Народження зірок

Коли температура в центрі протозірки досягає 10 млн. До, починаються складні (але детально вивчені) термоядерні реакції, в ході яких з ядер водню (протонів) утворюються ядра гелію; кожні чотири протони, об'єднуючись, створюють атом гелію. Спочатку, коли з'єднуються один з одним два протони, виникає атом важкого водню, або дейтерію. Потім останній стикається з третім протоном, і в результаті реакції народжується легкий ізотоп гелію, що містить два протони і один нейтрон.

У сум'ятті, яке панує в ядрі зірки, швидко рухомі атоми легкого гелію іноді стикаються один з одним, внаслідок чого з'являється атом звичайного гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Два зайві протони повертаються назад в гарячу суміш, щоб коли-небудь знову вступити в реакцію, що породжує гелій. У цьому процесі близько 0,7% маси перетворюється на енергію. Описаний ланцюжок реакцій - один з важливих термоядерних циклів, що протікають в ядрах зірок при температурі близько 10 млн. К. Астрономи рахують, що при нижчих температурах можуть протікати інші реакції, в яких беруть участь літій, берилій і бор. Але вони тут же роблять обмовку, що якщо такі реакції і мають місце, то їх відносний внесок в генерацію енергії незначний.

Коли температура в надрах зірки знову збільшується, в дію вступає ще одна важлива реакція, в якій як каталізатор бере участь вуглець. Почавшись з водню і вуглецю-12, така реакція приводить до утворення азоту-13, який спонтанно розпадається на вуглець-13, - ізотоп вуглецю, важчий, ніж той, з якого реакція починалася.

Таким чином, побічним продуктом цих термоядерних реакцій є вуглець-12, який може знов покласти почало реакціям даного типу. Об'єднання чотирьох протонів приводить до утворення одного атома гелію, а різниця в масі чотирьох протонів і одного атома гелію, що становить близько 0,7% від первинної маси, виявляється у вигляді енергії випромінювання зірки. На Сонці кожну секунду 564 млн. т водню перетворюється на 560 млн. т гелію, а різниця - 4 млн. т речовини - перетворюється на енергію і випромінюється в простір. Важливо, що механізм генерації енергії в зірці залежить від температури.

Саме температура ядра зірки визначає швидкість процесів. Астрономи вважають, що при температурі близько 13 млн.

Як тільки енергія зірки починає забезпечуватися за рахунок ядерних реакцій, гравітаційне стиснення, з якого почався процес, припиняється. Реакція, що тепер самопідтримується, може продовжуватися протягом часу, тривалість якого залежить від початкової маси зірки і складає приблизно від 1 млн. років до 100 млрд. років і більше. Саме у цей період зірка досягає головної послідовності і починає своє довге життя, що протікає майже без змін. Цілу вічність проводить зірка в цій стадії. Нічого особливого з нею не відбувається, вона не привертає до себе пильної уваги. Тепер це всього лише повноцінний член зоряної колонії, загублений серед безлічі побратимів.

Проте процеси, що протікають в ядрі зірки, несуть в собі зародки її прийдешнього руйнування. Коли дерево або вугілля згорають в каміні, виділяється тепло, а як продукти відходу утворюються дим і зола. У «каміні» зоряного ядра водень - це вугілля, а гелій - зола. Якщо з каміна час від часу не видаляти золу, то вона може забити його і вогонь потухне.

Якщо в ядрі зірки речовина не перемішується, в термоядерних реакціях починають брати участь шари, що безпосередньо примикають до гелієвого ядра, що забезпечує зірку енергією. Проте з часом запаси водню в цих шарах вичерпуються і ядро розростається все більше і більше. Нарешті досягається стан, коли в ядрі зовсім не залишається водню. Звичайні реакції перетворення водню в гелій припиняються; зірка покидає головну послідовність і вступає в порівняно короткий (але цікавий) відрізок свого життєвого шляху, відмічений незвичайно бурхливими реакціями.

Коли водню стає мало і він більше не може брати участь в реакціях, джерело енергії вичерпується. Але, як ми вже знаємо, зірка є тонко збалансованим механізмом, в якому тиск, що роздуває зірку зсередини, повністю урівноважений гравітаційним тяжінням. Отже, коли генерація енергії слабшає, тиск випромінювання різко падає і сили тяжіння починають стискати зірку. Знову відбувається падіння речовини до її центру, що багато в чому нагадує те, з якого почалося народження протозірки. Енергія, що виникає при гравітаційному стисненні, набагато більше енергії, що виділяється тепер в ядерних реакціях, а раз так, то зірка починає швидко стискатися. В результаті верхні шари зірки нагріваються, вона знову розширюється і росте в розмірах до тих пір, поки зовнішні шари не стануть достатньо розрідженими, краще проникними випромінювання зірки. Вважають, що зірка типу Сонця може збільшитися настільки, що заповнить орбіту Меркурія. Після того, як зірка починає розширюватися, вона покидає головну послідовність і, як ми вже бачили, дні її тепер визнані. З цієї миті життя зірки починає хилитися до заходу.

