 |
Астронет: Ю. А. Насимович Звёзды http://variable-stars.ru/db/msg/1222187/sect37.html |
| << Интересные звёзды других галактик | | Оглавление | | Литература >> |
НАТУРФИЛОСОФСКИЕ ВЫВОДЫ
|
1. Какие этапы можно выделить в звёздной эволюции, если сопоставить звёзды с другими объектами материального мира? В развитии звёзд наблюдаются примерно такие же этапы, как и в развитии живых организмов: рождение (становление), медленный рост, быстрый рост и замедление роста с последующим его прекращением. Эволюция звёзд поначалу протекает со взрывообразным ускорением, но после взрыва (или другого переломного события) развитие остатков звезды резко, а потом постепенно замедляется и почти останавливается. Если сказать то же самое конкретней, то после краткого бурного периода формирования, т.е. после стадии протозвезды, новорожденная звезда "выходит" на Главную последовательность, на которой пребывает длительное время без принципиальных изменений, "сжигая" водород в ядре. Следующий этап, на котором водород "сжигается" в оболочке, значительно короче. Стадия "сжигания" гелия короче на порядок. Каждая из последующих стадий ("горение" углерода, неона, кислорода и кремния) во много раз короче предыдущей. На следующей стадии происходит взрыв в повседневном смысле этого слова - взрыв сверхновой или, по крайней мере, сбрасывание звёздной оболочки с образованием белого карлика. Тем не менее, дальнейшая эволюция звёздных остатков протекает всё медленнее и медленнее. Вещество, сброшенное звездой, постепенно рассеивается в пространстве. Сначала это вещество ярко светится, а потом постепенно тускнеет. Например, при взрыве сверхновой I типа светимость растёт три недели, а потом постепенно падает в течение 6 месяцев или дольше. Туманности вроде Крабовидной и планетарные туманности, возникающие из сброшенных звёздных оболочек, можно наблюдать очень долго. Если на месте бывшей звезды остаётся её ядро в виде нейтронной звезды или белого карлика, то это ядро тоже поначалу очень активно (пульсар поглощает вещество своих спутников, быстро и даже с ускорением вращается, излучает много энергии, а белый карлик светится за счёт гравитационного сжатия). Потом этот остаток всё более и более "успокаивается": окружающее вещество поглощается и перестаёт падать, вращение и излучение ослабевают (если газ уже перестал падать), гравитационное сжатие замедляется и т.д. Подобные продукты звёздной эволюции могут далее существовать неопределённо долгое время. Наверное, для того, чтобы с ними что-то случилось, должна измениться Вселенная вокруг них. Может быть, это общая закономерность развития большинства систем и форм.
2. Замедляется или ускоряется эволюция звёзд и многих других объектов? Если мы знаем только первую часть жизненного цикла объекта, может возникнуть иллюзия, что эволюция всегда происходит со взрывообразным ускорением. Так, например, развитие человеческой цивилизации в настоящее время протекает с таким ускорением. С подобным ускорением в последние миллиарды лет шла эволюция жизни на Земле. Звёзды малой массы в окружающей нас части современной Вселенной тоже развиваются хоть и медленно, но в всегда с ускорением, т.к. "отпущенный" им жизненный срок несоизмеримо больше возраста Наблюдаемой Вселенной, и мы пока не могли наблюдать замедление и остановку их развития. Выражаясь языком физиологии растений, можно сказать, что "малый рост переходит в большой рост", но это не означает, что когда-то за большим ростом не последует замедление с постепенным "выходом на плато". Именно это хотел сказать Лукреций, утверждая ещё в I в. до н.э., что всё на свете эволюционирует с замедлением и последующей остановкой [Лукреций, 1945].
