Концепции современного естествознания часть II человек и вселенная
|
Скачать 1.95 Mb.
|
|
2.2. Эволюция звезд После выгорания водородного топлива звезде становится нечем поддерживать высокую температуру, и она на какое-то время теряет способность сопротивляться гравитационному сжатию. Сжатие приводит к тому, что температура в центральной области звезды, состоящей теперь преимущественно из ядер гелия и свободных электронов, повышается до ~ 100 млн. градусов. При такой температуре ядра гелия обладают столь высокой энергией, что при столкновении они могут сближаться до расстояний, при которых происходят сильные взаимодействия. В этом случае при слиянии ядер гелия возникают прежде всего ядра углерода 12С6, при этом высвобождается энергия, которая поддерживает температуру звезды. Когда запасы гелия также полностью исчерпаются, звезда вновь сжимается под действием гравитационных сил, центральные области нагреваются до еще более высокой температуры, и из ядер углерода, а также оставшихся ядер гелия возникают более тяжелые элементы. Последовательное «сжигание» легких ядер и рост температуры центральной области звезды продолжается и далее – пока не возникают стабильные ядра. К их числу, в частности, принадлежат ядра железа. Когда термоядерные превращения доходят до железа, реактор останавливается, ведь при слиянии ядер, более тяжелых чем железо, энергия уже не выделяется, а поглощается. В действительности, эволюция звезды сопровождается катастрофическими взрывами, выбросами вещества в космическое пространство. При этом возникают столь большие давления, что ядра химических элементов вдавливаются друг в друга. Именно так образуются ядра элементов тяжелее железа, которыми обогащается межзвездное пространство. Предполагается, что вещество нашей Галактики уже прошло по меньшей мере одну или две переплавки в недрах каких-то звезд. На конечной стадии необратимой эволюции звезд, когда все ядерное топливо выгорело, тепловое давление cтановится не в состоянии противодействовать гравитации, и начинается процесс гравитационного сжатия, наиболее важные особенности которого отражены в таблице 2.1. Таблица 2.1. Этапы гравитационного сжатия
Чтобы проследить за эволюцией звезд, достаточно знать две величины, которые сравнительно легко определить: собственную светимость и цвет, характеризующий температуру поверхности. Поэтому в этих координатах можно построить зависимость светимости от цвета, и поскольку каждая звезда в любой период жизни имеет определенные светимость и цвет, ее положение можно отразить точкой на этой диаграмме. Так как звезды изменяются со временем, то в течение «жизни» звезды представляющая ее точка передвигается по этой диаграмме, описывая некую кривую. Таким образом, можно проследить процесс жизни и угасания звезды. Динамика поведения звезды зависит только от двух факторов: массы вещества, из которого она конденсировалась, и состава вещества. В начальный период жизни звезды играет роль только ее масса. Если сравнивать эволюцию звезд, химический состав которых подобен составу Солнца, т. е. звезд населения I, то окажется, что на протяжении большей части своей истории эти звезды занимают положения вблизи так называемой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга – Рассела (рис. 2.4). Массивные звезды оказываются более горячими и яркими, менее массивные звезды – холодные и тусклые. Так как большую часть
своей жизни звезда стабильна, диаграмма «цвет-светимость» для любой группы звезд представляет собой распределение точек вдоль главной последовательности. У звезды, масса которой не превышает 1,4 массы Солнца, гравитационное сжатие останавливается, когда вещество переходит в так называемое «вырожденное» состояние с очень большой плотностью (до нескольких тонн в кубическом сантиметре). При этом ядра атомов оказываются плотно упакованными, а все электроны обобществляются, образуя вырожденный электронный газ. Звезда еще сохраняет высокую температуру (104 К), но постепенно остывает и медленно сжимается в течение многих миллионов лет. Такие очень слабые звездочки – «белые карлики» – остаются видимыми, пока окончательно не остынут и не превратятся в похожие на планеты шары из вырожденного вещества – «черные карлики». Эволюция нашего Солнца к стадии красного гиганта приведет к тому, что оно сначала сожжет Землю из-за выделения огромного количества энергии при превращении гелия в водород, а затем в результате гигантского расширения поглотит ее останки. По расчетам астрономов до этого момента пройдет около 5 миллиардов лет. Время пребывания обычной звезды в виде красного гиганта составляет около 107 лет. Достигнув на этой стадии максимальных размеров, звезда быстро смещается влево на диаграмме «светимость-цвет» (рис. 2.4). Переход от красного гиганта до пересечения с главной последовательностью составляет примерно 1 % от всего времени существования звезды (для Солнца – 100 миллионов лет.) В этот период у большинства звезд нарушается равновесие, и они начинают пульсировать, изменяя светимость. Их называют переменными звездами. К ним относятся также нестационарные пульсирующие звезды-цефеиды. Далее эволюция идет в зависимости от массы звезды.
