Космическая сага: несколько вопросов к образованию и жизни звёзд
Что может быть прекраснее ночного неба, переливающегося мириадами звёзд. Американский астрофизик Лоуренс Максвелл Краусс как-то сказал, что каждый атом в теле человека берёт свое начало во взорвавшейся звезде. Возможно, атомы левой руки взяли начало в одной звезде, а правой — в другой. Мы все — звёздная пыль. Это самое поэтичное, что есть в физике.
Учёные давно исследуют строение звёзд Вселенной, пытаясь разобраться в тайнах их образования и развития. Но существующие гипотезы признаются не всеми представителями научного сообщества и содержат вопросы, на которые ещё только предстоит дать ответы.
Формирование звёзд: популярная гипотеза
По словам астрономов, в безоблачную ночь на небосводе можно наблюдать невооружённым глазом около 6000 звёзд. Но непосредственно над горизонтом будет видно не более 3000 из них. Впрочем, это капля в море. С помощью космических телескопов астрофизики обнаружили только в видимой части Вселенной 1024 звёзд, которые входят в 10 триллионов галактик. В то же время в нашей галактике Млечный путь насчитывается, по разным оценкам, от 200 до 400 млрд. звёзд. Предполагается, что звёзды — это массивные небесные тела из газа и плазмы, излучающие свет и тепло. В их недрах происходят реакции термоядерного синтеза.
Все звёзды делятся на несколько классов: сверхгиганты, яркие гиганты, гиганты, субгиганты, звёзды главной последовательности, субкарлики и белые карлики. Температура звёзд находится в диапазоне от 2 000 —3 000 К до 50 000 К. Их химический состав также различается, но в основном звёзды состоят из водорода (72—75% массы) и гелия (24—25%). Каждая звезда имеет собственное магнитное поле.
Эволюция звёзд, как предполагает современная наука, делится на несколько этапов. Считается, что звёзды рождаются из холодных разреженных облаков межзвёздного газа. Затем они сжимаются, благодаря гравитационной неустойчивости. При этом температура повышается так сильно, что начинаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. В это время протозвезда преобразуется в звезду главной последовательности и пребывает в этом состоянии большую часть своего существования. Именно в таком состоянии сегодня и находится наше Солнце. Дальнейшая жизнь звезды зависит от её начальной массы и химического состава. В процессе выгорания водорода звёзды меняют свои характеристики. Но конечная эволюция звёзд в большинстве случаев одинакова: сброс внешней оболочки, превращение в белого карлика или сверхновую звезду. После её взрыва остается нейтронная звезда или чёрная дыра.
Исключение составляют системы близко расположенных двойных звёзд, где на поздних стадиях эволюции происходит перетекание вещества и изменение их параметров. Такова основная гипотеза. Но если углубиться в детали описываемых процессов, то появляется множество вопросов, на которые хотелось бы получить ответы.
Притяжение и вращение: нестыковки теории и реальности
Если подробно посмотреть на описание механики процессов, возникающих при формировании звёзд, то возникают противоречия, требующие уточнений. Гравитационная неустойчивость, являющаяся, согласно основной гипотезе, главной причиной образования звёзд, — это нарастание пространственных изменений скорости и плотности вещества под действием сил тяготения в облаках космического газа определённой массы.
Вот только процесс формирования звёзд за счёт сил тяготения атомов газа выглядит искусственным и неубедительным, как и попытки объяснения физиком Д. Джинсом, автором теории гравитационной неустойчивости, эффекта вращения звёзд, формирующихся в практически не вращающихся газовых облаках.
Но нельзя отрицать очевидное: при рождении новой звезды происходит сосредоточение гигантской массы атомов водорода и гелия в протозвезду, которая затем начинает вращаться вокруг своей оси с большой скоростью. В нашей галактике средняя скорость вращения звёзд составляет около 200 км/сек. При этом наблюдаются интересные явления.
В частности, ядро Солнца, согласно данным, полученным от европейско-американского зонда SOHO, совершает полный оборот вокруг своей оси примерно за неделю. При этом астрофизики заявляют, что ядро Солнца вращается быстрее его внешних слоёв в четыре раза. А вот почему — пока неизвестно. Неудивительно, что у любого исследователя неминуемо возникает вопрос:
Как же на самом деле происходит формирование звёзд?
Какая сила заставляет звёзды вращаться вокруг своей оси?
Однозначных ответов на эти вопросы пока нет.
Гипотезы возникновения процесса вращения звёзд, основанные на изначально существовавших реликтовых «фотонных вихрях» или в результате действия неких «приливных сил», возникающих в момент рекомбинации в остывающей Вселенной, также выглядят не убедительными. Дело в том, что их авторы так и не смогли определить источники и описать природу возникновения этих явлений.
Полагаю, что механизмы формирования звёзд, а также причины возникновения их вращения нужно искать совсем в других областях. Здесь должны быть задействованы иные, логически объяснимые и согласующиеся с законами физики механизмы.
В связи с этим хотелось бы получить ответы на ряд вопросов:
— Какова природа силы, которая инициировала вращение скопления атомов межзвёздного газа для их дальнейшего преобразования в звезду?
— Какие силы и как поддерживают вращение звёзд на протяжении миллиардов лет?
