Смерть звезд: Как умирают звезды?

Как умирают звезды?

Наука
Космос
Звезды
Сверхновая
Черная дыра

Как умирают звезды?

Егор Морозов

—
22 января 2021, 14:25

Звезды начинают свою жизнь в огромных газопылевых облаках, когда под воздействием гравитации те сжимаются настолько, что температуры внутри начинает хватать для зажигания ядерного синтеза водорода. И, как только стартует этот процесс, звезда вступает в игру со смертью. Мощная гравитация массивного светила пытается сжать его до крошечной точки, но энергия, выделяемая при синтезе, вырывается наружу, создавая хрупкое равновесие, которое может сохраняться в течение миллионов, миллиардов и даже триллионов лет.

Чем меньше звезда — тем дольше она проживет. Маленьким звездам банально не нужно много энергии для уравновешивания внутреннего гравитационного притяжения, поэтому они только слегка потягивают свои запасы водорода, как мохито на пляже. В качестве дополнительного «жизненного бонуса» атмосферы этих звезд постоянно циркулируют, заставляя свежий водород из внешних слоев проникать в ядро, где он помогает подпитывать термоядерный синтез.

В общем, типичный красный карлик будет мееедленно сжигать водород в своем ядре в течение триллионов лет. Да, такие звезды могут увидеть рождение и смерть Солнца. Они вообще могут увидеть закат Вселенной, когда ярких светил больше не останется, и космос погрузится во тьму.

Красные карлики достаточно малы, чтобы планеты рядом с ними существенно снижали их яркость — потенциальный способ нахождения экзопланет.

По мере того, как эти маленькие звезды стареют, они постепенно становятся ярче и горячее, пока не начнут расплываться, превращаясь в инертные скучные комки гелия и водорода, который просто болтаются во Вселенной. Судьба явно незавидная, зато жизнь тихая и размеренная.

Грандиозный финал

Перейдем на другой конец шкалы, в гости к молодым и горячим гигантам и сверхгигантам, коих существует достаточно много (самые распространенные — голубые и красные). Жизнь таких огромных звезд, которые нередко в десятки раз тяжелее нашего Солнца, протекает бурно: из-за их огромной массы реакции синтеза в их недрах должны происходить крайне активно, чтобы поддерживать баланс с гравитацией.

В итоге, несмотря на то, что они намного тяжелее своих собратьев — красных карликов, эти звезды имеют гораздо более короткую продолжительность жизни: всего лишь несколько миллионов лет. Это смешная цифра даже по земным меркам: со времен гибели динозавров во Вселенной могло смениться с десяток поколений голубых гигантов.

Голубой сверхгигант Гамма Ориона, красный сверхгигант Алгол В, Солнце и планеты.

Но при этом их короткая жизнь оказывается невероятно полезной для всего космоса. Их огромные размеры и высокие температуры в недрах позволяют им проводить реакции синтеза не только с водородом, но и гелием. И углеродом. И даже кислородом, магнием и кремнием. Такие звезды способны создавать чуть ли не половину таблицы Менделеева к концу своей жизни. 

Смерть таких огромных звезд происходит так же эпично, как и их жизнь. Как только тяжелых элементов в них становится достаточно, чтобы образовать железное ядро, синтез прекращается, и вечеринка заканчивается. Так как больше нечему противостоять гравитации, весь материал, окружающий ядро, вдавливается в него. Однако плавление железа не выделяет достаточного количества энергии, чтобы противодействовать этому процессу. В итоге ядро ​​сжимается до такой невероятной плотности, что электроны оказываются просто вынужденными объединиться с протонами, превращая все ядро ​​в гигантский шар нейтронов.

Этот нейтронный шар оказывается способен некоторое время противостоять сокрушительным силам гравитации, но все равно в итоге сдается, вызывая мощнейший взрыв сверхновой. Для понимания масштабов: сверхновая за неделю способна выделить больше энергии, чем наше Солнце за все 10 миллиардов лет своей жизни.

Последствия такого взрыва ожидаемо катастрофические: про выживание планетной системы даже говорить не приходится, может хорошо достаться даже соседним звездам. Ударная волна и материал, выброшенный во время взрыва, создают целые пузыри газа в межзвездной среде, разрушают туманности и даже выбрасывают материал из самих галактик.

Взрыв сверхновой в соседней галактике M82.

Это одно из самых захватывающих зрелищ во всей Вселенной. Последние описанные сверхновые, взорвавшиеся в Млечном пути, были неделями хорошо видны даже днем. А сверхновые, взрывающиеся в соседних галактиках, нередко светят ярче их самих.

