Фіолетовий карлик. Білий карлик
Сонце - це вогненна куля, в надрах якої безперервно йде термоядерна реакція. Внаслідок цього атоми водню перетворюються на атоми гелію, і виділяється величезна енергія. Її мала дещиця і дає життя планеті Земля. Вогненна куля, утворена за допомогою термоядерного синтезу, називають зіркою головної послідовності.
Цей процес вислизнув від астрономів за останні 50 років, тому що пульсар ударяє по сусідній зірці і змушує всю систему сяяти та зникати кожні дві хвилини. Дослідники кажуть, що пучок енергії пульсара сконцентрований і випромінює лише в одному напрямку, що абсолютно унікально у відомому всесвіті.
Цей потужний «маяк» прискорює електрони в атмосфері червоного карлика, навіть близькі до швидкості світла, ефект, який ніколи не бачив у таких двійкових системах. Червоний карлик живиться кінетичною енергією сусіда. Відстань між двома зірками становить близько 1,4 мільйона кілометрів, втричі більша за відстань між Землею і Місяцем.
Наша рідна зірка характеризується як « жовтий карлик». Тобто в масштабах космосу це утворення маленьке, а колір у нього жовтий. Але людське око сприймає його як біле. Тривалість життя жовтого карлика до образливого мала. Вона становить лише якихось 10 млрд. років. За мірками Всесвіту вік кумедний. Але саме стільки часу потрібно водню, щоб повністю перетворитися на гелій.
Зірки завжди були дуже загадковими для людини. Американські племена прерій бачили у яких багаття своїх предків, навколо яких вони збиралися, розповідали історії, переслідували тощо. Навіть до науки донедавна здавалося, що зірки назавжди будуть недоступні нам, що ми ніколи не дізнаємося, з чого вони зроблені, наприклад. Але це змінилося з допомогою спектроскопії, теорії гравітації Ньютона, розвитку телескопів і атомної фізики.
Поєднуючи частини, вчені добре знають, як виникають зірки, як вони дозрівають і як вони вмирають. Більшість із цих процесів вже були засвідчені, особливо найдраматичніші: вибухи нових, наднових та гіпернів. Спочатку зірки мають схоже походження: велика хмарагазу та пилу, відоме як планетарна туманність або гігантська молекулярна туманність, руйнується. Баланс хмари зламаний, він фрагментований, і кожен фрагмент перетворюється на гравітаційний колапс. Матерія швидше і швидше обертається до центру, також нагрівається.
Після цього зірка розширюється та трансформується в іншу космічну освіту, яка називається червоним гігантом. При цьому гелій спалахує. Він починає перетворюватися на вуглець, а розміри зірки все збільшуються і збільшуються. Наприклад, зовнішні межі нашого Сонця досягнуть Землі, поглинувши шляхом Меркурій і Венеру . На блакитній планеті, звісно, жодного життя вже не буде. Океани випаруються, адже основою всього є саме вода.
Коли він досягає центру, речовина настільки гаряча, що вона знаходиться в стані іонізованої плазми, найгарячішій речовині у Всесвіті. Все це відбувається дуже швидко: за кілька сотень мільйонів років утворюється протостиль. Ця гаряча «бульбашка газу» має тенденцію розширюватися, але не дуже, бо є сила, яка утримує її в стислому стані: гравітаційне тяжіння її власної маси. Перетягування каната між цими двома потужними силами домінуватиме у житті майбутньої зірки.
Те, що буде далі, залежить від маси, яку вона нагромадила. Зірки приблизного розміру до восьми разів більше за наше сонце мають більш тривале і багате життя. Взявши наше сонце як приклад, він повинен горіти як жовта зірка, перетворюючи водень на гелій, приблизно 10 мільярдів років або близько того. Найменші зірки мають нижчі температури і горять довше.
У стані червоного гіганта зірка зазвичай перебуває 1 млрд. років. Потім вона перетворюється на планетарну туманність. Це газова хмара, в центрі якої знаходиться білий карлик. Це теж зірка, але без джерела енергії. У неї величезна щільність та нікчемна світність. Таких білих карликів у нашій галактиці від загальної кількості зірок налічується близько 10%.
