Что такое белый карлик

Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25M остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M . В звездах с остаточной массой M > 1.4M , не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой. Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы “вдавливаются” друг в друга и в результате реакции

после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 10 14 - 10 15 г/см 3 . Характерный размер нейтронной звезды 10 - 15 км. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро. Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M .
Нейтрино, образующиеся в момент коллапса, довольно быстро охлаждают нейтронную звезду. Согласно теоретическим оценкам температура ее падает с 10 11 до 10 9 K за время ~ 100 с. Дальше темп остывания несколько уменьшается. Однако он достаточно высок по астрономическим масштабам. Уменьшение температуры с 10 9 до 10 8 K происходит за 100 лет и до 10 6 K - за миллион лет. Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами довольно сложно из-за малого размера и низкой температуры.
В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли космические источники периодического электромагнит-ного излучения - пульсары. Периоды повторения импульсов боль-шинства пульсаров лежат в интервале от 3.3·10 -2 до 4.3 с. Согласно современным представлениям, пульсары - это вращающиеся нейтронные звезды, имеющие массу 1 - 3M и диаметр 10 - 20 км. Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять свою форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения. Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным магнитным полем B ~ 10 12 Гс.
Считается, что нейтронная звезда имеет магнитное поле, ось которого не совпадает с осью вращения звезды. В этом случае излучение звезды (радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка. Когда луч пересекает Землю регистрируется импульс. Само излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Этот механизма радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом, показан на рис. 39.

Если пучок излучения попадает на земного наблюдателя, то радиотелескоп фиксирует короткие импульсы радиоизлучения с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды. Форма импульса может быть очень сложной, что обусловлено геометрией магнитосферы нейтронной звезды и является характерной для каждого пульсара. Периоды вращения пульсаров строго постоянны и точности измерения этих периодов доходят до 14-значной цифры.
В настоящее время обнаружены пульсары, входящие в двойные системы. Если пульсар вращается по орбите вокруг второго компонента, то должны наблюдаться вариации периода пульсара вследствие эффекта Допплера. Когда пульсар приближается к наблюдателю, регистрируемый период радиоимпульсов из-за допплеровского эффекта уменьшается, а когда пульсар удаляется от нас, его период увеличивается. На основе этого явления и были обнаружены пульсары, входящие в состав двойных звезд. Для впервые обнаруженного пульсара PSR 1913 + 16, входящего в состав двойной системы, орбитальный период обращения составил 7 часов 45 мин. Собственный период обращения пульсара PSR 1913 + 16 равен 59 мс.
Излучение пульсара должно приводить к уменьшению скорости вращения нейтронной звезды. Такой эффект также был обнару-жен. Нейтронная звезда, входящая в состав двойной системы, может быть и источником интенсивного рентгеновского излучения.
Структура нейтронной звезды массой 1.4M и радиусом 16 км показана на рис. 40.

