденсируется в гигантскую планету (М »5050 Мã » 0,015 М€), расположенную в 11 астрономических единицах от центрального светила. Такая планета, по-видимому, способна стать слабой звездой. Это показывает, что между одиночными звездами с планетной системой и двойной системой звезд нет пропасти. Но, вероятнее всего, парное звездообразование должно охотней идти в ситуации с более массивной начальной туманностью.