Після перетворення частини водню на гелій процес припиняється, і зірка стискається, нагрівається і розширюється знову, цього разу як червона гігантська зірка, яка перетворює гелій на вуглець, кальцій та інші хімічні елементи. Але цей етап життя триває недовго. Через два-три мільярди років після того, як він стає червоним гігантом, процес конверсії гелію закінчується, а верхні шари зірки падають над ядром, швидко нагріваючи його і генеруючи спалах гелію, який є майже вибухом, витісняючи зовнішні шари зірки в космос.
Викинуті верстви утворюють те, що ми називаємо планетарною туманністю. Зрештою, залишився білий карлик, зірка з вуглецю під високим тиском, яка повільно остигає, і за кілька трильйонів років вона стає холодним вугіллям у космосі.
Але це кінець шляху, а з чого він починається. Як утворюється молода зірка, як з'явилося наше Сонце та Сонячна система? На цей рахунок існує чітка теорія, що пояснює виникнення зірок головної послідовності.
Виникнення Сонця
Якихось 5 млрд років тому на тому місці, де ми зараз знаходимося, нічого не було. Відсутня Земля, інші планети, був і Сонця. Весь простір заповнювали молекули водню. Вони утворювали величезну туманність і вільно переміщалися у просторі. Але ніщо не вічне під Місяцем (у цьому випадку під центром галактики). Під дією сил гравітації воднева хмара почала поступово закручуватися у вирву і обертатися навколо своєї осі.
Будь-яка зірка, яка більш ніж удесятеро перевищує наше сонце, є гігантом, а життя починається як червоний гігант. Він нагрівається більше, витісняє більше матерії у формі сильнішого сонячного вітру і живе менше, а тим більше. За кілька сотень мільйонів років зірка поглинає весь свій водень і руйнується. Але він набагато більше, ніж сонце, і коли його зовнішні шари руйнуються, вони прискорюватимуться набагато більше і бурхливо відскакують від ядра зірки, вибухаючи у світлі, ніж вся галактика, стають надновими.
Коли він вибухає як наднова зірка, величезні зірки також утворюють туманності. Але оскільки наднові виробляють більш важкі елементи, туманності, що їх створюють, також мають їх. Після вибуху у вигляді наднової зірки решта зірки стискається, і якщо вона має масу до 1, 4 сонячних мас, вона стає білим карликом, закінчуючи свої дні подібно до алмазу.
Чому це сталось? У всьому винні сили гравітації. На тій же Землі, наприклад, завдяки їм, утворюються сильні смерчі та вихори. Весь космос живе за тими самими законами. Тільки смерчі в безповітряному просторі мають значно більші розміри, а існує багато мільйонів років. Подібний смерч виник і 5 млрд років тому. Саме він і спричинив появу жовтого карлика.
Якщо він має трохи більше маси, електрони штовхаються до протонів, які потім стають нейтронами, а зірка стає нейтронною зіркою чи пульсаром. Нейтронна зірка може мати масу нашого сонця і мати діаметр лише 30 кілометрів – вони надзвичайно компактні. Щоб у вас було уявлення про те, як компактно це, відро нейтронної зірки має ту ж масу, що і вся вода на нашій планеті.
Пам'ятаєте верстви гігантської зірки, викинутої вибухом наднової? Після вибуху ці шари утворюють кору газів та пилу, планетарну туманність, багату на елементи. Ця планетарна туманність поєднуватиметься з іншими туманностями, що виникають в результаті вибухів інших наднових, і одного разу зруйнується і утворить зірки в циклі.
Величезна газова вирва оберталася все швидше, а в її центрі зростала щільність водню. Відповідно, підвищувалася температура. Нарешті вона досягла критичної величини та спровокувала початок термоядерної реакції. Так зародилося Сонце. Цілком сформувалося воно 4,6 млрд. років тому. Тобто зараз жовтий карлик вже прожив половину свого життя. З кожним новим прожитим мільярдом років він стає все яскравішим і яскравішим. Яке ж у нього внутрішня будова?
