Пізні стадії еволюції зірок
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Теорія внутрішньої будови і еволюції зірок одна з найважливіших в сучасній астрофізиці. І це не дивно, адже велика частина речовини Всесвіту зосереджена в зірках, в їх надрах речовина відчуває активні перетворення при ядерних реакціях. За останні роки інтерес до проблем зоряної еволюції значно зріс, так як розвиток нових методів спостережень (інфрачервона, рентгенівська, нейтринна астрономія) дозволив отримати принципово нову інформацію про класичні об’єкти астрофізики і виявити абсолютно незвичайні об’єкти. Розробка нових методів розрахунку дала можливість чисельно досліджувати цілий ряд астрофізичних завдань.
Щоб уявити, як зірка еволюціонує, астрофізики-теоретики обчислюють послідовності моделей зірок зі змінним в ході ядерних реакцій хімічним складом. Передбачається, що кожна модель знаходиться в гідростатичній рівновазі, тобто сила тяжіння врівноважується газовим тиском. У міру збільшення температури в зоряних надрах і включення все нових ядерних джерел енергії будова зірки ускладнюється, тому-то дуже важкий розрахунок саме на пізніх стадіях еволюції.
Початкові стадії ядерної еволюції, що супроводжуються перетворенням водню в гелій в центральних областях зірок, досліджені досить детально. Завдяки цьому пояснено багато фундаментальних даних спостережень — головна послідовність зірок, діаграма Герцшпрунга-Рессела для розсіяних і кульових скупчень і визначено вік скупчень.
В даний час основні зусилля дослідників зосереджені на вивченні пізніх стадій еволюції зірок, коли виникають умови для появи пульсацій, закінчення речовини, вибухів. Теорія повинна пояснити багато спостережуваних явищ, які не зовсім вкладаються в загальний еволюційний ланцюг (аномалії хімічного складу атмосфер зірок, втрата маси, причини вибухових процесів в зірках), і незвичайні об’єкти — білі карлики, пульсари.
Можна вважати встановленим, що еволюція і кінцева доля зірки залежать в основному від її маси. Однак лише недавно став ясний характер цієї залежності. Виявляється, в масивній зірці (більше десяти сонячних мас) термоядерний синтез, що відбувається в її надрах, призводить в кінцевому рахунку до утворення залізного ядра. Температура в центрі зірки в цей момент досягає 5 *109 градусів, а щільність — близько 108 г/см3. При подальшому підвищенні температури починається розпад ядер заліза. Пружність речовини, а отже, і її здатність протистояти силі гравітації різко зменшуються, що викликає гравітаційний колапс і вибух наднової.
Процес колапсу детально поки не вивчений, але ясно, що якщо маса залізного ядра до моменту колапсу менше двох сонячних, то утворюється нейтронна зірка, а при більшій масі — чорна діра.
Якщо початкова маса зірки укладена між двома і десятьма сонячними, то зірка на стадії горіння водню і гелію в ядрі еволюціонує так само, як більш масивні зірки. Однак до початку горіння вуглецю в її надрах утворюється вироджене вуглецево-кисневе ядро. У виродженій речовині тиск не залежить від температури. Тому горіння вуглецю швидко підвищує температуру, що в свою чергу ще більше збільшує швидкість ядерних реакцій. Зрештою ядро зірки вибухає і, як раніше передбачалося, відбувається повний розліт зірки. Але факт існування пульсарів (залишків наднових) суперечить цій картині.
Астрономи припускають що є дві можливості утворення нейтронної зірки в результаті вибуху. Польські астрофізики встановили, що випромінювання нейтрино призводить до охолодження ядра зірки, тому після вибуху і залишається нейтронна зірка. Згідно з обчисленнями вчених, початок горіння вуглецю, здається, збуджує коливання виродженого ядра, що також запобігає повному розльоту зірки.
Вирішенню деяких питань, пов’язаних зі спалахами наднових, ймовірно, в значній мірі повинні допомогти спостереження. Зірки з масами менше двох сонячних після вигорання водню в ядрі і втрати оболонки перетворюються в білі карлики. Деякі стадії їх еволюції поки недостатньо ясні.
На основі методики, розробленої для вивчення еволюції одиночних зірок, успішно розвивається теорія тісних подвійних систем. При розрахунках їх еволюції доводиться брати до уваги неодноразові процеси обміну речовиною між компонентами. Дослідникам вдалося в рамках єдиної еволюційної послідовності пояснити природу таких космічних об’єктів, як подвійні системи, одна з компонентів яких — зірка Вольфа — Райе, масивні зірки з високими просторовими швидкостями, «тікають» з асоціацій, і рентгенівські джерела в подвійних системах.
Теорія еволюції зірок досягла зараз такого рівня, що дозволяє приступити до теоретичної інтерпретації конкретних характеристик зірок і зоряних груп. Спостереження показують, що зірки з поверхневою температурою в кілька тисяч градусів (червоні гіганти) втрачають речовину. Однак до останнього часу механізм втрати не був відомий. Серед астрономів були висловлені аргументи на користь того, що тиск випромінювання на пил, який, згідно з сучасними уявленнями, утворюється в холодних атмосферах червоних гігантів і надгігантів, може привести до значної втрати речовини. Зменшення маси суттєво змінює еволюцію зірки на пізній стадії. Попередні оцінки показали, що, якщо початкова маса зірки не перевищує шести сонячних, витіканню речовини запобіжить вибух наднової, а зірка, втративши значну частину своєї речовини, перетвориться в білий карлик з масою близько сонячної.
Спектральні дослідження свідчать про зміну хімічного складу атмосфер при переході від зірок одного типу до іншого. Особливий інтерес для теорії еволюції представляють спостереження зірок, в атмосферах яких мало водню, але є надлишок гелію, вуглецю та інших елементів. Однак, оскільки ядерні реакції відбуваються лише в центральних областях зірки, необхідно пояснити появу продуктів цих реакцій на поверхні.
Автор: А. В. Тутуков.