Истинските знаменитости – звездите

Речник/нови понятия:

Звезда: небесно тяло, представляващо масивно кълбо от нажежен газ, което произвежда енергия чрез термоядрен синтез, при който водородът се превръща в хелий. Тази енергия се разпространява под формата на електромагнитно излъчване. Процесите на термоядрен синтез в ядрото на звездите произвеждат почти всички химични елементи от периодичната таблица.

Плазма: високоенергийно състояние на материята – най-разпространеното във Вселената. Това е едно от четирите фундаментални агрегатни състояния на веществото, наред с твърдото, течното и газообразното състояние. Съставено от неутрални атоми, йони и свободни електрони. Звездите, включително нашето Слънце, са огромни сфери от плазма.

Червен гигант: Когато една звезда достигне късен етап от своя живот, тя изчерпва водорода в ядрото си и започва да изгаря хелий. В резултат на това ядрото на звездата се свива, а външните ѝ слоеве се разширяват и температурата на повърхността ѝ се понижава. Тя става по-студена и започва да излъчва червена светлина. Силите стават небалансирани, звездата набъбва по размер, става по-голяма и по-хладна, докато силите отново се балансират. Сега тя е звезда гигант с характерен червен цвят.

Черна дупка: област в пространството, където гравитационното привличане е толкова силно, че нищо не може да излезе от него, дори тяло, движещо се със скоростта на светлината. Когато най-масивните звезди изчерпят горивото си в края на жизнения си цикъл, външните им слоеве се взривяват в космоса, а ядрото им се свива под действието на собствената си гравитация докато се превърне в безкрайно малка точка. Около нея се образува много силно гравитационно поле, което далеч надхвърля налягането в ядрото и звездата се разпада в черна дупка.

Планета джудже: малко небесно тяло, подобно на планета. Движи се по орбита около звезда. Има достатъчно голяма маса, за да придобие кълбовидна форма от собствената си гравитация, но тази маса е недостатъчна, за да може да изчисти орбитата си от други астрономически обекти. Не е спътник на друга планета или на планета джудже.

Коя е нашата галактика?

Галактиките са огромни семейства от звезди, пръснати по безкрайната шир на Вселената. Нашата галактика е Млечният път. Слънчевата система е част от тази галактика. При ясна нощ можем да наблюдаваме хиляди звезди, които са малка част от 200-те милиарда звезди в нашата галактика. От Земята най-гъстата зона на Млечния път се вижда като бледа, млечнобяла ивица, която пресича небето. Всъщност формата на тази огромна галактика е спираловидна. В нейното ядро се намират жълти и червени звезди, а двата ѝ ръкава се състоят от мъглявини от прах и бели и сини ярки звезди. Земята се намира в края на единия от ръкавите, на 30 хиляди светлинни години от центъра на Млечния път. Ако пътуваме със скоростта на светлината, ще ни трябват около 100 000 години, за да обиколим цялата ни галактика.

Млечният път. Източник: https://depositphotos.com/photo/colorful-space-shot-of-milky-way-galaxy-with-stars-and-space-dust-32263367.html

Как се раждат звездите ?

Звездите са огромни кълба от горещ газ. Когато ги наблюдаваме, те изглеждат като малки светещи точки на небето, защото се намират на огромни разстояния от нас. Имат различни размери, цветове, температура, яркост. Звездите светят, защото в ядрата им протичат ядрени реакции. Студените звезди са червени, а топлите – сини или бели.

Подобно на човешкия живот, този на звездите се разделя на различни етапи: раждане, зрялост и смърт.

Източник: https://depositphotos.com/photo/life-cycle-of-a-star-63058181.html

Звездите се раждат в гигантски тъмни и студени облаци от прах и газ, в които основният градивен елемент е водородът. Облаците се свиват под действието на собствената си гравитация или в резултат на експлозия на близка до тях звезда, и се разкъсват на по-малки облаци. Когато облакът се свива, материята в центъра му започва да се нагрява (както се случва, когато надуваме балон – въздухът в него са затопля). Получава се гравитационен колапс.

В центъра на облака се образува все по-горещо и все по-плътно ядро.  Така се появява протозвездата. Тя е началният стадий от формирането на звездите. Състои се от звездно ядро и газова обвивка с малка плътност. Постепенно газовата обвивка започва да се свива към ядрото, а после и да се върти около него. На следващия етап газът постепенно се нагрява и протозвездата започва да свети слабо, като излъчва инфрачервени лъчи, породени от топлината. Тя не излъчва светлина от видимия спектър.