Вважається, що сонце сформувалося із планетарної туманності внаслідок вибуху першого покоління зірок. Тобто наше Сонце є. І оскільки туманність, що утворилася, була сумішшю залишків вибуху кількох наднових, є хороший шанс, що вуглець у правій руці виходив від однієї зірки, а вуглець від вашої лівої руки - від іншої зірки.
Наднові - це пунктуальні небесні об'єкти з надзвичайно інтенсивним світлом, які тривають лише кілька місяців. У давнину мало записів про ці об'єкти, які суперечили розумінню їхніх спостерігачів. У Європі, де домінує аристотелізм, жоден астроном не приділяв їм більше уваги. Бо, згідно з Аристотелем, небо було незмінним, з якого було виведено, що і комети, і наднові були атмосферними явищами. Як ми покажемо пізніше, наднові – це вибухи потужних зірок, які вичерпали свої звичайні джерела енергії.
Внутрішня будова Сонця
Маса Сонця відповідає 99% всієї Сонячна системаі дорівнює 2×1027 тонн. Відсоток, що залишився, припадає на планети, супутники, комети, астероїди. Діаметр світила дорівнює 109 діаметрам Землі та становить 1,39 млн. км. Від жовтого карлика до блакитної планети 149,6 млн км. Це, так звана, одна астрономічна одиниця. До центру Чумацького шляху від Сонця 26 тисяч світлових років. Один оборот за своєю орбітою світило робить за 200 млн років. Навколо центру галактики воно рухається зі швидкістю 217 км/с.
Яскравість наднової гігантська. Наднова вивільняє приблизно до 90% своєї маси в космос, а через сторіччя цю масу газу можна розглядати як туманність у сферичній або кільцевій формі. Це була остання наднова, безперечно спостерігається в Чумацькому Шляху. Це сталося на відстані 20 тисяч світлових років і можна було спостерігати протягом дня протягом 3 тижнів. Але навіть із нинішньою системою моніторингу через потужні телескопи переважна більшість із них залишається непоміченою.
Фотографію зроблено космічним телескопом Хаббла. Перші теоретичні дослідження наднових були виконані швейцарським фізиком Фріцем Цвіккі, який з 27 років працював у Технологічний інститутКаліфорнія. Це визнаний факт соціології науки, що початкове ухвалення воістину новаторських ідей багато в чому залежить від особистості його прихильників. Виявляється, Цвіккі мав надзвичайно зарозумілий і грубий характер. Про своїх помічників в офісі він сказав, що вони кулясті ідіоти. Сферичні, тому що вони виглядали так само ідіотськи, як би не був кут зору.
У центрі світила знаходиться ядро. У ньому міститься 40% усієї сонячної маси. Діаметр його приблизно дорівнює 350 тис. км. Щільність ядра величезна і в 150 разів перевищує густину води. Температура сонячного ядра становить близько 13,6 млн. градусів за Цельсієм. Саме в ядрі відбувається термоядерна реакція і виділяється енергія, оскільки молекули водню під впливом температури та щільності зливаються одна з одною і перетворюються на гелій. При цьому випускаються нейтрино та гамма-фотони.
Це безперечно не той спосіб, який легко справляється. Він зробив деякі відкриття, що мають велике значення, які були перенесені тільки на пізніші десятиліття. Малюнок 3 – Фріц Цвіккі. Астрофізик-піонер у вивченні наднових. Через грубий темперамент багато хто важливі відкриттяЦвіккі були визнані лише пізно.
Інші - гігантські зіркові вибухи - з масою понад 9 сис, які швидко поглинають водень свого ядра, вступають у енергетичну кризу та вибухають, не проходячи через стадію білого кольору. Інші типи наднових відбуваються лише у плечах спіральних галактик, де освіта нових зірок досі частим.
Гамма-фотони, в процесі свого руху до зовнішньої сонячної оболонки, розпадаються на фотони з нижчою енергією, а нейтрино ніяк не видозмінюються, проходячи через розжарену масу.
