Методика преподавания астрономии

---

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 8 урока
"Смерть звезд"

Цель: формирование фундаментального астрономического понятия "звезда": космический процесс эволюции звезд и звездных систем.

Задачи обучения:

Общеобразовательные: углубление, расширение и закрепление системы знаний о космическом процессе эволюции звезд и формирование понятий:

- о завершающих стадиях космического процесса эволюции звезд ("смерти звезд");
- об основных параметрах внутреннего строения звезд и термоядерных реакциях в недрах звезд на последних этапах их эволюции;
- о космических явлениях, сопровождающих завершающие стадии эволюции звезд: вспышках Новых и Сверхновых звезд, их причинах и основных характеристиках;
- о космических объектах, возникающих в результате эволюции звезд (планетарных и волокнистых туманностях; белых карликах; нейтронных звездах; черных дырах), их основных характеристиках, внутреннем строении и составе;
- о возникновении тяжелых химических элементов в результате термоядерных реакций в недрах звезд на завершающих этапах их эволюции и образовании из этого вещества звезд II и последующих поколения и планетных систем;
- о космическом процессе кругооборота и эволюции космической среды;
- об эволюционном характере диаграммы "спектр-светимость" и треках "жизненного пути" звезд.

Воспитательные - формирование научного мировоззрения и атеистическое воспитание учащихся в ходе знакомства с физической природой звезд и звездных систем и на основе раскрытия фундаментальных природных закономерностей (причинной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений и процессов, перехода количественных изменений в качественные, единства и взаимодействия противоположностей) и философских положений о материальном единстве и познаваемости мира при изучении материала о космических процессах эволюции звезд и звездных систем, их рождения, жизни и смерти, возникновения химических элементов в недрах звезд в ходе их эволюции с образованием из этого вещества новых звезд и планетных систем и космического процесса кругооборота и эволюции космической среды.

Развивающие - формирование умений:

- анализировать информацию, составлять классификационные схемы, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий, использовать обобщенные планы изучения космических объектов, процессов и явлений, делать выводы;
- решать задачи на расчет основных физических характеристик звездных систем, звезд и параметров их внутреннего строения с использованием изученных законов физики, данных классификационных схем и диаграмм звездных характеристик ("спектр - светимость", "масса – светимость" и др.).

Ученики должны знать основные сведения:

- о космическом процессе эволюции звезд и звездных систем, ее причинах и основных направлениях в зависимости от массы и других характеристик космического объекта и об эволюционном характере диаграммы Герцшпрунга-Рессела и треках "жизненного пути" звезд;
- о завершающих стадиях эволюции звезд, причинах и характере их "смерти";
- о космическом явлении изменения светимости (вспышках) звезд на заключительных этапах их эволюции – Новых и Сверхновых звездах;
- о космических объектах, возникающих в результате эволюции звезд: планетарных и волокнистых туманностях; белых карликах, нейтронных звезда и черных дырах;
- о возникновении тяжелых химических элементов в результате термоядерных реакций в недрах звезд на завершающих этапах их эволюции и образовании из этого вещества звезд II и последующих поколения и планетных систем;
- о космическом процессе кругооборота и эволюции космической среды;

Ученики должны уметь:

- анализировать и систематизировать учебный материал;
- использовать обобщенные планы для изучения космических объектов, процессов и явлений; составлять классификационные схемы и делать выводы;
- решать задачи на расчет основных физических характеристик звездных систем, звезд и параметров их внутреннего строения с использованием изученных законов физики, данных классификационных схем и диаграмм звездных характеристик.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии, схемы и рисунки звезд, Новых и Сверхновых, планетарных и волокнистых туманностей, белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр; внутреннего строения звезд на заключительных стадиях эволюции; основных путей звездной эволюции;
- диапозитивы из слайд-фильма "Иллюстрированная астрономия": "Звезды и галактики";
- диафильмы и фрагменты диафильмов: "Звезды"; "Природа звезд"; "Происхождение и развитие небесных тел";
- кинофильмы и кинофрагменты: "Переменные звезды"; "Вселенная".
- таблицы: "Радиоастрономия"; "Звезды"; "Диаграмма "Цвет – светимость"; "Двойные звезды"; "Переменные звезды"; "Звездные скопления, туманности, Галактика";
- наглядные пособия и ТСО: настенная и подвижные карты звездного неба.

Задание на дом:

1) по материалу учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: изучить §§ 25 (2, 3), 26; вопросы к параграфам; упр. 23 (1, 2);
- Е.П. Левитана: изучить §§ 25, 26, 27 (2), 31 (3); вопросы к параграфам.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: изучить §§ 24 (1, 2), 25 (3, 4), 27; вопросы; упр. 24.4, 25.6, 27.4 (2).

