Номер 2, страница 285 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 8. Строение и эволюция Вселенной. Параграф 68. Физическая природа Солнца и звёзд. Вопросы - номер 2, страница 285.

Условие.

2. Как рождаются и умирают звёзды? З

Решение.

Жизненный цикл звезды — это сложный процесс, который можно разделить на два основных этапа: рождение и смерть. Оба этапа зависят от фундаментальных физических законов, в первую очередь от гравитации и ядерных реакций.

Рождение звёзд

Звёзды зарождаются в гигантских молекулярных облаках — огромных скоплениях холодного межзвёздного газа (преимущественно водорода) и пыли. Эти облака могут простираться на сотни световых лет и содержать массу, в миллионы раз превышающую массу Солнца. Процесс рождения можно описать следующими шагами:

1. Гравитационный коллапс. Изначально облако находится в равновесии, но под действием внешнего толчка (например, ударной волны от взрыва сверхновой или столкновения галактик) в нём могут возникнуть более плотные области. Если плотность и масса такой области превышают критическое значение (массу Джинса), сила гравитации начинает преобладать над газовым давлением, и область начинает сжиматься — происходит гравитационный коллапс.

2. Образование протозвезды. По мере сжатия облако фрагментируется на более мелкие уплотнения. Каждое из них продолжает сжиматься, а его центр разогревается за счёт преобразования гравитационной потенциальной энергии в тепловую. Так формируется горячее и плотное ядро, называемое протозвездой. Протозвезда продолжает набирать массу, притягивая окружающий газ и пыль.

3. Начало термоядерного синтеза. Сжатие и разогрев ядра протозвезды продолжаются до тех пор, пока температура в её центре не достигнет примерно 10-15 миллионов градусов Кельвина. При такой температуре и давлении начинается реакция термоядерного синтеза: ядра водорода сливаются, образуя ядра гелия и выделяя огромное количество энергии.$4^1H \rightarrow ^4He + 2e^+ + 2\nu_e + \gamma$

4. Выход на главную последовательность. Выделяющаяся энергия создаёт давление, направленное наружу, которое уравновешивает силу гравитационного сжатия. Звезда достигает состояния гидростатического равновесия и становится стабильным объектом. Этот этап, на котором звезда проводит большую часть своей жизни, называется главной последовательностью. Наше Солнце сейчас находится на этой стадии.

Ответ: Звёзды рождаются из гигантских облаков межзвёздного газа и пыли, которые сжимаются под действием собственной гравитации. В центре сжимающегося облака формируется протозвезда, которая разогревается до тех пор, пока в её ядре не начнётся термоядерная реакция превращения водорода в гелий. С этого момента протозвезда становится полноценной звездой главной последовательности.

Смерть звёзд

Конец жизни звезды полностью определяется её начальной массой. Когда в ядре звезды заканчивается водородное топливо, она сходит с главной последовательности и её дальнейшая эволюция идёт по одному из двух основных путей.

1. Звёзды малой и средней массы (до 8 масс Солнца, $M \lesssim 8 M_☉$).

Когда в ядре звезды, подобной Солнцу, выгорает водород, термоядерные реакции в нём прекращаются. Ядро начинает сжиматься под действием гравитации и разогреваться. Внешние слои звезды при этом сильно расширяются и остывают, превращая звезду в красного гиганта. Температура в сжавшемся ядре в итоге достигает уровня, достаточного для начала синтеза гелия в углерод и кислород. Когда и гелий в ядре заканчивается, внешние слои звезды отторгаются, образуя расширяющуюся газовую оболочку, называемую планетарной туманностью. В центре остаётся очень горячее и плотное ядро — белый карлик. Белый карлик — это вырожденный объект, лишённый источников энергии, который медленно остывает в течение миллиардов лет, со временем превращаясь в гипотетический холодный чёрный карлик.

2. Массивные звёзды (более 8 масс Солнца, $M > 8 M_☉$).

Массивные звёзды живут гораздо меньше и умирают более эффектно. После выгорания водорода они также расширяются, но становятся красными сверхгигантами. В их ядре последовательно происходят реакции синтеза всё более тяжёлых элементов: гелия в углерод, углерода в неон, кислород, кремний и, наконец, в железо. Ядро железа является конечным продуктом, так как синтез более тяжёлых элементов требует затрат энергии, а не её выделения. Когда ядро становится железным, синтез прекращается. Гравитация мгновенно сжимает ядро, что приводит к колоссальному взрыву — вспышке сверхновой II типа. Взрыв размётывает внешние слои звезды, обогащая межзвёздное пространство тяжёлыми элементами.

Судьба оставшегося после взрыва ядра зависит от его массы:

• Если масса ядра составляет от 1.4 до примерно 3 масс Солнца ($1.4 M_☉ < M_{ядра} < 3 M_☉$), оно коллапсирует в нейтронную звезду — сверхплотный объект, состоящий в основном из нейтронов.
• Если масса ядра превышает 3 массы Солнца ($M_{ядра} > 3 M_☉$), то никакая сила не может противостоять гравитации, и ядро коллапсирует в чёрную дыру — объект, гравитационное притяжение которого настолько велико, что его не может покинуть даже свет.

Ответ: Смерть звезды зависит от её массы. Звёзды малой массы, как Солнце, превращаются в красных гигантов, затем сбрасывают внешние оболочки (образуя планетарную туманность) и оставляют после себя остывающий белый карлик. Массивные звёзды заканчивают свою жизнь грандиозным взрывом сверхновой, в результате которого образуется либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра, а в межзвёздное пространство выбрасываются тяжёлые химические элементы.