Презентация "Образование и эволюция звезд и планет" (10 класс) по астрономии – проект, доклад

Образование и эволюция звезд и планет

Состав звезд

Большинство звезд состоит в основном из водорода (60…90%) и гелия (10…40%) и тяжелых элементов (0.1…3%). Такие звезды называются звездами населения 1. Тяжелые элементы образуются при вспышках т.н. новых звезд или при взрывах сверхновых. Наше Солнце с 74% водорода, 24% гелия и 2% тяжелых элементов - звезда населения 1. Звезды населения 2 образуются в основном из первичного водорода и гелия и содержат очень мало тяжелых элементов.

Термоядерные реакции

Процесс конденсации межзвездной пыли сопровождается освобождением энергии частиц и соответствующим увеличением температуры. При температурах 107 К и плотности 100 г/см3 начинаются термоядерные реакции. Протон-протонная цепочка (выделяется 27 МэВ). p + p  d + e+ +  d + p  23He +  23He + 23He 24He + p + p Является основным источником энергии Солнца (ежесекундно выделяется 4 1026 Вт).

Если в звезде имеется некоторое количество углерода, то может осуществляться еще одна цепочка реакций, в результате чего также происходит превращение четырех ядер водорода в гелий, а углерод служит катализатором - углеродно-азотным циклом. Такие звезды более массивные и яркие - Сириус, одна из самых ярких звезд Северного полушария. Термоядерные реакции, протекающие внутри звезд, сопровождаются испусканием -квантов (ЭМ излучение), которые оказывают радиационное давление. Когда давление, обусловленное гравитацией, уравновешивается радиационным давление, сжатие звезды прекращается.

Характеристики звезд

Собственная светимость и цвет. Звезду можно изобразить точкой, которая движется по мере жизни и угасания звезды. Более массивные оказываются более горя- чими и яркими, а менее массивные – холодными и тусклыми. Для стабильных звезд диаграмма светимость-цвет образует т.н. главную последовательность.

Эволюция звезд

По мере уменьшения количества водорода внутри звезды она сжимается. Это приводит к увеличению температуры и началу выгорания гелия. При превращении гелия в углерод выделяется большое количество энергии, что приводит к увеличению радиационного давления. Внешние слои звезды расширяются. Температура падает, излучаемый свет становится более красным, и звезда смещается вправо от главной последовательности. Этот процесс расширения идет до тех пор, пока диаметр заезды не увеличится в 200-300 раз, и звезда становится красным гигантом.

Эволюция нашего Солнца к стадии красного гиганта приведет к тому, что оно сначала сожжет Землю из-за огромного количества выделившейся энергии, а затем в результате расширения поглотит ее останки. По расчетам астрономов до этого момента пройдет около 5 млрд лет. Время пребывания обычной звезды в стадии красного гиганта составляет около 107 лет. Достигнув на этой стадии максимальных размеров, звезда быстро смещается влево на диаграмме светимость-цвет. В этот период у большинства звезд нарушается равновесие, и они начинают пульсировать, изменяя свою светимость. Далее эволюция идет в зависимости от массы звезды.

Если масса меньше 1.4 сол-нечной массы, то израс-ходовав ядерное топливо, звезда охлаждается и в конце концов угасает. При этом она проходит через стадию неус-тойчивости, во время которой происходит периодическое возрастание светимости. Резкое возрастание свети-мости фиксируется как рождение новой звезды. Далее стадия «новой» звезды переходит в стадию белого карлика, затем, после дальнейшего охлаждения – в стадию красного карлика, и наконец – в черного карлика.

Размер Солнца в сравнении с размерами красного и белого карликов

Размер Солнца в сравнении с размерами красного и белого гигантов

Эволюция звезды, масса которой больше 1.4 массы Солнца, кончается эффектным взрывом, и это считается рождением сверхновой звезды. После взрыва сверхновой возникают высокие давления и температуры, создаются условия для образования нейтронов. Поскольку для нейтроном электростатическое отталкивание отсутствует, под действием тяготения нейтронное вещество коллапсирует, образуя маленький сверхплотный шар. Плотность в нем столь велика, что распад нейтрона оказывается запрещенным. Такие звездные тела называются нейтронными звездами.