План урока

Этапы урока	Содержание	Методы изложения	Время, мин
1	Проверка и актуализация материала	Фронтальный опрос, беседа	7-10
2	Изложение нового материала: 1.Заключительные стадии эволюции звезд. 2. Новые звезды, белые карлики и планетарные туманности 3. Сверхновые, нейтронные звезды и волокнистые туманности 4.Черные дыры 5. Эволюционные смысл диаграммы Герцшпрунга-Рассела. Эволюционные треки звезд. 6. Дальнейшая судьба Солнечной системы	Лекция, беседа, рассказ учителя	22-25
3	Закрепление изученного материала.	Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради	10-12
4	Подведение итогов урока. Домашнее задание		3-5

Методика проведения урока:

В начале урока проводится повторение и актуализация учебного материала о звездах и звездных системах. Во время фронтального опроса в несколько сокращенном виде ученикам задают те же вопросы, которые задавались на предыдущем уроке. Желательно, чтобы на них в этот раз отвечали другие ученики, а те, кто правильно ответил на них, поправляли и дополняли их ответы и помогали учителю оценить работу своих товарищей.

Дополнительные вопросы задаются с целью прояснения глубины знаний учеников, степени овладения ими учебным материалом. Особое внимание следует уделить вопросам внутреннего строения и эволюции звезд.

1. Как рассчитать внутренние параметры (температуру, давление и т.д.) в недрах звезды? Продиктуйте эти формулы для записи на доске. Можно ли по этим формулам рассчитать соответствующие характеристики Солнца?

2. Какое внутреннее строение имеют звезды: голубые гиганты? Белые звезды главной последовательности? Желтые звезды главной последовательности? Красные звезды главной последовательности? Красные гиганты? В чем сходство и в чем отличие между их внутренним строением и строением Солнца? Почему?

3. Перечислите основные этапы эволюции звезд. Изменяются ли в ходе эволюции звезды ее основные параметры: масса, светимость, температура поверхности, размеры, спектр и т.д.? Как вы думаете, можно ли отразить жизненный путь звезды на диаграмме, подобной диаграммам "спектр-светимость" и "масса-светимость"?

Часть учеников традиционно выполняет в это время те же программируемые задания, которые задавались на прошлом уроке.

Далее в форме лекции или периодически переходящего в беседу рассказа учителя излагается материал о заключительных стадиях эволюции звезд, Новых и Сверхновых звездах, планетарных и волокнистых туманностях и объектах, возникающих из ядер звезд на заключительной стадии их эволюции – белых карликах, нейтронных звездах и черных дырах.

Рис. 58. Эволюция звезд

В слабо подготовленных классах и при недостатке учебного времени материал изучается кратко, с применением схемы рис. 58.

При изложении материала необходимо учитывать, что вопросы о "взрывах" звезд и черных дырах принадлежат к наиболее интересующим учащихся, но формирование данных понятий затрудняется как сложностью физико-математического аппарата (ядерная физика, физика элементарных частиц, специальная теория относительности), необходимого для адекватного восприятия информации, так и ложными "донаучными" представлениями в сознании учеников, сформировавшимися у них при чтении псевдонаучной литературы, источников массовой информации и т.д.

Смерть звезды принимает различные формы в зависимости от массы звезды, массы ее ядра, характеристик вращения, магнитного поля и других параметров.

Красные карлики с массой до 0,8М¤ могут жить очень долго – до ста миллиардов лет. По мере уменьшения концентрации водорода в ядре термоядерные реакции медленно угасают и звезда, постепенно остывая, превращается в черный карлик, в котором сила тяготения уравновешивается давлением остывающего ионизированного газа. Ход эволюции прост:

Красный карлик главной последовательности ® Черный карлик

Эволюция звезды с начальной массой 3-8 М¤ при массе ядра до 1,5 М¤ протекает следующим образом:

æ Звезда главной последовательности æ
	æ Красный гигант æ
		æ Вспышка Новой æ
			Белый карлик + планетарная туманность ® Черный карлик

При очередном резком сжатии ядра звезды ударная волна взрывообразно отбрасывает в окружающее космическое пространство слабо притягивающиеся к центру звезды внешние слои звезды. Чем меньше масса звезды, тем раньше произойдет это событие: звезды с массой ядра М<<М¤ сбрасывают оболочку на стадии перехода к "горению" гелия, звезды с массой ядра М » 1,5 М¤ могут "дожить" до образования ядра из кислорода и неона.

Явление называется вспышкой Новой звезды: на несколько дней светимость гибнущей звезды возрастает до 400000 раз и остается такой на протяжение нескольких недель или месяцев. Поскольку до вспышки звезда часто не наблюдалась невооруженным глазом, для древних астрономов явление выглядело как появление на небесной сфере нового яркого светила. Но на самом деле это не рождение, а смерть звезды.

Отброшенные взрывом газовые оболочки расширяются со скоростью до 1000 км/с и образуют планетарную туманность, которая очень медленно рассеивается в космическом пространстве. Она имеет размеры 0,1-1 пк, светится за счет энергии, запасенной при вспышке Новой и переизлучения света близко расположенных звезд, и обычно содержит в своем составе много гелия, кислорода и азота.