I - тонкий внешний слой из плотно упакованных атомов. В областях II и III ядра расположены в виде объемно-центрированной кубической решетки. Область IV состоит в основном из нейтронов. В области V вещество может состоять из пионов и гиперонов, образуя адронную сердцевину нейтронной звезды. Отдельные детали строения нейтронной звезды в настоящее время уточняются.
Образование нейтронных звезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах. Перетекание вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик превращается в нейтронную звезду. В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует так называемому “тихому” коллапсу.
Компактные двойные звезды могут проявляться и как источники рентгеновского излучения. Оно также возникает за счет аккреции вещества, падающего с “нормальной” звезды на более компактную. При аккреции вещества на нейтронную звезду с B > 10 10 Гс вещество падает в район магнитных полюсов. Рентгеновское излучение модулируется её вращением вокруг оси. Такие источники называют рентгеновскими пульсарами.
Существуют рентгеновские источники (называемые барстерами), в которых периодически с интервалом от нескольких часов до суток происходят всплески излучения. Характерное время нарастания всплеска - 1 сек. Длительность всплеска от 3 до 10 сек. Интенсивность в момент всплеска может на 2 - 3 порядка превосходить светимость в спокойном состоянии. В настоящее время известно несколько сотен таких источников. Считается, что всплески излучения происходят в результате термоядерных взрывов вещества, накопившегося на поверхности нейтронной звезды в результате аккреции.
Хорошо известно, что на малых расстояниях между нуклонами (< 0.3·10 -13 см) ядерные силы притяжения сменяются силами оттал-кивания, т. е. противодействие ядерного вещества на малых расстояниях сжимающей силе тяготения увеличивается. Если плотность вещества в центре нейтронной звезды превышает ядерную плотность ρ яд и достигает 10 15 г/см 3 , то в центре звезды наряду с нуклонами и электронами образуются также мезоны, гипероны и другие более массивные частицы. Исследования поведения вещества при плотностях, превышающих ядерную плотность, в настоящее время находятся в начальной стадии и имеется много нерешенных проблем. Расчеты показывают, что при плотностях вещества ρ > ρ яд возможны такие процессы, как появление пионного конденсата, переход нейтронизованного вещества в твердое кристаллическое состояние, образование гиперонной и кварк-глюонной плазмы. Возможно образование сверхтекучего и сверхпроводящего состояний нейтронного вещества.
В соответствии с современными представлениями о поведении вещества при плотностях в 10 2 - 10 3 раз, превышающих ядерную (а именно о таких плотностях идет речь, когда обсуждается внутреннее строение нейтронной звезды), внутри звезды образуются атомные ядра вблизи границы устойчивости. Более глубокое понимание может быть достигнуто в результате исследования состояния вещества в зависимости от плотности, температуры, устойчивости ядерной материи при экзотических отношениях числа протонов к числу нейтронов в ядре n p /n n , учете слабых процессов с участием нейтрино. В настоящее время практически единственной возможностью исследования вещества при плотностях больших ядерной являются ядерные реакции между тяжелыми ионами. Однако, экспериментальные данные по столкновению тяжелых ионов дают пока недостаточно информации, т. к. достижимые значения n p /n n как для ядра - мишени, так и для налетающего ускоренного ядра невелики (~ 1 - 0.7).
Точные измерения периодов радиопульсаров показали, что скорость вращения нейтронной звезды постепенно замедляется. Это связано с переходом кинетической энергии вращения звезды в энергию излучения пульсара и с эмиссией нейтрино. Небольшие скачкообразные изменения периодов радиопульсаров объясняются накоплением напряжений в поверхностном слое нейтронной звезды, сопровождающимся “растрескиванием” и “разломами”, что и приводит к изменению скорости вращения звезды. В наблюдаемых временных характеристиках радиопульсаров содержится информация о свойствах “коры” нейтронной звезды, физических условиях внутри неё и о сверхтекучести нейтронного вещества. В последнее время обнаружено значительное число ра-диопульсаров с периодами меньшими 10 мс. Это требует уточнения представлений о процессах, происходящих в нейтронных звездах.
Другой проблемой является исследование нейтринных процессов в нейтронных звездах. Эмиссия нейтрино является одним из механизмов потери энергии нейтронной звездой в течении 10 5 - 10 6 лет после её образования.

Когда водородный синтез больше не является источником звездной энергии, звезда может существовать как большой объект в продолжение только сравнительно короткого дополнительного времени. Энергия, получаемая посредством синтеза гелия в более тяжелые ядра, а от них к еще более тяжелым, достигает в общей сложности не более 5 процентов полученной от водородного синтеза. Способность красного гиганта сохраняться расширенным, противодействуя силе гравитации, поэтому подрывается. Звезда начинает гибнуть.

Время жизни красного гиганта и природа его гибели зависят от массы звезды. Чем больше масса, тем быстрее красный гигант использует путем синтеза последние остатки имеющегося у него запаса энергии, тем короче будет жизнь этой звезды. Кроме того, чем больше масса, тем больше и интенсивнее гравитационное поле и, следовательно, быстрее происходит сжатие.

Когда звезда сжимается, в ее внешних слоях, где ядерные реакции не происходили и где водород, следовательно, остался нетронутым, сохранилось еще значительное его количество. Сжатие нагревает всю звезду (теперь не ядерная, а гравитационная энергия преобразуется в тепло по Гельмгольцу), и во внешних слоях начинается водородный синтез. Процесс сжатия таким образом совпадает с ярким блеском внешних слоев.

Чем массивнее звезда, тем быстрее сжатие, тем более интенсивно нагревание внешних слоев, тем больше имеется водорода для синтеза и тем быстрее он синтезируется - и тем более разительны результаты. Другими словами, маленькая звезда сжималась бы спокойно, а большая, подвергаясь достаточно сильному синтезу в своих наиболее внешних частях, отправит немалую долю своего внешнего слоя в космос, делая это более или менее взрывообразно, оставляя только внутренние сферы для сжатия.

Чем массивнее звезда, тем более резок этот «выпуск пара». Если звезда достаточно массивна, стадия красного гиганта завершается колоссальным взрывом, в течение которого звезда может ненадолго сверкнуть светом, во много миллиардов раз более ярким, чем свет обычной звезды, короткой вспышкой, равной свету целой галактики невзрывающихся звезд. Это так называемая «сверхновая». В ходе такого взрыва до 95 процентов вещества звезды может вырваться в открытый космос. Остальное будет сжиматься.

