Учебное пособие для студентов специальности I 51. 01. 01 " Геология и разведка месторождений полезных ископаемых"
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ВСЕЛЕННОЙ
жүктеу/скачать 5.81 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 1.2. Эволюция звезд
1.ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ВСЕЛЕННОЙ1.1.Образование ВселеннойПо И.Д. Новикову (2002) Вселенная начала формироваться 15 млрд. лет назад. В нулевом цикле вещество было очень плотным, почти однородным и сверхгорячим. По мере его расширения температура материи стала падать и в первые минуты уменьшилась примерно до 1 млрд. К. В это время синтезировались легкие химические элементы, тяжелые формировались гораздо позже в звездах. Спустя ~300 тыс. лет, когда температура материи снизилась до 3-4 тыс. К, произошла рекомбинация горячей плазмы – превращение ее в нейтральный газ. Расширению Вселенной способствовало гравитационное отталкивание. Изначально, когда возникла Вселенная, ее размер был ничтожно мал (10-33 см), т.е. на 20 порядков меньше атомного ядра при гигантской плотности 1093 г/см3, а полная масса вещества составляла всего 105-106 г. Вакуумное состояние материи создало гравитационное отталкивание, поэтому инфлантон (вакуумная материя) был неустойчив и через ничтожную долю секунды (10-36 с) распался на кванты, превратившись в горячую плазму – обычную материю. Это и был естественный процесс рождения нашей горячей Вселенной. Через мгновение она раздулась в 10  раз и стала больше, чем ее часть, которую мы наблюдаем.
Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходило превращение “кипящего вакуума” в отдельные пузыри раздувающихся вселенных, которые отделялись, расширялись и внутри их формировались звезды и планеты. 1.2. Эволюция звездВ настоящее время общепризнанна точка зрения, что элементы Солнечной системы образовались в ходе звездной эволюции (наша галактика – Млечный Путь – насчитывает около 200 млрд. звезд). Хотя Вселенная образовалась приблизительно 15 млрд. лет тому назад, но и в современную эпоху рождаются звезды. Они конденсируются под действием гравитационных сил из гигантских газовых молекулярных облаков, первичное вещество которого состоит преимущественно из ядер водорода с небольшой примесью ядер гелия. Последние образовались в результате первичного нуклеосинтеза (синтеза ядер) в дозвездную эпоху. Большая туманность Орион – пример такого облака. Звезды образуются из отдельных неоднородностей в компактных зонах облаков. Сжатие компактной зоны начинается с коллапса внутренней части, т.е. со свободного падения вещества в центре зоны. Гравитационные силы сближают атомы в меньшие и более плотные сгустки. “Падая” на центр притяжения, молекулы приобретают энергию и при их взаимодействии (столкновении) разрушаются на отдельные атомы. Гравитациооное сжатие увеличивает температуру сгустка. Когда соответствующая энергия превосходит энергию возбуждения атома водорода, в результате столкновений начинают образовываться возбужденные атомы водорода. Постепенно область коллапса перемещается к периферии, охватывая всю зону. Так начинается процесс звездообразования. Переходя в основное состояние, атомы водорода начинают излучать свет с характерными для него спектральными линиями. Объект становится светящимся. Дальнейшее сжатие вещества повышает температуру и вещество в звезде переходит в ионизированное состояние. Излучение увеличивается на несколько порядков с непрерывным спектром, испускаемое свободно движущимися электронами в ионизированной среде. Образовавшийся сгусток в центре коллапсирующего облака называют протозвездой. Падающий на поверхность протозвезды газ (это явление носит название аккреции) образует ударный фронт, что приводит к разогреву газа до 106 К. Затем газ в результате излучения быстро охлаждается до 104 К, образуя последовательные слои вещества протозвезды. Когда масса вещества звезды в результате аккреции достигает 0,1 массы Солнца, температура в центре звезды достигает 1 млн. К и в жизни звезды начинается новый этап – реакции термоядерного синтеза. При такой температуре эффективно протекает реакция слияния дейтерия (D=2H): 2H + 2H → 3He + n + Q (3,26 МэВ). Дейтерий образуется в дозвездной стадии эволюции Вселенной и является эффективным источником энергии в центре протозвезды. Горящий дейтерий перемещается к периферии от центра, разогревает внешнюю непрозрачную оболочку протозвезды, что приводит к разбуханию протозвезды. Лишняя масса удаляется «звездным ветром». Обнажается более плотная светящаяся часть: протозвезда превращается