В случае интенсивной потери вещества звездой ее смерть может быть "тихой", без вспышки Новой: относительно плавное, постепенное расширение внешней оболочки красного гиганта со скоростью около 20 км/c завершается образованием планетарной туманности.

В центре бывшей звезды наблюдается белый карлик - бывшее ядро звезды, сжавшееся до размеров менее 10⁴ км (R < 0,007 R¤ ). Предельная масса белых карликов (предел Чандрасекара) зависит от их химического состава и определяется формулой: , где m_e – молекулярная масса, приходящаяся на 1 электрон. Для массивных белых карликов M_Ch » 1,4 M¤ . Сила тяжести уравновешивается давлением вырожденного (плотностью ионизированного) газа. Плотность внешних слоев - 10³ г/см³, увеличивается с глубиной до 10⁶ г/см³, - в тысячи раз большей, чем у металлов. Температура также быстро растет с глубиной: от 10⁴ К на поверхности до 10⁷К на глубине 0,98 R_*, но все же слишком мала для протекания термоядерных реакций. Свободные электроны перемещаются между "узлами кристаллической решетки" - тесно расположенными ядрами атомов от гелия до железа (рис. 56). Излучение белых карликов происходит за счет "запасенной" энергии, причем излучают не электроны, а атомные ядра (при переходе с одного энергетического уровня на другой). Время существования (остывания) белых карликов - превращение их в холодные черные карлики составляет сотни триллионов лет.

Число белых карликов разного возраста в Галактике достигает 10¹⁰ объектов, а их суммарная масса вместе с массой остывших черных карликов по оценкам ряда ученых может достигать 10¹¹ кг!

Эволюция звезд массой 10-15 М¤ (с массой ядра до 1,5-2,5 М¤ ) протекает иначе:

æ Звезда главной последовательности æ
	æ Красный сверхгигант æ
		æ Вспышка Сверхновой æ
			Нейтронная звезда + волокнистая туманность

На начальной стадии "выгорания" железа: при температуре 10¹⁰ К центральная часть звезды излучает в пространство огромное число элементарных частиц нейтрино и антинейтрино (), уносящих с собой значительную долю выделяющейся в ядре термоядерной энергии – D Е_связи = 0,15 М¤ × с!

Равновесие между силами тяготения и резко упавшего лучевого давления необратимо нарушается.

Массивная звезда "спадает" внутрь себя за время около 0,01 с. При этом плотность вещества ядра увеличивается от 10⁷ до 10¹⁴ г/см³, а температура до 2× 10¹¹ К! В оболочке, окружающей ядро, возникает взрывная реакция "выгорания" кислорода и углерода. За доли секунды под действием невероятного высоких температур и давления происходят последовательные термоядерные реакции образования тяжелых и сверхтяжелых химических элементов с атомной массой А ~ 270: урана, тория и других. Сверхмощная взрывная волна срывает и уносит звездную оболочку, рассеивая в пространстве "новорожденные" химические элементы.

С Земли смерть звезды выглядит как вспышка Сверхновой звезды. При вспышке Сверхновой выделяется энергия до 10⁴³ Дж! Светимость гибнущей звезды возрастает в сотни миллионов раз и в течение нескольких недель и даже месяцев звезда излучает света больше, чем целая галактика!

По наблюдаемым характеристикам Сверхновые подразделяются на 2 группы. Сверхновые I типа порождаются коллапсом звезд с массой ядра около 2 М¤ , богатых гелием углеродом и кислородом (звезды типа Вольфа-Райе, сталкивающиеся белые карлики в тесных двойных системах и т.д.) и выделяют при взрыве энергии до 4× 10⁴² Дж. В их спектрах нет линий водорода, а кривая блеска и светимость в максимуме почти одинаковы. На протяжении 15 суток их блеск плавно увеличивается на 17^m; затем несколько суток пребывают в максимуме блеска (при этом они выделяют энергии около 4,5× 10³⁶ Дж/с и светимость их достигает 1,2× 10¹⁰ L¤ ); далее в течение 300-350 суток их блеск сначала быстро, а затем все медленнее снижается.

Сверхновые II типа порождаются коллапсом массивных молодых звезд и выделяют при взрыве энергии до 10⁴² Дж. Их спектры богаты водородными линиями, а кривые блеска очень разнообразны. Их блеск увеличивается на протяжении 20 суток; в максимуме блеска они выделяют энергии около 7,5× 10³⁵ Дж/с; блеск снижается в течение 150 суток.