Что же произойдет со сжимающейся звездой, которая не взрывается, или с той частью взорвавшейся звезды, которая осталась и сжимается? Если это маленькая звезда, которая так и не нагреется в ходе сжатия достаточно для того, чтобы взорваться, она будет сжиматься До тех пор, пока не достигнет планетарного размера, причем сохранив всю или почти всю первоначальную массу. Ее накаленная добела, ярко сверкающая поверхность окажется значительно горячее, чем нынешняя поверхность нашего Солнца. Тем не менее на большом расстоянии очертания такой звезды будут неотчетливы, потому что свет излучается очень маленькой поверхностью и в целом не достигает достаточного количества. Такая звезда называется «белым карликом».

Почему же белый карлик не продолжает сжиматься? В белом карлике атомы расщеплены, и электроны, уже не образуя оболочек вокруг центральных атомных ядер, являются своего рода «электронным газом», который способен сжаться только до определенного уровня. Он сохраняет вещество звезды расширенным по крайней мере до планетарного объема и может сохранять такой объем неопределенное время.

Белый карлик очень медленно охлаждается и заканчивает свою жизнь слишком холодным для того, чтобы излучать свет, он становится «черным карликом».

Когда звезда сжимается до белого карлика, она может, если она не очень маленькая, расстаться с внешними слоями своего красного гиганта умеренным взрывом при незначительном сжатии, теряя таким образом пятую часть своей общей массы. Наблюдаемый с расстояния, такой белый карлик представляется окруженным светящимся туманом, словно кольцом дыма. Такой объект называется «планетарной туманностью», в небе их наблюдается несколько. Постепенно облако газа растекается во всех направлениях, становится расплывчатым и растворяется в разреженной материи космического пространства.

Когда звезда достаточно массивна, чтобы сильно взорваться в процессе сжатия, ее остаток, продолжающий сжиматься, может быть все еще слишком массивен (даже после потери значительной массы), чтобы сразу превратиться в белого карлика. Чем массивнее сжимающийся остаток, тем плотнее сжимается самим собой электронный газ и тем меньше белый карлик.

Наконец, если имеется достаточная масса, электронный газ может не выдержать своего собственного давления. Электроны тогда вжимаются в протоны, присутствующие в ядрах, которые блуждают в электронном газе, и образуются нейтроны. Они добавляются к нейтронам, которые уже существуют в ядрах, и тогда звезда состоит в основном из нейтронов. Звезда сжимается, пока нейтроны не придут в контакт. Результатом является «нейтронная звезда», которая величиной всего с астероид примерно десять-двадцать километров в поперечнике, но сохраняет массу полноразмерной звезды.

Если сжимающийся остаток звезды еще более массивен, даже нейтроны не способны выдержать силу гравитации. Они будут разрушены, а остаток сожмется в черную дыру.

Как же сложится судьба Солнца, после того как оно достигнет стадии красного гиганта?

Оно может остаться красным гигантом на несколько сотен миллионов лет - очень небольшой период в масштабе звездной жизни, но дающий возможность для развития цивилизации в космических поселениях на терра-образованиях во внешних мирах, - но затем Солнце станет сжиматься. Оно не будет достаточно большим для сильного взрыва, так что не будет опасности, что через день или через неделю неистовства Солнечная система очистится от жизни вплоть до орбиты Плутона и даже за ее пределами. Вовсе нет. Солнце будет просто сжиматься, оставляя около себя, самое большее, тонкую пелену своего внешнего слоя, превращающегося в планетарную туманность.

Облако вещества будет дрейфовать мимо далеких планет, на которых, как мы представили себе, в те далекие будущие времена разместятся потомки человечества. Облако не будет представлять для них особой опасности. Начнем с того, что это будет очень разреженный газ, и если, - а возможно, так оно и будет, - поселения будут расположены, так сказать, под землей или в пределах городов под куполами, то, может быть, и вообще не будет никакого вредного воздействия.

Проблемой будет сжимающееся Солнце. Как только Солнце сожмется до белого карлика (оно недостаточно массивно, чтобы образовать нейтронную звезду и, тем более, черную дыру), оно станет на небе не больше крошечной светящейся точки. Со спутников Юпитера, если люди сумеют обосноваться настолько близко к Солнцу на его стадии красного гиганта, его яркость составит лишь 1/4000 яркости Солнца, как мы его видим сейчас с Земли, и оно будет поставлять такую же часть энергии.

