умкд по астрономии. УМКД ОУД.08 Астрономия 2.26.02.03 (набор 2017). Учебнометодический комплекс дисциплины Физика Индекс (Файл) mcd 3 26. 02. 03 Оуд. 082017 г
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
Межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами в пределах галактик (Галактики) и составляет до 2 % общей массы их видимого вещества. Основные ее компоненты: 1) межзвездный разреженный газ (свыше 99 % массы) плотностью до 10-24 кг/м3 (0,25-1 частица/см3 : водород (до 77,4 %), гелий (21 %) и другие соединения (1,6 %) при температуре от 10 до100 К; 2) межзвездная пыль (до 1 % массы) плотностью около 4× 10-27 кг/м3: графитовые (С2) и силикатные (SiO) частицы размерами 10-8-10-6 м; 3) межзвездное магнитное поле напряженностью 10-6 - 10-5 Гс, имеющее сложную структуру и активно взаимодействующее с межзвездным газом, изменяя характеристики его движения, и пылью (поляризуя свет); 4) космические лучи высоких энергий (1012 - 1018 эВ), концентрирующиеся в галактическом диске; 5) электромагнитное излучение звезд и других космических объектов. Свет звезд поглощается пылевым компонентом межзвездной среды. В соответствие с законами физики наиболее сильно рассеивается коротковолновая часть спектра электромагнитного излучения. Звезды "бледнеют" и "краснеют" с удалением от наблюдателя: в плоскости Галактики: на расстоянии 1000 пк испускаемый звездой световой поток ослабевает в 4 раза. Межзвездное поглощения света космической средой необходимо учитывать при расчетах космических расстояний, светимости и других характеристик удаленных космических объектов. Внутри Галактики межзвездная среда распределяется весьма неравномерно: ее плотность возрастает в плоскости Галактики по направлению к центру Галактики, достигая наибольшей концентрации в спиральных ветвях (рукавах), ядре Галактики и в отдельных гигантских молекулярных облаках (ГМО) (рис. 44) размерами от 5 до 50 пк и массой до 2× 105 М¤ , включающих в себя сотни более плотных сгустков - диффузных газопылевых туманностей.
Туманности - тип космических объектов: пространственно-обособленные, гравитационно-связанные скопления газопылевой материи массами от 1028 до 1036 кг (от 0,1 М¤ до 104 М¤ ), размерами от 1 до 10 пк и средней плотностью вещества 103 частиц/см3. Состоят из молекулярного водорода (Н2), гидроксила (ОН, НО), угарного газа (СО), полициклических ароматических гидроуглеродов (нафталина, пирена и др.) и свыше 70 других неорганических (NO, SO, SiO, HCN, CH, H2O, CH3) и органических (HC11N, HC3N, муравьиной и уксусной кислоты, диметилового, этилового и других спиртов, CH2OH, (CH3)2O, бензола С6Н6 и других соединений, образующихся на поверхности пылинок при их столкновении между собой и в результате ионизации ультрафиолетовым излучением близких звезд и космическими лучами, с увеличением концентрации сложных молекул внутри глобул. Все современные туманности содержат пыль и газ почти в одинаковой пропорции. Условно выделяются пылевые или отражательные туманности, освещаемые близкими молодыми звездами классов В5-В9 и газовые - светлые, самосветящиеся (эмиссионные), переизлучающие излучение только что сформировавшихся молодых горячих звезд внутри туманности. На их фоне выделяются темные, поглощающие излучение, более плотные туманности размерами до 1 пк, массой 102-103 М¤ и средней плотностью до 104 частиц/см3. Внутри них наблюдаются мелкие уплотнения, сгустки - глобулы размерами до 0,1 пк, массой 1-10 М¤ и плотностью 105-106 частиц/см3, в которых формируются звезды. Формирование понятия о "массовом" звездообразовании в ГМО при их прохождении сквозь спиральные галактические рукава можно органично связать с формированием понятия о звездных системах – звездных ассоциациях и скоплениях: В нашей Галактике и других галактиках процессы звездообразования происходят в областях с наибольшей концентрацией космической среды. 75 % звезд образуются вблизи плоскости галактического диска в спиральных рукавах Галактики, 15% в ГМО в "межрукавном" пространстве и 10 % вблизи центра Галактики. На цветных фотографиях хорошо заметно, что большинство молодых горячих звезд классов А, О и В сосредоточено в плоскости галактических дисков, в спиральных ветвях и вблизи центра галактик.
Ввиду того, что средняя плотность космического вещества в спиральных рукавах выше, чем в окружающем пространстве, они обладают увеличенным на 5-10 % гравитационным потенциалом: вблизи своих границ рукава притягивают вещество, сообщая ему дополнительное ускорение (при приближении к ним - положительное, при удалении - отрицательное) (рис. 45). Звезды и другие массивные, плотные и сравнительно небольшие по размерам объекты проходят сквозь рукава, почти не взаимодействуя с их веществом.