3. В развитии звёзд прослеживаются два противоположных процесса - расширение и коллапс, которые в первой половине их "жизненного пути" идут со взрывообразным ускорением (стадию протозвезды мы в данном случае не рассматриваем). Такое расширение свойственно внешним оболочкам звезды, а коллапс - её ядру. Внешние оболочки сначала медленно, а потом всё быстрее и быстрее расширяются и в конце концов разлетаются во все стороны. При этом с выходом звезды на Главную последовательность её светимость растёт, размер увеличивается, вещество рассеивается в виде звёздного ветра, масса уменьшается, планеты из-за этого отодвигаются и т.д. Что же касается звёздного ядра, то оно тяжелеет из-за накопления гелия и других элементов, всё быстрее и быстрее сжимается и в конце концов стремительно падает само на себя, превращаясь в белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру. Подобное двунаправленное развитие свойственно Солнечной системе и подобным системам, если их рассматривать как одно целое с центральной звездой. В конспекте о галактиках описывается аналогичное двунаправленное развитие систем кратных звёзд, рассеянных скоплений с окружающими их звёздными ассоциациями, шаровых скоплений, галактик. Вероятно, подобная двунаправленность развития свойственна большинству неживых систем в Наблюдаемой области Вселенной.
4. В чём разница между взрывом и медленным ускоряющимся расширением? Между ними нет абсолютной разницы. Разница носит относительный характер и сравнивается с временными рамками нашей жизни или какими-то другими временными рамками. Относительно рамок человеческой жизни Солнце стабильно, но относительно галактических или сверхгалактических масштабов времени оно уже сейчас находится в состоянии взрыва (оболочки разлетаются, ядро стремительно коллапсирует).
5. Стабилен ли окружающий нас мир? Все или практически все неживые системы, в т.ч. звёзды с их планетами, в настоящее время далеки от стабильности. Это одно из ярчайших доказательств молодости Наблюдаемой Вселенной, где преобладают нестабильные системы и формы. В "старой вселенной" мы бы наблюдали больше стабильности и "нисходящую" половину жизненного цикла крупных структур (маломассивных звёзд с их планетными системами, галактик и т.п.). Эволюция жизни и разума тоже могла бы иметь "угасающий" характер.
6. Как, сравнивая развитие Наблюдаемой Вселенной с развитием звёзд, объяснить, почему непосредственно после Большого взрыва Наша область Вселенной изменялась ещё стремительней, чем сейчас? Наверное, это происходило потому, что совершалось становление Наблюдаемой Вселенной, её рождение. Рождение звезды - это тоже довольно быстрый процесс, если сравнивать его с пребыванием звезды на Главной последовательности. Наблюдаемая Вселенная - столь крупная структура, что в соответствующих для неё масштабах она только-только родилась или только-только выходит на "главную последовательность".
7. Какой из двух процессов, происходящих в звёздах, - расширение или коллапс - в большей степени влияет на преобразование Наблюдаемой Вселенной? Звёзды "подталкивают" Наблюдаемую Вселенную в сторону коллапса вещества. То разреженное вещество, которое выбрасывается из звёзд в окружающее пространство, опять рано или поздно "собирается" в звёзды в очагах звездообразования. А то вещество, которое коллапсирует в ядрах звёзд, на современном этапе развития Мироздания изымается из круговорота вещества (чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, крупные планетоподобные тела). Значит, деятельность звёзд противоположна деятельности Большого взрыва в Наблюдаемой области Вселенной. Или же можно сказать, что всесильному гравитационному коллапсу в настоящее время успешно противостоит только Большой взрыв.
8. Наблюдаемая Вселенная в настоящее время развивается в сторону увеличения разнообразия форм материи и энергии, и звёзды участвуют в этом процессе, синтезируя в своих недрах тяжёлые элементы, а также создавая контрасты в распределении вещества и энергии. Без тяжёлых элементов не могли бы, например, образоваться твердокорые планеты вроде Земли. Без этих элементов и вообще без звёзд не могли бы возникнуть столь разнообразные температурные и прочие условия на планетах. Наверное, подобное увеличение разнообразия - это тоже признак молодости Наблюдаемой Вселенной.
9. Звёзды не очень сильно отличаются по своим первичным параметрам (массе, вращательному моменту, химическому составу), но демонстрируют исключительное разнообразие вторичных параметров (плотность, объём, температура, светимость, состав излучения, время существования, наличие планетной системы, наличие условий для развития жизни и т.д.). Получается, что звёзды в самих себе реализуют прогрессивную эволюцию Наблюдаемой Вселенной, т.е. эволюцию в сторону увеличения разнообразия форм материи и энергии.