Если поселения людей во внешней Солнечной системе окажутся зависимыми от энергии Солнца, то, как только Солнце станет белым карликом, они не смогут получить ее в достаточном количестве. Им надо будет продвинуться к нему значительно ближе, но они не смогут этого сделать, если для этой цели им потребуется планета, ведь планеты Солнечной системы окажутся разрушенными или уничтоженными в предыдущей фазе существования Солнца, фазе красного гиганта. Служить прибежищем человечеству с наступлением этого времени смогут только искусственные космические поселения.

Когда такие поселения будут созданы впервые (может быть, в наступающем веке), они будут двигаться по орбитам вокруг Земли, используя солнечную радиацию в качестве источника энергии, а Луну - как источник большинства сырьевых материалов. Некоторые легкие элементы, которых нет в ощутимых количествах на Луне, - углерод, азот и водород - нужно будет доставлять с Земли.

Со временем будет предусмотрено создание таких космических поселений в астероидном поясе, где проще добыть эти жизненно необходимые легкие элементы, не попадая в опасную зависимость от Земли.

Может быть, когда космические поселения станут более самостоятельными и более подвижными и когда человечество яснее представит себе опасность оставаться привязанным к планетарным поверхностям ввиду перипетий, которые охватят Солнце в его последние дни, именно эти поселения могут стать предпочтительным местом проживания человечества. Вполне вероятно, что задолго до того, как встанет вопрос о том, что Солнце принесет нам какое-либо несчастье, большая часть человечества или даже все оно будет абсолютно свободно от поверхностей естественных планет и обоснуется в космосе - в мирах и окружающих средах по своему собственному выбору.

Может быть, тогда не встанет вопрос о терра-образованиях во внешних мирах для того, чтобы пережить красный гигантизм Солнца. А по мере того как Солнце будет становиться горячее, окажется достаточным соответственно приспособить орбиты космических поселений и медленно дрейфовать подальше от раздувающегося Солнца.

Это нетрудно себе представить. Орбиту такой планеты, как Земля, изменить почти невозможно, потому что у нее огромная масса и, следовательно, большая инерция и угловой момент, и найти энергию, достаточную для значительного изменения орбиты, практически невозможно. А масса Земле необходима, так как ей нужно сильное гравитационное поле, чтобы удерживать океан и атмосферу на своей поверхности и делать таким образом возможной жизнь.

В космическом поселении общая масса незначительна, по сравнению с Землей, поскольку гравитация не используется для удержания воды, воздуха и всего остального. Все это удерживается, потому что механически ограничено внешней стеной, а эффект гравитации на внутреннюю поверхность этой стены может создаваться центробежным эффектом, который создается вращением.

Таким образом, космическое поселение может изменять свою орбиту, затрачивая умеренное количество энергии, и оно может быть отодвинуто от Солнца, когда то станет нагреваться и расширяться. Теоретически оно может и приблизиться к Солнцу, когда то будет сжиматься и давать меньше энергии. Сжатие, однако, будет гораздо более быстрым, чем предшествующее расширение. Более того, все космические поселения, которые могли бы существовать на стадии красного гигантизма Солнца и двигаться к соседству с белым карликом, будут, возможно, сокращаться в объем меньший, чем бы они хотели. За миллиарды лет они могут привыкнуть к неограниченным пространствам большой Солнечной системы.

Но тогда вполне можно предположить, что задолго до наступления стадии белого карлика космические поселенцы создадут работающие на водородном синтезе силовые установки и станут независимыми от Солнца. В таком случае они могут сделать иной выбор - навсегда покинуть Солнечную систему.

Если значительное количество космических поселений покинет Солнечную систему, становясь самодвижущимися «свободными планетами», то человечество сможет освободиться от угрозы катастроф второго класса и продолжать жить (и неограниченно распространяться по Вселенной), пока не наступит стадия сжатия Вселенной в космическое яйцо.

У каждой звезды своя судьба и своя продолжительность жизни. Наступает момент, когда она начинает угасать.

Белые карлики – это необычные звезды. Они состоят из вещества, плотность которого чрезвычайно высока. В теории звездной эволюции они рассматриваются как заключительный этап эволюции звезд малой и средней массы, сравнимыми с массой Солнца. По разным оценкам в нашей Галактике насчитывается 3-4 % таких звезд.

Как же образуются белые карлики?

После того как в стареющей звезде выгорит весь водород, ее ядро сжимается и разогревается, - это способствует расширению ее внешних слоев. Эффективная температура звезды падает, и она превращается в красного гиганта. Разреженная оболочка звезды, очень слабо связанная с ядром, со временем рассеивается в пространстве, перетекая на соседние планеты, а на месте красного гиганта остается очень компактная звезда, называемая белым карликом.

