Star Evolution – Як працює

Люди давно зацікавили причини горіння зірок в небі, але ми дійсно розуміли ці процеси з першої половини 20 століття. У статті я спробував описати всі основні процеси, які відбуваються під час життєвого циклу зірки.

Народження зірок

Старе утворення починається з молекулярної хмари (що включає в себе 1% всієї міжшлункової матерії за масою) – вони відрізняються від звичайної міжсланцевої газово-пилової хмари, що мають достатню щільність для молекул, щоб почати формувати з атомів (головно H2). Ця властивість не має значення, але підвищена щільність цієї речовини має велике значення - це залежить від того, чи може виявитися протостар, і як довго він займе.

Ці хмари самі, з низькою відносною щільністю, через їх величезний розмір, можуть мати значні маси - до 106 сонячних мас. Не встигли відкинути залишки своїх «крапельних» теплих, що для таких великих кластерів дуже «ефективний» вигляд, і є джерелом красивих астрономічних фото:





«Піляри створення» та відео про це фотографії телескопів Hubble:



Омега Небула (частина зірок – фон, газ світиться через опалення випромінювання зірок):
р.



Дуже процес відкидання залишків молекулярної хмари обумовлений так званим «сонячним вітром» – струмом заряджених частинок, які прискорюються електромагнітним полем зірки. У зв'язку з цим процесом Сонце втрачає мільйон тонн матерії на другий, який за нього (з масою 1.98855 ± 0.00025 * 1027 тонн) нічого не коштує. Самі частинки мають величезну температуру (близько мільйона градусів) і швидкість (близько 400 км / с і 750 км / с для двох різних компонентів):



Однак низька щільність цієї речовини означає, що вони не можуть завдати шкоди набагато.

При гранатових сил починають діяти, стиснення газу викликає сильний нагрів, завдяки якому починаються термоядерні реакції. Цей же ефект обігрівуючого матеріалу утворює основу для першого прямого спостереження екзоплантату в 2004 році:



У планеті 2M1207 b є 170 світлових років.

Однак різниця між невеликими зірками і газовими гігантними планетами полягає в тому, що їх маса недостатньо для підтримки початкової термоядерної реакції, яка, як правило, складається з у формуванні гелію з водню - при наявності каталізаторів (так званий цикл CNO - це діє для II і I покоління зірок, які будуть розглянуті нижче):



Це питання самостійної реакції, а не просто його факту, тому що хоча енергія для цієї реакції (і тому температура) строго обмежена знизу, енергія руху окремих частинок в газі визначається розподілом Maxwell:



І так навіть якщо середня температура газу в 10 разів нижче «низу» термоядерної реакції завжди будуть «земні» частинки, які збирають енергію від сусідів і набирають достатню кількість енергії для однієї події. Чим вище середня температура, тим більше частинок може подолати бар'єр, а тим більше енергії випускаються при цих реакціях. Таким чином, загальновизнаний край між планетою і зіркою є поріг, при якому відбувається термоядерна реакція не тільки, але і дозволяє підтримувати внутрішню температуру, незважаючи на випромінювання енергії з її поверхні.

Старе населення

Перед тим як ми говоримо про класифікацію зірок, нам потрібно з'єднатися і повернутися 13 мільярдів років, коли перші зірки почали з'являтися після рекомбінації речовини. Ми не бачили ніяких зірок, крім синіх гігантів. Причиною цього є відсутність «металів» у ранньому Всесвіті (і в астрономії, всі речовини називаються «своїм», ніж гелієм). Їхня відсутність означають, що ігнорувати перші зірки потрібно набагато більшу масу (з 20-130 сонячними масами) – адже без «металів». Цикл CNO неможливий, а замість цього є прямий цикл водню + водню = гелій. Це було б столярне населення III (поведінка їх величезної ваги, а їх ранній вигляд, вони більше не присутні в видимому Всесвіті).