За ядром знаходиться конвективна зона. Температурні режимиу ній значно нижчі і не перевищують поряд з ядром 5 млн. градусів за Цельсієм. Звісно, за такої температури ядерний синтез відбуватися неспроможна. Товщина цієї зони становить приблизно 300 тис. км. На цій відстані температура падає до 6 тис. градусів за Цельсієм. Завдання зони полягає в тому, щоб дуже повільно та поступово передавати до поверхні світила високу температуру. У конвективній зоні створюється магнітне поле жовтого карлика.
Це тому, що зірка з масою 10 років живе лише близько 10 мільйонів років, перш ніж вона вибухає як наднова. Чому білі мурахи можуть вибухнути, як наднові. Білий анод може залишатися стабільним, уникаючи його гравітаційного колапсу за допомогою так званого тиску виродження електронів за умови, що його маса поступається так званій межі Чандрасекара, значення якого становить близько 1, 4 сонячних мас. Але Біла зіркаможе отримати додаткову масу, якщо вона є частиною подвійної системи, і якщо її супутник стає червоним гігантом.
Далі тягнеться фотосфера. Вона і вважається поверхнею нашого рідного світила. Саме з неї виходить сонячне проміння. На зовнішньому краї фотосфери температура сягає 4,5 тисяч градусів за Цельсієм. Від поверхні цього шару розраховуються всі відстані, зокрема й відстань до Землі.
Фотосферу оточує дуже тонка зовнішня оболонка. Називається вона - хромосфера. Товщина її вбирається у 2 тис. км. Температура у фотосфері збільшується і досягає 10 тисяч градусів за Цельсієм. На деяких ділянках вона може сягати 20 тисяч градусів. Щільність у цій зоні порівняно невелика, переважають молекули водню. Вони надають зовнішньої оболонкичервоний колір.
У цьому випадку біла анемія починає поглинати матерію у гігантського сусіда, доки не досягне межі Чандрашехара. Коли він досягає цієї межі, він руйнується, і його ядро досягає температури в мільярди градусів, що ініціює вибуховий процес злиття вуглецю та кисню. Малюнок 4 - У системі двійкових зірок, у яких один білий і червоний гігант, перший може смоктати масу з другого.
Те саме відбувається з її максимальною яскравістю, яка відбувається приблизно через 2 тижні після вибуху. Вивчаючи спектр світла, що випромінюється надновою, астрономи навчилися розпізнавати людей з більшою чи меншою яскравістю. Таким чином, ці наднові були використані як стандартні свічки. Порівняння явної світності і передбачуваної абсолютної світності дозволило вимірювати великі астрономічні відстані з невизначеністю лише 7%, що мало в порівнянні з традиційними методами.
Сонячна корона над поверхнею Сонця
Зверху фотосферу оточує сонячна корона. Щільність шару дуже низька, а ось висока температура. Вона досягає 1-2 мільйонів градусів за Цельсієм. Чому це відбувається? Існує гіпотеза, що причиною є магнітне поле. Завдяки його впливу виникають сонячні спалахи. Вони нагрівають корону до високих температур. Сама корона практично не видно через низьку щільність. З землі її можна спостерігати під час сонячного затемнення, коли Місяць повністю загороджує Сонце. Саме в цей момент навколо супутника Землі і спостерігається свічення, яке є нічим іншим як короною.
Це призвело до важливим досягненняму космологічній космології, про що буде сказано нижче. Інші типи наднових – це дуже масові зіркові вибухи. Зірки з більш як 9 сонячними масами можуть вибухнути як наднові, не проходячи через стадію білої зірки. Вони мають складну та відносно швидку еволюцію. На початку, як і всі зірки, вони генерують енергію шляхом плавлення водню в гелії у своєму ядрі. Коли водень в ядрі виходить з ладу, тепловиділення припиняється, зовнішній тиск, що створюється ядром, зменшується, а ядро стискується під дією гравітаційного тиску багатою воднем зовнішньої області.
З корони постійно витікає величезний потік іонізованих частинок. Це сонячний вітер, Що являє собою гелієво-водневу плазму Частинки мчать зі швидкістю від 400 до 750 км/с. Вони пронизують всю сонячну систему, а свій шлях закінчують у геліосфері. Це місце, де починається міжзоряне середовище, а швидкість іонізованих частинок прагне нуля.