Свиването продължава, докато температурата достигне около 10 милиона градуса по Келвин (10 000 000 К) и в ядрото на протозвездата започват термоядрени реакции, водородът се превръща в хелий и се освобождава огромно количество енергия. Налягането, предизвикано от този процес противодейства на гравитацията, свиването на протозвездата се прекратява, ядрото “излиза от праховия пашкул” и се ражда младата ЗВЕЗДА! Тя разпръсква отломките от формирането, които са я закривали, и новородената звезда вече е видима – излъчва своя собствена светлина и топлина. По този начин е възникнало и нашето Слънце.

Процесът на раждане на една звезда може да варира от няколкостотин хиляди до няколко милиона години. Това е много дълго време от гледна точка на човешкия живот, но сравнително кратък период в космически мащаби.

Едно от най-изучаваните небесни тела, инкубатор на звезди, е мъглявината Орион. Тя представлява огромна облачност от газ и прах, в която активно се образуват нови звезди. Около много от младите звезди се наблюдават дискове от газ и прах, от които в бъдеще може да се образуват планети. Тъй като е една от най-ярките мъглявини, която може да бъде видяна дори с просто око, и се намира на сравнително близко разстояние от нас – на около 1350 светлинни години, тя представлява интерес за астрономите. Чрез мощни телескопи, между които и космическият телескоп Хъбъл, те изучават в детайли етапите на звездообразуване и еволюцията им, динамиката на газово-праховите облаци, влиянието на звездите върху околната междузвездна среда, химическия състав на мъглявината и др.

Учените предполагат, че това, което наблюдават в Орион, вероятно се е случило и в нашата Слънчева система преди милиарди години.

Мъглявината Орион. Източник: https://depositphotos.com/photo/great-orion-nebula-5087469.html

Зрялост и смърт на една звезда

Звездите навлизат в основната фаза – зрялост на своя живот след като започне ядрения синтез и звездата е в хидростатично равновесие: налягането, генерирано от термоядрените реакции в ядрото се балансира с гравитационните сили, които я притискат навътре и свиването на звездата се преустановява. В този период на своя живот звездите са стабилни и се намират в етап, в който превръщат водорода в хелий, и този период се нарича главна последователност. Слънцето сега се намира именно в този етап на живота си.

Еволюционното развитие на звездите е показано в диаграмата на Херцшпрунг-Ръсел – това е кривата, около която са разположени повечето звезди. Тази диаграма показва математическата връзка между светимостта (мощност на излъчването) и температурата на повърхността на звездите (спектралния клас) в основната фаза на техния живот. Колко ще продължи животът на звездата в тази основна фаза зависи от това колко ядрено гориво (водород) има тя и колко бързо го изразходва (мощност). Колкото са по-масивни звездите, толкова по-бързо изразходват горивото си. Следователно, те имат по-кратък живот за сметка на по-интензивните процеси, протичащи в техните ядра.

Източник: Собствена разработка по проект We Teach Data на база https://physicstime.com/sites/default/files/Diagrame%20Hertz-Russel.jpg

Смъртта на една звезда настъпва, когато изчерпи водородното си гориво в ядрото и ядрените реакции спират. Това отнема източника, който поддържа равновесието на звездата и тя напуска главната последователност. След което започва да се развива по различен начин в зависимост от своята маса.

Звезди с малка маса, подобна на Слънцето

Източник: https://depositphotos.com/photo/extremely-hot-star-flaring-of-sun-elements-of-this-image-furnished-by-nasa-274027146.html

• Червен гигант

След милиарди години водородът в ядрото на звездата се изчерпва и налягането от ядрените реакции намалява и спира. Това отнема източника, който поддържа равновесието на звездата, балансът  между налягането и гравитационните сили се нарушава. Ядрото ѝ започва да се свива и да става все по-горещо. Външните слоеве обаче започват да се охлаждат и разширяват – до 100 пъти в сравнение с досегашните размери на звездата. Така тя се превръща в червен гигант.

Източник: https://depositphotos.com/photo/astronomy-red-giant-star-522894196.html

• Бяло джудже

Източник: https://depositphotos.com/photo/white-dwarf-core-extinct-star-core-illustration-587998246.html

След превръщането в червен гигант външните слоеве на звездата продължават да се разширяват и охлаждат, докато ядрото се свива и се нагрява. По време на изгарянето на хелия в ядрата на звездите се образуват своеобразни топлинни импулси, които се разпространяват навън и “издухват” външните слоеве на звездите в околното пространство. Тези външни слоеве могат да съдържат повече от половината от звездната маса. В резултат на това около звездата се образува разширяваща се газова обвивка, която наричаме планетарна мъглявина.

Бихте могли сами да потърсите допълнителна информация и изображения на някои мъглявини, които могат да се наблюдават с малък телескоп  – напр. Котешко око, Пръстеновидна мъглявина, Ескимоска мъглявина.