Населення II зірки, утворені з залишків населення III зірки, більш ніж 10 мільярдів років і вже містять метали. Тому, один раз в цьому момент ми не помітили будь-яку особливу дивність – серед зірок вже присутні і гіганти, і «середа», як наша зірка, так і навіть червоні карлики.

населення I - ці зірки утворилися з другого покоління наднових залишків, що містять ще більше «металів» - до них відносяться найсучасніші зірки, а наш Сон - в тому числі.

Класифікація зірок



Сучасна класифікація зірок (Harvardian) дуже проста – базується на поділі зірок за своїми кольорами. У невеликих зірках реакції набагато повільніше, і це непропорційність викликає різницю температури поверхні, чим більша маса зірки, тим більш інтенсивне випромінювання від її поверхні настає:



Розподіл кольору, в залежності від температури (в градусах Кельвін)

Як видно з графіка розподілу Maxwell вище, коефіцієнти реакції збільшуються з температурою не лінійно – коли температура підходить до «критичної точки» дуже близько, реакції починають йти в десять разів швидше. Таким чином, життя великих зірок може бути дуже коротким на астрономічних масштабах – лише пара мільйонів років, яка нічого не порівнюється з розрахунковим часом існування червоних карликів – в цілих трильйонових роках (з явних причин не було такого крою, і в цьому випадку ми можемо лише спиратися на розрахунки, але їх життя проявляється явно більше сотні мільярдів років).

Зірка життя

Життя більшості зірок відбувається на головній послідовності, яка є вигнутою лінією, яка працює з верхнього лівого до нижнього кута:

Херсон3001

Hertzsprung-Russsell схема

Цей процес може здатися досить bleak: водень перетворюється в гелію, і цей процес займає мільйони або навіть мільярдів років. Але насправді на сонці (і інші зірки), навіть під час цього процесу щось відбувається на поверхні (і всередині) весь час:


5-річне відео, виконане з фото Сонячної динамічної обсерваторії НАСА, започатковано в рамках програми Life з Старом, відкривається вид на НД у видимих, ультрафіолетових і рентгенівських світлових спектрах.

Повний процес термоядерних реакцій у важких зірок виглядає так: водень - гелій - брилій і вуглецевих, а потім починають йти кілька паралельних процесів, закінчуючи утворенням заліза:



Це пов'язано з тим, що залізо має мінімальну енергію зв'язування (розрахований на нуклон), і подальші реакції відбуваються з поглинанням, не випускаючи енергії.

Завершення існування

Процеси, що відбуваються, можна розділити на чотири сценарії:

1) Маса залежить не тільки від життя зірки, але і як вона закінчується. Для «малих» зірок, коричневих карликів (клас М), закінчиться після вигорання водню. Але той факт, що теплопередача в них здійснюється виключно шляхом конвекції (змішування) означає, що зірка використовує своє ціле постачання максимально ефективно. Також буде проводитися якнайбільше мільярдів років. Але після того, як весь водень, зірка повільно охолоне, і буде в твердому м'ячі (як Pluto) складається практично повністю з гелію.

2) Тоді є більш важкими зірками (до яких відноситься наша Сонце) - маса цієї можливої майбутньої зірки обмежена від більш ніж 1,5-3 сонячних мас (по обмеженням Oppenheimer-Volkov). Хмара має достатню вагу для ігнорування реакції утворення вуглецю від гелію (природно, найбільш поширені нанукліди гелію-4 і вуглецю-12). А ось реакції водню-гелію не перестають йти - просто область їх потоку переходить в зовнішній вигляд, ще і водневі шари зірки. Присутність двох шарів, при яких відбуваються термоядерні реакції, призводить до значного збільшення люміносності, що викликає зірку на «крову» за розміром.