Рождение сверхновой

Сверхновая 1987A в Большом Магеллановом Облаке расположена там, где на старых фотографиях была лишь звёздочка 12-ой величины.

В 1968 г. были обнаружены объекты, являющиеся источником переменного радиоизлучения с частотой пульсации около 1 Гц. Они получили название пульсаров. Голд предложил модель, согласно которой пульсар – это вращающаяся нейтронная звезда. Время жизни пульсара 108 лет. В начале 60-х годов были обнаружены радиоисточники, связанные с объектами голубого цвета, напоминающими звезды. Их назвали квазизвездами, или квазарами. Происхождение и строение квазаров в настоящее время неясно. Установлено, что для них характерно сильное красное смещение, следовательно можно предположить, что квазары – наиболее удаленные и быстро движущиеся объекты во вселенной.

До 90% вещества Вселенной - «скрытая» масса. Американский физик Уиллер в 1969 г. предложил термин черная дыра для космического объекта со скрытой массой. ЧД возникает в результате сжатия космического объекта, если его масса превышает массу Солнца в три раза. Звезда превращается в ЧД с радиусом примерно 3 км. Никакое природный объект не может выйти за предела ЧД. У нее такое большое гравитационное поле, что даже ЭМ излучение не может ее покинуть.

Видимая звезда обращается вокруг своего невидимого партнера. Некоторые из таких систем, например Лебедь Х-1, являются еще и мощными источниками рентгеновского излучения. С поверхности видимой звезды "сдувается" вещество, которое падает на вторую, невидимую звезду, вращаясь по спирали и, сильно разогреваясь, испускает рентгеновское излучение.

Существование ЧД можно описать в рамках ОТО, позволяющей для любого объекта, имеющего массу, рассчитать т.н. гравитационный радиус, или радиус сферы Шварцшильда. ЧД искривляет пространство и тормозит время. На расстоянии гравитационного радиуса время полностью останавливается с точки зрения удаленного наблюдателя. В 1975 г. С.Хокинг показал, что гравитационное поле вблизи поверхности ЧД рождает из вакуума пары частиц, одна из которых захватывается ЧД, а другая улетает в окружающее пространство, т.е. ЧД постепенно рассеивается в космическом пространстве - круговорот материи во Вселенной.

Эволюция Солнечной системы

Солнечная система включает в себя: центральное тело (Солнце), группу ближайших к нему планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс), астероидный пояс из десятков тысяч более удаленных мелких планет (астероидов), группу внешних планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), Плутон, который недавно был признан не планетой, а астероидом, около 90 спутников планет, неопределенного числа комет и межзвездную среду в виде плазмы, космической пыли, ЭМ излучения и потоков элементарных частиц.

Наше Солнце- типичная звезда-карлик (d=1391 тыс км, М=1.989 1030 кг) спектрального класса G-2 (Т=5800 К, L=3.88 1026 Вт)– светящийся газовый шар, не имеющий четкой границы, плотность его убывает постепенно, но благодаря фотосфере создается иллюзия, что Солнце имеет поверхность. Источник солнечной энергии – термоядерные реакции. Энергия из недр переносится излучением, а в тонком внешнем слое – конвекцией. С конвективным движением связано существование т.н. солнечных пятен. Регулярные наблюдения за пятнами на Солнце ведутся с 1610 г. – изобретения телескопа.