Це стиснення нагріває ядро настільки, що 3 ядра гелію злиті з утворенням вуглецю. У шарі, що прилягає до цього перегрітого ядра, температура піднімається досить високо, щоб почати сплавлення водню. Але ця еволюційна стадія також закінчується, і зірка зазнає нового стиску. У ядрі важчі елементи починають згенерувати злиттям, у сусідньому шарі відбувається злиття гелію з утворенням вуглецю, а третьому шарі починається злиття водню. Кроки процвітають, поки зірка не отримає цибулинну структуру, як показано на малюнку.
Сонячний вітер негативно впливає поверхні планет Сонячної системи. Також негативно він впливає і Землю. Але потужне магнітне поле блакитної планети створює захисний екран. Саме завдяки йому сонячний вітер і не може проникнути на поверхню Землі.
Магнітне поле
Сонячна плазма має дуже високу електропровідність. Відповідно, в ній виникає електричний струм і, як наслідок, магнітне поле. Сонце має загальне магнітне поле та локальні магнітні поля. Загальне магнітне поле змінює свою полярність кожні 22 роки. Цей процес залежить від сонячної активності. Коли активність у мінімумі, напруженість на полюсах максимальна. Сонячна активність зростає, напруженість поля зменшується.
Локальні магнітні поля мають більшу напруженість і меншу регулярність при невеликій площі порівняно із загальним полем. Якщо ж площа велика, то напруженість невелика. Найсильніші магнітні поля спостерігаються у сонячних плямах. Особливо це відчутно, коли полярність локального поля збігається з полярністю загального поля. В цілому, ці поля нестійкі і живуть протягом лише кількох обертів Сонця.
Темні плями на Сонці
Сонячна активність
Спочатку дамо визначення сонячним плямам. Це добре помітні темні області, температура яких нижче інших ділянок фотосфери. Справа в тому, що в цих місцях з надр жовтого карлика виходять силові лінії потужних магнітних полів. Вони пригнічують рух речовини, отже зменшують рівномірний розподіл теплової енергії. Кількість плям – основний показник сонячної активності.
Сама ж сонячна активність є різноманітними явищами, викликаними генерацією магнітних полів. Виявляється вона як спалахів, зміні сили електромагнітного випромінювання, обуренні сонячного вітру та інших явищах. Внаслідок цього міжпланетне середовище обурюється. Що проявляється у вигляді геомагнітної активності, скажімо, на тій самій Землі.
За часом сонячна активність буває короткочасною та великою тривалістю. У другому випадку вона кардинально впливає на клімат блакитної планети. Наприклад, глобальне потепління, що спостерігається в наші дні, безпосередньо пов'язане із тривалою активністю жовтої зірки. Але механізм такого впливу поки ще вивчений дуже мало.
Місяць закрив Сонце і настало затемнення
Сонячне затемнення виникає, коли Місяць повністю або частково закриває Сонце від спостерігача на Землі. Дане явище можливе лише в молодик. Це певна фаза, коли жовта зірка, блакитна планета та Місяць знаходяться на одній прямій. При цьому земний супутник розташований у середині. Тривалість інтервалу між молодим чоловіком становить 29,5 діб.
За 100 років відбувається у середньому 235 сонячних затемнень. Причому повністю сонячний диск закривається у 62 випадках. 159 випадків – це часткове закриття диска. Тобто супутник Землі проходить не центром сонячного диска, а приховує від спостерігача лише його частину. Небо при цьому темніє трохи. Таке затемнення можна спостерігати на відстані близько 2 тис. кілометрів від зони, де Місяць повністю закриває Сонце.
У 14 випадках спостерігається кільцеве затемнення. У цьому випадку супутник проходить сонячним диском, але виявляється менше його в діаметрі, тому не може приховати зірку від спостерігача.
При повному затемненні добре видно сонячну корону. Але милуватись їй людство зможе ще не більше 600 мільйонів років. Після цього періоду Місяць віддалиться від Землі так далеко, що повне сонячне затемнення стане неможливим. Справа в тому, що супутник рухається все швидше і швидше, а блакитна планета поступово уповільнює своє обертання. Таким чином, Місяць відсувається від землі на 4 см щороку.
Що ж до Сонця, то воно ще довго сяятиме в космічній далечині, даючи землянам тепло і життя. Пройдуть мільярди років, перш ніж почнуться кардинальні зміни, які можуть негативно вплинути на блакитну планету. Сподіватимемося, що до цього часу людська цивілізація знайде можливість убезпечити себе від знищення. Єдине, що не вдасться – це врятувати саме Сонце. Адже Всесвіт живе в рамках космічних циклів, кожен із яких має свій початок і свій кінець.
З масами порядку маси Сонця (М?) і радіусами приблизно в 100 разів меншими, ніж радіус Сонця. Середня щільність речовини білих карликів 108-109 кг/м 3 . Білі карлики становлять кілька відсотків усіх зірок Галактики. Багато білі карлики входять до подвійних зоряних систем. Першою зіркою, віднесеною до білих карликів, був Сіріус В (супутник Сіріуса), відкритий американським астрономом А. Кларком у 1862 році. У 1910-ті роки білі карлики виділені у особливий клас зірок; їхня назва пов'язана з кольором перших представників цього класу.
Маючи масу зірки та розмір невеликої планети, білий карлик має колосальне тяжіння поблизу своєї поверхні, яке прагне стиснути зірку. Але вона зберігає стійку рівновагу, оскільки гравітаційним силампротистоїть тиск виродженого газу електронів: при високій щільності речовини, характерної для білих карликів, концентрація практично вільних електронів у ньому настільки велика, що, згідно з принципом Паулі, вони мають великий імпульс. Тиск виродженого газу практично не залежить від його температури, тому при охолодженні білий карлик не стискається.
Чим більша маса білого карлика, тим менший його радіус. Теорія вказує для білих карликів верхню межу маси близько 1,4 М? (так званий Чандрасекара межа), перевищення якого призводить до гравітаційного колапсу. Наявність такої межі обумовлена тим, що зі зростанням щільності газу швидкість електронів у ньому наближається до швидкості світла і далі зростати не може. В результаті тиск виродженого газу вже не здатний протистояти силі тяжіння.
Білі карлики утворюються наприкінці еволюції звичайних зірок із початковою масою менше 8М? після вичерпання ними запасу термоядерного пального. У цей період зірка, пройшовши через стадію червоного гіганта та планетарної туманності, скидає свої зовнішні шари та оголює ядро, що має дуже високу температуру. Поступово остигаючи, ядро зірки перетворюється на стан білого карлика, продовжуючи ще довго світити рахунок запасеної надрах теплової енергії. З віком світність білого карлика падає. При віці близько 1 мільярда років світність білого карлика в тисячу разів нижча за сонячну. Температура поверхні у вивчених білих карликів лежить в діапазоні від 5 · 10 3 до 10 5 К.
У деяких білих карликів виявлено оптичну змінність з періодами від декількох хвилин до півгодини, що пояснюється проявом нерадіальних гравітаційних коливань зірки. Аналіз цих коливань методами астросейсмології дозволяє вивчати внутрішню будову білих карликів. У спектрах близько 3% білих карликів спостерігається сильна поляризація випромінювання або зееманівське розщеплення спектральних ліній, що вказує на існування магнітних полів індукцією 3·10 4 -10 9 Гс.
Якщо білий карлик входить у тісну подвійну систему, істотний внесок у його світність може давати термоядерне горіння водню, що перетікає з сусідньої зірки. Це горіння часто носить нестаціонарний характер, що проявляється у вигляді спалахів нових та новоподібних зірок. У поодиноких випадках накопичення водню на поверхні білого карлика призводить до термоядерного вибуху з повним руйнуванням зірки, що спостерігається як спалах наднової.
Блінніков С. І. Білі карлики. М., 1977; Шапіро С., Тьюколскі С. Чорні дірки, білі карлики та нейтронні зірки: У 2 частина М., 1985.