— Почему скорость вращения ядра звезды значительно быстрее скорости вращения её внешних слоёв?
— Способна ли гравитация не только приблизить атомы газов друг к другу, но и спрессовать их в ядро звезды, преодолев силы отталкивания протонов составляющих ядра атомов простейшего водорода?
Процессы на Солнце: загадки жёлтого карлика
Перед тем как искать ответы на вышеприведённые вопросы, было бы интересно понять природу процессов, происходящих на Солнце, от которого полностью зависит жизнь на планете Земля. Как известно, Солнце — одна из звёзд нашей галактики и единственная в Солнечной системе. По спектральной классификации Солнце является желтым карликом и относится к типу G2V.
Текущий возраст Солнца, оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, составляет около 4,5 млрд. лет. Учёные считают, что примерно через 5 млрд. лет Солнце истощит свои запасы водорода и гелия, и превратится в красного гиганта. Во время этого процесса оно поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю.
Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см3, а эффективная температура его поверхности — 5780 К. Поэтому звезда светит почти белым ровным светом. Однако у поверхности нашей планеты её свет приобретает жёлтый оттенок из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли.
Солнце состоит из водорода (≈73% от массы и ≈92% от объёма), гелия (≈25% от массы и ≈7% от объёма) и других элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. Масса Солнца составляет 99,866% от суммарной массы всей Солнечной системы.
Центральная часть Солнца с радиусом 150–175 тыс. км (20–25% от радиуса звезды), где происходят термоядерные реакции, называется солнечным ядром. Плотность вещества в ядре в 150 раз выше плотности воды и в 6,6 раз больше плотности осмия, самого плотного металла на Земле. Температура в центре ядра, по оценкам астрофизиков, составляет более 14 млн К.
Расстояние от Земли до Солнца равняется примерно 150 млн. км. Солнечному свету требуется всего около 8 минут, чтобы дойти до нашей планеты. По своему объёму Солнце примерно в 1,3 млн. раз больше Земли, а по массе — в 332 940 раз.
Несмотря на обилие информации о нашей звезды, у Солнца существуют свои тайны и загадки.
Одной из главных из них является существенное различие температуры хромосферы Солнца (нижнего слоя его атмосферы, в котором формируется непрерывный свет видимого спектра), и его внешней оболочки — короны, которая расположена значительно дальше от солнечного ядра, чем хромосфера. При эффективной температуре хромосферы Солнца около 6000 К температура его короны достигает 1 000 000 К, а иногда и 2 000 000 К.
Возникает вопрос: почему корона Солнца, удалённая от его поверхности на расстояние 70 000 км, имеет температуру многократно выше, чем хромосфера, находящаяся намного ближе к ядру звезды?
Не менее интересной загадкой является цикл Швабе-Вольфа. Он описывает резкое увеличение числа солнечных пятен, длящееся около 4 лет, а затем их уменьшение на протяжении 7 лет. Этот цикл в наше время занимает примерно 11 лет, Но в XVIII–XIX веках его длительность варьировалась от 7 до 17 лет, и только, начиная с ХХ века, стала составлять около 11 лет. Учёные несколько столетий подряд следят за этой периодичностью, но пока не смогли объяснить её природу. Общепризнанной гипотезы причин появления пятен на Солнце также не существует. При этом исследователи вывели интересную закономерность влияния активности Солнца на социальные процессы на планете.
Согласно данным английского экономиста и статистика XIX века У.И. Джевонса, экономические кризисы в обществе происходят с периодичностью соответствующей максимальной солнечной активности. Следом за ним, в начале ХХ века российский биофизик А.Л. Чижевский заявил, что эпидемии чумы, оспы, холеры и т.д. также находятся в прямой зависимости от одиннадцатилетнего цикла солнечной активности. По мнению учёного, крупнейшие войны и революции XIX- начала ХХ века происходили во время наибольшей активности Солнца.
В связи с этим человечеству важно знать:
Почему на Солнце появляются пятна и с чем связана устойчивая периодичность их возникновения?
Важным для астрофизиков явлением являются и вспышки на Солнце, возникающие вблизи мест образования солнечных пятен. По своей продолжительности они не превышают нескольких минут. Чаще всего, но не во всех случаях, они сопровождаются выбросом коронарной массы и имеют классификацию: A, B, C, M и X. Вспышки на Солнце инициируют потоки заряженных частиц, состоящих из электронов, протонов и ядер гелия, направленные в сторону Земли. Это приводит к кратковременному повышению радиационного фона на полюсах планеты, возмущению магнитного поля Земли и мощным магнитным бурям. Наиболее сильные вспышки на Солнце негативно влияют на работу электронных приборов и здоровье людей.
Таким образом, появляется еще один важный вопрос, на который также необходимо найти ответ:
Почему на Солнце происходят солнечные вспышки?
Вместе с тем необходимо отметить, что на все предложенные вопросы существуют научные гипотезы, но ни одна из них не является бесспорной и удовлетворяющей научное сообщество. Ясных и общепринятых ответов с объяснением природы, физической сущности и механизмов этих космических явлений астрофизики пока не предоставили. При этом Солнце и происходящие на нем процессы продолжают оставаться одной из самых интересных, важных и удивительных загадок Вселенной.
