Эволюция звезд и галактик

Происхождение и эволюция галактик и звезд. Эволюция Вселенной

«Все изменяется, ничто не исчезает»

Овидий

В данной теме разговор пойдёт о том, как рождаются, живут и умирают звезды, как изменяется Вселенная.

Солнце имеет свой жизненный цикл. Оно образовалось в результате гравитационного сжатия плотного газопылевого облака. По мере сжатия температура и плотность облака возрастает, и оно испускает излучение в инфракрасном диапазоне спектра. Облако в этом состоянии называется протозвездой.

Температура в недрах протозвезды постепенно возрастает, и когда она достигает нескольких миллионов кельвинов, начинается термоядерная реакция, в результате которой из водорода синтезируется гелий. Протозвезда превращается в обычную звезду главной последовательности.

Как уже говорилось, Солнце относится к главной последовательности, а его возраст составляет примерно 4,5 миллиарда лет. После того, как водород на Солнце закончится, оно начнет раздуваться, превращаясь в красный гигант. Размеры Солнца возрастут в десятки раз, оно поглотит Меркурий и Венеру, и уничтожит жизнь на Земле.

Это произойдет приблизительно через 5 миллиардов лет. Температура ядра станет настолько высока, что начнет происходить реакция превращения гелия в углерод. Раздувшаяся оболочка Солнца будет уже слишком слабо притягиваться ядром и постепенно рассеется, образовав так называемую планетарную туманность.

После того, как оболочка окончательно рассеется, останется только ядро – белый карлик. Этот белый карлик будет очень медленно остывать, постепенно превращаясь в черный карлик.

Эволюция Солнца

Следует заметить, что есть и другие варианты эволюции звезд, в зависимости от их массы. Итак, основные стадии эволюции звезд таковы: сначала образуется плотное газопылевое облако, которое под действием собственной гравитации коллапсирует в протозвезду.

После начала термоядерной реакции в горячем ядре, протозвезда превращается в звезду главной последовательности. Когда в звезде заканчивается водород, она начинает раздуваться, превращаясь в красного гиганта или сверхгиганта. А вот после этого есть несколько вариантов развития событий.

Один из них был только что рассмотрен – это превращение звезды в белый карлик, а затем и в черный карлик. Такой путь развития характерен для звезд, масса которых не превышает две солнечные массы.

Ядра более массивных звезд могут колоссально сжаться под действием собственной гравитации, что приведет к превращению протонов в нейтроны. Этот объект будет называться нейтронной звездой.

Для сверхмассивных звезд возможен несколько иной вариант развития событий: ядро сверхгиганта начинает сжиматься, в результате чего, вновь увеличивается плотность и температура. Это приводит к новой последовательности термоядерных реакций, в процессе которых синтезируются все более тяжелые элементы.

В конечном итоге, синтезируется железо 56 (Fe-56), обладающее самым большим дефектом масс, поэтому дальнейшее образование других веществ с выделением энергии уже невозможно. Когда железное ядро достигает определенных размеров, вновь происходит коллапс ядра.

Буквально через несколько секунд после этого происходит взрыв сверхновой звезды. На сегодняшний день еще неизвестно, что именно приводит к взрыву, но этот взрыв выносит значительную часть накопленного материала вместе со струями нейтрино в межзвездное пространство.

Выброшенное вещество может послужить материалом для образования новых звезд. От начальной звезды остается нейтронная звезда. Но если звезда обладала достаточно большой массой, то коллапс может продолжаться даже после образования нейтронной звезды. Тогда звезда становится черной дырой.

Согласно общей теории относительности, черные дыры могут искажать пространство и замедлять время в непосредственной близости от себя. На данный момент, многие вопросы о сверхновых, нейтронных звездах и черных дырах остаются открытыми.

Во Вселенной существует множество галактик, которые, как выяснилось, разбегаются. Это косвенно подтверждает модель расширяющейся Вселенной. Исходя из этой модели и из расстояния до галактик, удалось определить радиус наблюдаемой Вселенной с помощью закона Хаббла.

Также, с помощью этого закона был вычислен примерный возраст наблюдаемой Вселенной. Но как образовалась Вселенная? Конечно, на сегодняшний день никто не может дать точный ответ на этот вопрос.

Разбегание галактик напоминает разлет вещества при взрыве, поэтому, теория, описывающая расширяющуюся Вселенную, получила называние теории Большого взрыва.

Большой взрыв – это общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной (то есть, начало её расширения). Ветвь астрономии, изучающая вопросы, связанные с эволюцией Вселенной, называется космологией. Существует еще одна важная космологическая модель – это модель горячей Вселенной.

Эта модель описывает ранние этапы развития Вселенной. Плотность и температура Вселенной спустя несколько секунд после Большого взрыва были настолько огромны, что ни о каких галактиках и звездах не могло быть и речи.

По мере расширения Вселенной, её температура и плотность уменьшались, начали образовываться первые звезды, а спустя некоторое время – галактики.

Конечно, можно задать резонный вопрос: если вся Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, тогда что взорвалось? В сложности ответа на этот вопрос, пожалуй, и состоит основная проблема космологии.

