16.2. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД

Современная теория звездной эволюции хорошо объясняет, почему звезды с данными свойствами находятся только в определенных областях диаграммы Герцшпрунга — Рессела. Звезды образуются в результате конденсации межзвездного газа в областях повышенной плотности. Детальная картина сжатия облаков с концентрацией частиц около в звезды с концентрацией порядка и массами порядка 1 еще не до конца понята. Однако нетрудно показать, что звезды должны образовываться в составе скоплений. Коллапс начинается, когда самогравитация, стремящаяся сжать область повышенной плотности, становится сильнее, чем силы внутреннего давления, препятствующие сжатию. Это условие приводит

к известному критерию Джинса гравитационной неустойчивости, который гласит, что гравитационные силы преобладают, если радиус облака превышает характерную величину где плотность, а скорость звука в облаке. Сжатие происходит на всех масштабах, превышающих величину называемую длиной Джинса. Можно определить массу Джинса как массу облака радиусом равную Принимая типичные для облаков, из которых образуются звезды, значения получим что соответствует скорее массе скопления, нежели одной звезды. По мере сжатия облака его температура определяется скоростью охлаждения газа. Охлаждение осуществляется в результате излучения квантов при переходах в основное состояние атомов и молекул, возбуждаемых столкновениями. Расчеты показывают, что температура в облаке должна уменьшаться в ходе сжатия до тех пор, пока оно остается прозрачным для собственного излучения. С увеличением плотности масса Джинса уменьшается как поэтому в коллапсирующем облаке образуются более мелкие конденсации. Процесс фрагментации продолжается до тех пор, пока отдельные фрагменты не станут оптически толстыми. Тогда они перестают освобождаться от своей внутренней энергии и происходящий в ходе дальнейшего сжатия нагрев вещества прото-звезды препятствует продолжению фрагментации. Эти соображения согласуются с наблюдениями, показывающими, что молодые звезды находятся в скоплениях вместе с обширными облаками пыли и нейтрального или ионизованного водорода.

Таким образом, звезды начинают свой эволюционный путь в нижнем правом углу диаграммы Герцшпрунга — Рессела и движутся налево и вверх по мере сжатия и нагрева. Детали этой эволюции, однако, очень сложны и многие процессы, важные на этой стадии, поняты плохо. В конце концов температура в центре звезды становится достаточно высокой, чтобы началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. С этого момента в течение всего длительного периода горения водорода звезда находится на главной последовательности, причем ее светимость почти не меняется. Положение звезды на главной последовательности определяется в основном ее полной массой и в меньшей степени — химическим составом. Теория предсказывает зависимость масса — светимость в виде где для звезд массами больше и 5,5 для менее массивных звезд. Это находится в разумном согласии с наблюдаемыми свойствами звезд главной последовательности.

Главным механизмом отвода энергии у большинства звезд главной последовательности является излучение в оптической области, хотя для наиболее массивных звезд, важную роль играет также потеря массы. Поэтому обычно скорость потерь энергии пропорциональна т.е. Примем в качестве разумного приближения Как показывают расчеты, звезды уходят с главной последовательности, когда приблизительно 10—15% заключенного в них водорода преобразуется в гелий, поэтому полная энергия, выделяющаяся на стадии главной последовательности, пропорциональна массе звезды. Отсюда следует, что время пребывания

на главной последовательности пропорционально . Стадия горения водорода в ядре занимает большую часть жизни звезды, причем звезды массой порядка солнечной остаются на главной последовательности примерно лет. Соответствующая стадия у звезд массой длится всего 106 лет, тогда как звезды массой как предполагают, должны проводить на этой стадии лет, что в 30 раз превышает возраст Галактики.

Все дальнейшие стадии имеют существенно меньшую продолжительность и сводятся к следующему. Запасы водорода в центральных областях звезды в процессе горения на стадии главной последовательности истощаются. Закон, по которому меняется со временем содержание водорода с расстоянием от центра, зависит от того, в конвективном или лучистом равновесии находятся центральные области звезды — ее ядро. Подробные расчеты показали, что звезды, масса которых превышает примерно имеют конвективные ядра. Водород в них расходуется равномерно по всей зоне, в которой происходит перемешивание, поскольку он переносится в самые центральные области, где температура максимальна и идут ядерные реакции. Когда весь водород в ядре израсходуется, оно сжимается до тех пор, пока температура в окружающей водородной оболочке не поднимается достаточно высоко, чтобы в ней началось горение водорода. Эта стадия называется фазой горения водорода в слоевом источнике. Источник энергии, обеспечивающий необходимый для поддержания равновесия градиент давления, теперь расположен вне ядра, поэтому оно быстро становится изотермическим. Если масса звезды превышает масса ее гелиевого ядра превышает так называемый предел Шенберга — Чандрасекара и его равновесие не может больше поддерживаться тепловым давлением. Происходит сжатие, переводящее ядро в вырожденное состояние.