Вспышка Сверхновой начинается с выброса вещества двумя узкими струями (джетами) вдоль оси вращения сжимающегося ядра звезды. Серия ударных волн распространяет джета во всей оболочке, вызывая сферически-симметричный разлет вещества. Оболочка звезды расширяется в пространстве со скоростью 5000-10000 км/с, создавая ударную волну и образуя волокнистую газовую туманность массой 3× 10²⁹-6× 10³⁰ кг, размерами 20-40 пк, имеющую симметричную форму и излучающую за счет энергии, запасенной оболочкой Сверхновой во время взрыва (расширяющаяся со скоростью 165 км/с волокнистая туманность Бумеранг в 5000 св. лет от Земли считается "самым холодным" объектом Метагалактики с температурой ниже температуры реликтового излучения 2,7 К). В составе вещества волокнистых туманностей содержится много тяжелых и сверхтяжелых химических элементов, образовавшихся во время взрыва звезды. Частота вспышек Сверхновых в Галактике - 1 раз в 100-300 лет.

В центре волокнистой туманности сжавшееся ядро бывшей звезды массой до 1-2 М¤ образует нейтронную звезду, в которой давление нейтронного вещества уравновешивает силы гравитации. При сжатии звезды скорость ее вращения увеличивается обратно пропорционально квадрату радиуса; аналогично усиливается магнитное поле, становящееся в 10¹¹-10¹³ раз мощнее солнечного. Взрыв ускоряет скорость движения юной нейтронной звезды до 10² -10³ км/с и она покидает место своего рождения.

Нейтронные звезды - "суперзвезды": сверхмалые по размерам (8-15 км) и сверхплотные (10¹⁴ - 10¹⁵ г/см³) объекты со средней массой 1,35 М¤ , состоящие из сверхвырожденного сверхпроводящего вещества, сверхбыстро вращающиеся (10 - 10⁵ оборотов/с), обладающие сверхмощными магнитными полями (10¹² - 10¹³ Гс) и являющиеся сверхускорителями частиц сверхвысоких энергий.

1 - оболочка; 2 - внешняя кора (e-, Z); 3 - внутренняя кора (e-, Z, n0); 4 - внешнее ядро(e-, n0, p+); 5 - внутреннее ядро (гипероны, пионы, кварки); 6 - вихревые нити; 7 - магнитные трубки.

Рис. 59. Строение нейтронной звезды

Под оболочкой - поверхностным слоем плазмы толщиной до 10 м, плотностью 10⁶ г/см³ и температурой 10⁶К скрыта твердая (!) внешняя кора толщиной до 100 м, состоящая из полностью вырожденного вещества плотностью 10⁸ - 10¹¹ г/см³ с температурой 10⁷К; ядра атомов железа и других тяжелых элементов образуют кристаллическую решетку, погруженную в электронный газ. Глубже располагается частично "нейтронизированная" внутренняя кора толщиной до 1 км: при плотности вещества свыше 6× 10¹¹ г/см³, давлении около 10³² Па и температуре свыше 10⁸К атомные ядра становятся неустойчивыми и распадаются на протоны и нейтроны; протоны взаимодействуют с электронами и превращаются в нейтроны: р⁺ + е ^- ® n⁰. Вещество внешнего ядра до уровня с плотностью 5× 10¹³ г/см³ вещество представляет собой смесь тяжелых ядер и нейтронов - нейтронную сверхтекучую "жидкость" при температуре 10⁹К. Во внутреннем ядре при плотности свыше 10¹⁵ г/см³ в результате сильного взаимодействия в центральных областях нейтронной звезды образуются сверхтяжелые элементарные частицы (гипероны и m -мезоны); вещество ядра может представлять собой смесь p -мезонов ("пионный концентрат"), "модифицированную материю" из сигма- и лямбда-гиперонов и мюонов или даже "материю из свободных кварков" ("странное" вещество). Структура ядра и частично внутренней коры представляет собой множество параллельных оси вращения звезды взаимодействующих между собой сверхтонких вихревых нитей и магнитных трубок толщиной 10^-13 - 10^-14 м общим числом свыше 10³¹ (, где Т - период вращения звезды).

Пульсар - вращающаяся нейтронная звезда, магнитная ось которой не совпадает с осью вращения. В настоящее время известно свыше 1000 пульсаров - молодых нейтронных звезд - источников импульсного рентгеновского или радиоизлучения с периодом 0,033-4,8 с. Средняя масса известных нейтронных звезд составляет 1,2-1,4 М¤ .

Молодые нейтронные звезды – магнетары - обладают сверхмощным магнитным полем напряженностью до 10¹⁵ Гс: HD 37776 в созвездии Ориона обладает магнитным полем напряженностью 60 000 Гс; SGR 1900+14 в созвездии Орла на расстоянии 20 000 св. лет от Солнечной системы имеет магнитное поле, в 800 триллионов раз мощнее земного. Самое мощное магнитное поле (в квинтиллион раз мощнее земного!) у магнетара SGR 1806-20 в 40000 св. лет от Земли. Сверхмощные магнитные поля обусловливает рентгеновскую светимость магнетаров, называемых аномальными рентгеновскими (AXP) пульсарами. При разломах внешней коры магнетаров происходят мощные вспышки мягкого g -излучения: эти пульсары называют гамма-источниками (SGR).