На сегодняшний день, Большой взрыв объясняется возникновением, так называемой, космологической сингулярностигравитационной сингулярности, характеризующейся бесконечной плотностью и температурой.

Сегодня ученые не могут с уверенностью объяснить происхождение этой сингулярности, да и вообще, не совсем ясно, что собой представляет гравитационная сингулярность. Считается, что ответы на эти вопросы сможет дать теория квантовой гравитации.

Исходя из наблюдаемых процессов, происходящих во Вселенной, существует еще одно довольно интересное предположение. Известно, что звезды рано или поздно умирают, превращаясь в белые, а затем и черные карлики. Некоторые звезды могут превратиться в нейтронную звезду или в черную дыру. Одновременно с этим из газовых облаков образуются всё новые и новые звезды.

Но, когда-нибудь галактики исчерпают всю энергию, и строительный материал для звезд закончится. Все существующие звезды дойдут до последних стадий эволюции: останутся только белые и черные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Скопления галактик начнут сливаться в одну большую галактику.

Черные дыры, находившиеся в центрах галактик, начнут поглощать все больше и больше вещества, постепенно разрастаясь и сливаясь друг с другом. В конце концов, скопления черных дыр образуют гигантскую черную дыру с невообразимо мощным гравитационным полем.

Возможно, столь мощное гравитационное поле заставит эту черную дыру сжаться в ту самую гравитационную сингулярность, о которой говорилось. В этом случае, всё вернётся к начальной точке – то есть, произойдет еще один Большой взрыв.

Помимо того, что происходило с Вселенной до нынешнего момента, не менее интересно и её будущее. На этот счет есть несколько точек зрения, в зависимости от массы, энергии, плотности Вселенной, а также, скорости её расширения. По современным оценкам, критическое значение плотности вещества вычисляется по формуле

Подставив все константы в данное выражение, получим, что критическая плотность Вселенной равна

Считается, что если средняя плотность Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием. То есть, Вселенная вновь сожмется в одну точку и, вероятно, вновь произойдет Большой взрыв. Если же плотность Вселенной меньше критической, то она не перестанет расширяться.

По сегодняшним оценкам, плотность Вселенной примерно в 5 раз меньше критической плотности, что отбрасывает теорию о Большом сжатии. Но спешить с такими выводами, всё же, не стоит. Есть основания полагать, что существует так называемая скрытая масса, которая может изменить современную оценку плотности Вселенной.

Например, основываясь на современных данных, не удается объяснить аномально большую скорость вращения внешних областей галактик. Считается, что, возможно, это поможет объяснить существование темной материи – гипотетической материи, не испускающей электромагнитного излучения и не взаимодействующей с ним.

Прямое наблюдение такой материи невозможно, но существует несколько косвенных признаков её существования – например, гравитационные эффекты, создаваемые некоторыми астрофизическими объектами.

Также, не так давно было введено понятие тёмной энергии, без которой не удавалось объяснить наблюдаемое расширение Вселенной с ускорением.

Под темной энергией подразумевается космологическая константа, то есть, постоянная энергетическая плотность, которая равномерно заполняет Вселенную. Иными словами, существование тёмной энергии говорит нам о том, что полного вакуума не существует.

На сегодняшний день, ни одно из надежных наблюдательных данных не противоречит существованию темной энергии.

Конечно, в данной теме немного вышли за рамки школьной физики, но, всё же, рассмотрим основные этапы развития Вселенной и сегодняшние представления человечества о ней. Поскольку Вселенная расширяется с момента Большого взрыва, этапы развития Вселенной разделены на этапы расширения.

Первый этап называется Планковской эпохой – период с того момента, когда начинают работать законы современной физики до инфляционной стадии (гравитационное взаимодействие отделяется от остальных видов взаимодействий).

Инфляционная стадия – это стадия резкого увеличения и сильного нагрева Вселенной. После этого наступает стадия радиационного доминирования – основная стадия развития ранней Вселенной.

На этой стадии появляются некоторые виды излучения, понижается температура, начинают выделяться остальные виды взаимодействий, энергия переходит в массу, образуя кварки – то есть, начинает появляться материя. Образуются известные нам сегодня химические элементы.

После этого наступает эпоха доминирования вещества: электромагнитное излучение отделяется от вещества, начинают формироваться звезды и галактики. И, наконец, Вселенная переходит в стадию доминирования темной энергии – это является текущей эпохой.

Как видно, многие вопросы до сих пор остаются открытыми, и неизвестно, можно ли вообще понять, как образовалась Вселенная, находясь внутри неё. Тем не менее, сегодня были рассмотрены основные этапы эволюции звезд.

В результате коллапса газопылевого облака под действием гравитационных сил, образуется протозвезда. Когда температура ядра протозвезды становится достаточно высока, начинается термоядерная реакция, и протозвезда становится звездой главной последовательности.

Когда в звезде заканчивается водород, из гелия начинают синтезироваться более тяжелые элементы. Звезда расширяется и становится красным гигантом или сверхгигантом. После этого, возможны несколько вариантов развития событий, в зависимости от массы звезды.

