Что такое звезды и как они светят?

Когда поняли, что Солнце — огромный огненный шар, сначала предполагали, что там просто горит водород, как в костре. Потом подсчитали, что при таком способе выделения энергии водорода хватило бы всего на сколько-то тысяч лет. Не понимая, как Солнце может излучать столько энергии, ученые того времени решили «не заморачиваться».

К теориям причин свечения Солнца они вернулись в XX веке, после того как была открыта энергия атомного деления. Физики подсчитали, что при реакции синтеза атома гелия из двух атомов водорода выделяется просто океан энергии. Поэтому термоядерный синтез назначили ответственным за то, что звезды горят миллиарды лет. Но так ли это на самом деле, сами ученые пока не уверены на все 100%.

Рассмотрим жизненный цикл звезды.

1. Облако.

Итак, вначале было… облако. Газопылевое облако. Постепенно гравитация начинает стягивать молекулы газа и пылинки в центр. Длится этот этап, в зависимости от изначального размера облака, многие миллионы, а возможно, даже и миллиарды лет. В центре бывшего равномерно заполненного облака образуется протозвезда, накапливающая материал из облака.

2. Протозвезда.

Протозвезда продолжает притягивать к себе материю из окружающей ее туманности. И постепенно начинает нагреваться, а ее ядро уплотняется. Протозвезда начинает разогреваться и излучать энергию — сначала в инфракрасном диапазоне. Звезды, подобные Солнцу, находятся на этом этапе от сотен тысяч до миллионов лет, тогда как массивные протозвезды превращаются в звезды за несколько десятков тысяч лет.

3. Звезда.

Газ в центре сжимается настолько, что температура в протозвезде повышается до нескольких миллионов градусов. При сильном давлении внутри звезды этого достаточно, чтобы там началась термоядерная реакция. Водород звезды начинает превращаться в гелий, выделяя при этом очень много энергии. Звезда начинает светить и в видимом человеком диапазоне.

В зависимости от массы звезды этот этап может длиться миллиарды лет. По расчетам ученых звезда массы Солнца может светить еще около 5 млрд. лет (общее время этапа существования таких звезд — около 10 млрд. лет). Потом водород в звезде закончится, термоядерная реакция в центре нее начнет ослабевать, гравитация начнет ее сжимать.

4. Преобразование.

Дальнейшая эволюция звезды сильно зависит от ее массы.

Для звезд, масса которых сильно меньше массы Солнца, далее есть только теоретические рассуждения. Предполагается, что, когда весь водород в них «выгорит», они сжимаются и превращаются в голубые карлики. Светят они совсем слабо, потому их пока еще не нашли.

Если масса звезды превосходит примерно половину массы Солнца, то гравитация сжимает звезду настолько сильно, что температура в центре превышает 100 млн. градусов. При такой температуре начинается термоядерный синтез на основе гелия, в результате которого образуется кислороди углерод. Выход энергии при такой реакции настолько велик, что звезда сильно «распухает», превращаясь в красный гигант.

Для случая Солнечной системы считается, что диаметр получившегося красного гиганта будет больше, чем орбита Земли.

Длительность этого этапа значительно меньше, чем этапа термоядерного синтеза на основе водорода. Вместе с тем выход энергии при таких реакциях намного превышает энергию синтеза водорода, потому поток энергии изнутри сильно увеличивает размеры звезды.

Звезды, намного большие, чем Солнце, при выгорании превращаются в красные сверхгиганты. В них после выгорания гелия термоядерный синтез продолжается, теперь в их ядрах «горят» кислород с углеродом, происходит синтез более тяжелых элементов, кремния, неона и других — вплоть до железа. Но каждый новый этап — короче предыдущего.

Наконец, когда выгорело все, что могло, звезды типа Солнца становятся новыми. Они сбрасывают свои внешние слои, создавая планетарную туманность, от звезды остается маленькое горячее ядро, белый карлик. Ядро светит довольно ярко, но постепенно начинает тускнеть.

Если выгорает звезда значительно более массивная, чем Солнце, ее ядро коллапсирует (гравитация резко его сжимает), после чего звезда становится сверхновой. На короткое время на небе Земли вспыхивает ярчайшая звезда, которая иногда по светимости соперничает с Луной и видна даже днем. Но проходит несколько дней или недель — и звезда перестает быть видимой невооруженным глазом.

Ученые считают, что звезды с массой в 2−3 массы Солнца становятся нейтронными звездами (их так называют потому, что считается, что из-за гравитации в них нет атомов, только элементарные частицы, нейтроны).

А вот если масса звезды более чем втрое превышает размер Солнца, после взрыва она коллапсирует в черную дыру, один из самых загадочных объектов нашей Вселенной. Масса здесь настолько велика, что гравитация не позволяет даже свету вырваться наружу. Потому такие объекты пытаются обнаруживать по косвенным признакам — например, по тому, как с ними реагируют их ближние соседки-звезды.

Вы полагаете, что это — чисто умозрительные данные, не слишком важные для нас? На самом деле взрыв Сверхновой на расстоянии меньше 50 световых лет может оказаться летальным для всей жизни на нашей планете. Более того, предполагается, что одно из массовых вымираний на Земле было вызвано именно таким событием, ведь при этом погибли все живые организмы на планете, кроме глубоководных жителей, потомки которых впоследствии снова заселили океаны и материки.

По крайней мере нам пока совершенно не стоит беспокоиться о том, не погаснет ли вдруг наше Солнце. Времени до этого еще очень много.