Коли зірка стискається, за рахунок роботи сил тяжіння виділяється величезна енергія, яка роздуває зірку. Здавалося б, це повинно привести до падіння температури в ядрі. Але це не так. Проти очікування температура в ядрі зірки різко зростає. У відносно тонкому шарі навколо ядра все ще відбувається звичайне ядерне вигорання водню, що приводить до збільшення змісту гелію в ядрі. Коли в ядрі концентрується близько половини маси зірки, остання розширюється до свого максимального розміру і її колір з білого стає жовтим, а потім червоним, оскільки температура поверхні зірки зменшується. Тепер зірка вступає в нову фазу. Температура ядра росте до тих пір, поки не перевищить 200 млн. К. При такій температурі починає вигоряти гелій, внаслідок чого утворюється вуглець. Три ядра гелію, зливаючись, перетворюються на ядро вуглецю, який виявляється більш легенею, ніж три початкові ядра гелію, тому така реакція також йде з виділенням енергії. Знову тиск радіації, який грав таку важливу роль, коли зірка знаходилася на головній послідовності, починає протидіяти тяжінню, і ядро зірки знову утримується від подальшого стиснення. Зірка повертається до звичайних розмірів; у міру того як це відбувається, температура її поверхні росте і вона з червоної стає білою.

У цей момент з деяких загадкових причин зірка виявляється нестійкою. Астрономи вважають, що змінні зірки, тобто зірки, що періодично міняють свою світимість, виникають на цій стадії зоряної еволюції, оскільки процес стиснення відбувається не гладко і на деяких його етапах виникають ритмічні коливання зірки. На цій стадії зірка може пройти через фазу новою, протягом якої вона раптово викидає в міжзоряний простір значну кількість речовини; воно, приймаючи вид оболонки, що розширюється, може містити значну частину маси зірки. Спалахи деяких нових багато разів повторюються, і це означає, що одного спалаху недостатньо, щоб зірка досягла стійкості. Але з часом вона набуває стійкості, коливання зникають, зірка починає свій довгий шлях до зоряного кладовища. Навіть на цій стадії зірка ще здібна до активності. Вона може стати найновішою. Причина, по якій зірка виявляється здатною на таку активність, обумовлена кількістю речовини, що залишилася у неї до цієї стадії.

Коли ми обговорювали процеси, що протікають в надрах зірки, ми говорили, що основним продуктом ядерних реакцій є гелій. У міру того як переробляється все більше і більше водню, росте гелієве ядро зірки. Водень зникає, отже, енерговиділення за рахунок цього джерела також припиняється. Але при температурі близько 200 млн. До відкривається ще один шлях, слідуючи якому гелій породжує важчі елементи, і в цьому процесі виділяється енергія. Два атоми гелію з'єднуються, утворюючи атом берилія, який зазвичай знов розпадається на атоми гелію. Проте температури і швидкості реакцій такі високі, що, перш ніж відбувається розпад берилія, до нього приєднується третій атом гелію і утворюється атом вуглецю.

Але процес не зупиняється, оскільки тепер атоми гелію, бомбардуючи вуглець, породжують кисень, бомбардуючи кисень, дають неон, а бомбардуючи неон, проводять магній. На цій стадії температура ядра ще дуже низка для утворення важчих елементів. Ядро знову стискається, і так продовжується до тих пір, поки температура не досягне величини порядка мільярд градусів і не почнеться синтез важчих елементів. Якщо в результаті подальшого стиснення ядра температура піднімається до 3 млрд. До, важкі ядра взаємодіють один з одним до тих пір, поки не утворюється залізо. Процес зупиняється. Якщо атоми гелію бомбардуватимуть ядра заліза, то замість утворення важчих елементів відбудеться розпад ядер заліза.