10. Какое отношение имеют звёзды к развитию жизни и разума, а также жизнь и разум - к звёздам? Развитие жизни и разума - это одно из воплощений увеличения разнообразия форм. Кроме того, какое-то разнообразие форм необходимо для зарождения жизни, которая потом увеличивает это разнообразие. Звёзды, как уже говорилось, имеют непосредственное отношение к этому процессу. Они, в частности, перерабатывают вещество, и на каком-то этапе этой переработки образуются условия, благоприятные для развития жизни и разума. Но конечные продукты звёздной эволюции, каковыми, наверное, являются отнюдь не планеты или белые карлики, а чёрные дыры, могут положить конец жизни и разуму. Поэтому основная задача разума в масштабах Наблюдаемой Вселенной - это стабилизировать состояние материи и максимально раздвинуть рамки того времени, которое отпущено жизни и разуму. Разумные существа когда-нибудь возьмут звёздную жизнь под контроль (например, будут контролировать условия звездообразования, чтоб производились звёзды оптимальной массы, а также воспрепятствуют бессмысленной трате звёздной энергии).
11. Какое значение имеют звёзды для нашего познания? Звёзды - это не только объект, но и важнейший инструмент познания Вселенной (по крайней мере, для нас, воспринимающих мир зрительно). Только они видны нам на больших расстояниях, и почти исключительно благодаря им мы что-то знаем о процессах, происходящих в далёких "уголках" Мироздания. Они обозначают своим присутствием сложнейшие звёздные системы вплоть до скоплений и сверхскоплений галактик. Они подсвечивают облака газа и пыли вблизи себя, делая их заметными нам. Они своим движением указывают на наличие в пространстве чёрных дыр и других массивных невидимых тел. Даже планеты у далёких звёзд мы пока видим не сами по себе, а лишь по их влиянию на звёзды. Благодаря звёздам удалось зафиксировать наличие вне Солнечной системы кометоподобных тел. В настоящее время вроде бы выяснено, что в звёздах сосредоточена лишь небольшая часть материи Наблюдаемой области Вселенной [Изучая "тёмную материю", 2002], но именно эта часть материи доступна наблюдениям и помогает познать остальную материю.
12. Массивные звёзды эволюционируют быстрее маленьких звёзд, и это положение нуждается в натурфилософском осмыслении, т.к. в эволюции многих других форм материи мы видим противоположную тенденцию (крупные живые организмы развиваются и живут в среднем дольше маленьких, галактики проходят основные этапы своей эволюции медленнее маленьких звёздных систем и т.д.).
13. Со звёздами связано усиление автономности процессов в тех или иных участках пространства-времени. Так, например, при столкновении двух облаков газа наблюдаются массовые столкновения частиц, приводящие к разнообразным последствиям вплоть до взрывного звездообразования, слияния облаков или их падения в чёрные дыры галактических центров. При столкновении звёздных систем эти системы могут пролететь одна сквозь другую без столь катастрофических последствий, т.к. ни одна звезда не столкнётся с другой. Ещё пример: облака газа подвержены приливному воздействию галактики или других крупных структур, а звёзды - практически не подвержены (их могут разорвать только чёрные дыры). Звёзды эволюционируют по своим внутренним законам, и влияние Галактики на них крайне мало (несоизмеримо меньше, чем на дозвёздное вещество). Отмечалось также, что Солнце своим звёздным ветром "выдувает" из Солнечной системы космические лучи галактического происхождения, усиливая тем самым автономность этой системы. Планеты как бы погружены внутрь Солнца (внутри его короны) и тем самым частично защищены.