Если масса звезды после выгорания ядерного топлива превышает массу Солнца примерно в полтора раза (точнее в 1,4 раза), то такая звезда не может превратиться в белого карлика, ее ждет более драматический конец. Силы гравитационного сжатия на последнем этапе жизни звезды настолько велики, что им не может противостоять даже вырожденное вещество. Плотность вещества достигает миллиона тонн в куб. см, при этом атомные ядра раскалываются как орехи. Выделяется огромная гравитационная энергия – наступает гигантский взрыв. За несколько секунд выделяется 1045 Дж энергии, т. е. больше чем за всю предшествующую жизнь. Температура мгновенно достигает невообразимой величины 1011 К. Такой катастрофический процесс называется взрывом Сверхновой звезды. При этом большая часть массы звезды выбрасывается в космическое пространство со скоростью 1000–5000 км/с. Выброшенное вещество содержит тяжелые элементы, образовавшиеся в момент взрыва. В течение нескольких суток Сверхновая испускает больше света, чем целая галактика. Под действием такого взрыва электроны вдавливаются в атомные ядра, сливаются с протонами и образуют нейтроны. Мощные потоки нейтрино охлаждают ядро звезды и превращают ее в нейтронную звезду – своеобразное гигантское атомное ядро с поперечником в десяток километров. В летописях зафиксированы несколько событий, которые можно трактовать как взрыв Сверхновой: 4 июля 1054 г., 5 ноября 1572 г., 9 октября 1604 г. После первого из упомянутых взрывов образовалась расширяющаяся Крабовидная туманность в созвездии Тельца. В центре этой туманности находится быстро вращающаяся нейтронная звезда. Впервые нейтронные звезды наблюдались в 1967 году. Произошло это довольно неожиданно. Дело в том, что вблизи поверхности нейтронных звезд, которые обладают сильным магнитным полем, есть активные области, излучающие направленные потоки радиоволн. Такие области вращаются вместе с поверхностью звезды и излучают радиоволны как прожектор. Когда излучение этого прожектора попадает на Землю, астрономы фиксируют вспышки радиоизлучения, соответствующие периоду вращения звезды. Космические объекты, излучающие такие вспышки, назвали пульсарами. Период этих вспышек настолько мал, всего около секунды и даже меньше, что поперечник пульсара не мог быть больше нескольких десятков километров, в противном случае звезда была бы разорвана центробежными силами. Так доказано, что пульсар – это нейтронная звезда. Наше Солнце (желтый карлик) в соответствии с расчетами должно находиться в наблюдаемом состоянии 9 миллиардов лет, из которых 5 уже прошло. 2.3. Черные дыры Теория «черных дыр» разработана более 60 лет назад. Однако теоретические исследования последних лет показали, что эти объекты не абсолютно «черны». Поверхность черных дыр должна испускать электромагнитные волны. В результате этого излучения черная дыра теряет массу и, в конце концов, заканчивает свое существование взрывом – вспышкой в спектральном диапазоне жесткого гамма-излучения. Для космологического объекта со «скрытой» (ненаблюдаемой) массой американским физиком Уилером в 1969 г. предложен термин черная дыра (ЧД). ЧД (или коллапс) – это объект, у которого такое сильное гравитационное поле, что он ничего (в том числе и излучение тоже) от себя не отпускает. Наступает факт «пленения» света. Кстати, еще в 1783 г. английский священник и впоследствии основатель сейсмологии Д. Мичел, а затем и Лаплас в 1798 г. говорили об объектах с огромной гравитацией, которые будут абсолютно черными для внешнего наблюдателя. Для того чтобы поле тяготения смогло «запереть» излучение, создающая это поле масса Μ должна сжаться до объема с радиусом, меньшим гравитационного радиуса  или радиуса сферы Шварцшильда. Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом событий. Для Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для Земли 1 см. Однако ни Солнце, ни Земля до таких размеров самопроизвольно не уменьшатся. Черные дыры малой массы могут образоваться лишь при условии, что вещество сжато до огромных плотностей чрезвычайно высокими внешними давлениями. Такие условия могут выполняться в очень большой водородной бомбе: физик Джон Уилер как-то вычислил, что если взять всю тяжелую воду из всех океанов мира, то можно сделать водородную бомбу, в которой вещество так сильно сожмется, что в ее центре возникнет черная дыра. Предполагают, что есть два варианта образования ЧД в процессе эволюции звезд: первый – для звезд с массой больше 2÷3 масс нашего Солнца. По мере старения звезды ядерное топливо (водород) сгорает, и гравитационные силы не могут уравновеситься световым давлением за счет термоядерной реакции. Звезда сжимается, разогревается, происходит ядерный взрыв содержащихся в звезде тяжелых элементов, звезда вспыхивает в виде сверхновой, сбрасывая около 1/3 массы, и превращается в ЧД; второй – для малых звезд, массой значительно меньшей массы Солнца. В начальные моменты жизни Вселенной плотность материи огромна и малые неоднородности вещества создают большие неоднородности гравитационного поля, и это приводит к образованию ЧД в малых областях пространства. Могли ли эти неоднородности, существованием которых объясняется возникновение звезд и галактик, привести к образованию «первичных» черных дыр? Это зависит от того, какой была ранняя Вселенная. Следовательно, определив, какое количество «первичных» черных дыр сущестует сейчас, можно многое узнать о самых ранних стадиях развития Вселенной. Наличие такого огромного гравитационного поля у ЧД приводит к тому, что время течет все медленнее и медленнее по мере приближения к ЧД. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя, т. е. ЧД искривляет пространство и замедляет время. Как отмечал Б. Паркер: «Попав в ЧД, наш наблюдатель не сможет сообщить о том, что видит: он все время будет приближаться к ее центру... в центре будет находиться то, что осталось от звезды после коллапса – сингулярность. По мере приближения к сингулярности наблюдатель заметит, что пространство и время поменялись ролями. По «нашу» сторону горизонта событий мы можем управлять пространством, но не временем: время течет одинаково независимо от наших действий. Но за горизонтом, как ни странно, можно управлять временем, но не пространством – нас затягивает сингулярность, хотим мы этого или не хотим. Оказавшись с ней рядом, мы поймем, что нас ждет та же судьба, что и звезду, – нас сожмет до нулевого объема». В этом смысле ОТО описывает звезду, как «кладбище», «гравитационную могилу» всего того, что ЧД успела захватить. При образовании черной дыры для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами – массой и вращением. Этим определяются и форма черной дыры, ее размеры, ее свойства. В 1975 г. С. Хокинг показал, что ЧД может «дышать» – гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает в вакууме пары частиц, одну из которых захватывает ЧД, а другая улетает в окружающее пространство. Поверхность около черной дыры может излучать частицы разных видов, которые пока еще не зарегистрированы. С. Хокинг теоретически обосновал, что ЧД можно идентифицировать по теплу, выделяемому при завихрении гравитационной воронкой попадающего туда вещества. Такое излучение не существенно для ЧД, образованных из звезд в процессе эволюции, но существенно для тех ЧД, которые образовались на начальном этапе жизни Вселенной. Из астрономических наблюдений двойных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс, такая ЧД обнаружена в 1972 г. в системе Лебедь – Х-1. В 2000 г. обнаружены три гигантские черные дыры в созвездиях Девы и Овена массой в 50–100 миллионов раз больше нашего Солнца. Имеются также предположения, что формирование и развитие галактик происходило при взаимодействии с черными дырами, причем их масса определяла основную массу центральных частей галактик. По мнению американского астрофизика Д. Ричстоуна, радиационное излучение и появление элементарных частиц высоких энергий объясняются возникновением и ростом ЧД, что является основным источником тепла и кинетической энергии для формирования звезд в зарождающихся галактиках. Отметим также, что ЧД не просто необычный небесный объект, но в известном смысле «дыра» в пространстве и времени. В последние годы появились предположения, что черные дыры являются областями перехода от одного пространства к другому пространству, в другую Вселенную, отличной от первого размерностью и, следовательно, с другими физическими свойствами. То, что выглядит в «нашем» трехмерном