В звездах массой перенос энергии осуществляется излучением, а не конвекцией, поэтому горение водорода начинается в центре и постепенно распространяется наружу. У этих звезд изотермическое ядро растет непрерывно, а не образуется практически сразу с большим радиусом.

Разные пути эволюции звезд больших и малых масс объясняются различными способами образования изотермических гелиевых ядер. В массивных звездах, сжатие ядра сопровождается расширением внешних слоев и образованием протяженной оболочки гиганта. В процессе этих изменений внутреннего строения звезда покидает главную последовательность и быстро движется по диаграмме Герцшпрунга — Рессела вправо до тех пор, пока оболочка не становится конвективно неустойчивой. Тогда образуется глубокая внешняя конвективная зона, и звезда движется вверх по диаграмме. В ходе дальнейшего сжатия ядра температура в центре повышается настолько, что загорается гелий и возникает гелиевое конвективное ядро. После истощения запасов гелия в ядре звезда последовательно проходит через стадии сжатия, горения гелия в слоевом источнике, сжатия, горения углерода в ядре и т.д. В ходе этих процессов звезда постепенно проходит ветвь гигантов, сдвигаясь влево назад по диаграмме Герцшпрунга — Рессела.

У звезд малых масс конвективные ядра не образуются, и гелиевое ядро растет медленно, постепенно приближаясь к пределу Шенберга — Чандрасекара. Соответственно эволюция к ветви гигантов происходит медленнее.

Эта теория может объяснить форму ветви гигантов на диаграммах рассеянных и шаровых скоплений. Если звезды быстро проходят какую-либо область диаграммы Герцшпрунга — Рессела, она будет слабо заселена. Этим объясняется появление между главной последовательностью и ветвью гигантов пробела Герцшпрунга, наблюдаемого у молодых рассеянных скоплений. В молодых скоплениях только самые массивные звезды успели в ходе эволюции уйти с главной последовательности. Шаровые скопления очень старые, и на главной последовательности остались только звезды, масса которых не превышает солнечную. Поэтому эволюция от главной последовательности к ветви гигантов у звезд, наблюдаемых в шаровых скоплениях, протекает медленнее и пробела быть не должно.

В обоих случаях точка, где звезды скопления покидают главную последовательность, верхний конец главной последовательности, является чувствительным индикатором возраста скопления. Он примерно равен продолжительности пребывания на главной последовательности находящихся в этой точке звезд. Тогда естественным образом объясняется, почему диаграммы Герцшпрунга — Рессела всех шаровых скоплений очень похожи, дело в том, что это очень старые системы, возраст которых порядка лет. Рассеянные скопления, напротив, являются молодыми, их возраст меняется в широких пределах и соответственно сдвигается верхний конец главной последовательности этих систем.

Изложенная теория может дать достаточно полное описание эволюции от главной последовательности к ветви гигантов, но имеющаяся у шаровых скоплений горизонтальная ветвь еще не нашла объяснения в этой картине. Общепринятого мнения о том, как звезды попадают на горизонтальную ветвь, нет, но ключ к построению достаточно правдоподобной схемы такой эволюции может дать изучение их внутреннего строения. Существенными особенностями моделей этих звезд являются не очень большая масса их внешних слоев, а также наличие конвективного гелиевого ядра и конвективной оболочки, в которой происходит горение водорода. Важно, что горизонтальная ветвь наблюдается только у шаровых скоплений, у которых на ветви гигантов находятся звезды массой порядка солнечной. Гелиевые ядра таких звезд переходят в вырожденное состояние до начала горения гелия и в них нет конвекции. Когда в результате гелиевой вспышки начинается горение гелия, освобождается большое количество энергии, в результате чего вырождение в ядре снимается, газ расширяется и возникает конвекция. Таким образом, выполняется одно из самых существенных требований к звездам горизонтальной ветви. Чтобы добиться согласия с моделями звезд горизонтальной ветви, по-видимому, необходимо допустить истечение вещества из их внешних слоев. Хотя механизмы потери массы поняты плохо, такое предположение представляется не очень искусственным. Полагают, что массы этих звезд тогда станут меньше а это согласуется с довольно скудными

эмпирическими данными. В процессе истечения вещества положение звезды на горизонтальной ветви определяется ее массой, а также отношением масс ядра и оболочки. Расчеты свидетельствуют о том, что вслед за периодом примерно постоянного положения на диаграмме Герцшпрунга — Рессела происходит быстрая эволюция к ветви гигантов.

На протяжении всей эволюции звезд в их ядрах происходит образование новых элементов. Этот ядерный синтез можно считать источником значительной доли тяжелых элементов в Галактике. Пока остается без ответа сложный вопрос о том, как переработанное вещество попадает в межзвездную среду. Это может происходить в процессе потери массы звездами вследствие неустойчивостей в их поверхностных слоях на поздних стадиях эволюции, либо при истечении звездного ветра, либо при катастрофической потере массы при вспышке сверхновой.