14. Звёзды неотделимы от своих планетных и т.п. систем. Они - лишь часть единого целого, ядра этих образований. Вещество в подобных системах сгущается к центру, образуя множество сфер (или сплюснутых сфероидов) с различной плотностью вещества и энергии. Мы принимаем фотосферу за границу звезды лишь потому, что зрение является у нас основным органом чувств. Если бы мы в первую очередь воспринимали магнитные поля или области возникновения нейтрино, граница проводилась бы иначе. Для космонавта границей Солнца будет та сфера, внутри которой космический корабль не сможет защитить его от перегрева или космических лучей солнечного происхождения.
15. А что такое звёзды? Однозначно ли это понятие? Звёзды в узком смысле - это небесные тела, светящиеся за счёт энергии термоядерных реакций в их недрах. Звёзды "рождаются", когда вещество сжимается до температуры термоядерного синтеза, и "умирают", когда такой синтез прекращается. Таким образом, звёзды в узком смысле - это определённая стадия "жизни" массивного сгустка вещества. Но звёзды можно рассматривать также как сами эти СГУСТКИ ВЕЩЕСТВА, которые обособлены от других таких сгустков. Нужно только, чтоб их масса была достаточной для того, чтоб на каком-то этапе могла идти термоядерная реакция. В остальном же эти сгустки имеют свою дотермоядерную историю и свою послетермоядерную историю. Значит, можно говорить, что эволюция звезды в широком смысле начинается в тот момент, когда тот или иной сгусток вещества обособляется от других сгустков или вообще от окружающего пространства. Глобулы и ядра гигантских молекулярных облаков ещё не являются "предзвёздами", т.к. дают начало сразу большой группе звёзд (звёздному скоплению). Звезда в широком смысле этого слова зарождается лишь тогда, когда от остального молекулярного облака в ходе его фрагментации обособляется участок, дающий начало одной звезде. С этого момента начинается дотермоядерная история звезды в широком смысле. Но предзвёздное облако может долгое время оставаться в стабильном состоянии, если гравитация и давление газа уравновешивают друг друга (с учётом также вращения облака, вихревого движения вещества, влияния соседних звёзд, магнитного поля, космических лучей и других факторов). В облаке критического размера и массы гравитация преодолевает давление газа, и начинается гравитационный коллапс, приводящий к появлению протозвезды. Протозвёзды ярко светятся за счёт гравитационной энергии падающих остатков облака, хотя в узком смысле даже их не называют звёздами. Далее следует термоядерная фаза эволюции сгустка вещества, на смену которой приходит послетермоядерная фаза. Последние две фазы разделяет переломный момент звёздной эволюции, который может быть в виде коллапса с образованием чёрной дыры, нейтронной звезды или белого карлика, а также в виде начала тихого угасания карликовой звезды. Можно считать, что эволюция данного сгустка вещества полностью завершается, когда его вещество полностью "растворяется" в окружающей Вселенной. Для внешних оболочек звезды это вполне конкретное утверждение: они постепенно рассеиваются в пространстве. Для звёздных ядер подобный подход - это пока абстракция, т.к. Наблюдаемая Вселенная очень молода, и мы не знаем судьбу подобных звёздных остатков. Белый карлик может рано или поздно полностью разлететься в виде сверхновой I типа, перетянув на себя до критической массы вещество из окружающего пространства. Прочие продукты звёздной эволюции могут исчезнуть в чёрных дырах или "испариться" под действием космических лучей (если они будут выбивать атом за атомом быстрее, чем атомы будут поступать из межзвёздного пространства). Кроме того, продукты звёздной эволюции могут быть разобраны или как- то иначе трансформированы разумными существами, которые рано или поздно поставят Наблюдаемую Вселенную под контроль разума.
16. Выше уже говорилось, что звёзды не отделимы от своих планетных систем. Наверное, это положение можно расширить, признав за двойными и кратными звёздами такой же статус, как за планетными системами. Вроде бы уже доказано, что звёзды в двойных и кратных системах, как правило, появляются в ходе единого акта звездообразования. Они изначально составляют одну систему, как и одиночные звёзды с их планетами. Обнаруживается всё больше свидетельств в пользу того, что между гигантскими "юпитероподобными" планетами (коричневыми субкарликами) и маленькими звёздами (коричневыми и красными карликами) имеются все переходы, а главное, что объекты этих категорий могут возникать сходным образом.