Долгое время оставалось загадкой, почему белые карлики, имеющие температуру, превосходящую температуру Солнца, по сравнению с размерами Солнца невелики, пока не выяснилось, что плотность вещества внутри них предельно высока (в пределах 10 5 – 10 9 г/см 3). Стандартной зависимости - масса-светимость - для белых карликов не существует, что отличает их от других звезд. В чрезвычайно малом объеме «упаковано» огромное количество вещества, из-за чего плотность белого карлика почти в 100 раз больше плотности воды.

(На картинке сравнение размеров двух белых карликов с планетой Земля )

Температура белых карликов остается практически постоянной, несмотря на отсутствие внутри них термоядерных реакций. Чем же это объясняется? По причине сильного сжатия электронные оболочки атомов начинают проникать друг в друга. Это продолжается до тех пор, пока между ядрами расстояние не становится минимальным, равным радиусу наименьшей электронной оболочки. В результате ионизации электроны начинают свободно двигаться относительно ядер, а вещество внутри белого карлика приобретает физические свойства, которые характерны для металлов. В подобном веществе энергия к поверхности звезды переносится электронами, скорость которых по мере сжатия все больше увеличивается: некоторые из них двигаются со скоростью, соответствующей температуре в миллион градусов. Температура на поверхности и внутри белого карлика может резко отличаться, что не приводит к изменению диаметра звезды. Здесь можно привести сравнение с пушечным ядром – остывая, оно не уменьшается в объеме.

(На картинке звезда ван Маанена - тусклый белый карлик, находящийся в созвездии Рыб )

Угасает белый карлик крайне медленно: за сотни миллионов лет интенсивность излучения падает всего на 1%. Но в итоге он должен будет исчезнуть, превратившись в черного карлика, для чего могут потребоваться триллионы лет. Белые карлики вполне можно назвать уникальными объектами Вселенной. Воспроизвести в земных лабораториях условия, в которых они существуют, еще никому не удалось.

Солнце - это огненный шар, в недрах которого беспрестанно идёт термоядерная реакция. В результате этого атомы водорода превращаются в атомы гелия, и выделяется огромная энергия. Её малая толика и даёт жизнь планете Земля . Огненный шар, образованный посредством термоядерного синтеза, называют звездой главной последовательности .

Наша родная звезда характеризуется как «жёлтый карлик ». То есть в масштабах космоса это образование маленькое, а цвет у него жёлтый. Но человеческий глаз воспринимает его как белый. Продолжительность жизни жёлтого карлика до обидного мала. Она составляет всего каких-то 10 млрд. лет. По меркам Вселенной возраст смешной. Но именно столько времени требуется водороду, чтобы полностью превратиться в гелий.

После этого звезда расширяется и трансформируется в другое космическое образование, которое называется красным гигантом. При этом гелий воспламеняется. Он начинает превращаться в углерод, а размеры звезды всё увеличиваются и увеличиваются. К примеру, внешние границы нашего Солнца достигнут Земли, поглотив по пути Меркурий и Венеру . На голубой планете, естественно, никакой жизни уже не будет. Океаны испарятся, а ведь основой всего является именно вода.

В состоянии красного гиганта звезда обычно находится 1 млрд. лет. Затем она переходит в планетарную туманность. Это газовое облако, в центре которого располагается белый карлик. Это тоже звезда, но без какого-либо источника энергии. У неё огромная плотность и ничтожная светимость. Таких белых карликов в нашей галактике от общего числа звёзд насчитывается порядка 10%.

Но это конец пути, а с чего же он начинается. Как образуется молодая звезда, как появилось наше Солнце и Солнечная система ? На этот счёт существует чёткая теория, объясняющая возникновение звёзд главной последовательности.

Возникновение Солнца

Каких-то 5 млрд. лет назад на том месте, где мы сейчас находимся, ничего не было. Отсутствовала Земля, другие планеты, не было и Солнца. Всё пространство заполняли молекулы водорода. Они образовывали огромную туманность и свободно перемещались в пространстве. Но ничто не вечно под Луной (в данном случае под центром галактики). Под действием сил гравитации водородное облако стало постепенно закручиваться в воронку и вращаться вокруг своей оси.

Почему это произошло? Во всём виноваты силы гравитации. На той же Земле, к примеру, благодаря им, образуются мощные смерчи и вихри. Весь космос живёт по одним и тем же законам. Только смерчи в безвоздушном пространстве имеют значительно большие размеры, а существуют многие миллионы лет. Подобный смерч возник и 5 млрд. лет назад. Именно он и послужил причиной появления жёлтого карлика.