Однако, как бы удивительно это не звучало, такие разрушительные взрывы… даруют жизнь. В них синтезируется вся таблица Менделеева, разлетаясь после этого с ударной волной по галактике. В результате образуются новые газопылевые облака, из которых рождаются новые звезды и планеты, и цикл повторяется.

Но что же происходит с остатками самих сверхгигантов? Выбор у них небольшой: если их масса сравнительно мала, то они так и остаются крайне сжатыми шарами из нейтронов — нейтронными звездами с гигантской плотностью. Если же масса оказывается достаточной, рождается новая черная дыра.

Последнее шоу

Наихудшая участь постигает звезды среднего размера — такие, как наше Солнце. Слишком большие, чтобы спокойно уйти в ночь, и слишком маленькие, чтобы вызвать взрыв сверхновой, они вместо этого превращаются в ужасных монстров, которые перед смертью выворачиваются наизнанку.

Для этих средних звезд (которых во Вселенной больше 90%) проблема заключается в том, что, как только в ядре начинает образоваться шар из кислорода и углерода, вокруг него оказывается недостаточно массы, чтобы превратить его в железное ядро. Так что он просто растет, становясь с каждым днем ​​все жарче. Остальная часть звезды реагирует на этот ад в ядре, раздуваясь и превращая звезду в красного гиганта. Когда наше Солнце достигнет этой фазы, оно вполне может дотянуться до орбиты Земли, тем самым прекратив ее историю.

Эта фаза красного гиганта крайне нестабильна, и звезды, подобные нашему Солнцу, будут раздуваться, коллапсировать и повторно надуваться снова и снова, при этом при каждой итерации будут возникать солнечные ветра, уносящие часть материала в Солнечную систему. В своей последней агонии звезда среднего размера при очередном разрастании буквально лопается, образуя горячую планетарную туманность, окружающую теперь обнаженное ядро ​​из углерода и кислорода в центре. Такие звездные останки зовутся белыми карликами.

В дальнейшем белый карлик еще некоторое время освещает планетарную туманность, прежде чем звездный труп не остывает слишком сильно, чтобы позволить такие световые шоу. Несмотря на то, что планетарные туманности выглядят очень красивыми в телескоп — не обманывайтесь, они являются продуктом мучительной смерти звезды.

Но стадия белого карлика — еще не конец. В течение сотен миллиардов лет у него еще будет достаточно тепла, чтобы хотя бы слегка светиться в ИК-диапазоне. И только после этого, растеряв абсолютно все тепло, он превратится в черного карлика, который будет абсолютно не различим на фоне Вселенной.

iGuides в Яндекс.Дзен —  zen. yandex.ru/iguides.ru

iGuides в Telegram — t.me/igmedia

Рекомендации

• Как сделать свои стикеры для Telegram прямо со смартфона. Пошаговый гайд

• AliExpress нагло завысил все цены. Не спешите с покупками

• Как отключить подорожавшие СМС-уведомления в «Сбербанке» и ВТБ

• Забирайте, пока в наличии!»>

  В России обвалилась цена на MacBook Air с чипом M1. Забирайте, пока в наличии!

Рекомендации

Как сделать свои стикеры для Telegram прямо со смартфона. Пошаговый гайд

AliExpress нагло завысил все цены. Не спешите с покупками

Как отключить подорожавшие СМС-уведомления в «Сбербанке» и ВТБ

В России обвалилась цена на MacBook Air с чипом M1. Забирайте, пока в наличии!

Читайте также

Apple
iOS

Как слушать музыку во Вконтакте без рекламы и интернета.

Рассказываем

ВКонтакте
VK
VK Музыка

Apple выпустила iPhone 14 специально для России. Что это значит?

Apple
iPhone
iPhone 14

Астрофизики поняли, как предсказать близкую смерть звезды

Новости
14 сентября 2022

Далее

Александр
Шереметьев

новостной редактор

Александр
Шереметьев

новостной редактор

Исследователи определили признаки, которые говорят о приближении взрывной смерти звезды — сверхновой.

Читайте «Хайтек» в

Международная группа исследователей представила работу, в которой описывается, как выглядят сверхновые перед взрывом. Оказывается, если вокруг гигантской красной звезды сформировалась пелена из плотного материала, ей осталось жить всего несколько лет.