Подавляющее число нейтронных звезд (обладавших до вспышки Сверхновой слабыми магнитными полями) становятся радиопульсарами (Т ~ 0,1–3 с), максимум энергии их излучения приходится на радиодиапазон. Первые 10⁴ лет своего существования юная нейтронная звезда является вспыхивающим g -источником, следующие 10⁴ лет - рентгеновским пульсаром, затем активность нейтронной звезды постепенно снижается до полного прекращения. В ходе дальнейшей эволюции происходит постепенное "затухание" магнитных полей и замедление вращения нейтронных звезд. Через 10 миллионов лет нейтронная звезда перестает быть пульсаром.

Существование нейтронных звезд было предсказано Л.Д. Ландау, В. Бааде и Ф. Цвикки в 1932-34 гг., открыты они были А. Хьюишем и Дж. Белл в 1967 году. Наблюдаются как радио- и рентгеновские пульсары, вспыхивающие рентгеновские и, возможно, g -источники.

Общее число нейтронных звезд в Галактике может достигать нескольких миллиардов.

Звезды с массами 20-40 М¤ (с массой ядра более 3 М¤ ) имеют другой вариант эволюции:

æ Звезда - сверхгигант классов О, В æ
	æ Звезда типа Вольфа-Райе æ
		æ Вспышка Сверхновой æ
			Черная дыра + волокнистая туманность

На стадии взрыва Сверхновой звезды сжатие их ядра не останавливается: происходит "гравитационный коллапс" с образованием нового типа космических объектов - черной дыры (коллапсара).

Черные дыры - гравитационно-связанные, непрозрачные для излучения, пространственно-обособленные в пределах гравитационного радиуса сгустки материи массой до 10³⁷ кг. Черная дыра с массой 1М¤ имеет размеры около 3 км.

Черные дыры "звездного происхождения" имеют среднюю массу около 10³¹ кг (до 8-10 М¤ ). Внешние свойства черных дыр описываются в рамках общей теории относительности, релятивистской и квантовой физики. Внутренние свойства черных дыр - материи, близкой к сингулярности, сжатой до плотности свыше 10⁹⁴ г/см³ при "планковских" размерах менее 10^-35 м - современные физические теории описать не могут. "Ушедший под гравитационный радиус" объект перестает наблюдаться, поскольку для него вторая космическая скорость u ` выше скорости света c. Граница области, которую не может покинуть электромагнитное излучение (при u ` = c) называется "горизонтом событий" черной дыры; пространство внутри него называется "сферой Шварцшильда". Обнаружить черную дыру можно лишь по действию ее гравитационного поля, искривляющему путь проходящих вблизи нее световых лучей (эффект "гравитационной линзы") и по рентгеновскому излучению вещества, падающего в черную дыру из окружающего пространства (внутренние области аккреционного диска раскаляются до 10⁹ К). С помощью детекторов гравитационных волн можно будет наблюдать редкие космические явления слияния черных дыр и нейтронных звезд в тесных двойных системах (1 раз за миллион лет на 1 галактику), слияния "звездных" черных дыр (1 раз за 5 миллионов лет на 1 галактику) и даже слияние сверхмассивных черных дыр (1 раз в год на всю Вселенную!).

Существование черных дыр было предсказано на основе теории Всемирного тяготения и корпускулярной теории света Дж. Митчеллом (1783 г.) и П.-С. Лапласом (1796 г.). С точки зрения общей теории относительности черные дыры были впервые описаны в 1939 г. Р. Оппенгеймером; исследовались Дж. Уилером, С. Хокингом, В.П. Шварцманом, И.Д. Новиковым, В.П. Фроловым и другими учеными.

Первые исследователи черных дыр полагали, что они не имеют индивидуальных характеристик. В настоящее время установлено, что черные дыры могут быть столь же разнообразны по свойствам, как и звезды.

При коллапсе невращающихся незаряженных объектов независимо от начальной формы (распределения массы) у возникающих черных дыр внешнее гравитационное поле Шварцшильда будет строго сферически-симметричным, а радиус горизонта событий совпадает с гравитационным радиусом R_g. Вблизи черных дыр наблюдается эффект "красного смещения"; сверхмощные поля тяготения искривляют траекторию световых лучей и с расстояния захватывают их

При коллапсе вращающегося объекта вокруг черной дыры возникает вихревое гравитационное поле Керра, вовлекающее во вращательное движение вокруг коллапсара все окружающие космические тела на расстоянии, меньшем "предела статичности"; пространство между пределом статичности и горизонтом событий называется эргосферой. Внутри неё орбиты частиц неустойчивы на расстояниях 1,5R_g < r < 3R_g и стабильны на расстоянии 3R_g. Частицы могут покидать эргосферу с энергией, превышающей начальную. Радиус горизонта событий меньше гравитационного радиуса. Вихревое гравитационное поле ускоряет и отбрасывает частицы, летящие в направлении вращения коллапсара (), но тормозит и захватывает частицы, движущиеся в противоположном направлении (r_{захвата}= 4R_g). Полная масса вращающейся черной дыры определяется её размерами (площадью поверхности горизонта) и энергией вращения.