На цій стадії життя зірки її ядро складається із заліза, оточеного шарами ядер легших елементів аж до гелію, а зовнішній тонкий шар утворений воднем, який ще забезпечує деяку кількість енергії. Нарешті наступає час, коли водень виявляється повністю витраченим і це джерело енергії вичерпується. Перестають також діяти і інші механізми генерації енергії; зірка позбавляється всяких засобів для відтворення своїх енергетичних запасів. Це означає, що вона повинна померти. Тепер, вичерпавши запаси ядерної енергії, зірка може тільки стискатися і використовувати гравітаційну енергію, щоб підтримати своє свічення. Зірка стискатиметься і яскраво світитиметься. Коли ж і ця енергія вичерпається, зірка починає змінювати свій колір від білого до жовтого, потім до червоного; нарешті вона перестає випромінювати і починає безперервну подорож в неозорому космічному просторі у вигляді маленького темного млявого об'єкту. Але на шляху до згасання звичайна зірка проходить стадію білого карлика.

Емпіричним підтвердженням процесу утворення зірок з хмар міжзоряного середовища є те давно відома обставина, що масивні зірки класів Про і В розподілені в Галактиці неоднорідно, а групуються в окремі обширні скупчення, які пізніше отримали назву «асоціації». Але такі зірки повинні бути молодими об'єктами. Таким чином, сама практика астрономічних спостережень підказувала, що зірки народжуються не поодинці, а як би гніздами, що якісно узгоджується з представленнями теорії гравітаційної нестійкості. Молоді асоціації зірок (що складаються не тільки з одних гарячих масивних гігантів, але і з інших примітних, свідомо молодих об'єктів) тісно пов'язані з великими газово-пиловими комплексами міжзоряного середовища. Природно вважати, що такий зв'язок повинен бути генетичним, тобто ці зірки утворюються шляхом конденсації хмар газово-пилового середовища.

Процес народження зірок, як правило, не помітний, тому що прихований від нас пеленою космічного пилу, що поглинає світло. Тільки радиоастромония, як можна тепер з великою упевненістю вважати, внесла радикальну зміну до проблеми вивчення народження зірок. По-перше, міжзоряний пил не поглинає радіохвилі. Во-других, радіоастрономія відкрила абсолютно несподівані явища в газово-пилових комплексах середовища, які мають пряме відношення до процесу звездообразования.

Ми досить детально розглядали питання про конденсацію в протозірки щільних холодних молекулярних хмар, на які із-за гравітаційної нестійкості розпадається газово-пиловий комплекс міжзоряного середовища. Тут важливо ще раз підкреслити, що цей процес є закономірним, тобто неминучим. Насправді, теплова нестійкість міжзоряного середовища неминуче веде до її фрагментації, тобто до розділення на окремі, порівняно щільні хмари і міжхмарне середовище. Проте власна сила тяжіння не може стиснути хмари - для цього вони недостатньо щільні і великі. Але тут «вступає в гру» міжзоряне магнітне поле. У системі силових ліній цього поля неминуче утворюються досить глибокі «ями», куди «стікаються» хмари міжзоряного середовища. Це приводить до утворення величезних газово-пилових комплексів. У таких комплексах утворюється шар холодного газу, оскільки іонізуюче міжзоряний вуглець ультрафіолетове випромінювання зірок сильно поглинається космічним пилом, що знаходиться в щільному комплексі, а нейтральні атоми вуглецю сильно охолоджують міжзоряний газ при дуже низькій температурі - порядку 5-10 градусів Кельвіна. Оскільки в холодному шарі тиск газу рівний зовнішньому тиску навколишнього більш нагрітого газу, то щільність в цьому шарі значно вище і досягає декількох тисяч атомів на кубічний сантиметр. Під впливом власної гравітації холодний шар, після того, як він досягне товщини біля одного парсека, почне «фрагментувати» на окремі, ще щільніші згустки, які під впливом власної гравітації продовжуватимуть стискатися. Таким цілком природним чином в міжзоряному середовищі виникають асоціації протозірок. Кожна така протозірка еволюціонує з швидкістю, залежною від її маси.

Коли істотна частина маси газу перетворитися на зірки, міжзоряне магнітне поле, яке своїм тиском підтримувало газово-пиловий комплекс, природно, не надаватиме дії на зірки і молоді протозірки. Під впливом гравітаційного тяжіння Галактики вони почнуть падати до галактичної площини. Таким чином, молоді зоряні асоціації завжди повинні наближатися до галактичної площини.

Список літератури

1. І.С. Шкловський. Зірки: їх народження, життя і смерть

2. П.І. Бакулін. Курс загальної астрономії

3. Ю.Н. Ефремов. У глибини Всесвіту