Черные дыры. Гравитационные и электростатические силы. Жизнь звезд. Гравитационный коллапс и сверхновая, страница 4

На первой стадии формирования объекта центральная область разогревается за счет кинетической энергии частиц, которые устремляются к центру под действием гравитации. Если масса уплотняющегося облака относительно мала, то мала и присущая ему скорости убегания, так что наиболее легкие его составляющий со временем рассеиваются и остается только «ядро», состоящее из более тяжелых атомов. Таким способом, вероятно, возникла и наша Земля. Утечке газообразного вещества с Земли в значительной мере способствовало и гравитационное воздействие зарождающегося (сравнительно близко) Солнца. Такие планеты, как Юпитер и Сатурн, гораздо массивнее и находятся дальше от Солнца; вероятно, поэтому они и сохранили значительную часть легких элементов из первичного газового облака.

Однако и масса Юпитера (самой большой планеты Солнечной системы) недостаточно велика для того, чтобы его центральные области могли в результате гравитационного сжатия нагреться до температуры в несколько миллионов градусов, при которой начинаются термоядерные реакции. Для этого космическое тело должно иметь массу, сравнимую с массой Солнца.

Исходным термоядерным топливом в зарождающихся звездах служат легкие элементы (D, Li, Be, В); звезды, в которых это топливо сгорает, лежат в нижней части главной последовательности диаграммы Герцшпрунга—Рессела. Для звезды с размерами Солнца запаса указанных элементов хватает примерно на 100 млн. лет (см. рис. 44). Дальше следует короткий период гравитационного сжатия, и температура в центре звезды достигает 7 млн. градусов; при такой температуре возникают реакции, в ходе которых звезда сжигает свое самое обильное топливо и самый распространенный элемент во Вселенной — водород.

После этого наступает наиболее продолжительный и спокойный период в жизни звезды. Реакции в ее недрах протекают медленно и равномерно, температура в центре и на поверхности звезды плавно возрастает, и звезда постепенно перемещается по главной последовательности диаграммы Герцшпрунга—Рессела (рис. 54) вверх. Как уже говорилось, у Солнца этот период продолжается уже 4,6 млрд. лет; его запасы водорода израсходованы приблизительно на четверть, так что их хватит еще примерно на 10 млрд. лет спокойной жизни.

После сгорания водорода в центральной области звезды происходит ее дальнейшее гравитационное сжатие; температура в центре звезды повышается, и область сгорания водорода перемещается ближе к поверхности. Вследствие этого периферийная часть звезды начинает быстро расширяться — диаметр звезды увеличивается. Но поскольку выделяющаяся в реакциях энергия возрастает не очень сильно, а излучается теперь гораздо большей поверхностью, поверхностная температура звезды должна уменьшаться. Теперь звезда покидает главную последовательность и переходит в стадию красных гигантов. На этом этапе эволюции наше Солнце должно расшириться настолько, что поглотит Землю и другие планеты.

У звезд массы Солнца период термоядерных реакций заканчивается сжиганием водорода. Если же масса звезды хотя бы в 1,5 раза превышает массу Солнца, то за этим этапом следуют еще один или несколько этапов, в течение которых сгорают все более тяжелые элементы (см. рис. 44 и раздел о синтезе элементов) В конце каждого этапа наступает очередное гравитационное сжатие, продолжающееся до тех пор, пока температура, возрастая, не достигнет значения, необходимого для начала новых термоядерных реакций. Температура порядка 3,8 млрд. К, при которой начинается синтез железа и других близких к нему элементов, может быть достигнута только в центре самых крупных звезд.

Признаком того, что звезда близка к исчерпанию своих энергетических ресурсов, является постепенное нарушение равновесия между выработкой и расходом энергии. Это в первую очередь относится к большим звездам, которые прошли уже стадию сжигания гелия и на диаграмме Герцшпрунга — Рессела вновь приближаются к главной последовательности. Наблюдаема; переменность их светимости обусловлена не колебаниями количества выделяемой ими энергии, а неустойчивостью поверхностных слоев звезды.