Фізичні характеристики зір.

Хоча всі зорі мають на перший погляд однаковий вигляд, їхні фізичні характеристики: світність, температура, радіус, густина – суттєво різняться між собою. Між цими характеристиками існує взаємозв’язок, який відображає еволюційний шлях зорі. Сонце за своїми параметрами належить до жовтих зір, які знаходяться у стані рівноваги іне змінюють своїх розмірів протягом мільярдів років. У космосі існують зорі-гіганти, які у тисячі разів більші ніж Сонця, і зорі-карлики, радіус яких менший, ніж радіус Землі.

Колір та температура зір. Найпростіший метод вимірювання температури зорі полягає у визначенні її кольору. Правда, неозброєним оком можна визначити тільки колір яскравих зір, бо чутливість нашого ока до сприйняття кольорів при слабкому освітленні дуже мала. Колір слабких зір можна визначити за допомогою бінокля або телескопа, які збирають більше світла, тому при спостереженні зорі здаються нам яскравішими.

За температурою зорі розділили на 7 спектральних класів, які позначили літерами латинської абетки: О, В, A, F, G, К, М (англійське прислів’я: „Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me” – „будь гарною дівчиною, поцілуй мене”).

Найгарячіші зорі синього кольору належать до спектрального класу О, найхолодніші червоні зорі – до спектрального класу М. Сонце має температуру фотосфери +5780 К, жовтий колір і належить до спектрально­го класу G.

У спектрі кожної зорі є темні лінії поглинання, які показують її хімічний склад. Всі зорі мають майже однаковий хімічний склад, бо основні хімічні елементи у Всесвіті – Гідроген та Гелій, а основна відмінність різних спектральних класів обумовлена температурою зоряних фотосфер.

2. Зародження зір.Астрономи створили теорію еволюції зір завдяки тому, що в космосі ми можемо спостеріга­ти мільярди зір різного віку. Це трохи схоже на те, як за кілька годин можна описати ріст та розвиток дерева, яке існує десятки років, – треба тільки піти в ліс і вивчити дерева різного віку. Всесвіт – це своєрідний космічний парк, у якому зорі народжуються, певний час світять, а потім гинуть.

Важко побачити зорю до її народження, поки вона не почне світитися у видимій частині спектра. Зорі за­роджуються разом з планетами із розріджених газопи­лових хмар, які утворюються після вибуху старих зір. За допомогою сучасних телескопів астрономи виявили в космосі сотні таких величезних газопилових туманностей, де зараз відбувається утворення молодих світів. Наприклад, такі своєрідні „ясла” новонародже­них зір можна побачити у сузір’ї Оріон, у зоряному скупченні Плеяди.

Доля зорі та тривалість її життя залежать від по­чаткової маси зародка зорі – протозорі. Якщо вона була у кілька разів більша ніж маса Сонця, то під час гравітаційного стиснення утворюються гарячі зорі спектральних класів О та В. Протозорі з такою по­чатковою масою, як маса Сонця, в цих умовах нагріваються до температури 6000 К. Протозорі з масою у кілька разів меншою ніж сонячна можуть перетворитися тільки на червоних карликів. Найменша маса, яка необхідна для початку термоядерних реакцій у надрах зорі дорівнює приблизно 0,08 маси Сонця. Об’єкти меншої маси ніколи у зорі перетворяться – вони будуть випромінювати енергію тільки в інфрачервоній частині спектра. Такі космічні тіла ми спостерігаємо навіть у Сонячні системі – це планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Нептун. Можливо, що у міжзоряному простої кількість таких холодних інфрачервоних тіл (їх ще називають коричневими карликами) може бути набагато більшою, ніж видимих зір.

3. Зоря в стані гравітаційної рівноваги. Протягом свого тривалого життя кожна зоря може як збільшувати, так і зменшувати всі свої основні параметри - температуру, світність та радіус. Зорі на головній послідовності знаходяться в стані гравітаційної рівноваги, коли зовнішні шари за рахунок гравітації тиснуть до центра, в той час як тиск нагрітих газів діє у протилежному напрямку – від центра. Зоря в стані гравітаційної рівноваги не змінює своїх параметрів, бо інтенсивне випромінювання енергії з поверхні компенсується джерелом енергії у надрах – термоядерними реакціями. Такий процес триває доти, поки половина Гідрогену у ядрі не перетвориться у Гелій, і тоді інтенсивність термоядерних реакцій може зменшитися. Тривалість такої стаціонарної фази в житті зорі, коли її параметри довгий час залишаються сталими, залежить знову-таки від її маси. Розрахунки показують, що такі зорі, як Сонце, у стані рівноваги світять не менше ніж 10 млрд. років. Більш масивні зорі спектральних класів О, В, надрах яких термоядерні реакції протікають інтенсивніше, у рівновазі світять 100 млн. років, а найдовше „мерехтять” маленькі червоні карлики – їхній вік може перевершувати 10¹¹ років.