В своей работе ученые исследовали сверхновые типа II-P. В отличие от других сверхновых, эти взрывы остаются яркими еще долгое время после первоначальной вспышки. Используя данные наблюдений за несколькими известными примерами, астрофизики просмотрели старые каталоги и нашли изображения звезд до того, как они взорвались. 

Исследование показало, что за несколько лет перед взрывом сверхновые были окружены плотной пеленой материала. Именно он заставляет сверхновые этого типа дольше светиться. Компьютерное моделирование на основе данных исторических наблюдений показало, что такая пелена формируется достаточно быстро всего за несколько лет перед взрывом.

Красный супергигант Бетельгейзе — один из кандидатов на превращение в сверхновую. Изображение: ESO/P. Kervella

В процессе эволюции звезды проходят разные фазы. В глубине ядра синтез водорода постепенно заменяется на более тяжелые материалы: гелий, углерод, магний и кремний. Когда дело доходит до железа, звезда приближается к смерти. Дело в том, что это вещество поглощает, а не выделяет энергию в процессе синтеза.

В результате в последний миг такие звезды всего за несколько минут взрываются ослепительным сиянием, которое видно издалека. Несмотря на то, что внутренние процессы изменяются, внешне звезда до последнего времени может оставаться стабильной. Точнее, она увеличивается до экстремальных размеров и становится очень яркой, но этот процесс может длиться очень долго.

Новый признак поможет лучше определять приближение конца. Например, Бетельгейзе, взрыва которой астрофизики ждут уже много лет, по всей видимости, еще не подошла к крайней черте.

Читать далее:

Космический самолет доставит грузы на МКС и приземлится в обычном «аэропорту»

В ранней Вселенной нашли рой галактик, вращающихся вокруг одной гиперяркой

Физики объяснили «космическую нестыковку» Хокинга: как это изменит науку

_{Изображение на обложке: NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)}

Читать ещё

WMAP- Жизнь и смерть звезд

Где рождаются звезды?

Астрономы считают, что молекулярные облака, плотные облака газа, расположенные преимущественно в
спиральные рукава галактик являются местом рождения звезд. Плотный
области в облаках коллапсируют и образуют «протозвезды». Первоначально
гравитационная энергия коллапсирующей звезды является источником ее энергии. Однажды звезда
сжимается настолько, что его центральное ядро ​​может сжечь водород до гелия, он становится
звезда «главной последовательности».

Изображение «Звездное рождение»
Облаков в М16:

PRC95-44b Широкоугольное изображение Хаббла
Текстовая ссылка
к пресс-релизу HST с описанием этого изображения.
атомы гелия в их ядрах. Для данного химического состава и возраста звезды
светимость, полная энергия, излучаемая звездой в единицу времени, зависит только от ее массы.
Звезды, которые в десять раз массивнее Солнца, светят более чем в тысячу раз ярче
чем Солнце. Однако нас не должна слишком смущать малая светимость Солнца: она
в десять раз ярче звезды, вдвое меньшей ее массы. Чем массивнее звезда главной последовательности, тем
ярче и голубее. Например, Сириус, звезда-собака, расположенная слева внизу от
созвездие Ориона массивнее Солнца и заметно голубее. На
С другой стороны, Проксима Центавра, наша ближайшая соседка, менее массивна, чем Солнце, и
таким образом, более красный и менее светящийся.

Поскольку запасы водорода в ядрах звезд ограничены,
время жизни в качестве звезд главной последовательности. Это время жизни пропорционально f M /
L , где f — доля общей массы звезды, M , доступная для ядерного горения в ядре и L
— средняя светимость звезды за время ее жизни на главной последовательности. Из-за
сильная зависимость светимости от массы, время жизни звезд чувствительно зависит от массы.
Таким образом, к счастью, наше Солнце не более массивно, чем оно есть, поскольку звезды с большой массой
быстро исчерпывают свой основной запас водорода. Как только звезда исчерпает свой запас водорода в ядре,
звезда становится краснее, больше и ярче: она становится красным гигантом. Этот
связь между массой и временем жизни позволяет астрономам установить более низкий предел возраста Вселенной.

Смерть «обычной» звезды

После того, как звезда с малой массой, такая как Солнце, истощает запасы водорода в своем ядре, больше нет источника тепла, поддерживающего ядро ​​против гравитации. Горение водорода продолжается в оболочке вокруг ядра, и звезда превращается в красного гиганта. Когда Солнце станет красным гигантом, его атмосфера окутает Землю, и наша планета будет поглощена огненной смертью.