Либо после того, как оболочка звезды рассеивается, она образует планетарную туманность, а потом оставшееся ядро становится белым карликом, либо звезда превращается в нейтронную звезду или черную дыру.

Сегодня эволюция Вселенной описывается теорией Большого взрыва и моделью горячей Вселенной. Также, на сегодняшний день, наблюдения говорят о том, что Вселенная расширяется с ускорением. О будущем Вселенной существует множество теорий, ни одна из которых, на данном этапе развития науки, не может быть доказана.

Источник: https://videouroki.net/video/62-proiskhozhdieniie-i-evoliutsiia-ghalaktik-i-zviezd-evoliutsiia-vsieliennoi.html

Строение и эволюция звезд, планет и галактики

Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды, и не испускающие – планеты, кометы, метеориты, космическую пыль.

Читайте также:  Солнце в разное время года

Звезды – это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. На совре-менном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звезд-ном состоянии.

97%  вещества в нашей Галактике сосредоточенно в звездах.

Галактика представляет собой гигантское скопление звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую или вообще неправильную форму. Наша Галактика называется Млечным Путем и состоит из 120 млрд.

звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Её размеры – 100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тысяч световых лет от центра галактики расположено Солнце.

Долгое время Галактикой ограничивалась известная часть Вселенной, но затем выяснилось, что так называемые внегалактические туманности представляют собой не что иное, как другие галактики, образующие в совокупности сверхсистему, называемую метагалактикой. Системы более высоких порядков пока нам неизвестны, и поэтому в литературе термины «метагалактика» и «Вселенная» часто употребляются как равно-значные. Метагалактика, или система галактик, включает в себя все известные косми-ческие объекты.

По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что, наша Галактика имеет четыре спиральные ветви. Ближайшей галактической системой является туман-ность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2,5 млн.

световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить к самым большим из известных в настоящее время галактик. Галактики содержат разреженный газ и космическую пыль, но главные объекты галактик — это звезды.

Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды – раскалённые шары, подобные Солнцу, в глубинах которых вырабатывается  ядерная энергия, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце.

Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд. раз. Кроме звезд – гигантов существуют и звезды – карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны карлики, которые меньше Земли и даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Самой большой плотностью обладают нейтронные звезды.

Поперечник такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц – нейтронов, составляет  всего около 20-30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн. т/см3. По существу нейтронная звезда – это громадное атомное ядро. Нейтронные звезды быстро вращаются, и радиолуч каждой вращающейся звезды регистрируется радиотелескопом как импульс радиоизлучения.

В этой связи нейтронные звезды подобного типа называются пульсарами.

Звезды обладают различными поверхностными температурами, соответственно меня-ется и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды – с температурой около 3-4 тыс. градусов – красного цвета. Наше Солнце, поверхность которого «нагрета» до 6 тыс. градусов, имеет желто-зеленый цвет. Самые горячие звезды, с температурой, превосходя-щей 12 тыс. градусов, — белые и голубоватые.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверх новых звезд.

Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии – в миллиарды раз больше, чем выделяет Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превраща-ясь в газовую туманность.

Звезды, составляющие Галактику, движутся вокруг её центра, по очень сложным орбитам.

С огромной скоростью – около 250 км/с – движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты.

Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшие к Солнцу звезды
a – Центавра и Сириус. Возраст солнечной системы около 5 млрд. лет.

К интересным небесным телам, которым часто приписывались сверхъестественные значения, относятся кометы.

Кометы – это небесные тела неправильной формы, которые состоят изо льда с вкраплениями каменных и железных глыб, имеющих размеры порядка нескольких десятков километров.

Когда комета приближается к Солнцу, то ледяная поверхность кометы нагревается, и лед начинает потихоньку таять и испаряться. Из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы.

Воздействие солнеч-ного излучения и солнечного ветра обуславливает образование хвоста, иногда достига-ющего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое простран-ство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим  кометы живут относительно недолго, тысячелетия и столетия.

Современная модель расширяющейся Вселенной столкнулась с теоретическими проблемами, разрешение которых способствовало прогрессу астрономии.

Разлетаясь после Большого взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватало всей массы Вселенной.

Из этого возраже-ния родилась в 1939 году гипотеза о наличии во Вселенной так называемых «черных дыр», которые невозможно увидеть, но которые хранят в себе  9/10 всей массы Вселен-ной, т.е. столько, сколько недоставало.

Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс.

В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для её преодоление надо бы развить скорость большую, чем скорость света, а это невозможно.

Поэтому «черные дыры» ничего не выпускают наружу и не отражают, и стало быть их невозможно обнаружить. В черной дыре пространство искривляется, а время замедля-ется. Если сжатие продолжается дальше, то на каком-то её этапе начинаются незатуха-ющие ядерные реакции.

Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предполагается, что «черные дыры» находятся в ядрах галактики, являясь сверхмощным источником энергии.

Образование планет являются частью образования звезд.

Поэтому особенности планет как объектов мегамира можно понять лишь в рамках общего космологического процесса, в силу которого вблизи определенных звезд возникает система планет, вращающиеся вокруг них.

