Номер 4, страница 285 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 68. Физическая природа Солнца и звёзд. Темы докладов - номер 4, страница 285.

Условие.

4. Жизнь и смерть звезды.

Решение.

Жизненный цикл звезды — это последовательность изменений, которые звезда претерпевает на протяжении своего существования, от рождения из газопылевого облака до превращения в компактный объект. Этот цикл определяется в первую очередь начальной массой звезды.

Рождение звезды

Звезды рождаются в гигантских, холодных и плотных межзвездных облаках газа и пыли, называемых молекулярными облаками или туманностями. Под действием гравитационных сил или внешнего воздействия (например, ударной волны от взрыва сверхновой) такое облако начинает сжиматься. В процессе сжатия облако фрагментируется на более мелкие уплотнения, которые продолжают коллапсировать. Гравитационная потенциальная энергия превращается в тепловую, и температура в центре уплотнения растет. Этот горячий, плотный сгусток газа называется протозвездой.

Когда температура и давление в ядре протозвезды достигают критических значений (около 10-15 миллионов Кельвинов), запускаются реакции термоядерного синтеза. В этих реакциях ядра водорода сливаются, образуя ядра гелия, с выделением огромного количества энергии, согласно знаменитой формуле Эйнштейна $E=mc^2$. Эта энергия создает давление, направленное наружу, которое уравновешивает силу гравитационного сжатия. С этого момента протозвезда становится полноценной звездой и вступает в самую продолжительную стадию своей жизни — главную последовательность.

Ответ: Звезда рождается из гравитационного коллапса гигантского молекулярного облака, в центре которого формируется протозвезда, где при достижении достаточной температуры и давления начинается термоядерный синтез водорода.

Жизнь на главной последовательности

Большую часть своей жизни (около 90%) звезда проводит на главной последовательности. В этот период она находится в состоянии гидростатического равновесия: сила гравитации, стремящаяся сжать звезду, уравновешивается давлением горячего газа и излучения, идущего из ядра. Основным источником энергии является синтез гелия из водорода в ядре.

Продолжительность жизни звезды на главной последовательности обратно пропорциональна ее массе. Массивные звезды имеют более высокую температуру и давление в ядре, что приводит к гораздо более быстрому протеканию термоядерных реакций. Они сжигают свое топливо за миллионы лет. Маломассивные звезды, такие как наше Солнце, сжигают водород медленнее и могут существовать миллиарды лет. Зависимость светимости $\text{L}$ от массы $\text{M}$ для звезд главной последовательности примерно описывается соотношением $L \propto M^{3.5}$.

Ответ: На главной последовательности звезда стабильно сжигает водород в своем ядре, находясь в гидростатическом равновесии. Продолжительность этой стадии зависит от массы звезды: чем массивнее звезда, тем короче ее жизнь.

Смерть звезды

Конечный этап эволюции звезды определяется ее начальной массой.

Звезды с малой и средней массой (до 8 масс Солнца)

Когда водород в ядре звезды, подобной Солнцу, заканчивается, термоядерные реакции в нем прекращаются. Ядро, состоящее теперь в основном из гелия, начинает сжиматься под действием гравитации и разогреваться. Это приводит к тому, что термоядерное горение водорода начинается в слое, окружающем ядро. Выделяющаяся энергия заставляет внешние слои звезды сильно расширяться и остывать. Звезда превращается в красного гиганта.

Дальнейшее сжатие ядра может поднять температуру до 100 миллионов Кельвинов, что запускает термоядерные реакции горения гелия с образованием углерода и кислорода. После исчерпания гелия в ядре, звезда становится нестабильной. Она сбрасывает свои внешние оболочки, которые образуют красивую светящуюся структуру, называемую планетарной туманностью. В центре туманности остается очень горячее и плотное ядро бывшей звезды — белый карлик. Белый карлик больше не производит энергию и медленно остывает в течение миллиардов лет, со временем превращаясь в гипотетический холодный объект — черный карлик. Масса белого карлика не может превышать предел Чандрасекара, равный примерно $1.4$ массы Солнца ($1.4 M_{\odot}$).

Ответ: Звезды малой и средней массы после стадии красного гиганта сбрасывают внешние оболочки, образуя планетарную туманность, и оставляют после себя остывающий белый карлик.

Массивные звезды (более 8 масс Солнца)

Массивные звезды эволюционируют гораздо быстрее и драматичнее. После исчерпания водорода в ядре они превращаются в красных сверхгигантов. Их масса достаточна для того, чтобы в ядре последовательно запускались реакции синтеза все более тяжелых элементов: гелий превращается в углерод, углерод — в неон, неон — в кислород, кислород — в кремний, и, наконец, кремний — в железо.

Синтез железа не выделяет, а поглощает энергию. Как только в ядре накапливается железо, источник энергии, поддерживающий звезду, иссякает. Ядро катастрофически коллапсирует под действием собственной гравитации всего за доли секунды. Этот коллапс останавливается только тогда, когда вещество сжимается до плотности атомного ядра. Внешние слои звезды, падая на это сверхплотное ядро, отскакивают от него, создавая мощнейшую ударную волну. Происходит колоссальный взрыв, называемый вспышкой сверхновой II типа. Во время взрыва синтезируются элементы тяжелее железа и рассеиваются по всей галактике.

Судьба оставшегося после взрыва ядра зависит от его массы:

– Если масса ядра составляет от $1.4 M_{\odot}$ до примерно $3 M_{\odot}$, оно превращается в нейтронную звезду — невероятно плотный объект, состоящий в основном из нейтронов. Некоторые нейтронные звезды быстро вращаются и испускают пучки излучения, наблюдаемые как пульсары.

– Если масса ядра превышает примерно $3 M_{\odot}$ (предел Оппенгеймера — Волкова), то никакая известная сила не может противостоять гравитации. Ядро коллапсирует в сингулярность, образуя черную дыру — объект с гравитационным полем настолько сильным, что его не может покинуть даже свет.

Ответ: Массивные звезды заканчивают свою жизнь взрывом сверхновой, рассеивая тяжелые элементы в космос. В зависимости от массы оставшегося ядра, после взрыва образуется либо нейтронная звезда, либо черная дыра.