След като планетарната мъглявина се разпръсне, остава горещото ядро на звездата – бялото джудже. Това е изключително плътна и гореща звезда с големината на планета. Излъчва енергия, която е останала от процесите на ядрен синтез в звездата. В продължение на милиарди години излъчва светлина и бавно се охлажда.  Когато бялото джудже излъчи цялата си енергия навън, то спира да свети и умира като кафяво джудже – това е краят на живота на звездата.

Звезди с маса, по-голяма от тази на Слънцето

Това са звезди с маса от 9 до 40 пъти по-голяма от тази на Слънцето – истински гиганти във Вселената. Те са изключително ярки и излъчват огромно количество енергия. Съдържат повечето от тежките елементи, необходими за формирането и еволюцията на галактиките.  Животът им обаче е значително по-кратък от този на звездите с по-малка маса.

Когато остатъчното ядро в експлодиралата звезда е по-масивно от 1,4 слънчеви маси то не може да се превърне в бяло джудже. Вместо това продължава да се свива, тъй като налягането на електроните не могат да балансира гравитацията. От рязкото и бързо свиване се получава огромна експлозия, пораждаща ударна вълна, която изхвърля външните слоеве на звездата и ги загрява. Яркостта на звездата става изключително висока и е сравнима с яркостта на цяла галактика. Това е супернова (свръхнова). След това тя се превръща в миниатюрна точка. Всъщност това не е нова, а умираща стара звезда. При експлозиите на свръхнови във Вселената се изхвърлят всички елементи, които са по-тежки от кислорода, и са единственият източник на елементи, по-тежки от желязото. Те обогатяват междузвездното пространство с тежки елементи, като сгъстяват газовите облаци, които впоследствие образуват нови звезди.

Вижте следното видео:

След като експлодират като свръхнови, масивните звезди оставят след себе си неутронни звезди или черни дупки.

Неутронна звезда – получава се при последното гравитационно свиване на ядрото на свръхновата. При този силен колапс се разрушават ядрата на атомите, като протоните се свързват с електроните и образуват маса, съдържаща предимно неутрони. В резултат на това налягането на неутронния газ спира колапса и остатъкът от ядрото се превръща в неутронна звезда.

Плътността във вътрешността на неутронната звезда е огромна – от порядъка на 1018 kg/m3 . Все едно малко кубче от зарче да има тегло от трилион килограма. От друга страна, размерът ѝ е сравнително малък – тя се свива до тяло с диаметър между 10 и 30 километра. Това е колкото един голям град. Така че представете си няколко звезди с размерите на нашето Слънце да се поберат в пределите, да речем, на Лондон! Магнитното им поле е милиарди пъти по-силни от магнитното поле на Земята.

Източник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/A_Young_Pulsar_Shows_its_Hand.jpg

Бързо въртящи се неутронни звезди, които излъчват лъчи от електромагнитна радиация (радиовълни, рентгенови лъчи и др.)., насочени към Земята и наподобяващи периодично светещ морски фар, се наричат пулсари. Те представляват своеобразни „космически часовници“, тъй като периодът им на въртене е много стабилен и точен.

Черна дупка – една от най-загадъчните и мощни обекти във Вселената. Тя се формира при колапса на много масивни звезди в края на техния жизнен цикъл.

Ако звездата има маса над 20 пъти по-голяма от тази на Слънцето, колапсът след избухването на свръхновата е още по-бърз. Дори налягането на неутронния газ не може да го спре. Ядрото продължава да се свива, докато се превърне в точка с почти безкрайно висока плътност, свита до безкрайно малък размер. Около тази точка се образува черна дупка. Такива обекти притежават огромна гравитационна сила, която изкривява значително пространството и не позволява дори на светлината да се разпространява по права линия. Светлината също се поглъща и обектът става невидим. Ето защо астрономически обект, чиято гравитация е толкова силна, че нищо, дори светлината, която има най-високата скорост във Вселената, не може да избяга от нея, се нарича черна дупка. Границата около една черна дупка, отвъд която няма връщане се нарича хоризонт на събитията. Всяко тяло, което премине тази граница бива погълнато от черната дупка.

Черните дупки не могат да се наблюдават директно.  Единственият начин да ги открием е да наблюдаваме ефектите, които такива обекти оказват върху пространството и другите обекти около тях – ако в тях спираловидно се спуска материя от друг близък обект, тя се нагрява значително и излъчва рентгенови и гама-лъчи, които можем да открием.

Източник: https://depositphotos.com/photo/stars-and-material-falls-into-a-black-hole-77862928.html

Източник: https://depositphotos.com/photos/61134599