Багато людей помилково вважають, що перед моментом червоного гіганта, похилість Сонця (і інші подібні зірки) поступово знижується, а потім починає різко підніматися, по суті, збільшення похилості проходить по всій об'ємі життя зірки:



І на підставі цього неправильні теорії будуються, що в довгостроковій перспективі — Венера є найкращим варіантом для людського поселення — фактично, часом у нас є технологія терористичної сучасної Венери, вони можуть бути безперечно застарілими, і просто непотрібними. За даними сучасних даних Земля має високі шанси вижити стан «червоного гіганта». Венер не існує шансів, і «що було отримано важкою роботою» Сонце.



У процесі червоної гігантської зірки не тільки значно підвищує пористість, але і починає швидко втратити масу, завдяки цим процесам запаси палива швидко виробляються (на цьому етапі менше 10 разів менше, ніж стадія згоряння водню). Після цього зірка зменшується в розмірах, перетворюється в білу карлику і поступово охолоджується вниз.

(3) Коли маса вище першої межі, маса таких зірок досить ігнорувати подальші реакції, до утворення заліза, ці процеси в кінцевому підсумку призводять до супернова вибуху.



Залізо майже не бере участі в термоядерних реакціях (і, звичайно, не випускає енергію), і просто збирає в центрі ядер до тиску, що діє на неї ззовні (і дії гравітаційного зусилля ядер з внутрішньої сторони) досягає критичної точки. На цій точці сила стиснення ядра зірки стає настільки міцним, що електромагнітна відштовхування більше не здатна зберігати справу від контрактування. Електрони «пресовані» в атомну нуклею, і нейтралізуються з протонами, так що майже нейтрони залишаються всередині нуклеї.

Цей момент має квантову основу, і він має дуже чітку межу, і склад нуру виготовлений з досить чистого заліза, тому процес є катастрофічно швидко. Припустимо, що цей процес відбувається за секундами, а об'єм нуклеї становить від 100 000 разів (і відповідно його щільність збільшується):



Поверхні шари зірки, що не підтримуються знизу, щітка глибока, падають на утворену «бляшку» нейтронів, речовина відмовляється назад, а вибух виникає. Вибухові хвилі, що розгортаються через товщину зірки, створюють таке ущільнення і підвищують температуру речовини, що вони починають реагувати на формування важких елементів (до урану).

Ці процеси базуються на нейтронному захопленні (r-обробці та s-обробці) або захоплення прототипу (p-процесу та rp-процесу), при кожній такій реакції хімічний елемент збільшує атомний номер. Але в звичайній ситуації такі частинки не встигли ловити інший нейтрон / протон, і розпад. У процесах, що відбуваються всередині супернова, реакції виникають так швидко, що атоми встигли «проходити» більшу частину періодичного столу без розпаду.

Таким чином відбувається формування нейтронної зірки:


(4) Коли маса зірки перевищує другий, обмеження Чандрасекхара (1.39 Сонячні маси для вже сформованого супернового залишку), в процесі супернова вибух занадто багато маси залишків матерії, а тиск не здатний пересуватися навіть квантових сил.

У цьому випадку ми розуміємо ліміт, викликаний принципом Pauli, який стверджує, що дві частинки (у цьому випадку мова йде про нейтрони) не може бути в тій же квантовій державі (це основа для структури атома, що складається з електронних оболонок, кількість яких поступово збільшується з атомним числом).

Тиск компресів нейтронів, а подальший процес стає незламним - все матерія витягується разом в одну точку, а чорний отвір утворюється. Він не впливає на навколишнє середовище (крім тяжіння курсу), і може світитися тільки через нарахування (просто - падіння) речовини на ньому:





Як ви можете побачити з суми всіх цих процесів, зірки - це універсальний магазин фізичних законів. І на деяких ділянках (нейтронні зірки і чорні діри) це реальні фізичні лабораторії з екстремальними енергетиками і станами матерії.

Посилання:

Огляд статті про галерей

2006–2017 ООО «Нова пошта»


Джерело: geektimes.ru/post/265416/