Рис. 60. Черная дыра: 1 - горизонт событий; 2 - эргосфера; 3 - предел

Вблизи черной дыры изменяются геометрические свойства пространства и времени. Внутри черной дыры пространственная и временная координаты взаимнообращаются: перемещение в пространстве становится движением во времени. С точки зрения общей теории относительности для внешнего наблюдателя падающий в черную дыру объект никогда не пересечет горизонт событий, непрерывно замедляясь при сближении с ним, но для самого объекта время падения конечно (для черной дыры с массой 1М¤ время падения D t » 10² R_g/c). Положение горизонта событий не всегда соответствует положению гравитационного радиуса и в каждый момент времени зависит от всей последующей (!) эволюции системы.

Время существования черной дыры зависит от ее массы: устойчивыми являются лишь коллапсары с массой М ³ 10³¹ кг, остальные же постепенно "испаряются" за счет квантовых эффектов, разрушаются тем быстрее, чем меньше их масса. Черная дыра "рождает" и излучает частицы (при М < 10¹¹ кг - фотоны, нейтрино, гравитоны; при 5× 10^11< М< 10¹⁴ кг - дополнительно, электроны и позитроны; при М > 10¹⁴ кг - более тяжелые частицы). Элементарные частицы, испускаемые черной дырой, называются излучением Хокинга. Черная дыра излучает как абсолютно черное тело с температурой (К); полная мощность её электромагнитного излучения ; время существования лет. Согласно расчетам, черная дыра с массой М » 10⁷ кг существует менее 0,1 с и превращается в жесткое g -излучение, энергия которого определяется по формуле: Е = М × с². Поглощение вещества и излучения "продлевает жизнь" черных дыр: аккреция лишь реликтового излучения увеличивает массу черной дыры на 10^-10 кг/с. За счет аккреции заряженных частиц возникает электрическое поле; полный заряд черной дыры: ; при М = 1М¤ Q » 100 Кл.

В 2001 г. в виде рентгеновских источников наблюдалось свыше 13 черных дыр "звездного" происхождения с массой 4-16 М¤ , входящих в состав массивных двойных систем (Cyg X-1 (~ 16 М¤ ); LMC X-3 (~ 9 М¤ ); LMC-1(~ 7 М¤ ); Cyg X-3 (~ 23 М¤ ) и маломассивных рентгеновских двойных систем (V616 Mon (~ 10 М¤ ); V404 Cyg (~ 12 М¤ ); XNMus 1991 (~ 6 М¤ ); QZ Vul (~ 10 М¤ ); V518 Per (~ 10 М¤ ); XNSco 1994 (~ 7 М¤ ); XNOph (~ 6 М¤ ) и другие объекты. Общее число черных дыр в нашей Галактике составляет 1/20 от количества нейтронных звезд и, вероятно, превышает 10000. Открыто несколько черных дыр со "сверхзвездной" массой свыше 100 М¤ , образующихся, предположительно, при слиянии десятков и сотен мелких черных дыр вблизи центров галактик (масса черной дыры вблизи центра М82 предположительно составляет от 500 до 100000 М¤ ), и сверхмассивные черные дыры в центрах галактик с массой 10⁷ - 10⁸ М¤ . Черные дыры являются мощными источниками поляризованных гравитационных волн.

Согласно некоторым современным данным, коллапс отдельных звезд может быть "тихим" и относительно медленным, без вспышки Сверхновой.

Превращение ядер звезд-сверхгигантов в черные дыры может происходить в 2 этапа: вначале образуется массивная, сверхбыстро вращающаяся нейтронная звезда, коллапсу которой препятствует центробежная сила. За несколько десятков лет сверхмощное магнитное поле снижает скорость вращения и нейтронная звезда, испустив мощный импульс g -лучей, превращается в черную дыру.

Звезды с массами свыше 90М¤ в результате сверхмощного взрыва при вспышке Гиперновой полностью распыляются в окружающем пространстве. Энергия взрыва Гиперновых в десятки и сотни тысяч раз превышает выше энергии вспышек Сверхновых и достигает 10⁴⁵ -10⁴⁷ Дж!

Рис. 61. Орбита пульсара в тесной двойной звездной системе

Белые карлики в тесных двойных системах в результате аккреции могут увеличивать свою массу с превращением в нейтронные звезды. Процесс может закончиться взрывом Сверхновой I типа.

В двойных системах, состоящих из нормальной звезды и пульсара, эффекты общей теории относительности делают его орбиту незамкнутой; пульсар постепенно, на протяжении многих миллионов лет сближается со звездой вплоть до столкновения с ней.