Поскольку вследствие громадных космических расстояний планетные системы других звезд не наблюдает, то проблема происхождения планет рассматривается на модели происхождения планет Солнечной системы.

Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким философом И.Кантом и французским математиком Лапласом.

Их теории вошли в науку как некая коллективная космологическая гипотеза Канта — Лапласа, хотя разрабатыва-лись они независимо друг от друга.

Кант утверждал, что Солнце, планеты и их спутники возникли из первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равно-мерно заполнявшей мировое пространство.

Под влиянием сил притяжения, присущих частицам материи, из этих частиц образовались отдельные скопления становившиеся центрами притяжения. Из одного такого крупного центра скопления образовалось Солнце, вокруг него расположились частицы в виде туманностей, которые начали двигаться по кругу. В круговых туманностях образовались зародыши планет, которые начали вращать-ся также вокруг своей оси.

Приблизительно через 50 лет после этого Лаплас высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космологическое учение. Гипотеза Лапласа основывалась на том, что Солнечная система образовалась из уже вращающейся газовой туманности.

По теории Канта, Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имела предварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимая трудность: невозможно было объяснить, как могло образоваться правильное вращательное движение небесных тел.

Гипотеза Канта – Лапласа получила широкое признание в первой половине ХIХ в., но потом оказалось, что ряд факторов не укладывается в её рамки. Пытаясь решить возникшие трудности, английский астрофизик Дж.

Джинс предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным.

Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой гипотезы. Например, известно, что каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание закономерности строения Солнечной системы, кажется невозможным, чтобы планеты были лишь осколками, оставшимися после космической катастрофы.

Современные концепции происхождения планет Солнечной системы основываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским астрофизиком Х. Альфвеном и английским ученым Ф.Хойлом.

Согласно их гипотезе, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты, состояло из ионизированного газа, подвер-женного влиянию электромагнитных сил.

После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака.

Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на различных расстояниях – как раз там, где находятся планеты. Гравитационные и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, в результате чего образовались планеты.

Когда возникли  самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав, таким образом, системы спутников. Теории происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об их достоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всех существующих теориях имеются противоречия и неясные места.

Источник: https://students-library.com/library/read/52135-stroenie-i-evolucia-zvezd-planet-i-galaktiki

Эволюция галактик

Детально разработанной теории возникновения и эволюции галактик» пока нет. Однако основные представления об этом процессе вырисовываются все отчетливее.

Образование галактик рассматривают как естественный этап эволюции горячей Вселенной.

По-видимому, более 15 млрд лет назад в первичном веществе благодаря гравитационной неустойчивости началось обособление протоскоплений с характерными массами порядка 1016МСолнца.

В протоскоплениях в ходе разнообразных динамических процессов происходило выделение групп протогалактик. Дальнейшая эволюция протогалактик определялась их собственным гравитационным полем и гравитацией протоскопления.

Многообразие форм галактик связано с разнообразием начальных условий образования протогалактик. Например, если галактика возникла из быстро вращающейся протогалактики, то быть ей спиральной, .если из медленно вращающейся — то эллиптической.

Сжатие протогалактики длится около 3 млрд лет. За это время происходит превращение газового облака в звездную систему.

Дальнейшая эволюция галактики определяется комплексом процессов: эволюция звезд, химическая эволюция, структурно-динамическая эволюция звездной системы. Звезды образуются путем гравитационного сжатия облаков газа.

Когда в центре сжатого облака достигаются плотности и температуры, достаточные для эффективного протекания термоядерных реакций, рождается звезда. В недрах массивных звезд происходит термоядерный синтез химических элементов тяжелее гелия.

Эти элементы попадают в первичную водородно-гелиевую среду при взрывах звезд или при спокойном истечении вещества со звезд (звездный ветер). Элементы тяжелее железа образуются при грандиозных взрывах сверхновых звезд.

Таким образом, звезды первого поколения обогащают первичный газ химическими элементами, тяжелее гелия. Эти звезды наиболее старые и состоят из водорода, гелия и очень малой примеси тяжелых элементов. В звездах второго поколения примесь тяжелых элементов более заметная, так как они образуются из уже обогащенного тяжелыми элементами первичного газа.

Процесс рождения звезд идет при продолжающемся сжатии протогалактики, поэтому формирование звезд происходит все ближе к центру системы, и чем ближе к центру, тем больше должно быть в звездах тяжелых элементов.

Этот вывод хорошо согласуется с данными о содержании химических элементов в звездах гало нашей Галактики и эллиптических галактик. Во вращающейся протогалактике звезды будущего гало образуются на более ранней стадии сжатия, когда вращение еще не повлияло на общую форму протогалактики.

Реликтами этой эпохи в нашей Галактике являются шаровые звездные скопления. Своим положением они как бы очерчивают первоначальную почти сферическую форму молодой Галактики.

Масса газа, не вошедшая в образовавшиеся звезды, а также выброшенная в ходе эволюции этих звезд, имела некоторый орбитальный момент и под влиянием тяготения системы опускалась к плоскости симметрии, образуя диск. Здесь в самых плотных фрагментах газа зарождалось новое поколение звезд.

Около 5 млрд лет назад прекратилось сжатие протогалактики: в это время кинетическая энергия образовавшихся звезд диска равна энергии коллективного гравитационного взаимодействия.

В ту эпоху, по-видимому, создаются условия для образования спиральной структуры, а рождение звезд происходит уже в спиральных ветвях, в которых газ достаточно плотный.

Это звезды третьего поколения, их возраст сейчас — от 1 до 5 млрд лет. К ним относится наше Солнце.

Значительная часть вещества в процессе звездообразования превращается в долгоживущие звезды малой массы. Звезда с массой в одну солнечную превращается в белый карлик, а более массивная — в нейтронную звезду. Эти объекты уже не участвуют в эволюции галактик.

Запасы межзвездного газа постепенно истощаются, рождение звезд становится менее интенсивным. Через несколько миллиардов лет, когда будут исчерпаны все запасы газа, спиральная галактика превратится в линзообразную, состоящую из слабых красных звезд.

Эллиптические галактики уже находятся на этой стадии: весь газ в них израсходован 10-15 млрд лет назад.

Источник: https://planetologia.ru/vselenia/779-the-evolution-of-galaxies.html

Эволюция галактик и звезд

газово-пылевой среды. Довольно скоро (разумеется, по астрономическим

масштабам!) под влиянием сил всемирного тяготения из этого облака образуется

сравнительно плотный непрозрачный газовый шар. Давление газа внутри шара не в

состоянии пока уравновесить сил протяжения отдельных его частей, поэтому  он

( протозвезды ) будет непрерывно  сжиматься. Ее размеры становятся меньше, а

поверхностная температура растет, вследствие чего спектр становится более

 ранним .

Таким образом, двигаясь по диаграмме  спектр   светимость , протозвезда

довольно быстро  сядет  на главную  последовательность. В этот период

температура звездных недр уже оказывается  достаточной для того, чтобы начались

термоядерные реакции. При этом давление газа будущей звезды уравновешивает

притяжение и газовый шар  перестает сжиматься. Протозвезда  становится звездой.

Чтобы пройти эту самую раннюю стадию своей эволюции, протозвездам нужно

сравнительно немного времени. Если, например, масса протозвезды  больше

солнечной, нужно всего лишь несколько  миллионов лет, меньше   несколько  сот

миллионов лет. Так как время  эволюции протозвезд сравнительно невелико, эту

самую раннюю фазу развития звезд  обнаружить трудно.

Оказавшись на главной последовательности и перестав сжиматься, звезда длительно

излучает практически не меняя  своего положения на диаграмме   спектр 

светимость . Ее излучение поддерживается термоядерными реакциями, идущими в

центральных областях. Таким образом, главная последовательность представляет

собой как бы геометрическое место  точек на диаграмме  спектр   светимость , где

звезда может длительно и  устойчиво излучать. Место звезды на главной

последовательности определяется ее массой

Время пребывания звезды на главной  последовательности определяется ее

первоначальной массой. Если масса  велика, излучение звезды имеет огромную

мощность и она довольно быстро расходует запасы своего водородного   горючего .

 Выгорание  водорода происходит  только в центральных областях  звезды. Так как

количество водорода в центральных  областях звезды ограничено, рано или  поздно

он там практически весь   выгорит . Масса и радиус центральной  ее области, в

которой идут ядерные реакции, постепенно уменьшаются, при этом звезда медленно

перемещаются на диаграмме  спектр   светимость  вправо. Это процесс  происходит

значительно быстрее у сравнительно массивных звезд. Далее ядро звезды начнет

сжиматься, а температура его будет повышаться, образуется очень плотная горячая

область, состоящая из гелия с  небольшой примесью более тяжелых  элементов. В

этой плотной горячей области  ядерные реакции происходить  не будут, но они будут

довольно интенсивно протекать  на периферии ядра, в сравнительно тонком слое.

Светимость звезды и ее размеры  начнут расти. Звезда как бы  разбухает  и начнет

  сходить  с главной последовательности, переходя в области красных  гигантов.

При переходе звезды в стадию красного гиганта скорость ее эволюции значительно

увеличивается.

После того как температура сжимающегося плотного гелиевого ядра звезды 

красного гиганта   достигнет 100  150 млн. К, там начнет идти новая  ядерная

реакция. Эта реакция состоит  в образовании ядра углерода из трех ядер гели, как

только начнется эта реакция, сжатия ядра прекратится. В дальнейшем

поверхностные слои звезды увеличивают  свою температуру. Какая стадия эволюции

наступит вслед за стадией красного гиганта?

На этом этапе эволюции звезды, масса которых меньше, чем 1,2 массы Солнца,

существенную часть своей массы,  образующую их наружную оболочку  сбрасывают .

Такой процесс называется образованием  планетарных туманностей . Когда

отделится наружная оболочка,  обнажается  ее внутренние, очень горячие слои.

При этом отделившаяся оболочка будет расширятся, все дальше и дальше отходя от

звезды.

Мощное ультрафиолетовое излучение  звезды-ядра планетарной туманности   будет

ионизировать атомы в оболочке, возбуждения их свечение. Через несколько

десятков тысяч лет оболочка рассеется и останется только небольшая очень

горячая плотная звезда. Постепенно, довольно медленно остывая, она превратится

в белый карлик.