17. Какой объём должно иметь понятие "звезда в широком смысле этого слова"? Звёздные скопления принципиально отличаются от одиночных звёзд, двойных звёзд и кратных систем, т.к. между ними имеется разрыв: мы не знаем кратных систем, где было бы больше 6 звёзд, и мы не знаем звёздных скоплений, где было бы меньше нескольких десятков звёзд. В Нашей Галактике, по крайней мере, таких систем нет или крайне мало. Кроме того, такие промежуточные системы, если они и есть, должны быть неустойчивыми (по крайней мере, в пределах галактик, где имеется много объектов, оказывающих мощное приливное воздействие). Этим обстоятельством, в сочетании с уже рассмотренными, очерчивается такая специфическая форма организации материи как звезда в широком смысле. Это эволюционирующая структура, которая возникает путём фрагментации газопылевого облака, на каком-то этапе имеет в своём составе одну или несколько звёзд в узком смысле (до 6 или, может быть, в исключительных случаях чуть больше), планеты и другие соподчинённые тела, а потом рассеивается в пространстве или каким-то иным путём теряет целостность и обособленность от других структур. Под звездой в широком смысле понимается система тел, в узком смысле - ядро этой системы (причём, может быть, даже не всё ядро, а лишь его центральная часть - "ядрышко", т.к. планетная система по отношению к облаку Оорта с кометными "зародышами" тоже является частью ядра). Что же касается двойных и кратных систем, то их сходство с одиночными звёздами подчёркивается лингвистически, когда мы называем эти системы двойными или тройными звёздами.
18. Какие основные части имеет "звезда в широком смысле"? Так как под "звездой" в данном случае понимается система, аналогичная Солнечной системе, то традиционными её частями являются в той или иной степени сферичные или дисковидные образования: ядро звезды, зона лучистого переноса, конвективная зона, фотосфера, хромосфера, корона (по крайней мере ближайший к звезде её участок), планетная система (зона планет земной группы, пояс астероидов, зона планет-гигантов), пояс Койпера, внутренняя часть облака Оорта, внешняя часть облака Оорта... Некоторые из этих частей можно ещё как-то подразделять. У других звёзд какие-то из перечисленных частей могут отсутствовать, зато могут быть другие части. На начальных стадиях развития системы могут быть также протопланетный диск и другие околозвёздные объекты. Но это всё астрономическая конкретика, а нас в данном случае интересуют натурфилософские обобщения. Наверное, если говорить об основных частях системы, следовало бы различать её внешнюю часть, которой суждено в переломный момент эволюции этой системы рассеяться в пространстве, а также внутреннюю часть, которой суждено коллапсировать. Внутреняя часть по своим относительным размерам тем больше, чем меньше звезда в узком смысле слова. У красных карликов внутренняя часть системы - это вся звезда в привычном понимании. У массивных звёзд - только ядро, причём тоже, может быть, не целиком. Чем больше объект, тем меньшую часть своей массы ему "позволено" вывести из круговорота галактического вещества...
