Звезды живут долго, но в конце концов они умрут. Энергия, из которой состоят звезды, одни из самых больших объектов, которые мы когда-либо изучали, возникает в результате взаимодействия отдельных атомов. Итак, чтобы понять самые большие и самые мощные объекты во Вселенной, мы должны понять самые основные. Затем, когда жизнь звезды заканчивается, эти основные принципы снова вступают в игру, чтобы описать, что будет со звездой дальше. Астрономы изучают различные аспекты звезд, чтобы определить, сколько им лет, а также другие их характеристики. Это помогает им также понять процессы жизни и смерти, с которыми они сталкиваются.
Рождение звезды
Звезды заняли много времени время сформироваться, поскольку газ, дрейфующий во Вселенной, был стянут силой тяжести. Этот газ состоит в основном из водорода, потому что это самый основной и распространенный элемент во Вселенной, хотя часть газа может состоять из других элементов. Достаточное количество этого газа начинает собираться вместе под действием силы тяжести, и каждый атом притягивает все остальные атомы.
Этого гравитационного притяжения достаточно, чтобы заставить атомы столкнуться друг с другом, что, в свою очередь, выделяет тепло. Фактически, когда атомы сталкиваются друг с другом, они вибрируют и движутся быстрее (то есть, в конце концов, что такое тепловая энергия: движение атомов). В конце концов, они становятся такими горячими, и отдельные атомы обладают такой большой кинетической энергией, что, когда они сталкиваются с другим атомом (который также имеет большую кинетическую энергию), они не просто отскакивают друг от друга.
При достаточной энергии два атома сталкиваются, и ядра этих атомов сливаются. Помните, что это в основном водород, а это означает, что каждый атом содержит ядро только с одним протоном. Когда эти ядра сливаются друг с другом (процесс, который также известен как ядерный синтез), образующееся ядро имеет два протона, а это означает, что новый созданный атом – это гелий. Звезды также могут сливать более тяжелые атомы, такие как гелий, вместе, чтобы образовать еще более крупные атомные ядра. (Считается, что этот процесс, называемый нуклеосинтезом, определяет то, сколько элементов в нашей Вселенной было сформировано.)
Сжигание звезды
Таким образом, атомы (часто элемент водород) внутри звезды сталкиваются друг с другом, проходя процесс ядерного синтеза, который генерирует тепло, электромагнитное излучение (включая видимый свет) и энергию в других формах, таких как частицы энергии. Этот период атомного горения – это то, что большинство из нас считает жизнью звезды, и именно в этой фазе мы видим большинство звезд в небе.
Это тепло создает давление – подобно тому, как нагревание воздуха внутри воздушного шара создает давление на поверхность воздушного шара (грубая аналогия), – которое раздвигает атомы. Но помните, что гравитация пытается сблизить их. В конце концов звезда достигает равновесия, при котором притяжение силы тяжести и давление отталкивания уравновешиваются, и в течение этого периода звезда горит относительно стабильно.
Пока не закончится топливо, то есть.
Охлаждение звезды
Как водородное топливо в звезде преобразуется в гелий и в некоторые более тяжелые элементы, требуется все больше и больше тепла, чтобы вызвать ядерный синтез. Масса звезды играет роль в том, сколько времени нужно, чтобы «прожечь» топливо. Более массивные звезды используют свое топливо быстрее, потому что требуется больше энергии, чтобы противодействовать большей гравитационной силе. (Или, другими словами, большая гравитационная сила заставляет атомы сталкиваться друг с другом более быстро.) Хотя наше Солнце, вероятно, просуществует около 5 миллиардов лет, более массивные звезды могут просуществовать всего сто миллионов лет, прежде чем израсходовать свою топливо.
Когда топливо звезды начинает заканчиваться, звезда начинает выделять меньше тепла. Без тепла, противодействующего гравитационному притяжению, звезда начинает сжиматься.
Однако еще не все потеряно! Помните, что эти атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, которые являются фермионами. Одно из правил, управляющих фермионами, называется принципом исключения Паули, который гласит, что никакие два фермиона не могут занимать одно и то же «состояние», что является причудливым способом сказать, что не может быть более одного идентичного фермиона в одном и том же месте. тоже самое. (Бозоны, с другой стороны, не сталкиваются с этой проблемой, что является одной из причин, по которой работают фотонные лазеры.)
Результат это то, что принцип исключения Паули создает еще одну небольшую силу отталкивания между электронами, которая может помочь противодействовать коллапсу звезды, превращая ее в белого карлика. Это было обнаружено индийским физиком Субраманьяном Чандрасекаром в 1928 году.
Другой тип звезд, нейтронная звезда, возникает, когда звезда коллапсирует, а нейтронный – отталкивание нейтронов противодействует гравитационному коллапсу.
Однако не все звезды становятся белыми карликами или даже нейтронными звездами. Чандрасекар понял, что судьбы некоторых звезд будут очень разными.
Смерть звезды
Чандрасекар определил любую звезду массивнее, чем примерно в 1,4 раза больше нашего Солнца (масса, называемая пределом Чандрасекара) не сможет выдержать собственную гравитацию и рухнет в белый карлик. Звезды размером примерно в 3 раза больше нашего Солнца стали бы нейтронными звездами.
Однако, помимо этого, у звезды просто слишком большая масса, чтобы противодействовать гравитационному притяжению. через принцип исключения. Возможно, когда звезда умирает, она может пройти через сверхновую, выбрасывая во Вселенную достаточно массы, чтобы она упала ниже этих пределов и стала одним из этих типов звезд …. но если нет, то что происходит?
Ну, в этом случае масса продолжает схлопываться под действием гравитационных сил, пока не образуется черная дыра.
И это то, что вы называете смертью звезды.