Таким образом белые карлики  как бы  вызревают  внутри звезд   красных гигантов

   и появляются на свет  после отделения наружных слоев гигантских звезд. В

других случаях сбрасывание  наружных слоев может происходить  не путем

образования планетарных туманностей, а путем постепенного истечения  атомов. Так

или иначе белые карлики, в которых  весь водород  выгорел  и ядерные  реакции

прекратились, по-видимому, представляют собой заключительный этап эволюции

большинства звезд. Белые карлики  постепенно все меньше и меньше излучая

переходят в невидимые  черные  карлики. Это мертвые, холодные звезды очень

большой плотности, в миллионы раз  плотнее воды. Их размеры меньше размеров

земного шара, хотя массы сравнимы с солнечной. Процесс остывания  белых карликов

длится много сотен миллионов  лет. Так кончает свое существование  большинство

звезд.

Процесс образования звезд из межзвездной газово-пылевой среды происходил в

нашей Галактике непрерывно. Он происходит и сейчас.

Все же в процессе эволюции звезда  возвращает  в межзвездное пространство

значительную часть всей массы. Из этого газа будет образовываться более молодые

звезды, которые в свою очередь  так же будут эволюционировать описанным  образом.

Взгляды различных ученых на процессы рождения и развития галактик.

К проблеме эволюции галактик ученые начали серьезно подходить в середине 40х

годов. Эти годы ознаменовались рядом важных открытий в звездной астрономии.

Удалось выяснить, что среди звездных скоплений, рассеянных и шаровых, имеются

молодые и старые, и даже оценить  их возраст.

Поэтому путь к раскрытию хода эволюции галактик, казалась, намечен сам  собой.

Нужно было произвести своеобразную  перепись населения  в галактиках разных

типов и сравнить результаты. В  каких галактиках: эллиптических  или спиральных,

в каких классах галактик преобладают  более молодые или более старые звезды 

такое исследование дало бы ясное указание на направление эволюции галактик,

позволило бы выяснить эволюционный смысл классификации Хаббла.

Но прежде надо было выяснить численное  соотношение между разными типами

галактик. Непосредственное изучение фотографий полученные на обсерватории Маунт

Вилсон, позволило Хабблу получить следующие результаты эллиптические — 23%,

спиральные   59%, спиральные с  перемычкой   15%, неправильные   3%.

Однако действительное соотношение  численности галактик разных типов  оказалось

иным. В 1948 г. Московский астроном Ю.И.Ефремов обработал данные каталога

галактик Шепли и Эймс и пришел к следующим выводам: эллиптические  галактики в

среднем на 4  звездные величины слабее спиральных по абсолютной величине. Среди

них много галактик   карликов. Если учесть это обстоятельство и сделать

пересчет количества галактик в  единице объема, то окажется, что  эллиптические

галактики примерно в 100 раз больше чем спиральные.

И так, большая часть спиральных галактик оказалась галактики  гиганты,

большинство эллиптических галактик   галактики   карлики. Конечно, среди тех и

других существовал некий разброс  в размещении, имелись и эллиптические

галактики   гиганты, но в среднем  было именно так.

В 1947 году Х.Шепли обратил внимание на то, что количество ярких сверхгигантов

постепенно убывает по мере перехода от неправильных галактик к спиральным, а

затем к эллиптическим. Спиралях класса Sа, замечает Шепли, встречаются лишь

очень мало звезд большой светимости, а в эллиптических галактиках они

практически отсутствуют. Получалось, что молодыми являлись именно неправильные

галактики и спирали класса Sс  сильно разветвленными ветвями, спирали  класса Sа

и эллиптические галактики находились на более поздней стадии развития. Шепли

тогда же высказал мысль, что переход  галактик из одного класса в другой должен

был занять громадные сроки и  совсем не обязательно имел место. Возможно, что

галактики образовались все такими какими мы их наблюдаем, а потом лишь медленно

эволюционировали в направлении  сглаживания и округления их форм.

Х. Шепли обратил внимание еще на одно важное обстоятельство. Уже давно было

известно существование двойных  галактик это не случайные совпадения положений,

не могли они быть и результатом  захвата одной галактики другой. И вот не редко

в этих парах галактики существовали спиральные с эллиптическими. Но

галактические пары, очевидно, вместе и возникли. Можно ли в этом случае

допустить, что они прошли существенно  разный путь развития.

В 1949 году советский астроном профессор  Б. В. Кукаркин опубликовал важную

работу  Исследование строения и развития звездных систем на основе изучения

переменных звезд . В ней были и новые установленные соотношения, и их глубокий

теоретический анализ.

В своей работе Кукаркин обращал  внимание на давно обнаруженные, но часто

забываемые обстоятельства существования не только пары, но и скопления

галактик. Между тем возраст  скопления галактик, судя по данным небесной

механики, не может превышать 1012 лет.

Таким образом, получалось, что практически  одновременно образовались галактики

разных форм. Значит, переход каждой галактики за время ее существования из

одного типа в другой совсем не обязателен.

