Концепция большого взрыва. Механизм образования и эволюции звезд

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доклад

«Концепция большого взрыва. Механизм образования и эволюции звезд»

1. Элементы большого взрыва

Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад в виде раскаленного сгустка сверхплотной материи, и с тех пор она расширяется и остывает.

Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около15 миллиардов лет назад; с другой - весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.

Факторы динамики развития Вселенной

Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920_е годы закона Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными факторами:

1. Космический микроволновой фон

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное космическое излучения черного тела (абсолютно черное тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение любой частоты, при нагревании излучает энергию в виде волн, равномерно распределенных по всему спектру частот), свойственное объектам с температурой -270 град. С (3К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Простая аналогия поможет интерпретировать этот результат. Представим себе, что мы сидим у камина смотрим на угли.

Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огонь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, мы чувствуем жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые ним частоты и больше длина волн (Закон Стефана Болцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснит факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

2. Изобилие легких элементов

Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались, в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

Однако это первичное образование ядер (нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий_3 (два протона и нейтрон), гелий_4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий_7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже - при формировании звезд (Эволюция звезд).

Следствие факторов.

Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями, что является лучшем подтверждением гипотезы Большого взрыва.

Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и отношение легких элементов) недавние работы (инфляционная стадия расширения Вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие координационные вопросы устройства Вселенной.

звезда вселенная пульсар сверхновый

2. Механизм образования и эволюции звезд

Жизненный цикл звезд зависит от их массы: звезды с низкой массой в конечном итоге превращаются в белых карликов, в то время как жизнь звезд с большой массой заканчиваются взрывом сверхновых.

Образование протозвезды.

Хотя по человеческой шкале времени звезды и кажутся вечными - они рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе газопылевого облака звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает предела, необходимого для того, чтобы скорость теплового движения частиц превысила порог, после которого протоны способны преодолеть микроскопические силы взаимного электростатического отталкивания (Закон Кулона) и вступить в реакцию термоядерного синтеза (ядерный распад и синтез).

«Основная фаза» жизненного цикла звезды.

В результате многоступенчатой реакции термоядерного синтеза образуется ядро гелия и выделяется целый фонтан элементарных частиц. В процессе реакции выделяется свободная энергия (теория относительности). Из-за этого внутреннее ядро новорожденной звезды быстро разогревается до сверхвысоких температур, и его избыточная энергия начинает выплескиваться по направлению к ее менее горячей поверхности - и наружу. Одновременно давление в центре звезды начинает расти (уравнения состояния идеального газа).

Таким образом, «сжигая» водород в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитационного притяжения сжать себя до сверхплотного состояния, противопоставляя гравитационному коллапсу непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие.

О звездах на стадии активного сжигания водорода говорят, что они находятся на «основной фазе» своего жизненного цикла или эволюции.

Рано или поздно любая звезда весь пригодный для сжигания в своей термоядерной топке водород. Что дальше? Солнце (и все звезды, не превышающие его по массе более, чем в восемь раз) заканчивают свою жизнь весьма банальным образом. По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия начинают одерживать верх, под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться, что приводит к двоякому эффекту:

· Температура в слоях непосредственно вокруг ядра звезды повышается до уровня, при котором содержащийся там водород вступает в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия.

· Температура в самом ядре, состоящем теперь практически из одного гелия, повышается настолько, что сам гелий - своего рода «пепел» - вступает в новую реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода.

Этот процесс вторичной реакции термоядерного синтеза, топливом для которого служат продукты первичной реакции - один из ключевых моментов жизненного цикла звезд.

Превращение звезды в красного гиганта

При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает буквально раздуваться. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течении основной фазы ее жизни, но, поскольку излучается эта энергия теперь через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.

Сверхновая звезда

Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. Внешняя оболочка звезды, из под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся внешней оболочки так высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается в стороны от ядра - звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды.

После вспышки сверхновой и разлета оболочки у звезд массой порядка 10-30 солнечных масс продолжающийся гравитационный коллапс приводит к образованию нейтронной звезды, вещество которой сжимается до тех пор, пока не начинает давать о себе знать давление вырожденных нейтронов, т. е. теперь уже нейтроны начинают противиться дальнейшему сжатию, требуя себе жизненного пространства. Это обычно происходит по достижении звездой размеров около 15 км в диаметре.

Пульсары

В результате образуется быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая электромагнитные импульсы с частотой ее вращения, такие звезды называются пульсарами.

Наконец, если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс, ничто не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра.

Литература

1. Новиков И.Д. «Эволюция Вселенной», изд. «Наука» м. 1983 г. 192 стр.

2. И. Николсон «Тяготение, черные дыры и Вселенная», изд. «Мир», 1983 г. 240 стр.

3. http://elementy.ru/trefil/41? context=20444

4. http://elementy.ru/trefil/ 21099? context=20444

Размещено на Allbest.ru