Очень тесные двойные системы, состоящие из нейтронной звезды и нормальной звезды (или даже белого карлика), могут наблюдаться как рентгеновские переменные. Нейтронная звезда "ворует" вещество из внешней оболочки соседней звезды. Когда на ее раскаленной свыше 10⁷ К поверхности периодически накапливается "критическая масса" аккрецировавшего водорода, гелия или даже углерода (как у объекта 4U 1982-30), происходит мощный термоядерный взрыв, наблюдаемый с Земли как вспышка рентгеновского излучения. На определенном этапе эволюции нормальная звезда может даже "проглотить" перемещающуюся в ее центр нейтронную звезду и превратиться в так называемый объект Торна-Житкова, внешне почти неотличимого от истекающего звездным ветром красного сверхгиганта радиусом 1000 R¤ .

При увеличении массы нейтронной звезды свыше 3 М¤ она может коллапсировать и превратиться в черную дыру (рис. 63а).

Рис.62. Жизненный путь звезды массой М = 1 М¤ Основные этапы эволюции звезды: 1 - гравитационное сжатие протозвездного облака; 2 - протозвезда; 3 - стабильное положение звезды на главной последовательности, энергетика основана на термоядерных реакциях превращения водорода в гелий; 4 - образование гелиевого ядра и превращение звезд в красного гиганта и, далее, сверхгиганта; 5 - красный сверхгигант; 6 - пульсирующая переменная звезда, в недрах которой образуется углеродное ядро; 7 - вспышка Новой, образование планетарной туманности; 8 - белый карлик; 9 - остывший черный карлик

Компоненты тесных двойных систем, состоящих из нейтронных звезд, медленно сближаются вплоть до столкновения. 90 % энергии колоссального взрыва - 10⁴¹-10⁴⁷ Дж! - излучается в виде жесткого g –излучения, а оставшиеся 10 % в виде нейтрино. Явление наблюдается с Земли как гамма-всплеск (гамма-вспышка) продолжительностью от 10 до 100 с. Частота столкновений нейтронных звезд в галактике 1-3 раза за 10000 лет. Ряд ученых считает, что гамма-вспышки могут возникать в отдельных случаях и при коллапсе ядер сверхмассивных звезд. "Тихое", без взрыва, слияние нейтронных звезд ведет к коллапсу образовавшегося объекта в черную дыру.

Рис. 63. Эволюция массивных звезд

Рис. 63а. Возможные варианты эволюции тесных двойных систем: М1, М2 – массы компонент (в массах Солнца), Т – продолжительность данного этапа

Эволюция звезд отражается на диаграммах Герцшпрунга-Рессела "спектр- светимость" и "температура-светимость". Жизненный путь звезды, последовательные этапы ее развития лежат вдоль диаграммы причудливой кривой линией - трека эволюции звезды (рис. 62-63).

Все основные физические характеристики звезды постепенно изменяются на всем протяжение ее "жизни", одни - светимость, спектр, размеры и плотность – меняются довольно резко и сильно, другие – масса – относительно слабо. Звезды сдвигаются ("выходят") на главную последовательность из правой части диаграммы – области протозвезд, когда внутри них начинаются термоядерные реакции. На главной последовательности, сосредотачивающей в себе подавляющее число звезд, поскольку она отражает наиболее продолжительный этап жизни нормальных звезд, в их ядрах протекают термоядерные реакции "водородного" горения. Затем звезда перемещается вправо и вверх, в область красных гигантов.

Последовательно вспыхивающие термоядерные реакции углеродно-кислородного и последующих циклов могут ненадолго, на все более короткие промежутки времени, рывками отодвигать ее влево, вдоль оси абсцисс, но возвращение в область холодеющих красных сверхгигантов неизбежно. Для маломассивных звезд все заканчивается вспышкой Новой и падением в нижнюю область диаграммы – в последовательность белых карликов и дальнейшее стомиллиарднолетнее остывание слева направо вдоль диаграммы до состояния черного карлика. У более массивных звезд их ядра, сжавшиеся после вспышки Сверхновой в нейтронные звезды и черные дыры, покидают диаграмму совсем.

На рис. 62 подробно отражен ход эволюции звезд с массой М » 1 М¤ , на рис. 63 и рис. 63а приведены треки тяжелых звезд.

Одним из наиболее интересных и важных для формирования научного мировоззрения проблем, которой ученики "принимают близко к сердцу", является судьба нашей Земли и Солнечной системы, неразрывно связанная с эволюцией Солнца:

Эволюция Солнечной системы

Судьба планетных систем находится в неразрывной связи с судьбой их центрального светила.

Масса молодого Солнца превышала современную, а размеры и светимость были на 30 % ниже. Соответственно меньше были и размеры Солнечной системы, Земля была гораздо ближе к Солнцу.

На протяжении миллиардов лет излучение и потоки солнечного ветра рассеивали солнечное вещество в космическое пространство, уменьшая массу Солнца. Сила притяжения планет к Солнцу слабела и они постепенно удалялись от звезды. Но в то же время росла интенсивность термоядерных реакций в недрах Солнца, увеличивались его размеры и светимость.

