Реферат: Зорі, їх утворення, розвиток і види

Як народжуються зорі. Проблема зореутворення — одна з центральних у сучасній астрофізиці. Зорі — най­поширеніші у Всесвіті об'єкти, з них складаються більші структурні утворення — галактики. І питання про те, чому в різних регіонах Всесвіту речовина переважно формується саме в зорі, за яких умов і яким чином це звершується, не може не хвилювати астрономів. Тим більше, що явища, які відбуваються в процесі утворен­ня і вмирання зір, мабуть, тісно пов'язані з найглибши­ми проблемами будови і еволюції матерії, зокрема з явищами, що відбуваються у світі елементарних ча­стинок.

У сучасній астрофізиці є дві основні концепції походження зір. Одна з них, яка дістала назву «класич­ної», виходить з того, що зорі утворюються в процесі конденсації газу в холодних газопилових комплексах, гігантських безформних клоччастих утвореннях розмі­рами в багато десятків і сотень світлових років, що скла­даються головним чином з молекул водню. Що ж до пи­линок, то вони являють собою дрібні тверді утворення, що розсіяні в космічному просторі і мають досить складну структуру, їх центральну частину становить тугоплавке силікатне чи графітове ядро, на яке намерзли забруднені льоди. Як показують спостереження міжзо­ряного поглинання світла, розміри таких пилинок не­великі — від 0,1 до 1 мкм.

Формування зір починається з того, що в газопило­вій хмарі або в якійсь її частині розвивається так звана гравітаційна нестійкість. Іншими словами, у хмарі від­бувається процес наростання збурень густини і швид­кості руху речовини, невеликих відхилень цих фізичних величин від їхніх середніх значень для даної хмари. З теорії виходить, що однорідний розподіл речовини за наявності сил тяжіння не може бути стійким. Речовина повинна розпадатися на окремі згустки. За одним з ос­новних законів фізики будь-яка фізична система завжди прагне до такого стану, при якому її потенціальна енер­гія є мінімальною. При утворенні згустків і їх стисненні гравітаційна енергія переходить у кінетичну енергію речовини, що стискується, яка в свою чергу може пере­ходити в теплову енергію і випромінюватися. Таким чином, внаслідок процесу фрагментації та утворення згустків зменшується потенціальна енергія.

Крім гравітаційної нестійкості, в процесі фрагмента­ції газових хмар певну роль відіграє так звана термо­хімічна нестійкість, яка виникає внаслідок того, що швидкість утворення молекул усередині газопилового комплексу і швидкість охолодження газу за рахунок випромінювання цих молекул у радіодіапазоні відрізня­ються одна від одної.

У подальшому утворенні фрагменти в свою чергу діляться на ще дрібніші згустки і так доти, доки в ре­зультаті гравітаційного стиснення густина цих згустків зросте настільки, що в їх центральних частинах утво­ряться зореподібні ядра — протозорі, оточені масивними оболонками, які продовжують стискатися.

Як показують розрахунки, у тих випадках, коли маса згустка перевершує три маси Сонця, речовина оболонки вільно падає на ядро. Завдяки цьому, маса таких про-

тозір швидко збільшується, зростає їх світність. У якийсь момент випромінювання протозорі стає настільки силь­ним, що в результаті нагрівання оболонки і дії світло­вого тиску оболонка розсіюється в просторі.

Вивільнені від оболонок ядра деякий час ще про­довжують стискатися і випромінювати досить значну кількість енергії, яка виділяється за рахунок гравіта­ційного стиснення. Температура в надрах протозорі зро­стає і, нарешті, стає достатньою для виникнення тер­моядерної реакції. Протозоря стає зорею.

Такою, якщо не вдаватися в деталі, найбільш попу­лярною в сучасній астрофізиці є схема утворення зір з холодного газу в газопилових комплексах. Чи підтвер­джується вона астрономічними спостереженнями? Оскільки оболонки навколо протозір, що формуються, містять велику кількість пилу, наскрізь вони не прогля­даються і це набагато утруднює спостереження почат­кової стадії формування зір.

Проте з розвитком радіо- і інфрачервоної астрономії з'явилася деяка можливість «зазирнути» в таємничі «зоряні колиски», оскільки пил і газ прозорі для цих електромагнітних випромінювань. У ряді районів вияв­лено компактні зони радіо- і інфрачервоного випромі­нювання, які витлумачуються прихильниками класичної концепції як зони, де містяться надзвичайно молоді зорі, яких в оптичному діапазоні спостерігати ще не можна.

Конденсаційної концепції додержують більшість су­часних астрономів. Проте ця обставина сама по собі ще не може бути остаточним доказом її справедливості. Тим більше, що таких спостережних даних, які підтвер­джували б її однозначно, поки що не існує. Ще Галілео Галілей зазначав, що в науці думка одного може вия­витися правильнішою за думку тисячі. Тому зараз не можна скидати з рахунку й інші точки зору.