19. Звёзды демонстрируют нам интересную особенность вещества: оно различными способами сопротивляется гравитационному коллапсу. Из-за этого сопротивления коллапс происходит ступенчато. Молекулярные облака, из которых возникают звёзды, до определённой поры находятся в относительном равновесии за счёт примерного равенства сил между гравитацией с одной стороны (фактор сжатия), а с другой стороны - кинетической энергией газовых потоков, тепловым движением молекул и магнитным полем (факторы расширения). Если равновесие нарушается, эти облака коллапсируют с образованием протозвезды. На стадии протозвезды гравитационному коллапсу в какой-то момент успешно противостоит давление разогревшегося газа (газ разогрелся в результате гравитационного сжатия, а непрозрачность протозвезды препятствует быстрому оттоку тепла в виде инфракрасного излучения). Маломассивные протозвёзды могут пребывать в этом состоянии длительное время. Когда всё-таки достигается температура термоядерного синтеза, и звезда "выходит" на Главную последовательность, гравитационному коллапсу начинает препятствовать давление газа, разогретого энергией термоядерного синтеза гелия из водорода. По исчерпании водородного "топлива" гравитационному коллапсу таким же способом последовательно противостоят термоядерное "горение" гелия, углерода, неона, кислорода и кремния. В конечном итоге в центре звезды возникает железное ядро, которое до достижения критической массы находится в равновесии, т.к. гравитационному коллапсу мешает отталкивание между отрицательно заряженными электронными оболочками атомов. Если звезда не столь массивна, чтобы при своём гравитационном сжатии достичь температуры термоядерного "горения" всех перечисленных элементов, она "сходит с дистанции" заблаговременно. В этом случае возникает белый карлик, и гравитационному коллапсу ядра противостоит давление вырожденного газа (отталкивание между предельно "прижатыми" к ядрам атомными оболочками из электронов). Но даже если железное ядро коллапсирует, это не всегда означает бесконечное падение вещества к центру системы. Коллапс может остановиться на стадии нейтронного вещества, когда дальнейшему сжатию препятствует ядерные силы (отталкивание между нейтронами). Планетоподобные остатки угасших красных и коричневых карликов, белые карлики и нейтронные звёзды могут, как считается, сохраняться в стабильном состоянии бесконечно долгое время (за счёт электрической силы Ван-дер-Ваальса и т.п.). Может быть, это и не так. Может быть, антигравитационные ресурсы когда-нибудь исчерпаются и в этом случае, но это произойдёт в "другой" Вселенной, где будут иные физические законы. А если коллапс не останавливается? Если масса столь велика, что в "нашей" Вселенной не существует сил, способных его остановить? Тогда и только тогда образуется чёрная дыра, в которой, как полагает современная физика, вещество беспрепятственно падает в центр системы. Впрочем, мы не видим и не знаем событий, которые происходят внутри чёрной дыры, т.к. свет не в состоянии преодолеть её притяжение. Не исключено, что те частицы, которые в настоящее время кажутся элементарными, скрывают внутри себя неизвестные уровни организации материи. Тогда можно предположить, что и в чёрных дырах, за горизонтом событий, вещество продолжает сопротивляться коллапсу на каких-то неведомых нам рубежах.
20. Современная эпоха развития Наблюдаемой Вселенной - это эпоха звёзд. Но звёзды были не всегда и, наверное, будут не всегда. В первые моменты после Большого взрыва Вселенная (Наша вселенная?), как в настоящее время считается, состояла из элементарных частиц. Потом "господство захватили" протоны и нейтроны, которые из-за "раскалённости" окружающей среды ещё "не смели" объединяться в атомные ядра. После этой непродолжительной эпохи (менее 100 секунд) пришла эпоха атомных ядер, которая длилась около миллиона лет. По прошествии этого времени температура упала до нескольких тысяч градусов, и наступила эпоха атомов [Хокинг, 2000]. В эту эпоху, хотя и не сразу, возникли протогалактические облака, которые медленно коллапсировали, и в какой-то "момент" вспышка первой звезды "возвестила" о начале эпохи звёзд. Звёзды первого поколения постепенно уступали место звёздам второго поколения, галактики приобретали современный облик, шло накопление тяжёлых элементов и других продуктов "жизнедеятельности" звёзд. Когда-нибудь межгалактическое вещество, поставляющее газ в галактики, исчерпается, межзвёздное вещество перейдёт в звёзды, а те "прогорят", образовав тёмные или "слабо тлеющие" "огарки", и звёздная эпоха завершится. Возможно, это будет эпоха повсеместно растущих чёрных дыр. В столь далёкое будущее заглянуть трудно, но, как знать, вдруг разумные существа к тому времени "спохватятся" и начнут дружно преобразовывать мир, обуздывая даже чёрные дыры? Кип Торн уже сейчас описал такие возможности... Разумная жизнь сможет пронизать своим воздействием Вселенную, превратив всю её в живое вещество. Как она поведёт себя, эта разумная Вселенная?
| << Интересные звёзды других галактик | | Оглавление | | Литература >> |