Тем временем ядро ​​звезды сжимается под действием гравитации, пока не достигает достаточно высокой плотности, чтобы начать сжигание гелия до углерода. Фаза горения гелия продлится около 100 миллионов лет, пока гелий не иссякнет в ядре и звезда не станет красным сверхгигантом. На этом этапе у Солнца будет внешняя оболочка, простирающаяся к Юпитеру. В течение этой короткой фазы своего существования, длящейся всего несколько десятков тысяч лет, Солнце потеряет массу в мощном ветре. В конце концов, Солнце потеряет всю массу своей оболочки и оставит после себя горячее ядро ​​из углерода, заключенное в туманность выброшенного газа. Излучение этого горячего ядра ионизирует туманность, создавая поразительную «планетарную туманность», очень похожую на туманности вокруг остатков других звезд. Углеродное ядро ​​со временем остынет и станет белым карликом, плотным тусклым остатком некогда яркой звезды.

Изображение планетарной туманности:

NGC 6543 Широкоугольное изображение Хаббла
Текст Ссылка на пресс-релиз HST с описанием этого изображения

Смерть массивной звезды

Массивные звезды горят ярче и гибнут более драматично, чем большинство других. Когда звезда десять
раз более массивный, чем Солнце, истощает гелий в ядре, ядерный цикл горения
продолжается. Углеродное ядро ​​сжимается дальше и достигает достаточно высокой температуры, чтобы сгореть.
углерода в кислород, неон, кремний, серу и, наконец, в железо. Железо является наиболее стабильной формой
ядерной материи, и нет никакой энергии, которую можно получить, сжигая ее до любого более тяжелого
элемент. Без какого-либо источника тепла, уравновешивающего гравитацию, железное ядро ​​разрушается до тех пор, пока
достигает ядерной плотности. Это ядро ​​​​с высокой плотностью сопротивляется дальнейшему разрушению, вызывая
падающее вещество «отскакивает» от ядра. Этот внезапный отскок ядра (который
включает выброс энергичных нейтрино из ядра) производит взрыв сверхновой.
В течение одного блестящего месяца одна звезда горит ярче, чем целая галактика из миллиарда
звезды. Взрывы сверхновых выбрасывают углерод, кислород, кремний и другие тяжелые элементы до
железа в межзвездное пространство. Они также являются местом, где большинство элементов тяжелее
чем производится железо. Этот газ, обогащенный тяжелыми элементами, будет использоваться в будущем.
поколений звезд и планет. Без сверхновых огненная смерть массивных звезд,
не было бы углерода, кислорода или других элементов, которые делают жизнь возможной.

Изображение остатка сверхновой:

Сверхновая 1987A Широкоугольное изображение Хаббла
Текстовая ссылка
к пресс-релизу HST с описанием этого изображения

Судьба ядра горячего нейтрона зависит от массы звезды-прародителя. Если
масса прародителя примерно в десять раз больше массы Солнца, ядро ​​нейтронной звезды остынет
образовать нейтронную звезду. Нейтронные звезды потенциально можно обнаружить как «пульсары».
мощные маяки радиоизлучения. Если масса прародителя больше, то равнодействующая
ядро настолько тяжелое, что даже ядерные силы не могут противостоять силе тяжести, и ядро
коллапсирует, образуя черную дыру.

Узнайте больше о поздних стадиях звездной эволюции из
Веб-страницы миссии Chandra:

• White Dwarfs
• Нейтронные звезды
• Черные дыры
• Сверхновые

Как умирают звезды? | Космос

Изображение космического телескопа Хаббл остатка ближайшей сверхновой.
(Изображение предоставлено: NASA/ESA/HEIC/The Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

Звезды начинают свою жизнь, когда в их плотных, горячих ядрах зажигается водородный синтез. Как только этот процесс начинается, игра начинается. Гравитационное притяжение всей массы звезды пытается сжать ее в крошечную точку, но энергия, высвобождаемая при синтезе, выталкивается наружу, создавая хрупкое равновесие, которое может сохраняться в течение миллионов или даже триллионов лет.

Маленькие звезды живут невероятно долго. Из-за своего маленького роста им не нужно много энергии, чтобы сбалансировать внутреннее гравитационное притяжение, поэтому они только потягивают свои запасы водорода. В качестве бонуса атмосферы этих звезд постоянно циркулируют, втягивая свежий водород из внешних слоев в ядро, где он может подпитывать непрекращающийся огонь.

В общем, типичный красный карлик будет счастливо сжигать водород в своем ядре в течение триллионов лет. Не так уж и плохо.