Огромная газовая воронка вращалась всё быстрее, а в её центре росла плотность водорода. Соответственно повышалась температура. Наконец она достигла критической величины и спровоцировала начало термоядерной реакции. Так зародилось Солнце. Полностью сформировалось оно 4,6 млрд. лет тому назад. То есть на данный момент жёлтый карлик уже прожил половину своей жизни. С каждым новым прожитым миллиардом лет он становится всё ярче и ярче. Какое же у него внутреннее строение?

Внутреннее строение Солнца

Масса Солнца соответствует 99% всей Солнечной системы и равна 2×10 27 тонн. Оставшийся процент приходится на планеты, спутники, кометы, астероиды. Диаметр светила равен 109 диаметрам Земли и составляет 1,39 млн. км. От жёлтого карлика до голубой планеты 149,6 млн. км. Это, так называемая, одна астрономическая единица . До центра Млечного пути от Солнца 26 тысяч световых лет. Один оборот по своей орбите светило делает за 200 млн. лет. Вокруг центра галактики оно движется со скоростью 217 км/с.

В центре светила находится ядро . В нём содержится 40% всей солнечной массы. Диаметр его примерно равен 350 тыс. км. Плотность ядра огромная и в 150 раз превышает плотность воды. Температура солнечного ядра составляет около 13,6 млн. градусов по Цельсию. Именно в ядре происходит термоядерная реакция и выделяется энергия, так как молекулы водорода под воздействием температуры и плотности сливаются друг с другом и превращаются в гелий. При этом испускаются нейтрино и гамма-фотоны.

Гамма-фотоны, в процессе своего движения к внешней солнечной оболочке, распадаются на фотоны с более низкой энергией, а нейтрино никак не видоизменяются, проходя через раскалённую массу.

За ядром находится конвективная зона . Температурные режимы в ней значительно ниже и не превышают рядом с ядром 5 млн. градусов по Цельсию. Естественно, при такой температуре ядерный синтез происходить не может. Толщина этой зоны составляет примерно 300 тыс. км. На этом расстоянии температура падает до 6 тыс. градусов по Цельсию. Задача зоны состоит в том, чтобы очень медленно и постепенно передавать к поверхности светила высокую температуру. В конвективной зоне также создаётся магнитное поле жёлтого карлика.

Далее тянется фотосфера . Она и считается поверхностью нашего родного светила. Именно из неё исходит солнечное излучение. На внешнем крае фотосферы температура достигает 4,5 тысячи градусов по Цельсию. От поверхности этого слоя рассчитываются все расстояния, в том числе и расстояние до Земли.

Фотосферу окружает очень тонкая внешняя оболочка. Называется она - хромосфера . Толщина её не превышает 2 тыс. км. Температура в фотосфере увеличивается и достигает 10 тысяч градусов по Цельсию. На некоторых участках она может доходить до 20 тысяч градусов. Плотность в этой зоне сравнительно небольшая, преобладают молекулы водорода. Они придают внешней оболочке красный цвет.

Солнечная корона над поверхностью Солнца

Сверху фотосферу окружает солнечная корона . Плотность слоя очень низкая, а вот температура высокая. Она достигает 1-2 миллионов градусов по Цельсию. Почему это происходит? Существует гипотеза, что причиной является магнитное поле. Благодаря его воздействию, возникают солнечные вспышки. Они и нагревают корону до высоких температур. Сама корона практически не видима из-за низкой плотности. С земли её можно наблюдать во время солнечного затмения, когда Луна полностью загораживает Солнце. Именно в этот момент вокруг спутника Земли и наблюдается свечение, являющееся ничем иным как короной.

Из короны постоянно истекает огромный поток ионизированных частиц. Это солнечный ветер , представляющий собой гелиево-водородную плазму. Частицы несутся со скоростью от 400 до 750 км/с. Они пронизывают всю солнечную систему, а свой путь заканчивают в гелиосфере. Это место, где начинается межзвёздная среда, а скорость ионизированных частиц стремится к нулю.

Солнечный ветер негативно влияет на поверхности планет Солнечной системы. Также негативно он воздействует и на Землю. Но мощное магнитное поле голубой планеты создаёт защитный экран. Именно благодаря ему, солнечный ветер и не может проникнуть на поверхность Земли.

