[350x308]
Почему горят звезды

Если посмотреть на элементный состав Вселенной, то больше всего там водорода (около 70%) и гелия (около 30%). На все остальные существующие элементы приходится менее процента.

Господи, скажете вы, что же можно сделать из водорода и гелия - двух самых легких на свете газов - в таких количествах?

Из них можно сделать звезды.

Звезды содержат большую часть проявленной массы Вселенной (есть еще скрытая масса, или темная материя, про которую никто ничего не знает, кроме того, что она где-то и как-то существует). Звезды являются главными генераторами энергии во Вселенной. А еще они являются теми самыми вселенскими фабриками, в которых создаются все остальные существующие на свете элементы. То есть звезды - это не просто красивые точки на небе, но и главные преобразователи материи и энергии во Вселенной. Как видим, без звезд Вселенная была бы крайне скучным местом: много-много водорода, немного гелия и все.

Что же представляют собой звезды и как им удается так замечательно заниматься преобразованием энергии и материи? Возможно, это покажется странным, но обычная звезда - это просто огромный шар из водорода и гелия с небольшой примесью других элементов.

Размеры и массы у звезд бывают самые разные, но все они намного больше Земли. Обычно размеры и массы звезд выражают в солнечных диаметрах (радиусах) и массах. Поэтому полезно узнать, что замечательная звезда, благодаря которой мы с вами живем на Земле, имеет диаметр 1,392,000 км (в 109 раз больше диаметра Земли) и массу 1.9891*10 в тридцатой степени кг (в 332 900 раз больше массы Земли). Солнце - довольно средняя звезда: бывают звезды и намного больше, и намного меньше него. Существуют пределы возможных масс для звезд - как самый низкий (около одной сотой массы Солнца), так и самый высокий (около 150 масс Солнца). Что находится за этими пределами, мы узнаем чуть позже.



Но водород с гелием, как и любой газ, как известно, стремятся занять весь предоставленный им объем. Поскольку во Вселенной стенок нет, что же не дает газам, из которых состоит звезда, разлетаться по всей Вселенной?

Гравитация.

Гравитация - главная сила, управляющая Вселенной. Это она упорядочивает огромные массы материи, которые иначе были бы равномерно размазаны по всему объему Вселенной, и не было бы в ней никакой структуры (а значит, и нас с вами). Привычные для нас электромагнитные взаимодействия играют во Вселенной крайне маленькую роль. Именно гравитация не только не дает огромной массе газа - телу звезды - разлетаться во все стороны, но и придает звезде шарообразную форму (потому что каждая молекула газа, находящаяся на определенном расстоянии от центра звезды, притягивается с одинаковой силой).

Хорошо, теперь мы имеем представление о звезде: огромный газовый шар из водорода и гелия, удерживаемый вместе гравитацией. Поскольку массы звезд огромны, то и гравитационные силы, действующие в них, тоже огромны. Но почему тогда под действием гравитации этот шар не сжимается в тесный-тесный и плотный-плотный комок, и каким образом газовому шару удается работать преобразователем энергии и материи? И вообще, почему эти шары светятся?

Потому что гравитация не только придает звездам форму, размер и плотность. Она их еще и зажигает.

Гравитационные силы сжимают газовый шар так, что в его центре образуется громадное давление и громадная температура. Под действием этого давления и этой температуры в центре звезды идут термоядерные реакции. Каждая существующая в природе звезда - это огромный термоядерный реактор.

Что такое термоядерная реакция? Это когда один элемент превращается в другой с выделением энергии. Поскольку больше всего в звездах водорода, то чаще всего в звездных ядрах горит именно водород, превращаясь в гелий. Эта реакция выделяет огромное количество тепла, еще больше разогревая звезду. А разогретый газ, как известно, оказывает мощное давление (чем горячее газ, тем сильнее давление). Это давление направлено из центра звезды наружу, оно противостоит гравитационным силам, сжимающим звезду, и уравновешивает их. Каждая обыкновенная звезда находится в гидростатическом равновесии: гравитация в ней уравновешена внутренним давлением. (Звезды, которые не являются обыкновенными, мы рассмотрим позже.)

Конечно, надо понимать, что газ внутри звезды находится не в привычном нам атомном или молекулярном виде. Огромные температуры и давление, а также термоядерные реакции разрушают атомы, срывают электроны с их оболочек. Так что газ этот не простой, а ионизованный, состоящий из смеси атомов, ядер и электронов. То есть это плазма.