Несмотря на постепенное удаление Земли от Солнца, "солнечная постоянная", характеризующая количество падающей на земную поверхность солнечной энергии, практически не изменялась за все 4,5 млрд. лет существования Солнечной системы.

Современные научные методы, даже с применением ЭВМ, не позволяют строго прогнозировать движение планет на период, превышающий 15 миллионов лет из-за невозможности учесть влияние возмущений. Расчеты показывают, что орбиты Земли, Венеры и планет-гигантов очень устойчивы. Орбиты Марса и, особенно Меркурия, неустойчивы и существует вероятность перехода Меркурия на сильно вытянутую орбиту и его опасного сближения с Венерой, после чего Меркурий может покинуть Солнечную систему.

Дальнейшая судьба Солнечной системы зависит от эволюции Солнца.

Светимость Солнца постепенно возрастает, в настоящее время она на 30 % выше, чем была в эпоху образования Солнечной системы. В предстоящие 1,1 миллиарда лет яркость Солнца возрастет на 10%.

В результате глобального повышения температуры в атмосфере Земли увеличится содержание водяных паров. Усилится парниковый эффект, дополнительно нагревший поверхность Земли, что вызовет усиливающееся испарение океанов. Водяные пары диссоциируют в верхних слоях атмосферы Земли под действием ультрафиолетового излечения Солнца и количество воды на планете будет постепенно уменьшаться.

Спустя 2,4 миллиарда лет светимость Солнца возрастет еще на 40% и мощный парниковый эффект вызовет полное испарение всех морей и океанов. Земля превратится в подобие современной Венеры. Существование всех современных форм жизни на Земле станет невозможным.

Постепенно, на протяжение последующих 1,3 млрд. лет Солнце превратится в красный гигант. Еще через 1,6 млрд. лет оно исчерпает запасы водорода в ядре и вблизи центра Солнца начнутся термоядерные реакции "горения" гелия. Яркость Солнца возрастет еще в 2 раза. В течении 1,3 млрд. лет красный гигант медленно расширится в 170 раз и поглотит Меркурий. Масса Солнца уменьшится на 27 % от современного значения.

Затем расширение приостановится на 110 млн. лет, но потом Солнце за 20 миллионов лет расширится до размеров современной земной орбиты (радиус Солнца будет равен 150 миллионам км!) и станет красным сверхгигантом со светимостью в 5200 раз выше современной. Масса Солнца уменьшится до 59 % современной массы. Сила тяготения Солнца будет постепенно уменьшаться и планеты будут удаляться от него. Земля удалится от Солнца на расстояние, соответствующее радиусу современной марсианской орбиты, но даже тогда температура на ее поверхности будет составлять около 1300њ С.

Затем Солнце превратится в Новую звезду. После взрыва ядро Солнце станет белым карликом массой 0,4-0,5 М¤ . Если Венера и Земля уцелеют, то радиусы их новых орбит будут равны 1,34 а. е. и 1,84 а. е. На выжженную, оплавленную поверхность мертвой планеты опустится вечная космическая ночь.

Изученный материал закрепляется при выполнении заданий упражнения 17.

Упражнение 17:

1. Составьте общую классификационную схему "Туманности и космическая среда" (рис. 64):

2. Составьте общую классификационную схему "Переменные звезды" (рис. 65):

3. Составьте общую классификационную схему "Эволюция звезд" (рис. 66):

4. Оцените температуру и давление вещества в центре голубого гиганта массой 20 М¤ .

5. Оцените температуру и давление вещества в центре красного карлика массой 0,1 М¤ .

6. До каких размеров нужно сжать Солнце и Землю, чтобы они превратились в черные дыры? Будут ли эти черные дыры устойчивы?

7. Определите I и II космические скорости для белого карлика (R = 15000 км, М = 1 М¤ ) и для нейтронной звезды (R = 10 км, М = 3 М¤ ).

8. Какой цвет имеет молодая нейтронная звезда? С какого расстояния человек смог бы увидеть нейтронную звезду невооруженным глазом?

Задачи, предложенные В.М. Ступниковым [284]

9. Оцените средние расстояния между протонами в солнечном веществе, в белом карлике и нейтронной звезде, считая, что вся масса заключена в протонах.

10. Какую светимость имеет белый карлик размером 0,01R¤ , если его температура 3× 10⁴ К?

11. Сколько весит гиря массой 1 кг на поверхности нейтронной звезды массой 2 М¤ радиусом 10 км, и какова II космическая скорость на ее поверхности?

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Публикации с ключевыми словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача Публикации со словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача

См. также: Иллюзия одинаковых цветов Очные курсы дополнительного образования "Астрономия в современной школе" Загадочные зелёные пятна в облаках Астероидно-кометная опасность – грозит ли нам "Армагеддон" ? Лекторий Планетария открывает двери Syfy Poehali Party в Политехническом музее Исследование кометы 2010 года по наблюдениям с космической орбитальной обсерватории SOHO. Все публикации на ту же тему >>