К концу сороковых и началу пятидесятых  годов в космогонии галактик сложилось

несколько направлений.

Представители одного из них пытались построить новую гипотезу образования

галактик из каких то первичных, до галактических форм материи. Так  Вейзеккер

разработал теорию возникновения  галактик из вращающейся массы, в  которой

значительную роль играла турбулентность. По его теории эллиптические галактики

находились на самой поздней, а неправильные на самой ранней стадии развитии. Но

Вейзеккер ввел существенные уточнение: он показал что в случае турбулентного

развития газовых масс в галактике  шкала времени такого развития пропорциональна

размерам галактик. По этому карликовые эллиптические галактики хотя и находятся

на более поздней стадии развития, но могут быть моложе по возрасту, чем

гигантские спиральные. Это позволяло  устранить возрождение, связанное  с тем,

что в скоплениях встречаются галактики  всех типов. Но тогда должна была

существовать зависимость между  размерами и стадией эволюции галактик в

скоплениях, то есть самые маленькие  галактики там должны быть непременно

эллиптическими, средние   спиральными, а большие   неправильными. И  хотя между

эллиптическими и спиральными галактиками такое соотношение размеров

выполнялось, неправильные галактики, будучи меньше спиральных, явно не

укладывались в схему Вейзеккера.

Наконец, не согласовывался с этой гипотезой тот факт, что в эллиптических

галактиках преобладают старые звезды ( в абсолютной шкале времени). Значит,

Источник: http://referat911.ru/Astronomiya/jevoljuciya-galaktik-i-zvezd/295801-2645959-place2.html

Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд

Происхождение галактик и звёзд. Строение нашей Галактики. Эволюция звёзд. Синтез химических элементов в звёздах. Сверхновые и квазары

Существует точка зрения, что с самого начала протовещество, из которого впоследствии образовалась Вселенная, с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлетелось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновении частиц.

Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы.

В них в свою очередь возникали более плотные участки – там в последствии и образовались звёзды и даже целые галактики.

Окружающие Солнце звёзды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звёзд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру.

В первом, самом грубом, приближении можно считать, что звёзды и туманности, из которых она состоит, заполняют объём, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. На самом деле всё обстоит гораздо сложнее, и нарисованная картина является слишком грубой.

В действительности разные типы звёзд по-разному концентрируется к центру Галактики и к её «экваториальной плоскости». Например, газовые туманности, а также очень горячие массивные звёзды сильно концентрируются к экваториальной плоскости Галактики.

С другой стороны, звёзды и звёздные скопления некоторых типов почти никакой концентрации к экваториальной плоскости не обнаруживают, но зато характеризуются огромной концентрацией в центре. Существенная часть звёзд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс.

и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звёзд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звёзд, находящихся на периферии Галактики вблизи её экваториальной плоскости. Галактика содержит и структурные детали гораздо больших масштабов.

Звёзды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной её экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения. Звёзды очень сильно удалены друг от друга. (одно столкновение в миллион лет). Число звёзд в Галактике порядка триллиона.

Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. Существуют также двойные и кратные звёзды, а также звёздные скопления –группы звёзд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое. В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые в основном состоят из газа и пыли – туманности.

Интересна небольшая диффузная туманность, названная Крабовидной. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульсар. Но даже там, где не видно ни звёзд, ни туманностей, пространство не пусто.

Оно заполнено очень разреженным межзвёздным газом и межзвёздной пылью. В межзвёздном пространстве существуют различные поля (гравитационное и магнитное). Галактику можно представить очень упрощённо в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, в основном содержащими наиболее горячие и яркие звёзды и массивные газовые облака.

Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диски, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена небольшая часть звёзд.

Поэтому при вращении Галактики с увеличением расстояния от центра изменяются и угловая (убывает), и линейные(возрастает) скорости вращения Галактики.

Галактики бывают эллиптические (эллипсоиды с разной степенью сжатости (красные гиганты)), спиральные (наша Галактика, Туманность Андромеды), неправильные (не имеют центральных ядер, в них не обнаружены закономерности).

В ходе структурообразования во Вселенной возникли звёзды, эти ядерные «костры», горение которых поддерживается протекающими в их недрах реакциями нуклеосинтеза. в отличие от первичного он получил название звёздного нуклеосинтеза.

Разнообразие типов звёзд и соответственно реакций звёздного нуклеосинтеза, изменение условий протекания таких реакций со временем создало ситуацию, коренным образом отличную от существовавшей в эпоху первичного нуклеосинтеза.

отсюда возникло убеждение, что элементы тяжелее гелия рождались (и продолжают рождаться) в недрах звёзд, что они – зола и шлаки звёздных костров. Как же звёздный нуклеосинтез сделал то, что оказалось не под силу первичному нуклеосинтезу – преодолел «щели масс»?

Идея механизма такого преодоления впервые была высказана английским астрофизиком Ф.Хойлом (р.1915).

Хойл высказал идею: на определённых стадиях развития некоторых типов звёзд появляются условия для объединения трёх ядер гелия (трёх частиц) в ядро углерода 12С.