Магнитное поле

Солнечная плазма обладает очень высокой электропроводностью. Соответственно в ней возникает электрический ток и, как следствие, магнитное поле. Солнце имеет общее магнитное поле и локальные магнитные поля. Общее магнитное поле меняет свою полярность через каждые 22 года. Зависит этот процесс от солнечной активности. Когда активность в минимуме, напряжённость на полюсах максимальная. Солнечная активность растёт, напряжённость поля уменьшается.

Локальные магнитные поля имеют большую напряжённость и меньшую регулярность при небольшой площади по-сравнению с общим полем. Если же площадь обширная, то напряжённость маленькая. Самые сильные магнитные поля наблюдаются в солнечных пятнах. Особенно это ощутимо, когда полярность локального поля совпадает по направлению с полярностью общего поля. В целом, эти поля неустойчивые и живут на протяжении всего лишь нескольких оборотов Солнца.

Тёмные пятна на Солнце

Солнечная активность

Вначале дадим определение солнечным пятнам . Это хорошо различимые тёмные области, температура в которых ниже других участков фотосферы. Всё дело в том, что в этих местах из недр жёлтого карлика выходят силовые линии мощных магнитных полей. Они подавляют движение вещества, а следовательно уменьшают равномерное распределение тепловой энергии. Количество пятен - основной показатель солнечной активности.

Сама же солнечная активность представляет собой различные явления, вызванные генерацией магнитных полей. Проявляется она в виде вспышек, изменении силы электромагнитного излучения, возмущении солнечного ветра и других явлениях. В результате всего этого межпланетная среда возмущается. Что проявляется в виде геомагнитной активности, скажем, на той же Земле.

По времени солнечная активность бывает кратковременной и большой длительности. Во втором случае она кардинально воздействует на климат голубой планеты. К примеру, глобальное потепление, наблюдаемое в наши дни, напрямую связано с длительной активностью жёлтой звезды. Но механизм подобного воздействия пока ещё изучен очень мало.

Луна закрыла Солнце и наступило затмение

Солнечное затмение возникает, когда Луна полностью или частично закрывает Солнце от наблюдателя, находящегося на Земле. Данное явление возможно лишь в новолуние . Это определённая фаза, когда жёлтая звезда, голубая планета и Луна находятся на одной прямой. При этом земной спутник располагается в середине. Длительность интервала между новолунием составляет 29,5 суток.

За 100 лет происходит в среднем 235 солнечных затмений. Причём полностью солнечный диск закрывается в 62 случаях. 159 случаев - это частичное закрытие диска. То есть спутник Земли проходит не по центру солнечного диска, а скрывает от наблюдателя лишь его часть. Небо при этом темнеет незначительно. Такое затмение можно наблюдать на расстоянии около 2 тыс. километров от той зоны, где Луна полностью закрывает Солнце.

В 14 случаях наблюдается кольцевое затмение. В этом случае спутник проходит по солнечному диску, но оказывается меньше его в диаметре, поэтому не может скрыть звезду от наблюдателя.

При полном затмении хорошо видна солнечная корона. Но любоваться ей человечество сможет ещё не более 600 миллионов лет. По прошествию этого периода времени Луна отдалится от Земли так далеко, что полное солнечное затмение станет невозможным. Дело же в том, что спутник движется всё быстрее и быстрее, а голубая планета постепенно замедляет своё вращение. Таким образом, Луна отодвигается от земли на 4 см каждый год.

Что же касается Солнца, то оно ещё долго будет сиять в космической дали, давая землянам тепло и жизнь. Пройдут миллиарды лет, прежде чем начнутся кардинальные изменения, способные негативно повлиять на голубую планету. Будем надеяться, что к этому времени человеческая цивилизация найдёт возможность обезопасить себя от уничтожения. Единственное, что не удастся - это спасти само Солнце. Ведь Вселенная живёт в рамках космических циклов, каждый из которых имеет своё начало и свой конец.

После "выгорания" термоядерного топлива в звезде, масса которой сравнима с массой Солнца, в центральной ее части (ядро) плотность вещества становиться настолько высокой, что свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется вырожденным, а звезды из него состоящие - вырожденными звездами.

После образования вырожденного ядра термоядерное горение продолжается в источнике вокруг него, имеющем форму шарового слоя. При этом звезда превращается в красного гиганта. Оболочка таких звезд достигает коллосальных размеров - в сотни радиусов Солнца - и за время порядка 10-100 тысяч лет рассеивается в пространство. Сброшенная оболочка иногда видна как планетарная туманность. Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белого карлика, в котором силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа, обеспечивая тем самым устойчивость звезды. При массе около солнечной радиус белого карлика составляет всего несколько тысяч километров. Средняя плотность вещества в нем часто превышает 109 кг/м3 (тонна на кубический сантиметр).