4. Змінні зорі протягом певного часу можуть змінювати свою яскравість. Розрізняють різні типи змінних зір:

– блиск зорі може змінюватися в кратних системах, коли відбуваються періодичні затемнення об’єктів, які мають різну світність. Прикладом такої змінної зорі є Алголь – відома подвійна зоря β Персея;

– інший тип змінних зір називають фізично змінними. Зміна яскравості таких зір пов’язана з тим, що термоядерні реакції в центрі зорі з часом будуть протікати не так інтенсивно, тоді порушення гравітаційної рівноваги буде помітне у зміні її розмірів та температури на поверхні.

Із різних типів фізично змінних зір привертають увагу цефеїди. Їхня назва походить від сузір’я, у якому вперше помітили таку змінну зорю δ Цефея. Розрахунки періоду зміни яскравості показали, що цефеїди змінюють свій радіус, тому їх можна вважати своє­рідними маятниками, які коливаються у своєму гравітаційному полі. Період пульсацій залежить від маси та радіуса зорі, наприклад δ Цефея пульсує з періодом 5,4 доби.

Пульсації приводять до того, що цефеїда з часом пе­ретворюється у гіганта, який може поступово скинути свою оболонку. Такі об’єкти астрономи помилково називали планетарними туманностями – колись вважа­ли, що так народжується нова планетна система. Гаряче ядро такої планетарної туманності посту­пимо стискується і перетворюється у білого карлика.

5. Нові та Наднові зорі. Зорі з масою у кілька разів біль­шою ніж сонячна закінчують своє життя потужним вибухом. У 1054 р. китайські астрономи спостерігали надзвичайно яскраву нову зорю, яку було видно вдень протягом кількох тижнів. Цю незвичайну зорю помітили також літописці в Київській Русі, бо це був рік смерті Ярослава Мудрого. Вони вважали, що поява нової зорі віщувала „Боже знамення” на сумну подію у житті Русі. Сьогодні на тому місці, де спалахнула ця таємнича зоря, видно туманність Краб. Зорі спектральних класів О та В, які протягом кількох днів збільшують свою яскравість у сотні мільйонів разів, називають Новими. Інколи Нова випромінює майже стільки ж енергії, скільки виділяють разом всі зорі в галактиці такі зорі мають назву Наднових. Туманність Краб в сузір’ї Тільця є залишком такої Наднової, що спалахнула 4 липня 1054 р. Вірніше, як­що врахувати, що туманність Краб знаходиться на відстані 6500 св. років від Землі, то спалах Наднової стався ще 7500 років тому.

Останній спалах Наднової астрономи спостерігали у минулому тисячолітті 24 лютого 1987 р. у сусідній галактиці – Великій Магеллановій Хмарі. Вибухнула гігантська зоря з масою 15 мас Сонця, спектрального класу В, яка кілька тижнів світила яскравіше від всіх зір у га­лактиці. Приблизно за 20 год. перед спала­хом Наднової було зареєстровано ударну хвилю нейтринного потоку, який тривав 13 с і за потужністю був у десятки тисяч разів більший, ніж енергія в оптичному діапазоні. Таким чинам, у 1987 р. астрономи вперше отримали інформацію про далеку космічну події яка відбулася майже 200000 років тому.

Після спалаху зорі всі планети, які обертались навколо неї, випаровуються і перетворюються у газопилову туманність, з якої у майбутньому може утворитися нове покоління зір. Тобто у Всесвіті спостерігається своєрідний кругообіг речовини: зорі спалах зір – туманність – і знову народження нош зір.

Під час спалаху Нових утворюються важкі хімічні елементи, тому нове покоління планетних сис­тем утворюється з іншим хімічним складом. Планети земного тину, які мають тверду поверхню, могли ви­никнути тільки на руїнах старої планетної системи, коли під час спалаху Нових утворюються Si, Fe, Al.

6. Пульсари і нейтронні зорі. Сучасні теоретичні розрахунки показують, що пульсари і нейтронні зорі – це одні й ті самі об’єкти, При стисненні нейтронної зорі має викопуватися закон збереження моменту імпульсу. Цей закон часто демонструють на льоду фігуристи, коли треба викликати швидке обертання свого тіла навколо осі. Спортсмени спочатку починають повіль­но обертатися навколо осі з витягнутими у різні боки руками. Потім поступово руки підводять до тулуба, при цьому кутова швидкість обертання різко зростає. Таке ж саме зростання кутової швидкості спосте­рігається при зменшенні радіуса зорі. Наприклад, за­раз Сонце обертається навколо своєї осі з періодом приблизно 28 діб. Якби радіус Сонця зменшився до 10 км, то його період обертання дорівнював би 1 с.