в звезду. В звезде механизм свечения – гравитационное сжатие, а не термоядерный синтез или аккреция вещества на поверхности протозвезды, что делает ее невидимой. Сжатие за счет гравитационных сил повышает температуру в центре звезды до 10-15 млн. К и создает условия для начала ядерной реакции горения водорода (ядерная реакция синтеза). Выделяемое тепло в процессе реакции создает давление, противодействующее сжатию, и не позволяет звезде коллапсировать. Звезда приобретает стабильные размеры и светимость. Если масса ее близка к массе Солнца, то жизнь звезды продолжится миллиарды лет пока идет горение водорода. Это самая длительная стадия в эволюции звезды. Когда запасы водорода истощаются, образовавшийся гелий формирует гелиевое ядро. В действие вновь вступают силы гравитации, и гелиевое ядро нагревается сильнее водородного. Горение гелия приводит к образованию ядер углерода, который заменяет гелий и продолжает гореть при более высокой температуре. По мере горения элементов с большим порядковым номером температура и давление в центре звезды увеличивается с возрастающей скоростью, что увеличивает скорость ядерных реакций. Но скорость горения ядер разных элементов различная: при массе звезды, равной 25 массам Солнца реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, гелия в 10 раз быстрее, кислорода – примерно 6 месяцев, кремния – сутки. На завершающем этапе горения кремния образуются ядра в районе железа. Это конечный этап термоядерного синтеза, так как эти элементы имеют максимальную удельную энергию связи (рис. 1). Масса звезды определяет величину гравитационных сил сжатия, что определяет максимально достижимую температуру и плотность в центре звезды. Поэтому полная последовательность ядерных реакций синтеза возможна лишь в массивных звездах (табл. 1). Таблица 1 Теоретические расчеты возможных ядерных реакций в звездах различной массы
1. М○ – масса Солнца. 
Рис. 1. Основные этапы эволюции массивной звезды (М > 25 М○) Запасов водорода на Солнце при современном темпе его горения могло бы хватить на 100 млрд. лет. Однако водород сгорает только в центре Солнца, а там его запасов на 5 млрд. лет, после чего оно превратится в красный гигант с возрастанием радиуса в 200 раз и приблизится его внешняя оболочка к Земле, но, возможно, не захватит ее орбиты. При нарушении динамического равновесия периодически происходит извержение звездного вещества в окружающее пространство. Звезда теряет свои оболочки и остается в конце лишь центральное ядро. На этом построены легенды племени нагуа в Центральной Америке о гибели «пятого Солнца» в связи с потерей семи оболочек, так как звезды проходят семь стадий развития. При массе звезды < М○ ядро превращается в белый карлик, при М > М○ происходит «взрыв сверхновой». Энергия, излучаемая при взрыве сверхновой, сравнима с излучением целой галактики (крабовидная туманность – это остатки от взрыва сверхновой в 1054 г.; она и сейчас продолжает расширятся). При взрыве сверхновой температура резко повышается и во внешних слоях звезды, где происходят ядерные реакции (взрывной нуклеосинтез), образующиеся потоки нейтронов приводят к появлению химических элементов в области массовых чисел А > 60. Взрыв сверхновой – редкое событие. За последние 1000 лет в нашей Галактике было замечено 3 вспышки сверхновых. Химические элементы рассеиваются в окружающее пространство. Самое грандиозное по мощности явление в природе – это слияние двойных нейтронных звезд (в диаметре несколько км) с образованием огненного шара, напоминающего свечение при взрыве атомной бомбы, и испускающего гамма-всплески. Это своего рода реакция взаимодействия: NS+NS→GWB+νB+GBR, где GWB – гравитационно-волновой всплеск, νB – нейтронный всплеск, GBR – гамма-всплеск. В отличие от атомных огненных земных шаров, являющихся раскаленным воздухом, состоящим из сильно ионизированных атомов, космические шары состоят из электронно-позитронных пар и квантов света. Плотность их вначале очень велика и их собственное давление разгоняет поверхность шара до скорости света. При расширении шара до прозрачности все фотоны покидают его в виде короткой гамма-вспышки, а оставшееся электронно-позитронное облако несется дальше. Темп слияния нейтронных звезд на одну галактику – один раз в 10000 лет. Всего во Вселенной 10 млрд. галактик, поэтому во Вселенной каждую минуту сливается одна пара нейтронных звезд. Всплеск дают те звезды, у которых аномально великие магнитные поля, которые дают пульсарное излучение. жүктеу/скачать 5.81 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|