Удалось оценить пространственную плотность белых карликов: оказывается, в сфере с радиусом в 30 световых лет должно находиться около 100 таких звёзд. Возникает вопрос: все ли звёзды становятся белыми карликами в конце своего эволюционного пути? Если нет, то какая часть звёзд переходит в стадию белого карлика? Важнейший шаг в решении проблемы был сделан, когда астрономы нанесли положение центральных звёзд планетарных туманностей на диаграмму температура - светимость. Чтобы разобраться в свойствах звёзд, расположенных в центре планетарных туманностей, рассмотрим эти небесные тела. На фотографиях планетарная туманность выглядит как протяжённая масса газов эллипсоидной формы со слабой, но горячей звездой в центре. В действительности эта масса представляет собой сложную турбулентную, концентрическую оболочку, которая расширяется со скоростями 15-50 км/с. Хотя эти образования выглядят как кольца, на деле они являются оболочками и скорость турбулентного движения газа в них достигает примерно 120 км/с. Оказалось, что диаметры нескольких планетарных туманностей, до которых удалось измерить расстояние, составляют порядка 1 светового года, или около 10 триллионов километров.

Расширяясь с указанными выше скоростями, газ в оболочках становится очень разряженным и не может возбуждаться, а следовательно, его нельзя увидеть спустя 100 000 лет. Многие планетарные туманности, наблюдаемые нами сегодня, родились в последние 50 000 лет, а типичный их возраст близок к 20 000 лет. Центральные звёзды таких туманностей - наиболее горячие объекты среди известных в природе. Температура их поверхности меняется от 50 000 до 1млн. К. Из-за необычайно высоких температур большая часть излучения звезды приходится на далёкую ультрафиолетовую область электромагнитного спектра.

Это ультрафиолетовое излучение поглощается, преобразуется и переизлучается газом оболочки в видимой области спектра, что и позволяет нам наблюдать оболочку. Это означает, что оболочки значительно ярче, нежели центральные звёзды, - которые на самом деле являются источником энергии, - так как огромное количество излучения звезды приходится на невидимую часть спектра. Из анализа характеристик центральных звёзд планетарных туманностей следует, что типичное значение их массы заключено в интервале 0,6-1 масса Солнца. А для синтеза тяжёлых элементов в недрах звезды необходимы большие массы. Количество водорода в этих звёздах незначительно. Однако газовые оболочки богаты водородом и гелием.

Некоторые астрономы считают, что 50-95 - всех белых карликов возникли не из планетарных туманностей. Таким образом, хотя часть белых карликов целиком связана с планетарными туманностями, по крайней мере половина или более из них произошли от нормальных звёзд главной последовательности, не проходящих через стадию планетарной туманности. Полная картина образования белых карликов туманна и неопределенна. Отсутствует так много деталей, что в лучшем случае описание эволюционного процесса можно строить лишь путём логических умозаключений. И тем не менее общий вывод таков: многие звёзды теряют часть вещества на пути к своему финалу, подобному стадии белого карлика, и затем скрываются на небесных "кладбищах" в виде чёрных, невидимых карликов. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звёзды на последних этапах своей эволюции теряют устойчивость. Такие звёзды могут взорваться как сверхновые, а затем сжаться до размеров шаров радиусом несколько километров, т.е. превратиться в нейтронные звёзды.

Ядерные реакции внутри белого карлика не идут. А свечение происходит за счёт медленного остывания. Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тыс. Кельвинов образуют кристаллическую решетку. Образно говоря, белые карлики - это гигантские горячие кристаллы. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается и звезда перестаёт быть белой (по цвету) – это скорее уже бурый или коричневый карлик. Масса белых карликов не может превышать некоторого значения – это так называемый предел Чандрасекара (по имени американского астрофизика, индийца по происхождению, Субрахманьяна Чандрасекара), он равен примерно 1,4 массы Солнца. Если масса звезды больше, давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды происходит катастрофическое сжатие белого карлика – коллапс. В ходе коллапса плотность резко растёт, протоны объединяются с вырожденными электронами и образуют нейтроны (это называется нейтронизацией вещества), а освобождаемую гравитационную энергию уносят в основном нейтрино. Чем же заканчивается этот процесс? По современным представлениям, коллапс может либо остановиться при достижении плотностей порядка 1017 кг/м3, когда нейтроны сами становятся вырожденными, - и тогда образуется нейтронная звезда; либо выделяемая энергия полностью разрушает белый карлик – и коллапс по сути дела превращается во взрыв.