При гравітаційному стисненні настільки зростає напруженість магнітного поля зорі, що вона „випускає” випромінювання тільки через магнітні полюси у вигля­ді своєрідних „прожекторів”, які описують у космосі вели­чезний конус. Можливо, що в Галактиці існують мільйони нейтронних зір, але зареєстровано тільки кіль­ка сотень у вигляді пульсарів, бо більшість таких „прожекторів” не спрямовані на Землю.

7. Чорні діри утворюються на останній стадії еволюції зір з масою більшою ніж 3 маси Сонця.. Така дивна назва пов’язана з тим, що ці тіла мають бути невидимими, бо не випускають за свої межі світла. З іншого боку, такі об’єкти втягують до себе все з навколишнього простору. Якщо космічний корабель потрапляє на межу чорної діри, то вирватися з її поля тяжіння він не зможе, бо друга космічна швидкість біля її поверхні дорівнює швидкості світла 300 000 км/с.

Можна визначити критичний радіус будь-якого космічного тіла з відомою масою, за якого воно перетвориться на чорну діру. Наприклад, для Землі R₀ = 1 см, а для Сонця R₀ = 3 км – такий об’єкт не буде випускати з гравітаційного поля навіть квантів світла, тому він стає невидимим, і від нього не можна отримати інформацію за допомогою електромагнітних хвиль. Подібних чорних дір, або своєрідних зоряних могил, у космосі може налічуватись навіть більше, ніж звичайних зір. Отримати інформацію про чорну діру можна за допомогою і гравітаційного поля, яке безслідно не може зникнути.

8. Еволюція Сонця. Теоретичні розрахунки показують, що такі зорі, як Сонце, ніколи не стануть чорними дірами, бо вони мають недостатню масу для гравітаційного стиснення до критичного радіуса. У стані гравітаційної рівноваги Сонце може світити 10¹⁰ років, але ми не можемо точно визначити його вік, тоб­то скільки часу пройшло від його утворення. Правда, за допомогою радіоактивного розпаду важких хіміч­них елементів можна визначити приблизний вік Землі – 4,5 млрд. років, але Сонце могло утворитися раніше, ніж сформувалися планети. Якщо усе-таки зорі й пла­нети формуються одночасно, то Сонце може світити в майбутньому ще 5 млрд. років. Після того як у ядрі весь Гідроген перетвориться в Гелій, пору­шиться рівновага в надрах Сонця і воно може перетво­ритися у змінну пульсуючу зорю – цефеїду. Потім че­рез нестабільність радіус Сонця почне збільшуватися, а температура фотосфери знизиться до 4000 К – Сонце перетвориться у червоного гіганта. На небосхилі Землі буде світити велетенська червона куля, кутовий діаметр якої збільшиться в 10 разів у порівнянні із сучасним Сонцем і буде сягати 5°. Блакитного неба на Землі не стане, бо світність майбутнього Сонця зросте у десятки разів, а температура на поверхні нашої планети буде більшою ніж 1000°С. Випаруються океани, і Земля перетвориться на страшну гарячу пустелю, чимось схо­жу на сучасну Венеру, У Сонячній системі така темпе­ратура, як зарай на Землі, буде тільки на околицях – на супутниках Сатурна та Урана. У стадії червоного гіганта Сонце буде світити приблизно 100 млн. років, після чого верхня оболонка відірветься від ядра і поч­не розширюватися у міжзоряний простір у вигляді планетарної туманності. При розширенні напевно випаруються всі планети земної групи, і на місці Сонця залишиться білий карлик – маленьке га­ряче ядро, у якому колись протікали термоядерні ре­акції. Радіус білого карлика буде не більшим, ніж у Землі, але густина сягатиме 10¹⁰кг/м³. Білий карлик не має джерел енергії, тому температура його поверхні поступово знизиться, і остання стадія еволюції нашого Сонця – холодний чорний карлик.

Сонячна система утворилася 5 млрд. років тому з велетенської хмари газу і пилу. А раніше замість цієї хмари існувала зоря, яка вибухнула як Наднова. Тобто наше Сонце належить вже до другого (а можливо й третього) покоління зір, що мають багато важких хімічних елементів, з яких утворилися планети земної групи.

Висновок: У космосі постійно відбуваються народження нових зіріз газопилових туманностей та вибухи старих, коли утворюються нові туманності. Сонячна система утворилася близько 5 мільярдів років тому з велетенської газопилової хмари, яка виникла на місці вибуху старої зорі. У стані рівноваги Сонце буде світити ще кілька мільярдів років і потім перетвориться на червоного гіганта, який знищить все живе на Землі...