Реферат: Сверхновые звезды
По наблюдениям вспышек в других галактиках удалось установить, что сверхновые бывают двух типов. Сверхновые I типа – это довольно старые звезды с массой, лишь немного превосходящей солнечную. Такие сверхновые вспыхивают в эллиптических галактиках, а также в спиральных звездных системах. Мощность излучения у таких сверхновых особенно велика, хотя массы выброшенных газовых оболочек не превышают нескольких десятых массы Солнца.
Так называемые сверхновые II типа вспыхивают в спиральных галактиках. Они никогда не вспыхивают в эллиптических звездных системах. Сверхновые этого типа, как принято думать, массивные молодые звезды. Именно по этой причине они, как правило, наблюдаются в спиральных ветвях, где еще продолжает идти процесс звездообразования. Не исключено, что если не большая, то по крайней мере значительная часть горячих массивных звезд спектрального класса О кончает свое существование вспышкой сверхновой этого типа.
ПРИЧИНА ВЗРЫВОВ ЗВЕЗД
Существует несколько гипотез о причине взрывов звезд, наблюдаемых как сверхновые. Однако общепризнанной теории, основывающейся на известных фактах и могущей предсказать новые явления, пока нет. Можно, однако, не сомневаться, что такая теория будет создана в самом ближайшем времени. По всей вероятности, причиной взрыва является катастрофически быстрое выделение потенциальной энергии тяготения при «спаде» внутренних слоев звезды к ее центру.
Эволюция звезд
Почему взрываются звезды ? Каждая ли звезда взрывается? Что представляют собой осколки взорвавшейся звезды? Что остается после взрыва? На все эти вопросы нельзя ответить, не имея представления о структуре и эволюции звезд. Взрыв – это свидетельство нарушения внутреннего равновесия звезды, и, чтобы понять, почему и когда это нарушение происходит, необходимо прежде всего знать, как вообще поддерживается равновесие в звездах.
Собственное гравитационное поле массивных объектов заставляет их сжиматься. И если внутреннее давление недостаточно для того, чтобы воспрепятствовать сжатию, то массивные объекты коллапсируют. Тот факт, что Солнце сохраняет неизменными свои размеры, свидетельствует о существовании внутри его сильного давления.
Согласно современным представлениям, звезды образуются при сжатии межзвездного газово-пылевого облака. По мере сжатия облако постепенно дробится на множество мелких частей. Каждая часть продолжает сжиматься дальше и при этом нагревается, особенно в середине. Эту раннюю стадию жизни звезд исследовал японский астроном Ч.Хаяши. Когда температура в центре звезды становится достаточно высокой, начинаются реакции термоядерного синтеза – звезда, как говорится, вступает в пору своей зрелости.
Тем не менее существует одна проблема, касающаяся начальной стадии образования звезд. Решение этой проблемы связано со сверхновыми.
Как только звезда начинает «работать» как ядерный реактор, качественная картина ее эволюции сводится вкратце к следующему. Сначала благодаря реакциям ядерного синтеза водород превращается в гелий. В этом процессе высвобождается энергия, которая препятствует сжатию звезды под действием собственного тяготения. Пока реакции ядерного синтеза продолжаются, звезда, как говорят, находится на главной последовательности. Стадия главной последовательности – самая продолжительная в жизни звезды, причем ее длительность зависит от массы звезды. Чем больше масса, тем меньше время пребывания на главной последовательности, т.к. в массивных звездах водород выгорает быстрее.
Когда исчерпаются запасы водорода, особенно в ядре звезды, ядро начинает сжиматься, ибо после прекращения ядерных реакций звезда теряет способность противостоять тяготению. Однако, сжимаясь, ядро разогревается еще больше, и в результате повышения температуры начинается следующий цикл ядерных реакций. В этих реакциях гелий превращается в углерод, затем углерод превращается в кислород и неон. На каждой ступени этой серии реакций образуются все более массивные атомные ядра. Каждое атомное ядро поглощает дополнительно по одному ядру атома гелия, при этом его заряд возрастает на 2, а массовое число на 4. Как только ядра очередного типа превращаются в более массивные ядра следующего типа, синтез прекращается. Это ведет к ослаблению противодействия силам тяготения, которые снова начинают сжимать ядро звезды, еще более повышая его температуру. Когда температура достаточно возрастает, начинаются ядерные реакции следующего цикла. И, пока они продолжаются, дальнейшее сжатие звезды приостанавливается. Эти реакции переводят атомные ядра еще на одну ступеньку выше, добавляя им по одному ядру атома гелия. При достаточно высоких температурах могут сливаться и более массивные ядра. Так и продолжается этот многоступенчатый процесс включения – выключения ядерных реакций.
Что происходит со звездой, пока идут ядерные реакции?
Это зависит от того, какова масса звезды. В общем случае ядро звезды все больше сжимается и нагревается, в то время как внешняя оболочка расширяется и охлаждается. Таким образом, внешний наблюдатель видит, что размер звезды увеличивается, в ее цвет становится красноватым (следствие охлаждения оболочки). Такие звезды называют красными гигантами . (Если температура на поверхности Солнца около 5500 `С, то поверхностная температура звезды-гиганта может понижаться до 3500`С. Поэтому наше Солнце имеет желтоватый цвет, а цвет звезд-гигантов приближается к красному.)
