Еволюция на звездите
💥 23 февруари 1987 г., 7:35 ч. Три подземни детектора – в Япония, САЩ и СССР – за 13 секунди регистрират общо 25 . Три часа по-късно светлината от експлозията стига до Земята: в Голямото Магеланово облако, на 168 000 , пламва свръхнова, видима с просто око – първата от 1604 г. Неутриното са излетели от колапсиращото ядро веднага, а светлината е трябвало да чака да си пробие път през звездата. За пръв път човечеството „видя“ сърцето на умираща звезда – точно както предсказва теорията за звездната еволюция.
1. Раждането на звездите
Пространството между звездите не е празно. В гигантските молекулни облаци – като мъглявината Орион – има газ и прах за хиляди звезди. Защо тогава облакът не се свива веднага? Защото молекулите му се движат и газът има налягане. Кой ще победи – налягането или гравитацията?
Критерий на Джинс
Пример
Ядро на молекулен облак има и концентрация молекули/cm³. Намерете масата на Джинс и времето за колапс.
- години
Кога облакът се свива?
Топлинното движение на молекулите се опитва да разпръсне облака, а гравитацията – да го свие. Ако масата на облака надвиши масата на Джинс, гравитацията печели и облакът се разпада на сгъстявания, които стават звезди.
Студените и плътни облаци имат малка маса на Джинс и лесно се разпадат на много звезди. Затова звездите се раждат на групи – в купове. Когато облакът се свива, плътността расте и масата на Джинс намалява: всяко сгъстяване отново се дели (фрагментация), докато газът стане толкова плътен, че вече не може да изстива.
☁️ Молекулен облак
Студен (10–20 K) газ и прах, от стотици до милиони слънчеви маси. Сгъстява се от ударни вълни на свръхнови или от спиралните ръкави на Галактиката.
🌀 Протозвезда
Колапсиращото сгъстяване се върти все по-бързо и образува диск. Половината от освободената гравитационна енергия нагрява газа, другата половина се излъчва. Протозвездата е скрита в прах и се вижда само в инфрачервено.
✨ Звезда тип T Телец
Ветровете разчистват праха и звездата се показва. Тя още се свива и е по-ярка от бъдещото си място на главната последователност. От двата полюса бликат струи с ~.
🪐 Протопланетен диск
Около младата звезда остава диск от газ и прах – суровината за планети. ALMA засне през 2014 г. диска около HL Телец с пръстени и пролуки, издълбани от раждащи се планети.
2. Какво поддържа звездата
Свиването спира, когато в центъра стане достатъчно горещо (~10 млн. K) за на водород. Звездата влиза в хидростатично равновесие: тежестта на горните слоеве се уравновесява от налягането на горещия газ. Равновесието е като термостат. Ако синтезът се ускори, ядрото се нагрява и разширява, изстива – и синтезът се забавя. Ако се забави, ядрото се свива, нагрява – и синтезът се ускорява.
Две времеви скали
Пример
Пресметнете двете времеви скали за Слънцето ().
- млн. години
- млрд. години
- Земята е на 4,5 млрд. години. През XIX в. лорд Келвин спори с геолозите и Дарвин, че Слънцето е само на десетки милиони години. Правото е било на геолозите – енергията идва от атомното ядро, за което Келвин не е знаел.
3. Животът след главната последователност
Когато водородът в ядрото свърши, синтезът продължава в тънък слой около хелиевото ядро. Ядрото без синтез се свива и нагрява, а – колкото и странно да е – обвивката се раздува и изстива. Звездата се превръща в . Ето как изглеждат пътищата на звезди с различни маси в :
Пътят на звездата в диаграмата на Херцшпрунг–Ръсел
Изберете маса и проследете живота на звездата. Обърнете внимание на лентата отдолу: почти целият живот минава на главната последователност, а всичко останало е кратък финал.
Дял на всяка фаза от целия живот (до последната точка)
Слънцето е изразходвало около половината водород в ядрото. Хелият е по-плътен, ядрото се свива и нагрява – затова светимостта бавно расте. Краят: бяло джудже от ~0,55 M☉.
Изродено вещество и хелиев проблясък
Накрая звездата изхвърля външните си слоеве. Оголеното ядро – бъдещо с температура над 100 000 K – ги осветява с ултравиолетово лъчение и те светят като планетарна мъглявина (името е историческо – с планети няма нищо общо). Мъглявините Пръстен в Лира, Котешко око и Охлюв са сред най-красивите обекти, заснети от Хъбъл и JWST. Те живеят само ~20 000 години – миг в живота на звездата.