Столкновение ГМО с веществом галактического рукава ведет к возникновению ударной волны, резкому росту плотности и температуры вещества на границе столкновения, распространяющейся внутрь газового облака, сжимающей его, нарушающей условия равновесия и инициирующей возникновение звезд (рис. 46). Возникновение каждой новой звезды порождает в облаке ударную волну, сжимающую газ и способствующую возникновению новых звезд. Процесс звездообразования продолжается, пока на появление новых звезд не будет израсходована большая часть вещества облака (туманности) и плотность его не упадет ниже определенного предела. Так образуются группы из десятков, реже - сотен и тысяч молодых звезд - звездные ассоциации размерами от 100 до 600 св. лет возрастом до 106-107лет. ОВ-ассоциации содержат большое число юных горячих массивных голубых, голубовато-белых и бело-голубых звезд. Т-ассоциации состоят из маломассивных звезд, еще не достигших главной последовательности и находящихся на завершающей стадии гравитационного сжатия; среди них много неправильных переменных (изменяющих свою светимость) звезд типа Т Тельца. Часть звездных ассоциаций, имеющих большие размеры и низкую пространственную плотность звезд, рассеивается в пространстве отдельными звездами; из более плотных ассоциаций с течением времени образуются не имеющие правильных очертаний рассеянные звездные скопления размерами до 20 св. лет и состоящие из десятков и сотен звезд главной последовательности - гравитационно-связанные системы звезд, перемещающиеся в пространстве как единое целое, сосредоточенные в основном вблизи плоскости Галактики. Значительное число молодых звездных ассоциаций и рассеянных звездных скоплений объединяются в звездные комплексыразмерами 500-1000 пк возрастом до 50-100 миллионов лет. Возможно, эволюция древнейших звездных скоплений и ассоциаций привела к образованию шаровых звездных скоплений - имеющих правильную сферическую форму гравитационно-связанных систем размерами до 300 св. лет, состоящих из десятков тысяч звезд возрастом 12-14 млрд. лет. В нашей Галактике 147 шаровых звездных скоплений. Вне спиральных рукавов "спусковым механизмом" звездообразования могут стать ударные волны при взрывах близких звезд, столкновения облаков между собой, звездный ветер близких голубых сверхгигантов и т. д. В настоящее время некоторые ученые полагают, что многообразие физических характеристик звезд обуславливается, помимо прочего, разнообразием условий их формирования: начальной массой, химическим составом, плотностью облака, мощностью воздействия ударных волн и т. д. Новорожденные звезды индивидуальны как люди и многие их них подобно братьям и сестрам, несут "материнские" черты. На звезды как на людей накладывает свой отпечаток эпоха и место, где они родились и прожили свою жизнь. Далее рассматривается процесс образования звезды в недрах газопылевой туманности. Степень подробности и теоретизации изложения материала определяется заинтересованностью учащихся и уровнем их физико-математической подготовки. Формирование понятий о возникновении звезд, планетных тел и их систем может основываться на сходстве условий протекания данных космических процессов, связанных с эволюцией газовых (газопылевых) облаков - туманностей с их гравитационной и термохимической нестабильностью, приводящей к гравитационному сжатию облаков до пределов, определяемых действием сил, уравновешивающих действие сил тяготения. В зависимости от начальной массы космических облаков возникают объекты: - при М £ 102 - 105 М¤ (1032 - 1035 кг) - звездные скопления и ассоциации; - при М £ 0,1 - 102 М¤ (1029 - 1032 кг) - образуются звезды; - при М £ 0,01 - 0,1 М¤ (1027 - 1029 кг) - планетные системы. Характеристики возникающих объектов определяются другими основными характеристиками сжимающихся облаков: размерами, однородностью строения, плотностью, температурой и химическим составом, скоростью вращения, наличием магнитного поля и т.д. Неоднородность распределения вещества внутри облака ведет к его распаду на отдельные, самостоятельно сжимающиеся и сравнительно слабо связанные между собой фрагменты - компоненты космических систем. Следует обратить внимание учеников на то, что уменьшение размеров и повышении пространственной плотности звездных скоплений по сравнению с порождающими их звездными ассоциациями является следствием взаимного притяжения звезд. Желательно ознакомить учащихся с 2-3 различными сценариями образования объектов наиболее распространенных классов космических тел и их систем, обобщая изученный материал при построении пояснительных схем. Первый вариант соответствует простейшим условиям образования космических объектов при минимальном наборе возможных физических характеристик облака (М; R; r ; T), однородности облака и отсутствии у него вращения и магнитного поля. Во втором варианте образования объекта в качестве дополнительного фактора выступает вращение облака вокруг своей оси. В третьем варианте рассматривается возникновение объекта при наличии 2 - 3 дополнительных факторов (вращение облака; неоднородность облака; наличие магнитного поля и т.д.). В классах со слабоуспевающими учениками, в классах с обычным уровнем физико-математической подготовки учеников и при недостатке учебного времени можно ограничиться качественным объяснением процессов образования космических объектов по схемам рис. 47: главное для учителя - добиться понимания школьниками условий, основных свойств и механизма образования космических объектов.  Рис. 47. Звездообразование В физико-математических классах и на факультативных занятиях материал может излагаться более подробно и математизировано, с использованием подробных схем и моделей (с. 48-50): В результате гравитационной неустойчивости газопылевых туманностей происходит их последовательная фрагментация (деление) на все более мелкие и плотные сгустки вещества вплоть до объектов массой 0,01 М¤ . Формирование протозвезд в недрах глобул начинается с гравитационного сжатия мелких уплотнений (темных туманностей), когда их размеры и масса становится выше критического значения:  ,  , где R – универсальная газовая постоянная, Т и r - температура и плотность газа, mH- масса атома водорода; Мкр » 0,46-10 М¤ .
 лет. Чем выше начальная плотность газа и ниже его температура, тем меньше масса протозвезды, но тем быстрее она превращается в нормальную звезду. В недрах глобул вначале формируются звезды главной последовательности, и лишь позже (если запасы газа еще не исчерпаны) звезды–гиганты спектральных классов О и В (на 1 массивную звезду приходится 200-300 нормальных звезд). Крупные Т-ассоциации со временем превращаются в ОВ-ассоциации.Рассмотрим формирование звезд в облаке (уплотнении) массой 1 М¤ , на которое не действует внешние силы, а внутри облака действует лишь гравитация и давление газа (рис. 47). В начале сжатия облако имеет размеры 2× 106 R¤ , среднюю плотность 10-19 г/см3 и температуру 15 К. Оно непрозрачно для видимого, но прозрачно для уносящего тепло инфракрасного излучения. Сжатия происходит изотермически. Время свободного падения частиц к центру облака - около 0,2 миллиона лет. Вскоре после начала сжатия плотность в облаке становится неоднородной, сильно увеличиваясь к центру. Через 260000 лет центральная часть становится из-за увеличившейся плотности вещества непрозрачной для теплового излучения и нагревается до 200 К. Образуется ядро массой 0,05 М¤ и радиусом 100 R¤ . Вещество облака продолжает стягиваться к центру и падает на ядро со скоростью 1 км/с. Ядро медленно сжимается, уплотняется, разогревается до 2000 К. Начинается распад молекул водорода и ионизация атомов. Давление газа в центре ядра резко падает и оно сжимается до размеров 1R¤ . Новое ядро имеет массу около 0,001 М¤ и температуру 2× 104 К. Скорость падения вещества на него достигает 100 км/с. Плотность в центре протозвезд связана с их массой:  . Чем ниже плотность, тем прозрачнее вещество для излучения: у массивных протозвезд для отвода тепла из центральных зон достаточно излучения и у горячих звезд-гигантов формируется лучистое ядро, а конвективная зона отсутствует; звезды с массами менее 3 М¤ имеют зону конвекции, увеличивающуюся с уменьшением массы звезды.Протозвезда имеет радиус 2 R¤ с температурой в центре 2× 105 К, а на поверхности 3× 103 К. Она становится видимой в радиодиапазоне (оптическое и инфракрасное излучение полностью поглощается внешней оболочкой, разогревающейся до нескольких сотен кельвин). Излучение и потоки частиц протозвезды интенсивно тормозят и "сдувают" в пространство не успевшее упасть на ядро вещество облака, - тем сильнее, чем больше начальная масса облака. Масса звезды всегда меньше массы исходной "родительской" туманности: из облака массой 150 М¤ получается звезда массой 65 М¤ ; из облака массой 1 М¤ получается звезда массой 0,8-0,9 М¤ . Последний этап эволюции протозвезды - медленное сжатие, пока температура в ее недрах не достигнет 6× 106 К и вслед за быстрым "выгоранием" изотопов лития и бериллия начнутся термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Сжатие звезды продолжается до установления гидростатического равновесия между силами гравитационного сжатия и лучистого давления, выражаемого формулой:  . Так рождаются звезды.Чем больше их масса, тем быстрее заканчивается последнее сжатие: Термоядерные реакции в недрах голубых гигантов начинают протекать уже через сотни тысяч лет. Звезды солнечной массы становятся звездами главной последовательности за 50 миллионов лет; в ходе дифференциации внутреннего строения в возрасте 2 миллиона лет в их недрах формируются зоны лучистого переноса. Молодые звезды отличаются повышенной магнитной активностью: их магнитные поля отчасти захватываются из протозвездного облака, но в основном порождаются гидромагнитным динамо мощной конвективной зоны. Они замедляют изначально довольно высокую скорость вращения звезд (10-25 км/с) и взаимодействуют с веществом протопланетных дисков. Звезды-карлики массой 0,08 М¤ "выходят на главную последовательность" за 15 миллиардов лет. Протозвезды с массой менее 0,065 М¤ никогда не становятся настоящими звездами: давление вырожденного газа в ядре останавливает его сжатие при нагреве до Т » 2,5× 106 К, задолго до значения температуры, необходимого для протекания термоядерных реакций. Такие объекты называются |
