Ответьте на вопросы, страница 195 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Могут ли звезды менять свою светимость, размеры, массу? Поясните свой ответ.

2. Как образуются звезды?

3. Почему в звездах происходят термоядерные реакции, а в планетах нет?

1. Могут ли звезды менять свою светимость, размеры, массу? Поясните свой ответ. Да, звезды могут и меняют свою светимость, размеры и массу на протяжении своей жизни. Это связано с их эволюцией.
Светимость (полная энергия, излучаемая звездой) изменяется в зависимости от стадии эволюции. Например, когда звезда типа Солнца исчерпывает водород в ядре, она превращается в красного гиганта, и её светимость значительно возрастает. Затем, на стадии белого карлика, светимость постепенно падает по мере остывания.
Размеры звезды также подвержены кардинальным изменениям. Из сжимающейся протозвезды формируется звезда главной последовательности. В конце жизни она может раздуться до размеров красного гиганта или сверхгиганта, превышая свой первоначальный радиус в сотни раз. После этого внешние слои сбрасываются, а ядро коллапсирует в очень маленький объект — белый карлик (размером с Землю), нейтронную звезду или черную дыру.
Масса звезды уменьшается со временем. Во-первых, часть массы превращается в энергию в ходе термоядерных реакций в соответствии с формулой Эйнштейна $E=mc^2$. Во-вторых, звезды теряют массу через звездный ветер — поток частиц, улетающих с их поверхности. Особенно значительная потеря массы происходит на поздних стадиях эволюции: при сбросе оболочки для образования планетарной туманности или во время взрыва сверхновой.

Ответ: Да, все основные характеристики звезды — светимость, размеры и масса — изменяются в процессе её эволюции, которая определяется ходом термоядерных реакций в её недрах.

2. Как образуются звезды? Звезды формируются из гигантских молекулярных облаков — холодных и плотных скоплений межзвездного газа (в основном водорода и гелия) и пыли. Процесс можно разделить на несколько этапов:
1. Гравитационный коллапс: Под действием собственной гравитации или внешнего воздействия (например, ударной волны от сверхновой) в облаке начинается сжатие наиболее плотных его частей. Фрагмент облака начинает уплотняться и сжиматься к центру.
2. Образование протозвезды: В центре сжимающегося газопылевого сгустка формируется горячее и плотное ядро — протозвезда. Она продолжает набирать массу, притягивая окружающее вещество, которое образует вокруг нее вращающийся аккреционный диск. При этом гравитационная энергия падающего вещества переходит в тепло, и протозвезда начинает разогреваться.
3. Начало термоядерных реакций: Сжатие продолжается до тех пор, пока температура и давление в ядре протозвезды не достигнут критических значений (температура около 10–15 миллионов кельвинов). При таких условиях запускаются реакции термоядерного синтеза — превращения водорода в гелий.
4. Гидростатическое равновесие: Энергия, выделяемая в ходе термоядерных реакций, создает мощное давление изнутри, которое уравновешивает силу гравитационного сжатия. Коллапс прекращается, и объект становится стабильной звездой. Большую часть своей жизни звезда проводит в этом равновесном состоянии, которое называется главной последовательностью.

Ответ: Звезды образуются в результате гравитационного сжатия плотных участков гигантских молекулярных облаков, в ходе которого в центре формируется протозвезда, разогревающаяся до температур, достаточных для начала термоядерных реакций.

3. Почему в звездах происходят термоядерные реакции, а в планетах нет? Основная причина, по которой в звездах идут термоядерные реакции, а в планетах — нет, заключается в их массе.
Для запуска термоядерной реакции синтеза, в ходе которой ядра водорода сливаются, образуя гелий, необходимы колоссальные температура (свыше 10 миллионов кельвинов) и давление.
Звезды обладают достаточной массой (как минимум, $0.08$ массы Солнца, или $M > 0.08 M_☉$), чтобы их собственная гравитация смогла сжать вещество в ядре до такой степени, что достигаются необходимые для синтеза температура и давление. Выделяемая энергия поддерживает это состояние, не давая звезде сколлапсировать дальше.
Планеты, даже самые крупные газовые гиганты, такие как Юпитер, имеют на порядки меньшую массу. Гравитационного давления в их недрах недостаточно для разогрева ядра до температур, необходимых для зажигания "водородного топлива". Например, масса Юпитера составляет всего около $0.001$ массы Солнца. Существуют также объекты, промежуточные по массе между планетами и звездами, — коричневые карлики. Их масса (от 13 до 80 масс Юпитера) достаточна для запуска термоядерных реакций с участием дейтерия (тяжелого изотопа водорода), но не для устойчивого "горения" обычного водорода. Поэтому их не считают полноценными звездами.

Ответ: Термоядерные реакции происходят в звездах, потому что их огромная масса создает в ядре достаточное давление и температуру для запуска синтеза. Планеты же недостаточно массивны, чтобы в их недрах возникли подобные условия.