Читать книгу Биология. Общая биология. Профильный уровень. 10 класс - Н. И. Сонин - Страница 16

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения, впервые высказанная в XVIII в. И. Кантом и позднее развитая П. Лапласом, Д. Койпером, Д. Альвеном и Р. Камероном, подтверждается целым рядом свидетельств.

Молодые звезды обнаруживаются внутри туманностей – областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли, размеры которых составляют несколько световых лет. Туманности встречаются по всей нашей галактике; полагают, что звезды и связанные с ними планетные системы образуются внутри этих громадных облаков материи.

С помощью спектроскопии было показано, что межзвездное вещество состоит из газов – водорода, гелия и неона – и пылевых частиц, имеющих размеры порядка нескольких микрон и состоящих из металлов и других элементов. Поскольку температура очень низка (10–20 К), все вещество, кроме упомянутых газов, находится в замерзшем состоянии на пылевых частицах. Более тяжелые элементы и некоторое количество водорода ведут свое происхождение от звезд предшествующих поколений; некоторые из этих звезд взорвались как сверхновые, вернув в межзвездную среду оставшийся водород и обогатив ее образованными в их недрах более тяжелыми элементами.

Средняя концентрация газа в межзвездном пространстве – всего 0,1 атома Н/см³, тогда как концентрация газа в туманностях приблизительно 1000 атомов Н/см³, т. е. в 10 000 раз больше. (В 1 см³ воздуха содержится примерно 2,7×10¹⁹ молекул.)

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитации, оно становится неустойчивым – в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают, и поэтому облако сжимается. В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения, легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества мала. По мере возрастания плотности вещества начинаются новые важные изменения. Вследствие гравитационных и других флуктуаций крупное облако дробится на облака меньшего размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в конечном счете по своей массе и размерам в несколько раз превышающие нашу Солнечную систему (рис. 2.2; 1–5). Такие облака называют протозвездами. Конечно, некоторые протозвезды массивнее, чем наша Солнечная система, они образуют более крупные и более горячие звезды, тогда как менее массивные протозвезды образуют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее, чем первые. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, выше которого произошла бы дальнейшая фрагментация, и нижним пределом, определяемым той минимальной массой, которая требуется для поддержания ядерных реакций.

Рис. 2.2. Эволюция газово пылевой туманности и образование протопланетного диска

Сначала потенциальная гравитационная энергия, превращающаяся в тепло (энергию излучения), в ходе гравитационного сжатия просто излучается наружу. Но по мере того, как плотность вещества возрастает, поглощается все большее количество энергии излучения и в результате возрастает температура. Летучие соединения, первоначально намерзшие на частицах пыли, начинают испаряться. Теперь к Н₂, Не и Ne примешиваются такие газы, как NH₃, CH₄, Н₂О (пары) и HCN. Эти газы поглощают последующие порции энергии излучения, диссоциируют и подвергаются ионизации.

Гравитационное сжатие протекает до тех пор, пока выделяющаяся энергия излучения рассеивается при испарении и ионизации молекул в частицах пыли. Когда молекулы полностью ионизируются, температура быстро возрастает до тех пор, пока сжатие почти прекращается, так как давление газа начинает уравновешивать силы тяготения. Таким образом заканчивается фаза быстрого гравитационного сжатия (коллапса).

В этот момент своего развития протозвезда, отвечающая нашей системе, представляет собой диск с утолщением в центре и температурой приблизительно 1000 К на уровне орбиты Юпитера. Такой протозвездный диск продолжает эволюционировать: в нем происходит перестройка, и он медленно сжимается. Сама протозвезда постепенно становится все более компактной, более массивной и более горячей, так как теперь тепло может излучаться только с ее поверхности. Передача тепла из глубины протозвезды к ее поверхности осуществляется с помощью конвекционных токов. Область от поверхности протозвезды до расстояния, эквивалентного орбите Плутона, заполнена газово-пылевым туманом.

В ходе этого сложного ряда сжатий, который, как полагают, потребовал около 10 млн лет, момент количества движения системы должен сохраняться. Вся галактика вращается, совершая 1 оборот в 100 млн лет. По мере сжатия пылевых облаков их момент количества движения не может измениться – чем сильнее они сжимаются, тем быстрее вращаются. Благодаря сохранению момента количества движения форма сжимающегося пылевого облака изменяется от сферической к дискообразной.

По мере сжатия оставшегося вещества протозвезды его температура становилась достаточно высокой для начала реакции слияния атомов водорода. С притоком большего количества энергии, благодаря этой реакции, температура становилась достаточно высокой для того, чтобы уравновесить силы дальнейшего гравитационного сжатия.

