Неозброєним оком на небі в безмісячну ніч і далеко від міста видно величезна кількість зірок. За допомогою телескопа можна спостерігати ще більше світил. Професійна апаратура дозволяє визначити їх колір і розмір, а також світність. Питання «з чого складаються зірки?» протягом тривалого часу в історії астрономії залишався одним з найбільш спірних. Однак і його вдалося вирішити. Сьогодні вченим відомо, з чого складається Сонце та інші зірки і як цей параметр змінюється в процесі еволюції космічних тел.
Метод
Визначати склад світила астрономи навчилися тільки в середині XIX століття. Саме тоді в арсеналі дослідників космосу з’явився спектральний аналіз. Метод заснований на властивості атомів різних елементів випромінювати і поглинати світло на строго певних резонансних частотах. Відповідно на спектрі видно темні і світлі смуги, розташовані на місцях, характерних для даної речовини.
Різні джерела світла можна відрізнити по малюнку з ліній поглинання і випромінювання. Спектральний аналіз успішно застосовується для визначення складу зірок. Його дані допомагають дослідникам зрозуміти дуже багато процесів, що відбуваються всередині світил і недоступні безпосередньому спостереженню.
З чого складається зірка на небі?
Сонце і інші світила — це величезні розжарені кулі газу. Зірки складаються переважно з водню і гелію (73 і 25% відповідно). Ще приблизно 2% речовини припадає на більш важкі елементи: вуглець, кисень, метали і так далі. В цілому відомі сьогодні планети і зірки складаються з того ж матеріалу, що і весь Всесвіт, однак відмінності в концентрації окремих речовин, маси об’єктів і внутрішніх процесах породжують все різноманіття існуючих космічних тел.
У разі світил основними критеріями відмінностей між їх типами є маса і ті самі 2 % елементів, які важче гелію. Відносна концентрація останніх називається в астрономії металічність. Величина цього параметра допомагає визначити вік зірки і її майбутнє.
Внутрішня будова
«Начинка» зірок не розлітається по Галактиці завдяки силам гравітаційного стиснення. Вони ж сприяють розподілу елементів у внутрішній структурі світил певним чином. В центр, до ядра, спрямовуються всі метали (в астрономії так називають будь-які елементи важче гелію). Зірка утворюється з хмари пилу і газів. Якщо в ньому присутні тільки гелій і водень, то перший утворює ядро, а другий — оболонку. В той момент, коли маса досягає критичної позначки, починається термоядерна реакція і зірка запалюється.
Три покоління зірок
Ядра, що складаються виключно з гелію, мали світила першого покоління (також їх називають зірками населення III). Вони утворилися через деякий час після Великого вибуху і характеризувалися вражаючими розмірами, порівнянними з параметрами сучасних галактик. У процесі синтезу в їх надрах з гелію поступово утворювалися інші елементи (метали). Такі зірки закінчували своє життя, вибухаючи наднової. Елементи, синтезовані в них, стали будівельним матеріалом для таких світил. Для зірок другого покоління (населення II) характерна низька металлічность. Наймолодші з відомих сьогодні світил відносяться до третього покоління. У їх число входить і Сонце. Особливість таких світил — більш високий показник металличности в порівнянні з попередниками. Більш молоді зірки вченими виявлені не були, однак можна з упевненістю стверджувати, що для них характерний ще більший розмір цього параметра.
Визначальний параметр
Те, з чого складаються зірки, впливає на тривалість їхнього життя. Метали, опускаються до ядра, впливають на термоядерну реакцію. Чим їх більше, тим раніше загоряється зірка і тим менше буде розмір її ядра при цьому. Наслідком останнього факту є більш низька кількість енергії, що випромінюється таким світилом в одиницю часу. Як результат такі зірки живуть значно довше. Їх запасу палива вистачає на багато мільярдів років. Наприклад, за підрахунками вчених Сонце зараз знаходиться на середині свого життєвого циклу. Воно існує вже близько 5 млрд років і стільки ж ще попереду.
Сонце згідно теорії утворилося з газопилової хмари, насиченого металами. Воно відноситься до зірок третього покоління або, як їх ще називають, населення I. Метали в його ядрі крім більш повільного горіння палива забезпечують рівномірне виділення тепла, що стало однією з умов зародження життя на нашій планеті.