По мере того, как эти маленькие звезды стареют, они неуклонно становятся ярче, пока не исчезают, становясь инертным, скучным комком гелия и водорода, который просто слоняется по вселенной и не занимается ничьими делами, кроме своих.

Печальная судьба, но хоть спокойная.

Грандиозный финал

Когда умирают массивные звезды в нашей вселенной, это гораздо более жестоко. Из-за увеличения массы этих звезд реакции синтеза должны происходить намного быстрее, чтобы поддерживать баланс с гравитацией.

Несмотря на то, что они намного тяжелее своих собратьев, красных карликов, эти звезды имеют гораздо более короткую продолжительность жизни: всего через несколько миллионов лет (что с учетом астрономических временных масштабов может быть на следующей неделе) они умирают.

Но когда массивные звезды умирают, они гаснут во всей своей красе. Их огромные размеры означают, что гравитационное давление достаточно для синтеза не только водорода, но и гелия. И углерод. И кислород. И магний. И силикон. Большое количество элементов периодической таблицы производится внутри этих гигантских звезд ближе к концу их жизни.

Но как только эти звезды образуют железное ядро, музыка останавливается и вечеринка заканчивается.

Весь этот материал, окружающий железо, сжимается в ядре, но плавление железа не высвобождает энергию для противодействия этому. Вместо этого ядро ​​сжимается до такой невероятной плотности, что электроны заталкиваются внутрь протонов, превращая все ядро ​​в гигантский шар нейтронов.

Этот нейтронный шар способен — по крайней мере временно — сопротивляться сокрушительному коллапсу, вызывая взрыв сверхновой. Сверхновая выделит за неделю больше энергии, чем наше Солнце за все 10 миллиардов лет своей жизни. Ударная волна и вещество, выброшенное во время взрыва, вырезают пузыри в межзвездной среде, разрушают туманности и даже извергают вещество из самих галактик.0005

Это одно из самых захватывающих зрелищ во всей вселенной. Когда сверхновые звезды происходят в нашем перешейке галактических лесов, взрывы достаточно яркие, чтобы появляться днем, а ночью они могут быть даже ярче полной луны.

Довольно интенсивный, и что путь.

Изображение, полученное космическим телескопом Хаббла, на котором красный гигант сбрасывает внешние слои газа и становится белым карликом. (Изображение предоставлено: NASA/ESA/K. Noll (STScI)/Группа наследия Хаббла (STScI/AURA))

Последнее шоу

Худшая участь ждет звезд среднего размера. Слишком большие, чтобы просто тихо уйти в ночь, и слишком маленькие, чтобы вызвать взрыв сверхновой, они вместо этого превращаются в ужасных монстров, прежде чем, наконец, вывернуться наизнанку.

Для этих средних звезд (к которым относятся такие звезды, как наше Солнце) проблема заключается в том, что когда в ядре образуется шар из кислорода и углерода, окружающей его массы недостаточно, чтобы превратить его во что-то более тяжелое. Так что он просто сидит там, становясь все жарче с каждым днем. Остальная часть звезды реагирует на этот ад в ядре, увеличиваясь и краснея, образуя красного гиганта. Когда наше Солнце превратится в красного гиганта, его край почти достигнет орбиты Земли.

Эта фаза красных гигантов нестабильна, и звезды, подобные нашему Солнцу, будут содрогаться, коллапсировать и раздуваться снова и снова, при каждом событии запуская ветры, уносящие большую часть солнечной массы в Солнечную систему.

В своей последней агонии звезда среднего размера извергает свои внутренности, образуя шипучую планетарную туманность, тонкие струйки газа и пыли окружают обнаженное ядро ​​из углерода и кислорода в центре. Это ядро ​​получает новое имя под воздействием космического вакуума: белый карлик.

Белый карлик освещает окружающую планетарную туманность, питая ее энергией в течение примерно 10 000 лет, прежде чем звездный труп остынет настолько, что это станет возможным для таких световых шоу.

Несмотря на то, что планетарные туманности красивы и ошеломительны для наблюдения в телескоп, они являются продуктом насильственной, мучительной смерти звезды. Заманчиво, да, но и навязчиво созерцать.

Узнайте больше, прослушав выпуск «Что происходит, когда звезды умирают?» в подкасте «Спроси космонавта», доступном в iTunes (открывается в новой вкладке) и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com . Спасибо Mitchell L. за вопросы, которые привели к этой статье! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter .

Подпишитесь на нас в Твиттере @Spacedotcom и на Facebook .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил стажировку в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами.