РЕЛИГИЯ НЕНУЖНЫХ

 (...продолжение к пт, 05.05.2017 – 17:48)

В своем описании структур Вселенной я упустил такое распространенное явление, как звёзды. Хотелось бы исправить эту оплошность, прежде чем мы начнем рассматривать альтернативный космологический сценарий эволюции Вселенной.

Текст о звёздах получился несколько большим, чем о галактиках, поэтому я опубликую его в нескольких частях.

Итак современное представление о строении и эволюции звезд.

Начнем с Вики «Звезда»: Звезда́ — массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза. Ближайшей к Земле звездой является Солнце.

Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов (K), а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Звёзды часто называют главными телами Вселенной, поскольку в них заключена основная масса светящегося вещества в природе.

Невооружённым взглядом (при хорошей остроте зрения) на небе видно около 6000 звёзд, по 3000 в каждом полушарии. За исключением сверхновых, все видимые с Земли звёзды (включая видимые в самые мощные телескопы) находятся в местной группе галактик (рис.1).

Рис.1. Местная группа галактик. Справа - подгруппа Млечного Пути. Слева - подгруппа Андромеды и чуть ниже - галактика Треугольника.

Для справки: Местная группа галактик – гравитационно-связанная группа галактик, включающая нашу галактику – Млечный Путь (далее «Галактика»), галактику Андромеды (M31) и галактику Треугольника (М33). Помимо перечисленных, в Местную группу входит более 50 галактик. Это число постоянно увеличивается с обнаружением новых галактик. Центр масс Местной группы находится примерно на линии, соединяющей Млечный Путь и галактику Андромеды.

Местную группу можно разделить на несколько подгрупп:

• подгруппа Млечного Пути состоит из гигантской спиральной галактики Млечный Путь и 14 её известных спутников (по состоянию на 2005 год), представляющих собой карликовые и в основном неправильные (по форме) галактики;
• подгруппа Андромеды весьма похожа на подгруппу Млечного Пути: в центре подгруппы находится гигантская спиральная галактика Андромеды. Её 18 известных (по состоянию на 2005 год) спутников тоже являются в основном карликовыми галактиками;
• подгруппа Треугольника — галактика Треугольника и её возможные спутники;
• прочие карликовые галактики, которые нельзя определить ни в одну из указанных подгрупп.

Поперечник Местной группы составляет порядка одного миллиона парсеков. Парсек (примерно равен 3,26 световых года или 30,8578 трлн. км.) – это расстояние, с которого средний радиус Земной орбиты, практически равный одной астрономической единице (а.е.), перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду.

О местной группе пока достаточно, вернемся к звёздам.

Значительная часть звёзд Галактики (но не все) входит в состав звёздных скоплений – гравитационно-связанных групп звёзд. Каждое такое скопление движется внутри Галактики как единое целое. Звёзды, принадлежащие одному скоплению имеют общее происхождение (общепринято считать, что они образовались из одного гигантского газового облака), одинаковый возраст и почти один и тот же химический состав. Звездные скопления, кроме звёзд, могут содержать облака газа и/или пыли.
Звёздные скопления делятся на три сильно отличающиеся друг от друга вида – шаровые, рассеянные и ассоциации.

Шаровые звездные скопления.

Рис.2. Шаровое звёздное скопление M80 в созвездии Скорпиона расположено в 28 000 световых годах от Солнца и содержит сотни тысяч звёзд.

Шаровые звёздные скопления имеют форму шара (рис. 2). Иногда этот шар может быть незначительно сплюснут. Это наиболее древние и массивные галактические объекты. Их возраст колеблется в пределах от 5 до 15 млрд. лет, а массы – в пределах от 10 тысяч до миллиона Mc. Примерно в таких же переделах колеблются их светимости: от 10 тысяч до миллиона Lc (здесь и далее Lc – светимость Солнца). Диаметр шаровых скоплений составляют примерно 100–400 световых лет. Наиболее яркие звёзды, находящиеся на главной последовательности, имеют массу всего лишь 0,7–0,8 Мс, а все более массивные звёзды уже покинули главную последовательность (о главной последовательности и её значении в описании процесса эволюции звезды напишу ниже).

Шаровые скопления движутся относительно центра Галактики по сильно вытянутым эллиптическим орбитам и заполняют весь объём Галактики. Их плотность возрастает по мере приближения к Галактическому ядру. В настоящее время известно около 150 шаровых скоплений в нашей Галактике, а их общее число, вероятно, достигает 500.

Астрономические наблюдения шаровых скоплений, выполненные за последние десятилетия, установили поразительный факт, что многие наиболее древние звёздные скопления в гало Галактики движутся в направлении, противоположном вращению Галактического ядра. Это настоящая головоломка для современной космологии, и я предлагаю вернуться к пристальному изучению этого факта в отдельной картине, посвященной загадкам Млечного Пути, которую я дам в другой раз.

Изучение шаровых скоплений помогло понять строение нашей Галактики и определить положение солнечной системы в ней. В начале XX века астрономы ошибочно полагали, что Солнце расположено вблизи галактического центра. Но затем американский астроном Х. Шепли обратил внимание, что шаровые звездные скопления не разбросаны беспорядочно по всему небу, а образуют гигантскую, сферически симметричную систему с центром в направлении созвездия Стрельца. Шепли предположил, что система шаровых скоплений образует костяк Галактики и ее центр совпадает с галактическим центром. Как было выяснено в дальнейшем, Шепли оказался прав. Центр нашей Галактики действительно расположен в созвездии Стрельца, примерно на расстоянии 25 тысяч световых лет от Солнца. А Солнечная система расположена ближе к окраине Галактики, чем к ее центру.

Рассеянные звездные скопления.

Рис. 3. Плеяды – рассеянное звёздное скопление М45 в созвездии Тельца.

Рассеянные скопления имеют неправильную форму (отсюда и их название) и относительно небольшой возраст – от 1 миллиона до 1 миллиарда лет. Лишь около 10% рассеянных скоплений старше 1 миллиарда лет. Таким образом, рассеянные звёздные скопления значительно моложе шаровых. По массе и размерам они также значительно уступают шаровым скоплениям. Рассеянные скопления содержат от нескольких сотен до нескольких тысяч звёзд общей массой 100-3000 Мс, имея при этом размеры порядка 3-30 световых лет. В рассеянных скоплениях часто встречаются голубые гиганты (см. рис.3.), полностью отсутствующие в шаровых скоплениях. Светимость такого гиганта может превышать 10 тысяч Lc, то есть превышать светимость небольшого шарового скопления. Большинство звёзд в рассеянных скоплениях еще находятся на главной последовательности.

В настоящее время известно около 1500 рассеянных скоплений, а общее их число оценивается в десятки тысяч. Все они расположены в галактическом диске, толщина которого составляет около 3000 световых лет. По этому иногда рассеянные скопления называют галактическими. Они не встречаются на больших расстояниях от галактической плоскости, в отличие от шаровых скоплений.

Еще одна важная черта рассеянных скоплений – это высокое содержание в них тяжелых (тяжелее гелия) химических элементов: около 2%, что во много раз больше, чем в шаровых скоплениях.

Звездные ассоциации

Звёздные ассоциации – разреженное скопление молодых звёзд высокой светимости, объединённых общим происхождением (см. рис. 4).

В отличие от молодых рассеянных звёздных скоплений, звёздные ассоциации обладают бо́льшим размером (200—300 световых лет) чем ядра рассеянных звёздных скоплений (до 30 световых лет) и меньшей плотностью: количество звёзд в ассоциации — от десятков до сотен (в рассеянных звёздных скоплениях — от сотен до тысяч). Считается, что происхождение звёздных ассоциаций, как правило, связано с облаками молекулярного газа, имеющего сравнительно низкую температуру. Этот газ является «строительным материалом» для звёзд. Ассоциации, также как и рассеянные скопления, неустойчивы. Они медленно расширяются и их компоненты отдаляются друг от друга.

Рис. 4. Трапеция Ориона, центральная часть — ассоциация молодых звёзд-гигантов спектральных классов O и B, погружённая в молекулярное облако. На левом изображении (видимый свет), видна флуоресценция газового облака, возбуждаемая ультрафиолетовым излучением этих звёзд. На правом (инфракрасный диапазон) видна пыль, рассеивающая их инфракрасное излучение.

____________________________

Продолжение следует... 

 

 

 (...продолжение к вт, 16.05.2017 – 00:01)

Диаграмма «Цвет–Светимость» Герцшпрунга–Расселла.

К началу XX века был накоплен огромный объем знаний о звёздных спектрах, а также измерены расстояния до многих звёзд, и на основании этих данных определены их светимости (светимость звезды – это мощность, с которой она излучает электромагнитную энергию). Накопленные данные позволили систематизировать полученную информацию, и наиболее эффективной оказалась следующая классификация звезд.

Астрономы определяли цвет звезды и ее светимость. Затем звезда изображалась в виде точки на диаграмме «цвет-светимость». Цвет звезды определяется температурой её поверхности. Например, при температуре 3000К больше всего энергии звезда излучает в красном диапазоне волн. При 6000K (как у Солнца) – в желтом. Наиболее горячие звезды – голубые, их температура выше 10 000K.

Сопоставляя показатель «цвет–светимость» для различных звёзд, датский астроном Э. Герцшпрунг и американский астроном Г. Ресселл обнаружили очень интересный и важный факт: звёзды заполняют всю площадь диаграммы не беспорядочно, а группируются внутри узких полос. Поэтому часто эту диаграмму называют диаграммой Герцшпрунга–Ресселла (см. рис.5).

Рис. 5. Диаграмма Герцшпрунга–Ресселла (диаграмма ГР)

Оказалось, что подавляющее большинство всех известных звезд располагается вблизи диагональной линии V, называемой «Главной последовательностью». Все остальные звезды тоже образуют ряд ярко выраженных групп.

Некоторые характеристики звезд.

Светимость звезды и температура ее поверхности – это величины, которые невозможно измерить непосредственно. Измерить непосредственно можно только количество излучения звезды, падающее на единицу площади земной поверхности (освещенность или яркость), а также определить, как распределена интенсивность этого излучения в зависимости от длины волны. Поэтому астрономы вместо светимости звезды используют понятие звёздной величины, а вместо температуры – показатель цвета.

Видимая звездная величина (m) – это безразмерная числовая характеристика видимой с Земли яркости звезды. Уточнение «видимая» указывает только на то, что эта звёздная величина наблюдается с Земли; это уточнение нужно, чтобы отличить её от абсолютной звездной величины. Оно не указывает на видимый диапазон: видимыми называют и величины, измеренные в инфракрасном или каком-либо другом диапазоне. Величина, измеренная в видимом диапазоне, называется визуальной. В видимой части спектра самая яркая звезда на ночном небе – Сириус, а в инфракрасном диапазоне – Бетельгейзе.

Исторически сложилось, что наиболее яркие звезды неба называли звездами первой величины, наиболее тусклые – звездами шестой величины, а остальные равномерно распределяли по промежуточным величинам. Яркость самых тусклых звезд, видимых невооруженным глазом слабее яркости самых ярких звезд примерно в 100 раз.

Чтобы не нарушать исторически сложившуюся традицию было принято следующее определение звездных величин.

Первую звездную величину имеет звезда, яркость которой равна средней яркости 20 наиболее ярких звезд неба. Вторую звездную величину имеет звезда, яркость которой в 100 в степени 1/5 (примерно 2,512) раза меньше, чем у звезды первой звездной величины. Третью звездную величину имеет звезда яркость которой в 2,512 раза меньше, чем у звезды второй звездной величины. И так далее...

Как выяснилось позже, связь такой шкалы с реальными физическими величинами логарифмическая, поэтому в 1856 году Норман Погсон предложил следующую формализацию шкалы звёздных величин, ставшую общепринятой:

m(1) – m(2) = –2,5·lg(L(1)/L(2)),

где m() – звездные величины объектов №1 и №2, L() – их видимая с земли яркость (в некоторой литературе L обозначает освещенность от объектов).

Такое математическое определение имеет следующий смысл: при падении яркости объекта в 100 раз, его звездная величина увеличивается на 5 единиц; а при изменении звёздной величины объекта на одну единицу, его яркость изменяется в 100 в степени 1/5 раз, т.е. примерно в 2,512 раза.

Если, например, объект №2 – это звезда первой звездной величины (m=1), и она в 100 раз ярче объекта №2, из уравнения следует, что объект №1 имеет шестую звездную величину:

m(1) = 1 – 2,5·lg(1/100) = 6.

Формула Н. Погсона для видимых звёздных величин даёт возможность определить только разницу звёздных величин, но не сами величины. Чтобы с её помощью построить абсолютную шкалу, необходимо задать яркость, которой соответствует нулевая звездная величина (m = 0). Сначала в качестве m = 0 была принята яркость звезды Вега. Потом яркость, соответствующая m = 0, была переопределёна, но для визуальных наблюдений Вега до сих пор может служить эталоном нулевой видимой звёздной величины (по современной системе, её яркость равна +0,03, что на глаз неотличимо от нуля).

Объекты, имеющие яркость на небе, превышающую яркость Веги, имеют отрицательное значение видимой звездной величины. Например, видимая звездная величина звезды Сириус равна –1,46, полной Луны равна –12,7, а яркость Солнца составляет –26,7.

Из формулы для звёздных величин нетрудно рассчитать, что Солнце почти в 48 миллиардов раз ярче Веги и почти в 400 тысяч раз ярче полной Луны.

В астрономии также используют понятие абсолютной звёздной величины. За абсолютную звёздную величину принимается звездная величина, которую имела бы звезда, если бы она находилась от Земли на расстоянии 10 парсеков (примерно 32,6 световых года). Напоминаю, что один парсек (примерно равен 3,26 световых года) – это расстояние, с которого средний радиус земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду. Абсолютная звёздная величина позволяет сравнивать светимость звёзд без учета расстояния до них, в отличие от видимой звёздной величины, зависящей от расстояния до звёзд. Например, как отмечалось выше, визуальная звездная величина Солнца равна –26,7. При этом его абсолютная звездная величина – всего +4,8. Для сравнения: абсолютная звёздная величина Веги равна +0,58.

Чем выше температура поверхности звезды, тем большая мощность излучения приходится на короткие волны. Чтобы узнать температуру звёздной поверхности, нужно определить, как изменяется мощность излучения в зависимости от длины волны, измеряя видимую яркость звезды, пропуская её свет через набор различных фильтров. Но на практике астрономы поступают проще – измеряют яркость звезды всего в трех спектральных диапазонах. Как правило, они измеряют «синюю» звездную величину B (от англ. blue), характеризующую яркость звезды в синей области спектра (длина волны около 435нм), визуальную звездную величину V (от англ. visual), характеризующую яркость звезды в зеленой области спектра (длина волны около 555нм), и ультрафиолетовую звездную величину U (от англ. ultraviolet), характеризующую яркость звезды в ультрафиолетовой области спектра (длина волны около 350нм), а затем вместо температуры используют разности (B – V) или (U – B). Эти разности называется показателями цвета звезды или просто – цветом звезды.

Наиболее часто используется разность (B – V), причем B и V, если говорить очень упрощённо, соответствуют фотографической и визуальной звездным величинам. Показатель цвета (B – V) удобен потому, что для большинства звезд он относительно быстро и легко измеряется, оставаясь хорошим индикатором спектрального класса (чем больше разность (B – V), тем более красным считается объект). Это одна из переменных, используемых при построении диаграммы «Цвет–Светимость» Герцшпрунга–Рассела.

Для большинства звёзд, спектр которых соответствует спектру абсолютно черного тела, показатель цвета непосредственно связан с температурой звезды. Если спектр звезды сильно отличается от спектра абсолютно черного тела, то для характеристики температуры её поверхности используют понятие эффективной температуры. Она определяется как температура абсолютно чёрного тела, которое имеет такой же радиус, что и данная нестандартная звезда, и излучает такое же количество энергии.

Когда астрономы XX века составляли звёздные диаграммы, они ничего не знали об источнике звёздной энергии. Считалось, что звезда нагревается и светит исключительно за счёт энергии гравитационного сжатия. Поэтому, астрономы, включая Герцшпрунга и Ресселла, ошибочно полагали, что звёзды в течение своей жизни движутся сверху вниз по главной последовательности, но как было выяснено позже, это не так.

Это важно подчеркнуть, что звёзды не движутся по главной последовательности, а неподвижно стоят на ней. Когда звезда образуется, она переходит в стационарное состояние и, в зависимости от своей массы и химического состава, занимает определенное местоположение на главной последовательности, находясь в этом положении в течение длительного времени. Неподвижное положение звезды на главной последовательности отражает наиболее длинную и наиболее важную эволюцию фазы в её жизни – фазу горения водорода. После того как водород внутри звезды выгорает, состояние звезды достаточно быстро изменяется, и она «сходит» с главной последовательности.

А как же образуются звёзды?

Ответ в следующих картинах...

____________

Продолжение следует...
 

 

   Много лет мучился вопросом: если есть Бог, по определению совершенный, то что заставляет наши души покидать Его царство в тонком мире и воплощаться на грешной земле? В разных религиях разработаны разные доктрины на эту тему... И в общем-то ничего нового я не скажу, но всё же: что, если мы приходим сюда не для того, чтобы что-то приобрести, а затем, чтобы избавиться от того, что мешает? Есть же у психологов такая методика, что негатив должен "сыграть", осуществиться хотя бы в имитации, тогда он перестанет, что называется, "давить на психику". Может быть, душа переносит в тело (или другие оболочки) то, что мешает ей достигнуть гармонии? И сбрасывает этот груз в момент смерти...

 

  Поздравляю всех комментаторов с покорением очередной вершины!

   Интересно, насколько часто встречаются на просторах интернета команды, достигшие аналогичных результатов по срокам существования и объёмам комментирования. А также хотелось бы узнать, какие темы они обсуждают...

 

(...продолжение к вт, 16.05.2017 – 00:41)

Образование звезды.

Согласно современным представлениям звезда образуется в результате гравитационного сжатия газового облака. С одной стороны, давление газа внутри облака стремится увеличить его размеры. С другой – гравитационные силы притяжения между молекулами газа стремится сжать облако. И если силы гравитации преобладают над силами давления, то облако начинает сжиматься. По мере сжатия облако нагревается всё сильнее и сильнее и, в конце концов, начинает светиться. Дальнейшая судьба облака зависит от его массы.

Если масса облака меньше чем одна 1/10 Мс, то такое облако сожмется в газовую планету наподобие Юпитера и постепенно охладится. Если же его масса превышает 0,1 Мс, то при сжатии температура в центре облака достигнет десятков миллионов градусов, начнутся термоядерные реакции превращения водорода в гелий, и сжатое газовое облако превратиться в звезду.

Отвлечемся на время от процесса образования звезды и ответим на вопрос:
«Почему, если на звездах идут реакции термоядерного синтеза, звёзды не взрываются подобно гигантским водородным бомбам?»

Современная наука находит две причины, мешающие звезде взорваться.

Причина первая. Когда в 1920 году Артур Эддингтон предположил, что в звёздах водород превращается в гелий, ему никто не поверил, т.к. вычисления показывали, что недра звёзд недостаточно горячи для реакции термоядерного синтеза. Ядрам водорода – протонам, находящимся внутри звезд, просто не хватит кинетической энергии для преодоления электрических сил отталкивания, действующих между ними.
Чтобы два протона соединились друг с другом под действием ядерных сил, они должны сблизиться практически вплотную, до расстояния 0,1 пикометра (пико = 10 **–12). Расчёт показывает, что для этого необходима температура в несколько сотен миллионов градусов.

Теперь в качестве примера оценим среднюю температуру внутри Солнца, исходя из того, что средняя скорость теплового движения атомов водорода, участвующих в синтезе гелия, не должна превышать второй космической скорости, равной на Солнце 617,7 км/с. Такой скорости теплового движения атомов водорода на Солнце соответствует температура порядка 9 миллионов градусов, что явно не дотягивает до сотен миллионов. Если учесть, что гравитационный потенциал в центре Солнца примерно в 1,5 раза больше, чем на его поверхности, то можно ожидать, что температура в центре Солнца также примерно в 1,5 раза выше среднего, т.е. равна 13,5 миллионов градусов, что также недостаточно для преодоления сил отталкивания и слияния протонов.

Оппоненты Эддингтона, проделав подобные вычисления, пришли к выводу о невозможности термоядерных реакций внутри Солнца. Но в дальнейшем выяснилось, что оппоненты Эддингтона всё же были не правы.

В 1939 году Х. Бете экспериментально доказал возможность протекания термоядерных реакций при относительно низких температурах, т.е. таких, при которых протоны не имеют по классическому расчету достаточной энергии для прямого преодоления потенциального барьера электрических сил отталкивания. Как оказалось, что все дело в том, что протоны – это не классические объекты, а квантовые. Протоны, как и другие квантовые объекты, обладают неопределенностью в движении, за счет чего они «медленно», в небольшом количестве (т.е. с малой вероятностью) «просачиваются» через потенциальный барьер и вступают в термоядерную реакцию синтеза.

Итак, первая причина, почему звёзды не взрываются, – температура в их недрах достаточна для медленного протекания термоядерных реакций, но недостаточна для взрыва.

А что мешает температуре в центре звезды повысится и звезде взорваться?
Этому мешает другая причина.

Причина вторая. В качестве примера опять рассмотрим Солнце. Средняя плотность солнечного вещества равна 1,4 г/см³, т.е порядка плотности воды. Это означает, что атомы водорода (Солнце, как и любая другая Звёзда, состоит в основном из водорода) внутри Солнца упакованы достаточно плотно. Расстояние между ними меньше размера атома водорода, т.е. меньше чем 0,1 нанометра (нано = 10**–9). При комнатной температуре водород такой плотности представлял бы собой сильно сжатую жидкость. Но температура внутри Солнца миллионы градусов. При такой высокой температуре атомы полностью ионизированы. Т.е. вещество внутри Солнца состоит не из атомов водорода, а из ядер водорода – протонов, размеры которых существенно меньше, порядка фемтометра (фемто = 10**–15).

Получается, что вещество внутри Солнца состоит из частиц, среднее расстояние между которыми много больше их характерных размеров: отношение среднего расстояния между протонами к размеру протона порядка 10 – 100 тысяч. Т.е. Солнце, как и большинство звезд, несмотря на свою высокую плотность, – это не твёрдое и даже не жидкое тело, а раскалённый газовый шар!

Причём газ внутри Солнца практически идеальный. По крайней мере , он значительно «более идеальный», чем обычный комнатный воздух (среднее расстояние между молекулами комнатного воздуха превышает размер молекулы воздуха в 100 раз, что почти на три порядка меньше чем условия на Солнце). А идеальный газ обладает очень важной особенностью – его давление пропорционально его температуре.

Предположим, что температура внутри Солнца несколько повысилась. К чему это приведет?
Казалось бы, это приведет к ускорению термоядерных реакций и дальнейшему повышению температуры, что неминуемо закончится взрывом. Однако этого не произойдет. Повышение температуры внутри Солнца приведет к увеличению давления и к расширению Солнца. В результате газ совершит работу против гравитационных сил, и его температура понизится.

А что произойдет, если к веществу Солнца добавится какой-нибудь катализатор, ускоряющий термоядерные реакции, например ядра азота или углерода? В этом случае скорость термоядерных реакций возрастет, температура возрастет, давление повысится, Солнце расширится, и его температура упадет. В результате Солнце будет выделять практически ту же самую энергию, но при чуть более низкой температуре в своих недрах.

Получается, что Солнце, как любая другая звезда, находящаяся на главной последовательности, представляет собой достаточно устойчивую стационарную систему, которую не так-то просто вывести из равновесия.

Но вернемся к процессу рождения звезды.
Сжатое и уже раскаленное газовое облако, из которого впоследствии образуется звезда, называется протозвезда.

Когда протозвезда сжимается, ее плотность и температура повышаются, вследствие чего возрастает давление внутри протозвезды. 

В связи с этим возникает логичный вопрос: «А когда остановится процесс сжатия протозвезды?».

Ответ на этот вопрос можно получить из теоремы вириала.

Теорема вириала – это соотношение, связывающее кинетическую энергию стабильной системы частиц, движущихся в ограниченной области пространства, с действующими в ней силами. Другими словами, теорема вириала устанавливает соотношение между кинетической энергией стабильной системы частиц и её потенциальной энергией.

Она утверждает, что в гравитационно устойчивой системе частиц средняя по времени кинетическая энергия системы будет ровно в два раза меньше её средней потенциальной энергии. Математически теорема вириала выглядит так:

2Kср = – Uср или 2Кср + Uср = 0.

Оказывается, что это уравнение применимо для произвольной системы, состоящей из гравитационно взаимодействующих частиц( необходимо только, чтобы эта система была гравитационно связанной).

Теорема вириала применима к звёздному скоплению, к движению звёзд в галактике, к движению галактик в скоплении галактик. Измеряя скорости звёзд по доплеровскому смещению спектральных линий и используя теорему вириала, можно оценить массу звёздного скопления, галактики, скопления галактик. Главное, чтобы система была гравитационно устойчивой. И наоборот, если в какой-то системе не выполняется теорема вириала, то такая система не является гравитационно устойчивой. И следовательно, не так давно в ней произошли какие-то сильные изменения, вызванные не гравитационными силами.

Теорема вириала применима не только к движению звёзд в галактике, но и к движению газа внутри звезды. Кинетическая энергия движущихся мельчайших частиц, из которых состоит газ, это его тепловая энергия Eт. Эти частицы (в основном протоны и электроны) хаотически движутся в гравитационном поле звезды, постоянно сталкиваясь друг с другом. Применяя теорему вириала к газу внутри звезды, получаем:

2Eт + U = 0,

где U – гравитационная энергия звезды, а Eт – её тепловая энергия, пропорциональная температуре.

Из этого уравнения можно сделать очень важный ввод: чем сильнее сожмётся звезда, и увеличится её гравитационная энергия, тем выше будет температура в её недрах. И ёще, если источником энергии звезды является её постепенное гравитационное сжатие, то только половина накапливаемой гравитационной энергии идет на увеличение кинетической энергии её частиц (–ΔU/2 = ΔEт), и, соответственно, увеличение её температуры. Друга половина гравитационной энергии (ΔU) расходуется на излучение.

На стадии протозвезды, система будущей звезды ещё далека от гравитационной устойчивости, и соотношение её энергий, гравитационной и тепловой, не соответствует уравнению теоремы вириала. Величина гравитационной энергии преобладает над тепловой, и протозвезда постепенно сжимается, наращивая температуру.

Из теоремы вириала следует, что сжатие будет продолжаться до тех пор, пока тепловая энергия протозвезды не станет равной половине гравитационной энергии. В этом случае наступает равновесие между силами давления и гравитацией, и сжатие на время прекращается. Затем протозвезда за счёт излучения остывает, давление внутри нее падает и сжатие продолжается.

Этот процесс очень длительный и занимает миллионы лет. Он продолжается до тех пор, пока температура внутри протозвезды не достигнет примерно десяти миллионов градусов. При такой температуре начинается реакция термоядерного синтеза гелия из водорода с выделением огромного количества тепла. И с этого момента протозвезда становится звездой.

Скорость термоядерной реакции очень сильно зависит от температуры. Когда она только начинается, выделившейся энергии еще недостаточно, чтобы компенсировать потери энергии за счет излучения. Поэтому звезда продолжает в среднем остывать и сжиматься дальше. При этом температура в центре звезды непрерывно возрастает, и, соответственно возрастает скорость термоядерных реакций. Наконец, наступает такой момент, когда выделение термоядерной энергии полностью компенсирует потери энергии за счет излучения. В результате температура внутри звезды стабилизируется и дальнейшее ее сжатие прекращается.

С этого момента состояние звезды становится очень устойчивым. И звезда может находиться в таком устойчивом состоянии миллиарды лет, пока весь водород в ее центральной области не превратится в гелий. Все это время она будет находиться практически в одной и той же точке на главной последовательности.

__________________

О дальнейшей судьбе звезды - в следующей картине.

Продолжение следует...
 

 

 

   Значит, когда Вашему сыну не дают унаследовать папины миллионы, -- это неравенство и страшная несправедливость. А когда ребёнок рождается в бедной семье (которых большинство), и в наследство получает тот самый буй -- то это так и надо? Он ведь тоже себе родителей не выбирал.