Азы А&А. 27. Старение и смерть звезд.
Основную часть своей жизни звезды проводят на главной последовательности. Питаясь энергией пережигания ядер водорода (протонов) в ядра гелия (альфа-частицы). Но запасы протонов не бесконечны.
И звезды для продолжения своей жизни нашли, пусть и кратковременный, выход. Переходя на питание энергией пережигания ядер гелия в ядра элементов второй, третьей и частично четвертой строк таблицы Менделеева. Вплоть до ядер железа (атомный номер 26). Почему железа? Потому, что процесс образования ядер массивнее ядер железа идет не с выделением, а с поглощением энергии. И, следовательно, такая термоядерная реакция не может быть самоподдерживающейся.
Поэтому посмотрим, как протекает старость и наступает смерть звезд. Разумеется, на качественном уровне. Без излишних подробностей, выявленных в модельных расчетах и наблюдениях.
12.1. Старение звезд.
Когда запас протонов в центральной части звезды истощается, термоядерная реакция образования ядер гелия из протонов затухает. Резко замедляется выделение энергии и недра звезды начинают охлаждаться. Падает и давление, поддерживающее равновесие недр звезды от их сжатия гравитацией. Сжатие центральной части звезды в свою очередь ведет росту плотности плазмы и температуры в недрах звезды.
В результате этих процессов температура в недрах звезд не слишком малой массы в какой-то момент начинает превышать величину порядка 100 миллионов градусов. В таких условиях начинаются термоядерные реакции, в результате которых из ядер гелия и протонов начинают рождаться ядра элементов второй строки таблицы Менделеева.
Ядра лития, бериллия и бора в условиях недр звезды малоустойчивы и быстро разрушаются. Поэтому распространенность этих элементов в природе весьма мала. Зато ядра основных биогенных элементов (кислорода, углерода и азота) достаточно устойчивы. Общая картина распространенности в природе элементов таблицы Менделеева видна из следующей диаграммы (по вертикали логарифмический масштаб):
Р ис. 4.3. Распространенность элементов во Вселенной (из https://ru.wikipedia.org).
Обращает на себя внимание любопытный факт - ядра элементов с четными номерами (четным числом протонов) распространены в природе на порядок-полтора изобильнее, чем соседствующие с ними ядра элементов с нечетными номерами. Ядерщики объясняют этот факт через большую устойчивость ядер, состоящих из целого числа α-частиц.
В целом процессы старения звезд оказались гораздо плодотворнее их основного цикла жизни. Именно они создали элементную базу для зарождения жизни на планетах звезд второго и последующих поколений и дали высшим проявлениям этой жизни приличный запас элементов для развития цивилизаций.
12.2. Смерть звезд.
Как далеко заходят процессы наработки более тяжелых элементов из ядер гелия в недрах звезд? Это зависит от массы звезды. В недрах самых маломассивных звезд термоядерные реакции такого типа могут вообще не начаться. В более массивных они генерируют ядра части элементов второй строки таблицы Менделеева. В самых массивных такие реакции генерируют ядра всех элементов вплоть до ядер железа (№ 26).
Но в любом случае после прекращения этих реакций наступает смерть звезды. А вот тип мумии умершей звезды зависит от ее первоначальной массы. Поэтому в следующих разделах рассмотрим все три типа возможных мумий звезд - белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.