Белые и черные карлики

Предыдущий сюжет начался с рассказа о звезде главной последовательности, подобной нашему Солнцу. Внутри ядра такой звезды идут реакции термоядерного синтеза гелия из водорода. Тем временем, снаружи ядра тоже есть водород, точнее водородная плазма. Термин «плазма» означает, что электроны и протоны не составляют отдельных атомов, а разъединены и перемешаны из-за очень высоких температур и давлений. Это фазовое состояние вещества похоже на «суп» из протонов и электронов, в противоположность обычным атомам при низких температурах. На рисунке изображена звезда главной последовательности. Звезда главной последовательности. Как вы видели в прошлом сюжете, водород в ее ядре синтезируется в гелий, который постепенно там накапливается. По мере накопления гелия плотность ядра увеличивается, потому что атомная масса гелия больше, чем водорода, он может вмещать большую массу в меньший объем. Таким образом, по мере выгорания водородного топлива ядро становится все плотнее. Ядро становится все плотнее. Уплотнение вещества в ядре звезды вынуждает синтез идти быстрее, поскольку рост давления, обусловленный гравитацией, ведет к росту температуры и количества вещества, задействованного в синтезе. Поэтому ядерные реакции происходят чаще, выделяется больше энергии. Давайте запишем это: синтез водорода в гелий протекает быстрее. Что можно наблюдать на примере нашего Солнца: в наше время оно горячее и светит ярче, чем сразу после своего образования 4,5—4,6 миллиарда лет назад, потому что термоядерный синтез в его недрах ускорился. Но ближе к концу эволюции такой звезды весь водород в ее ядре выгорит, и постепенно там останется только гелий: на каком-то этапе развития ядро станет полностью гелиевым. Плотность его будет выше, чем у первоначального ядра, весь бывший водород которого теперь превратился в гелий. Точнее, почти весь: некоторое количество перешло в энергию, но подавляющая часть стала все-таки гелием и теперь занимает намного меньший объем. Все это время температура растёт, а реакции синтеза ускоряются. В итоге водород выгорает полностью, и термоядерный синтез в гелиевом ядре прекращается. Однако в слое вещества, окружающем ядро, водород продолжает «гореть», вступая в реакции синтеза с образованием гелия. Снаружи этого слоя водородная плазма. Теперь обсудим не слишком очевидную вещь — по крайней мере, мне это показалось очевидным не сразу — что происходит с ядром этой звезды по мере роста его плотности? Темп синтеза в нем растет, и в реакциях выделяется все больше энергии, то есть ядро становится горячее, плотнее, и слияние атомов в нем идет чаще. Это похоже на начало коллапса: ядро начинает сжиматься, становясь при этом еще плотнее и жарче. Но в то же время сама звезда увеличивается в размерах: ее наружная оболочка расширяется. Конечно, это нарисовано не в масштабе. Красные гиганты намного больше звезд главной последовательности, потому что все время, пока ядро сжимается, остальное вещество звезды, то есть фотосфера, расширяется, становясь все более разрежённой. Дело в том, что звезда теперь производит так много энергии, что ее хватает не только на компенсацию гравитационного сжатия, но и на расширение оболочки. Хотя внутренняя часть теперь разогрета сильнее, остальное вещество звезды рассеивается в большем объеме, и этот объем так велик, что температура на поверхности красного гиганта на самом деле ниже, чем температура поверхности звезды главной последовательности, как вы видели в предыдущем сюжете и как показано здесь. Ну и просто к вашему сведению, когда наше Солнце превратится в красный гигант (а это непременно произойдет), его диаметр увеличится в 100 раз по сравнению с нынешним. Другими словами, его внешняя оболочка раздуется до пределов орбиты Земли: место, где мы сейчас находимся, окажется на поверхности будущего Солнца, или рядом с ней, или даже в глубине фотосферы. Разумеется, в этом случае от Земли не останется даже мокрого места. Попав в атмосферу звезды, планета расплавится и испарится в тот же миг. Солнце станет действительно огромным, это даже трудно представить. Сейчас солнечному лучу требуется около восьми минут, чтобы достичь земной орбиты, значит, столько же времени свет будет идти от центра Солнца-гиганта до его края. А чтобы пересечь его от одного края до противоположного, свету понадобится около 16 минут. И еще дольше свет будет путешествовать, чтобы обогнуть Солнце по окружности. Это действительно невообразимые размеры. Теперь давайте поговорим о будущем других звезд. Они могут вырасти даже больше и стать сверхгигантами. Но в любом случае, ядро у них будет из водорода… Простите, из гелия. Запишем это. В центре звезды-гиганта находится гелиевое ядро, а в окружающем его слое процессы синтеза ускоряются. Так устроен красный гигант. Температура в его ядре продолжает повышаться, пока не достигнет температуры «зажигания» гелия, или 100 млн градусов Кельвина. Как вы помните, температура «зажигания» водорода составляла 10 млн градусов Кельвина, то есть для запуска ядерного горения гелия она должна повыситься в 10 раз. Таким образом, в ядре внезапно начинается слияние гелия, или термоядерные реакции гелиевого цикла. Мы затронули этот вопрос в предыдущем сюжете. В этих реакциях гелий превращается в более тяжелые элементы, преимущественно в углерод и кислород с образованием некоторых промежуточных элементов. В углерод и кислород. Можно полагать, что и еще более тяжелые элементы образуются во Вселенной таким же образом — появляются с помощью синтеза в недрах звезд, особенно элементы с порядковым номером меньше, чем у железа. Как бы то ни было, ядро теперь переживает стадию горения гелия. Вокруг ядра имеется сферический слой гелия, температура и давление в котором еще не вполне достигли значений «зажигания» — это слой «спокойного» гелия. Но с внешней стороны слоя «спокойного» гелия давление и температура достаточно велики для ядерного горения водорода. Поэтому там лежит слой, в котором продолжается слияние водорода. А снаружи, над этим слоем, находится остальной водород фотосферы звезды — «спокойная» водородная плазма. Что это значит? Когда в ядре звезды вспыхивает ядерное горение гелия, это вторично обеспечивает ядру своего рода внешнюю энергетическую поддержку. Горение гелия противодействует постоянно усиливающемуся сжатию и уплотнению ядра, поскольку энергия, выделяющаяся в процессе синтеза, выталкивает вещество звезды наружу. Но в то же время в сферическом слое, где идет активное горение водорода, синтезируется все больше гелия. В результате инертная часть гелиевого ядра растет и уплотняется, производя все больше давления на его внутреннюю область. И очень скоро (с космологической точки зрения, буквально через несколько секунд) выделение энергии в реакциях гелиевого цикла, или ядерном горении гелия, достигнет предельного уровня. Какое-то время энергию сдерживает давление, создаваемое гравитацией, но в определенный момент энергетическое равновесие нарушится, и ядро взорвётся. Такой взрыв — не катастрофа, полностью разрушающая звезду, а всего лишь высвобождение большого количества энергии. Он называется «гелиевая вспышка». Гелиевая вспышка. После гелиевой вспышки звезда становится более «стабильной». Я употребляю это выражение в кавычках, поскольку красные гиганты вообще-то куда менее стабильны, чем звезды главной последовательности. Гелиевая вспышка приводит к небольшому увеличению объема звезды: теперь звезде не приходится тесниться в малом объеме благодаря тому, что произошла вспышка. Итак, в ядре звезды-гиганта идут реакции синтеза углерода и кислорода из гелия, а также других элементов в разных сочетаниях. Конечно, между гелием и углеродом с кислородом образуется ряд промежуточных элементов, но углерод и кислород доминируют. Снаружи ядра формируется слой инертного гелия, в котором не идут реакции термоядерного синтеза. А с внешней стороны от этого слоя лежит слой, где протекает синтез гелия из водорода — ядерное горение водорода. И наконец, выше слоя горящего водорода на всем протяжении фотосферы красного гиганта расположена водородная плазма. Что происходит дальше, когда звезда продолжает стареть? Напомню: в то время как ядро звезды становится плотнее и уменьшается, реакции синтеза в нем идут все быстрее, ядро выделяет все больше энергии наружу, и внешняя оболочка звезды раздувается. Поэтому ее поверхность все больше остывает. Если просмотреть этот процесс в ускоренной съемке, мы увидим, что в звездах, сравнимых по массе с Солнцем, на некоторой стадии развития сформируется углеродно-кислородное ядро, а если звезда массивнее Солнца, то оно разогреется до начала синтеза более тяжелых элементов. Что касается Солнца, то оно никогда не достигнет нужной для этого температуры — 600 млн градусов Кельвина. Так что в итоге у Солнца будет углеродно-кислородное ядро с примесью других элементов, окружённое слоем горящего гелия, окружённого слоем инертного гелия, окружённого слоем горящего водорода, который окружен толстым слоем спокойного водорода, или солнечной водородной плазмой. Вот такая матрешка! Но в конце концов все это ядерное «топливо» выгорит. Весь водород в этой звезде исчезнет, превратившись в гелий в результате нуклеосинтеза. Весь гелий также исчезнет, превратившись в другие элементы. Весь гелий исчезнет. Из водорода синтезируется инертный гелий, который потом также закончится, он будет использован в процессе синтеза углерода и кислорода, и наконец звезда достигнет этапа развития, когда у нее будет очень горячее и сверхплотное углеродно-кислородное ядро. Все это время ядро будет уплотняться и разогреваться, и в процессе этого будут появляться все более тяжелые элементы. До каких пределов может дойти плотность ядра? Как уже было сказано, у звезды с массой порядка солнечной ядро будет недостаточно горячим для того, чтобы началось слияния углерода и кислорода. Поэтому она просто станет сверхплотным шаром из углерода, кислорода и других элементов. Как вы помните, этот объект выделяет большое количество энергии. И чем больше энергии высвобождается, чем больше ее выделяется наружу, тем больше становится радиус звезды и холоднее ее внешняя поверхность, до тех пор, пока звезда не превратится в огромное облако газа, окружающее ее остатки. Это облако будет разлетаться все дальше от центра, далеко превзойдя размеры красного гиганта. В центре облака останется бывшее ядро звезды — сверхплотный массивный объект, состоящий из инертного углерода и кислорода. Это будущее нашего Солнца. Первое время этот объект продолжает излучать энергию, потому что он очень горячий. Это и есть белый карлик. В ядрах красных гигантов находятся белые карлики. Не имея собственных источников энергии, все остальное время своей жизни он будет остывать, пока в итоге не лишится всего запасённого тепла. Тогда он прекратит излучать и станет просто сверхплотным шаром из углерода и кислорода. Эта последняя стадия развития звезды называется «черный карлик». Черный карлик. Разумеется, такие звезды очень трудно обнаружить, потому что они не светятся. Их массы слишком малы по сравнению с чёрными дырами, которые тоже не излучают, зато можно видеть, как они воздействуют на окружающие объекты. То же самое произойдет когда-нибудь и с Солнцем. В следующих видео мы поговорим об эволюции звезд с массами менее солнечной, а также о том, что произойдет с более массивными, чем Солнце, звёздами, хотя я думаю, вы можете представить. Гравитация их огромных масс создаст в них такое высокое давление, что в их ядрах начнутся реакции синтеза все более тяжелых элементов, вплоть до железа. Subtitles by the Amara.org community