В ядрах звезд возможны такие температуры и давление, что не только ядра водорода будут превращаться в ядра гелия, но и ядра гелия - в ядра более тяжелых элементов, а они - в ядра еще более тяжелых элементов, и так до железа. Элементы тяжелее железа при обычных термоядерных реакциях в звездах не образуются, потому что дальше ядерные реакции идут уже не с выделением, а с поглощением тепла. Но в любом случае, все эти элементы любезно создали для нас звезды. Посмотрите на любой предмет, начиная, собственно, с себя. Все атомы углерода, кислорода, азота, серы и других элементов, кроме водорода, входящие в состав вашего тела, некогда возникли в сердце звезды.

Но таких звезд, которые создают элементы тяжелее гелия, во Вселенной сравнительно немного.

Помните главную последовательность на диаграмме Герцшпрунга-Рассела? Огромная, протянувшаяся через весь график диагональная полоса, на которую попали 80% всех звезд. Так вот, звезды главной последовательности - это звезды, в ядрах которых горит водород.

Причем водорода в звездах так много, что его хватает на миллионы и миллиарды лет. Во всяком случае, наше Солнце - типичная звезда главной последовательности - превращает водород в гелий уже четыре с половиной миллиарда лет и будет продолжать в том же духе еще столько же или немножко дольше.

А более тяжелые элементы, от лития до железа, создаются в гигантах, сверхгигантах и гипергигантах.

Кстати, в астрономии абсолютно все вещества тяжелее гелия называют металлами. К этому сложно привыкнуть, ведь для астрономов и кислород, и углерод, и кремний, и сера - все это металлы! Содержание металлов (в астрономическом смысле) в звезде называют ее металличностью. Металличность звезды - это очень важный показатель, говорящий о том, возможны ли у этой звезды каменистые планеты (а следовательно, жизнь). Потому что планеты формируются из того же материала, что и звезда, и если в звезде нет ничего, кроме водорода и гелия, то и планеты у нее могут быть только газовые.

Как они устроены

Легко догадаться, что звезда вряд ли представляет собой однородный такой газовый шарик. Все-таки обычно термоядерные реакторы устроены посложнее. Сочетание гравитации, давления и термоядерных реакций структурирует звезду, определяет ее внутреннее строение.

Вот как устроена обычная звезда главной последовательности (в том числе Солнце):

- В центре звезды находится ядро. Оно очень плотное, разогрето до миллионов градусов, и там идут термоядерные реакции.

- Центр звезды окутывает зона излучения. В этой зоне энергия из ядра передается наружу (т.е. во внешние слои) путем излучения. Вещество в этой зоне неподвижно.

- Вокруг зоны излучения находится зона конвекции. В этой зоне вещество в буквальном смысле перемешивается, вынося разогретые внутренние массы наружу.

(У очень крупных и тяжелых звезд зона конвекции и зона излучения меняются местами.)

- Затем идет фотосфера. Это непрозрачный тоненький слой, который не дает возможности увидеть то, что происходит внутри звезды. Когда мы говорим о цвете и температуре звезды, имеется в виду именно цвет и температура фотосферы. На фотосфере образуются пятна (те самые "пятна на солнце", но они могут быть на любой звезде) - районы с более низкой температурой, механизм образования которых еще не понятен.

- За фотосферой идет атмосфера звезды, состоящая из хромосферы, переходного слоя и короны. Атмосфера звезды крайне разрежена и может тянуться на миллионы километров. В атмосфере звезд появляются гигантские звездные вспышки, туда поднимаются с поверхности звезды протуберанцы.

- На еще более огромные расстояния тянется звездный ветер - потоки очень горячих частиц, оторвавшихся от звезды и улетающих в мировое пространство.



Схема внутреннего строения типичной звезды середины главной последовательности (цифры относятся к Солнцу)

Обратите внимание: ядерные реакции идут только в ядре звезды. Поэтому превратиться в гелий может только тот водород, который находился в ядре звезды с самого начала или как-то туда попал из внешних слоев при перемешивании. У нашего Солнца вокруг ядра находится зона излучения, в которой не происходит никакого перемешивания вещества, так что горит и будет гореть в Солнце только водород ядра. А это всего 10% от всего водорода, который содержится в Солнце. А вот маленькие красные карлики полностью конвективны - зоны излучения у них нет, вещество в них перемешивается полностью. Поэтому в них может сгореть весь содержащийся водород.

http://irene-dragon.livejournal.com/259720.html