2.5.2 Образование и эволюция звезд

Звезды — основные структурные единицы во Вселенной, а также основные светила, доступные для наблюдения. При благоприятных условиях (отсутствии подсветки) по всей поверхности Земли можно наблюдать до пяти тысяч звезд. Наиболее старые звезды имеют возраст в 13–15 млрд лет.

Природа выделения энергии в недрах звезд — реакции термоядерного синтеза. Температура поверхности звезд изменяется от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов, что определяет их цвет. Сравнительно «холодные» звезды с температурой около 3000 °С, имеют красный цвет. Солнце, поверхность которого «нагрета» до 6000 °С, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды с температурой, превосходящей 12000 °С, белые и голубоватые.

Звезды образуются посредством гравитационного сжатия межзвездной газопылевой туманности, состоящей в основном из водорода и гелия. При сжатии туманности возникает инфракрасное излучение, указывающее на области звездообразования, в которых одновременно формируется множество звезд.

Дальнейшее сжатие протозвезды под действием гравитационных сил повышает ее температуру, в недрах звезды начинается реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. Когда запасы водорода заканчиваются, эволюция звезды существенно зависит от ее массы.

Если масса звезды меньше 1,44 массы Солнца (предел Чандрасе­кара), то по мере выгорания водорода в недрах звезды образуется плотное гелиевое ядро. Под действием гравитационных сил ядро начинает сжиматься, его температура повышается. Внешняя оболочка ядра постепенно расширяется, а звезда становится красным гигантом. В этих условиях из гелия не образуется более тяжелых элементов. Гравитационные силы продолжают сжимать плотное горячее ядро, звезда превращается в белый карлик — компактный объект с высокой температурой поверхности и высокой плотностью. Белый карлик горит еще несколько миллионов лет, после чего превращается в чёрного карлика — объект с низкой температурой. Такова предполагаемая модель эволюции и нашей звезды — Солнца. Компьютерное моделирование показывает, что расширение Солнца может начаться уже через 0,5–1 млрд лет и спустя примерно 0,5 млрд лет после начала расширения Солнца Земля станет непригодной для жизни.

Эволюция звезд с массой, превышающей предел Чандрасекара, осуществляется иначе. Если масса звезды составляет примерно 2,5–3 массы Солнца, то после прекращения термоядерных реакций гравитационные силы приводят к быстрому сжатию ядра звезды. В результате такого сжатия давление повышается настолько, что электроны как бы «вдавливаются» в ядра атомов, вследствие чего образуются нейтроны и в ядре звезды протекают реакции термоядерного синтеза тяжелых химических элементов. Возникает ударная волна, которая порождает взрыв звезды. Такой процесс называется взрывом сверхновой. Взрыв сопровождается выделением огромной энергии в виде электромагнитного излучения и выбросом в окружающее пространство вещества. Сверхновые являются поставщиком химических элементов, необходимых для образования планет, таких как Земля.

После взрыва остается слабо светящееся быстро вращающееся ядро — нейтронная звезда. Оно стремительно сжимается, при этом его плотность возрастает. Звезда становится пульсаром — быстро вращающимся объектом, испускающим мощное электромагнитное излучение с некоторой периодичностью (для наблюдателя).

Если после взрыва сверхновой масса «остатка» звезды превышает 2,5 массы Солнца, то образуется массивное тело — чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Вокруг чёрной дыры действует сильное гравитационное поле, и объекты, попадающие в это поле, могут упасть на ее поверхность. При разрушении вещества данных тел выделяется интенсивное рентгеновское излучение. По этому излучению и определяют положение черной дыры. Существует предположение о том, что в ядрах галактик также могут находиться сверхмассивные черные дыры.

Квазары («квазизвёздный» или «похожий на звезду») — удаленные объекты, находящиеся на границе наблюдаемой части Вселенной. Они характеризуются мощным электромагнитным излучением. Предполагают, что квазары представляют собой галактики на начальном этапе развития, в которых сверхмассивная чёрная дыра поглощает окружающее вещество.