4. Масивните звезди и свръхновите
При звезди над ~ ядрото е толкова горещо, че след хелия горят въглерод, неон, кислород и силиций. Звездата заприличва на лук – с концентрични слоеве, във всеки от които гори различно гориво. Всяка следваща фаза е по-кратка от предишната.
Звезда-лук и краят при желязото
Разрез на звезда от 25 M☉ малко преди смъртта ѝ (не в мащаб: желязното ядро е колкото Земята, а звездата – около 1000 R☉). Щракнете върху слой. Вдясно: колко здраво е свързан всеки нуклон в ядрото.
Горене на Si → Fe, Ni. Нужна температура: 3,5 млрд. K. Продължителност в ядрото: 1 ден. Всяко следващо гориво дава по-малко енергия, а звездата губи все повече енергия чрез неутрино – затова фазите стават все по-кратки.
Пример
При колапса желязно ядро от () се свива до неутронна звезда с радиус 10 km. Оценете освободената енергия.
- Това е колкото Слънцето излъчва за ~ години – стотици пъти възрастта на Вселената, – освободено за секунда.
- ~99% отлитат като неутрино, ~1% стават кинетична енергия на изхвърлената обвивка, а светлината на свръхновата е едва ~0,01%. И пак за седмици тя свети колкото цяла галактика.
| Начална маса | Край | Как |
|---|---|---|
| Кафяво джудже | Синтезът на водород не започва. Тялото само изстива. | |
| Хелиево бяло джудже | Червените джуджета живеят трилиони години – нито едно още не е умряло. | |
| Въглеродно-кислородно бяло джудже | Червен гигант → планетарна мъглявина → бяло джудже. Така ще свърши и Слънцето. | |
| Свръхнова → неутронна звезда | Желязното ядро колапсира в кълбо от неутрони с диаметър ~20 km. | |
| Свръхнова → черна дупка | Ядрото е толкова масивно, че нищо не може да спре колапса. Понякога звездата може да изчезне и без ярка свръхнова. |
Границите са приблизителни – зависят от състава, въртенето и от това дали звездата е в двойна система. Какво точно представляват белите джуджета, и , ще видим в урока „Бели джуджета и черни дупки“.
5. Ние сме звезден прах
След във Вселената е имало само водород, хелий и малко литий. Всичко останало – въглеродът в клетките ни, кислородът, който дишаме, желязото в кръвта ни – е създадено в звезди и разпръснато в пространството от звездни ветрове и експлозии. От обогатения газ се раждат нови звезди и планети. Слънцето е звезда поне от трето поколение: то съдържа ~1,4% тежки елементи, а най-старите звезди в Галактиката – стотици пъти по-малко.
Откъде идват елементите
Цветът показва главния космически източник на всеки елемент (опростено). Щракнете върху елемент или върху източник в легендата.
26. Желязо (Fe) – експлодиращи бели джуджета, експлодиращи масивни звезди
Желязото в кръвта ви: около две трети от него идва от експлозии на бели джуджета.
6. 🎯 Бърз тест
Защо звездите се раждат на групи, в купове?
7. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
8. Обобщение
- ✓ Звездите се раждат в студени молекулни облаци, по-масивни от масата на Джинс; колапсът трае ~
- ✓ Синтезът ( г.), а не свиването ( г.), захранва Слънцето
- ✓ ~90% от живота – на ; после червен гигант (ядрото се свива, обвивката се раздува)
- ✓ Звезди до ~: червен гигант → планетарна мъглявина → бяло джудже
- ✓ Масивни звезди: H → He → C → Ne → O → Si → Fe, все по-кратко; желязото е краят
- ✓ Колапс на ядрото → свръхнова тип II (99% от енергията в неутрино) → неутронна звезда или черна дупка
- ✓ Тежките елементи са създадени в звезди, свръхнови и сливания на неутронни звезди – ние сме звезден прах
💡Интересен факт
Бетелгейзе е червен свръхгигант и ще избухне като свръхнова – може би утре, може би след 100 000 години. От 168 pc тя ще свети колкото полумесеца, ще се вижда денем и ще хвърля сенки нощем в продължение на седмици. За нас е напълно безопасна: опасно близки са свръхновите на под ~15 pc. А неутриното от нея ще пристигнат часове преди светлината – и детекторите по света ще предупредят астрономите да насочат телескопите си.