пространстве как черная дыра, в другом является «белой дырой», через которую захваченная материя выходит в это другое пространство. Английский теоретик Р. Пенроуз рассмотрел случай коллапса и образования ЧД. Он допускает, что ЧД исчезает, а затем появляется в другое время в какой-то иной Вселенной. Рождение ЧД во время гравитационного коллапса, по его мнению, является важным свидетельством того, что с геометрией пространства–времени происходит нечто необычное. Исследования Пенроуза показывают, что коллапс заканчивается образованием сингулярности, т. е. он продолжается до нулевых размеров и бесконечной плотности объекта. Последнее условие дает возможность другой Вселенной приблизиться к нашей сингулярности, и не исключено, что сингулярность перейдет в эту новую Вселенную. Она даже может появиться в каком-либо другом месте нашей собственной Вселенной.    Рис. 2.8. Двойная звезда Рис. 2.9. Сравнение размеров звезд   Рис. 2.6. Строение Солнца Рис. 2.7. Солнечный протуберанец в сравнении с нашей планетой  Рис. 2.13. Рождение галактики The gallery for -- Hubble Telescope   Рис. 2.11. Сравнение параметров звезд и планет Рис .2.12. Крабовидная туманность The gallery for -- Hubble Telescope  Рис. 2.14. Карта Галактики Кроме того, есть также предположения, что, когда ЧД рождается в процессе гравитационного коллапса, она должна излучать гравитационные волны, которые могут пересекать пространство и на какое-то время искажать геометрию пространства вблизи Земли. |
Похожие:
 |
Карпенков С. Х. К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов К26 Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр и доп. – 639 с |
 |
Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
|
Список литературы из фондов научной библиотеки рггу по состоянию на март 2008 Гуго (1877-1946). Доисторический человек : с 39 табл., 4 к и 404 рис в тексте / Обермайер Гуго. Спб. [Тип. Ао брокгауз-Ефрон], [1913].... |
|
Методика № дифференциально диагностический опросник (ддо; Е. А. Климов) Шкалы Шкалы: типы профессий человек-человек, человек-техника, человек-знаковая система, человек-художественный образ, человек-природа Назначение... |
|
Тематическое планирование уроков химии 8класс Химия как часть естествознания. Химия-наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях |
|
Григорий Чхартишвили Предисловие Часть первая. Человек и самоубийство... Эдипов комплекс в истории суицидентов X. и Г. Опыт патологоанатомического психоанализа |
|
Кокин А. В. Концепции соврем естествознания: уч пособие / А. В. Кокин Дубнищева Т. Я., А. Ю. Современное естествознание: уч пособие / Т. Я. Дубнищева, А. Ю. Пигарев. – 2–е изд. – М.: Ивц «Маркетинг»»,... |
|
Программы В программе: Формы и приемы обучения современного урока по физической культуре. Календарно-тематическое планирование современного... |
|
Техническое задание 643. 05246295. 00059-01 тз 01 Концепции развития телемедицинских технологий в Российской Федерации, утверждённой приказом Минздрава РФ и рамн от 27. 08. 2001 г.... |
|
Общие методологические основы организации образования : вопросы системного... Учет материалов концепции развития техносферы дополнительного образования детей на среднесрочную перспективу, рекомендаций межрегиональных... |
|
Задание Определение маркетинговой концепции организаций ... |
|
Неповторимый Чеснок (часть 1) Ваша маленькая команда добавлена в командный режим выживания (обычный), случайно сгенерированное число участников: 6 человек] |
|
Информация о нарушениях, выявленных Государственной инспекцией труда... Года составила 695,4 тысяч человек (уменьшилась по сравнению с 2010 годом на 2,8 тысяч человек). Численность населения трудоспособного... |
|
В. М. Жуков Глава Механизмы в популяционной генетике Вселенная – это цепь или лестница, спускающаяся от подножья божественного трона на небе до ничтожнейшего творения на земле |
|
Которая в последнее время становится очень актуальной в нашем обществе.... Сегодня компьютеры стремительно внедрились в жизнь современного человека. Уже стало привычным видеть, что человек взаимодействует... |
|
Вводная часть Человек в процессе жизнедеятельности непрерывно взаимодействует со средой обитания, со всем многообразием факторов, многие из которых... |