Планеты формировались из оставшихся газов и пыли на периферии протозвездного диска (рис. 2.3). Агломерация межзвездной пыли под действием гравитационного притяжения приводит к образованию звезды и планет примерно за 10 млн лет (1–4). Звезда входит на главную последовательность (4) и остается в стационарном (устойчивом) состоянии примерно в течение 8000 млн лет, постепенно перерабатывая водород. Затем звезда покидает главную последовательность, расширяется до красного гиганта (5 и 6) и «поглощает» свои планеты в течение последующих 100 млн лет. После нескольких тысяч лет пульсирования в качестве переменной звезды (7) она взрывается как сверхновая (8) и, наконец, сжимается до белого карлика (9). Хотя обычно планеты считают массивными объектами, общая масса всех планет составляет всего лишь 0,135 % массы Солнечной системы.

Рис. 2.3. Образование планетной системы

Наши планеты и, как предполагают, планеты, образующиеся в любом протозвездном диске, располагаются в двух главных зонах. Внутренняя зона, которая в Солнечной системе простирается от Меркурия до пояса астероидов, представляет собой зону мелких планет земного типа. Здесь, в фазе медленного сжатия протозвезды, температуры настолько высоки, что испаряются металлы. Внешняя холодная зона содержит такие газы, как Н₂О, Не и Ne, и частицы, покрытые замерзшими летучими веществами типа Н₂О, NH₃ и СН₄. Эта внешняя зона с планетами типа Юпитера содержит гораздо больше вещества, чем внутренняя, поскольку она имеет большие размеры и поскольку большая часть летучих веществ, первоначально находившихся во внутренней зоне, выталкивается наружу в результате деятельности протозвезды.

Один из способов построения картины эволюции звезды и вычисления ее возраста заключается в анализе большой случайной выборки звезд. При этом измеряют расстояния до звезд, их видимый блеск и цвет каждой звезды.

Если известны видимый блеск и расстояние до звезды, то можно вычислить ее абсолютную звездную величину, поскольку видимый блеск звезды обратно пропорционален расстоянию до нее. Абсолютная звездная величина есть функция скорости высвобождения энергии независимо от ее расстояния до наблюдателя.

Цвет звезды определяется ее температурой: голубой цвет соответствует очень горячим звездам, белый – горячим, а красный – относительно холодным.

На рисунке 2.4 представлена диаграмма Герцшпрунга – Рессела, известная вам из курса астрономии, отражающая зависимость между абсолютной звездной величиной и цветом для большого числа звезд. Поскольку эта классическая диаграмма включает звезды всевозможных размеров и возрастов, она соответствует «средней» звезде на различных стадиях ее эволюции.

Рис. 2.4. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела

Большинство звезд располагается на прямолинейной части диаграммы; они испытывают лишь постепенные изменения равновесия по мере выгорания содержащегося в них водорода. На этой части диаграммы, которая называется главной последовательностью, звезды с большей массой имеют более высокую температуру; в них быстрее протекает реакция слияния атомов водорода, и продолжительность их жизни меньше. Звезды с массой меньшей, чем солнечная, имеют более низкую температуру, слияние водородных атомов протекает в них медленнее, и продолжительность их жизни больше. Когда либо звезда главной последовательности израсходует около 10 % своих исходных запасов водорода, ее температура снизится и произойдет расширение. Как предполагают, красные гиганты представляют собой «состарившиеся» звезды всех размеров, принадлежавшие ранее главной последовательности. При точном определении возраста звезды эти факторы следует принимать во внимание. Вычисления с их учетом показывают, что ни одна звезда в нашей галактике не старше 11 000 млн лет. Некоторые маленькие звезды имеют этот возраст; многие более крупные звезды гораздо моложе. Самые массивные звезды могут находиться на главной последовательности не более 1 млн лет. Солнце и звезды подобных размеров находятся на главной последовательности около 10 000 млн лет, прежде чем достигают стадии красных гигантов.

Опорные точки

1. Материя находится в непрерывном движении и развитии.

2. Биологическая эволюция являет собой определенный качественный этап эволюции материи в целом.

3. Преобразования элементов и молекул в космическом пространстве происходят постоянно с очень невысокой скоростью.

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое реакции ядерного синтеза? Приведите примеры.

2. Как, в соответствии с гипотезой Канта – Лапласа, из газово-пылевой материи формируются звездные системы?

3. Есть ли различия в химическом составе планет одной и той же звездной системы?

Используя словарный запас рубрик «Терминология» и «Summary», переведите на английский язык пункты «Опорных точек».