Это как раз тот самый момент в жизни звезды, когда она готова превратиться в сверхновую, если только масса ее достаточно велика.
Предельный размер. Катастрофа .
Впрочем, существует предельный размер атомного ядра, выше которого ядерные реакции синтеза становятся энергетически невыгодными. Этот предел лежит в области ядер, близких к ядру железа (массовое число 56), в так называемой группе железа, куда входят железо, кобальт и никель. Дальнейшее присоединение частиц к ядру железа уже не может привести к выделению энергии. К этому моменту температура ядра достигает около 10 млрд.градусов Цельсия, и звезда оказывается в катастрофическом положении. Гравитации, которая до сих пор регулировала равновесие горячей звезды, это уже не под силу. В звезде развиваются неустойчивости, вследствие которых внешняя оболочка может быть сброшена. Эта катастрофа наблюдается как вспышка сверхновой звезды.
Взрыв звезды
Ударная волна разгоняет вещество оболочки до скоростей, превышающих параболическую скорость (скорость освобождения), поэтому оболочка отрывается от звезды и сбрасывается в межзвездное пространство. Именно так в конечном счете и происходит взрыв звезды.
Для внешнего наблюдателя, как это и было при взрыве сверхновой 1054 г., взрыв проявляется в резком возрастании светимости звезды, а затем в постепенном, более продолжительном ее угасании. В пике светимости сверхновая по мощности излучения может сравниться с целой галактикой, содержащей до 100 млрд. обычных звезд!
Продукты взрыва и его последствия
Продуктами такого взрыва являются атомные ядра (синтезированные в звезде), электроны, нейтрино и излучения. Ядра атомов образуют потоки космических лучей, которые распространяются в нашей Галактике на огромные расстояния.
Для нас, жителей Земли, было бы настоящей катастрофой, если бы взрыв сверхновой произошел на расстоянии, скажем, 100 световых лет. Порожденные этим взрывом космические лучи высоких энергий натворили бы страшных бед в земной атмосфере. Они могли бы, например, разрушить весь защитный слой озона и тем самым открыть все живое на Земле ультрафиолетовому излучению Солнца. К счастью, взрыв сверхновой – довольно редкое явление. Вероятность взрыва сверхновой в наших окрестностях не дальше 100 световых лет в течение 1000 лет равна всего лишь одной миллионной.
Взрывается ли при вспышке сверхновой вся звезда целиком?
Пульсары
Есть основания полагать, что центральное ядро звезды при взрыве может уцелеть. Но если это так, то в каком виде оно сохраняется? Неожиданное экспериментальное открытие, сделанное в 1968 г., дало весьма убедительный ответ на этот вопрос.
Дж.Белл, аспирантка Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, проводила с помощью большого радиотелескопа измерения мерцаний радиоисточников, вызванных рассеянием радиоволн на неоднородностях межпланетной среды. Помимо излучения ожидаемого вида она зарегистрировала также другое, совершенно необычное импульсное излучение. Оно вызывало удивление по двум причинам. Излучение было строго периодичным, и его период был очень короткий. Тот факт, что период следования импульсов можно было указать с точностью до седьмого десятичного знака, говорил о поразительной регулярности обнаруженного излучения. Удивляло и столь мало значение периода, т.к. в то время еще не были известны астрономические объекты, способные излучать с такой быстрой переменностью.
Это необычное импульсное излучение было исследовано. Анализ показал, что импульсы не могли быть испущены с какой-либо планеты, обращающейся вокруг звезды. Так была похоронена волнующая гипотеза о том, что сигналы посылала нам некая развитая цивилизация. Вместо этого радиоастрономы пришли к выводу, что импульсы рождаются в компактном астрономическом источнике, который был назван ПУЛЬСАРОМ .
Хотя первый пульсар, известный ныне как объект СР-1919 (СР означает «Кембриджский каталог пульсаров»), был открыт случайно, характеристики его излучения оказались настолько необычными, что это побудило радиоастрономов всего мира искать новые пульсары. Поиски оказались успешными. Большое волнение вызвало открытие пульсара в Крабовидной туманности, ибо это открытие, видимо, должно было дать ответ на старый вопрос об остатке взрыва сверхновой.
На сегодня обнаружено более 300 пульсаров, и астрономы успешно разгадали тайну строго регулярных, короткопериодических импульсов излучения этих странных объектов.
Пульсар – нейтронная звезда, возникающая при взрыве сверхновой.
Данные об общем числе пульсаров и времени их жизни означают, что в среднем в столетие рождаются 2-3 пульсара – это приблизительно совпадает с частотой вспышек сверхновых в Галактике. Все эти данные согласуются с представлением о том, что пульсар – нейтронная звезда, возникающая при взрыве сверхновой. О том же свидетельствует наличие пульсара в Крабовидной туманности; еще один пульсар был обнаружен вблизи остатка взрыва сверхновой в созвездии Парусов.
Тем не менее не следует думать, что связь между пульсарами и сверхновыми установлена абсолютно надежно. Для астронома, который доверяет только прочно установленным наблюдательным фактам, подобный результат не кажется убедительным.
СВЕРХНОВЫЕ И ПРОЦЕСС ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