Еволюція зірок
Склад світил непостійний. Подивимося, з чого складаються зірки на різних етапах своєї еволюції. Але для початку пригадаємо, які етапи проходить світило від моменту появи до завершення життєвого циклу.
На початку еволюції зірки розташовуються на головній послідовності діаграми Герцшпрунга-Рассела. В цей час основним паливом у ядрі є водень, з чотирьох атомів якого утворюється один атом гелію. Більшу частину життя зірка проводить саме в такому стані. Наступна стадія еволюції — червоний гігант. Його розміри значно більше початкових, а температура поверхні, навпаки, нижче. Зірки типу Сонця закінчують своє життя на наступній стадії — вони стають білими карликами. Більш масивні світила перетворюються в нейтронні зірки або чорні діри.
Перша стадія еволюції
Термоядерні процеси в надрах є причиною переходу світила з однієї стадії на іншу. Горіння водню призводить до збільшення кількості гелію, а значить, розмірів ядра та площі реакції. В результаті температура зірки зростає. Починає вступати В реакцію водень, раніше в ній не задіяний. Відбувається порушення балансу між оболонкою і ядром. Як наслідок перша починає розширюватися, а друге — звужуватися. При цьому сильно зростає температура, що провокує горіння гелію. З нього утворюються більш важкі елементи: вуглець і кисень. Зірка сходить з головної послідовності і перетворюється на червоного гіганта.
Наступна частина циклу
Червоний гігант являє собою об’єкт з сильно раздувшейся оболонкою. Коли Сонце дійде до цієї стадії, воно займе весь простір аж до орбіти Землі. Про життя на нашій планеті в таких умовах, звичайно, говорити не доводиться. У надрах червоного гіганта синтезується вуглець і кисень. При цьому світило регулярно втрачає масу через зоряного вітру і постійної пульсації.
Подальші події розрізняються у об’єктів з середньою і великою масою. Пульсації зірок першого типу призводять до того, що їх зовнішні оболонки скидаються й утворять планетарну туманність. В ядрі закінчується паливо, воно остигає і перетворюється на білого карлика.
Еволюція надмасивних світил
Водень, гелій, вуглець і кисень — не все, з чого складаються зірки з величезними масами на останній стадії еволюції. На етапі червоного гіганта ядра таких світил стискаються з величезною силою. В умовах постійно зростаючої температури починається горіння вуглецю, а потім і його продуктів. Послідовно утворюються кисень, кремній, залізо. Далі синтез елементів вже не йде, оскільки формування з заліза більш важких ядер з виділенням енергії неможливо. Коли маса ядра досягає певної величини, воно колапсує. На небі загоряється наднова. Подальша доля знову об’єкта залежить від його маси. На місці світила може утворитися нейтронна зірка або чорна діра.
Після вибуху наднової синтезовані елементи розлітаються в навколишньому просторі. З них, цілком можливо, через деякий час сформуються нові зірки.
Приклади
Особливе почуття виникає, коли виходить не тільки пізнати на небі знайомі світила, але і пригадати, до якого класу вони відносяться, з чого складаються. Подивимося, з яких зірок полягає Велика Ведмедиця. У астеризм ківш входять сім світил. Найяскравіші з них — це Аліот і Дубхе. Друге світило являє собою систему з трьох компонентів. В одному з них вже почалося горіння гелію. Два інших, як і Аліот, розташовуються на головній послідовності. До цієї ж частини діаграми Герцшпрунга-Рассела відносяться і Фекда з Бенеташем, також складові ківш.
Найяскравіша зірка нічного неба, Сіріус, складається з двох компонентів. Один з них відноситься до головної послідовності, другий — білий карлик. На гілки червоних гігантів розташувався Поллукс (альфа Близнюків) і Арктур (альфа Волопаса).
З яких світил кожна галактика складається? З скількох зірок сформована Всесвіт? На подібні запитання досить важко відповісти точно. Кілька сотень мільярдів світил зосереджені в одному тільки Чумацькому шляху. Багато з них вже потрапили в об’єктиви телескопів і регулярно виявляються нові. Те, з яких газів складаються зірки, нам теж в цілому відомо, однак нові світила часто не відповідають сформованому уявленню. Космос приховує ще чимало таємниць і багато об’єкти та їх властивості чекають своїх першовідкривачів.