такая реакция решает проблему преодоления «щели масс», оставляя позади сразу оба барьера. Далее открываются возможности образования ещё более тяжёлых, чем углерод, ядер неона, кислорода, кремния и др.

Согласно современным представлениям, присутствующие в межзвёздной среде тяжёлые элементы появились в звёздах типа красных гигантов. Жёлтые карлики типа нашего Солнца поддерживают своё состояние главным образом в результате ядерных реакций, названных водородным циклом.

Так что звёзды этого типа не создают элементов тяжелее гелия. Красные гиганты обладают массой, в несколько раз превышающей солнечную, водород в них выгорает очень быстро.

В центре, где сосредоточен гелий, их температура достигает нескольких сотен миллионов градусов, что оказывается достаточным для протекания реакций углеродного цикла. В этом цикле три ядра гелия соединяются и образуют возбуждённое ядро углерода.

Оно в свою очередь может присоединить ещё одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, затем неона и так вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается и температура в нём поднимается до 3-10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа.

С 1963 года начались открытия звёздоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Самый яркий квазар, имеющий обозначение 3С 273, виден как звезда. В действительности этот квазар, находящийся от нас на расстоянии около 3 млрд. Световых лет, излучает больше энергии в оптическом диапозоне, чем самые яркие галактики.

Этот квазар оказался одним из самых мощных источников рентгеновского излучения. Блеск квазара не остаётся постоянным, что позволяет оценить размеры квазара. Они превышают размеры одного светового года. Следовательно, квазар больше обычных звёзд, но гораздо меньше нашей галактики. Квазары не похожи на обычные звёзды своими массами.

Массы квазаров достигают многих миллионов солнечных масс.

Происхождение и состав Солнечной системы. Исследования планет космическими аппаратами.

Два коренных вопроса планетологии: является ли образование планетных систем во Вселенной правилом или единственная известная человечеству Солнечная система появилась в результате редчайшего совпадения обстоятельств, что делает её уникальной? Каков механизм образования Солнечной системы? Доказательных ответов на эти вопросы пока нет.

Современная научная мысль решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере события такой значимости, как возникновение сложнейшего сообщества звёзд и группы связанных с ними планет.

В пользу такой точки зрения говорят известные на сегодняшний день факты, полученные при исследовании звёзд в близких к Солнцу галактических окрестностях.

У большинства астрономов на этот счёт сложилось вполне определённое мнение: современная астрономия даёт серьёзные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звёзд, в пользу их типичности, а не исключительности.

За последние 50 лет регулярно поступают сведения, которые истолковываются как аргументы в пользу наличия планетных тел или предпосылок для их образования около большого числа звёзд, находящихся в радиусе примерно 20 парсек от Солнца.

Особенно богатая информация начала поступать после запусков астрономических спутников, оснащённых разнообразными исследовательскими приборами высокой точности.

Заметно усовершенствовались и наземные средства наблюдения, развиты принципиально новые методы обработки получаемых с их помощью данных.

Начиная с 1983 года американский спутник ИРАС, заслуги которого отмечались в связи с его вкладом в «горячую» модель образования галактик, обнаружил примерно у 10% звёзд, находящихся в окрестностях Солнца, избыточное инфракрасное излучение. По мнению специалистов, оно связано с присутствием вокруг таких звёзд пылевых дисков, содержащих мелкие твёрдые частицы. Детальные наземные исследования этих звёзд подтвердили такие предположения.

О механизме формирования планет, в частности в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причём Солнце – звезда второго (или ещё более позднего) поколения.

Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звёзд предыдущих поколений, скапливавшихся в газопылевых облаках. Это обстоятельство даёт основание назвать Солнечную систему малой частью звёздной пыли.

О происхождении Солнечной системы и её исторического эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования.

От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней предложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостоилась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исторический интерес.

Солнечная система – очень сложное природное образование, сочетающее разнообразие составляющих её элементов с высочайшей устойчивостью системы как целого.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению.

В эту группу входят: Солнце, девять больших планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979г.

было известно 34 спутника и 2000 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела – Солнца.

При таком числе и разнообразии составляющих систему элементов, при тех сложных взаимоотношениях, которые устанавливаются между ними, задача теоретического описания Солнечной системы, не говоря уж о задаче определения механизма её образования, оказывается очень непростой.

Согласно современным представлениям, решение проблемы образования Солнечной системы требует учёта присутствующих магнитных полей, плазменного состояния вещества, эффектов взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических явлений, химических взаимодействий элементов.

Хотя сегодняшние представления о процессе образования Солнечной системы далеки от завершения, сложилось прочное представление о закономерном характере процессов этого типа, протекающих в общем потоке структурной самоорганизации Вселенной.

Локальные структуры формируются при участии двух противоположных, но взаимосвязанных механизмов: фракционирования крупных неорганизованных образований (таких, как газопылевые облака) и аккреции мелких частиц вещества с образованием более организованных крупных объектов, развивающихся потом как естественное тело.

Необходимое условие совместного действия этих механизмов – значительная неравновесность среды, в которой происходит формирование структур.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru

Источник: https://yamiki.ru/item/239753

Ссылка на основную публикацию