У всякому випадку в сучасній астрофізиці існує ще одна концепція зореутворення, яку протягом ряду років розробляє школа академіка В. А. Амбарцумяна. За на­звою обсерваторії, директором якої він є, ця концепція дістала найменування бюраканської. її прихильники вважають, що зорі утворюються внаслідок розпаду на частини більш щільних, а можливо і надщільних об'єк­тів. Ці об'єкти можуть бути залишками тієї «первісної» речовини, з якої утворився наш Всесвіт.

На відміну од класичної концепції бюраканську у фізичному й математичному плані розроблено не так детально. Однак академік Амбарцумян вважає, що-така розробка завчасна, оскільки тут ідеться про найпотаєм-ніші космічні процеси, щодо яких у нас ще дуже мало фактів.

У спорі цих двох концепцій ідеться по суті не тільки про шлях формування зір, а й про спрямованість ево­люційних процесів у Всесвіті взагалі: чи йдуть вони від розріджених станів до щільніших чи, навпаки,— від щільніших до розріджених?

Методичні міркування. Розрізняються і ті дослід­ницькі програми, яких додержують прихильники про­тиборствуючих концепцій. Тоді як «класики» вважають, що в основі розробки астрофізичної теорії має лежати метод побудови математичних і фізичних моделей, на­віть за відсутності необхідної повноти спостережних даних, «бюраканці» вважають, що теорія повинна буду­ватися тільки на основі фактів, а до створення конкрет­них теоретичних моделей слід приступати лише тоді, коли дані спостережень дають змогу при побудові теорії обійтись практично без довільних додаткових припу­щень.

Слід зазначити, що виникнення різних, інколи про­тилежних напрямів у науці при розв'язанні складних фундаментальних проблем і гострих дискусій між їхні­ми прихильниками — цілком нормальне явище. На жаль, гострота полеміки змушує протиборствуючі сторони

повністю відкидати концепції, що протистоять їм. Проте тільки подальші дослідження можуть показати, яка точ­ка зору ближча до істини. І дискусія про шляхи ево­люційних процесів у Всесвіті не є винятком. До того ж не виключено, що в нескінченній різноманітності Все­світу за одних умов формування нових космічних об'єк­тів може відбуватися конденсаційним шляхом, а за інших — бути наслідком розпаду.

Як було вже сказано, основна частина життя переважної більшості зір — це період, коли в їхніх надрах відбувається термоядерна реакція синтезу більш важких елементів з більш легких. На цьому етапі рівновага зорі підтримується рівновагою між тиском розпеченого газу в її надрах, який прагне розширити зорю, і силами тяжіння, що прагнуть її стиснути.

При цьому, якщо термоядерні реакції в надрах зорі чомусь прискорюються^ надходження тепла з її глибин до поверхні перевищує тепловіддачу в світовий простір, то температура в надрах зорі підвищується, тиск газу зростає і зоря починає розширятися. Центральна зона охолоджується, і термоядерна реакція приходить до норми. Навпаки, якщо тепловіддача в навколишній про­стір виявляється вищою, ніж енерговиділення, то зоря починає охолоджуватись, тиск у її надрах падав і сили тяжіння починають стискати зорю. Завдяки цьому на­дра зорі розігріваються, термоядерна реакція приско­рюється і теплова рівновага, а водночас і баланс сил усередині зорі приходять до норми. Отже, зорі — це саморегульовані системи, створені самою природою.

Новий, по суті заключний, період в існуванні зорі настає тоді, коли її основне ядерне паливо — водень повністю вичерпується. У процесі термоядерної реакції в центральній частині зорі утворюється гелієве ядро. Потім це ядро починає стискатися, а зовнішні шари — оболонка зорі — розширятися. Зоря переходить у стадію

червоного гіганта. У її надрах в міру дальшого стискан­ня одні термоядерні реакції заступають інші за участю дедалі важчих елементів. І відбувається це доти, доки не будуть вичерпані всі термоядерні джерела енергії.

Подальша доля вмираючої зорі залежить від її маси. Зорі, маса яких близька до сонячної або трохи переви­щує її, перетворюються у так звані білі карлики, тобто в зорі з радіусами в сотні разів меншими від радіуса Сонця. Густина речовини таких зір набагато перевищує густину сонячної речовини. У кожному кубічному сан­тиметрі простору білих карликів вміщуються десятки й сотні тонн речовини.

Білий карлик — стале утворення. Його рівновага під­тримується, проте, внутрішнім тиском не звичайного, а електронного газу, який утворений великою кількістю вільних електронів. Густина цього газу цілком достатня для того, щоб припинити гравітаційне стискання зорі. В такому ґаві істотно проявляються квантові ефекти, і фізики навивають його «виродженим». З цієї причини і білих карликів нерідко навивають «виродженими зо­рями».

Температура поверхні найбільш гарячих вироджених карликів може досягати 50—100 тис. кельвінів. Під тон­кою атмосферою такої зорі розташована щільна маса, що мав до самого центра однакову температуру. Втрати енергії на випромінювання у білих карликів порівняно невеликі, тому такі зорі охолоджуються надзвичайно повільно.