Известны 11-летние циклы солнечной активности. Периоды высокой и низкой солнечной активности совпадают с изменением земного климата. За весь охваченный исследованиями период Солнце никогда не было таким активным, как за последние 60 лет. Большая часть светового потока Солнца испускается фотосферой в виде ЭМ излучения видимого и инфракрасного диапазона. Над фотосферой расположена корона Солнца – самая нестабильная оболочка Солнца. Горячая плазма, истекающая из короны, формирует солнечный ветер – поток ионов (90% - протоны, 4% - альфа-частицы) и электронов. Скорость солнечного ветра 800-900 км/с. Солнечный ветер и магнитное поле заполняют собой всю солнечную систему. Земля и другие планеты находятся фактически в короне Солнца.

Солнце

Суммарная масса планет составляет примерно 1/743 массы Солнца. Орбиты планет лежат примерно в одной плоскости. Все планеты кроме Венеры вращаются с запада на восток, Венера вращается в противоположном направлении. Планеты заметно отличаются по составу: гигантские внешние планеты содержат больше водорода, гелия, воды, метана, внутренние – больше тяжелых элементов. Как правило, по мере удаления от Солнца содержание компонент убывает по ряду: Fe, Ni  O, Si, Mg  H2O, CH4. Состав метеоритов отражает состав остальных тел Солнечной системы. В метеоритах обнаружено около 100 различных минералов, 80 из них встречается на Земле. Преобладают каменные метеориты.

Наличие в составе тел Солнечной системы, помимо водорода и гелия, тяжелых элементов свидетельствует о том, что протопланетная среда возникла в результате взрыва сверхновой. Первичная туманность участвует в общем вращении с Галактикой. При определенных условиях вращения, фрагменты первичной туманности могут сжиматься до образования одиночных устойчивых звезд типа Солнца. В процессе эволюции каждой такой звезды вокруг нее формируется газопылевой диск. За примерно 106 лет центр диска превращается в относительно медленно вращающееся Солнце с массой 2 1030 кг, а быстро вращающаяся внешняя часть диска позднее превращается в систему планет, их спутников и астероидов с общей массой 0.1 массы Солнца. Близость состава тел солнечной системы, движение этих тел по схожим орбитам указывает на общность формирования всей Солнечной системы.

Астероиды и кометы представляют собой остатки роя допланетных тел. Крупнейшие астероиды (> 100 км) образовались еще до образования планет, а мелкие и средние образовались при столкновении и разрушении крупных. Происхождение комет связано с влиянием ближайших звезд на наиболее удаленные малые тела планетной системы, что еще больше смещало эти тела и вытягивало их орбиты. Система спутников планет образовалась примерно по той же схеме, что и планетная система в целом. Исключение составляют спутники, вращающиеся в противоположном направлении. Таких спутников крайне мало, они есть только у Юпитера, Сатурна и Нептуна. Их происхождение связано с захватом планетами пролетавших рядом малых небесных тел. Земля каждые сутки захватывает примерно 260 000 т метеоритного вещества.

Эволюция Земли (М=6 1024 кг, R=6.37 тыс км)

Модель земных недр: Твердая земная кора толщиной 30-60 км на континентах и 3-17 км в океанах; Мантия, достигающая глубины 3000 км; Ядро земли, внешняя часть которого жидкая (до глубины 5000 км), а внутренняя часть радиусом 1500 км – предположительно твердая.

Эволюция Земли

В эволюции формы Земли основную роль играла сферическая симметрия гравитационного поля. Из-за вращения и других причин Земля не является точной сферой, а ближе к эллипсоиду вращения. В ранний период образования протопланеты сперва конденсировались тяжелые частицы, образуя ядро, а затем на него оседали более легкие конденсаты в виде силикатов, постепенно образуя мантию планеты. Жидкая фаза в недрах Земли присутствует до сих пор, что подтверждается выбросами лавы при извержении вулканов.

Земная кора вместе с подстилающим ее слоем мантии образует литосферу. Литосфера «плавает» на верхнем слое мантии, называемом астеносферой. Подстилающие земную кору слои пластичны и подвижны. В этих слоях имеют место горизонтальных и вертикальные перемещения вещества мантии, приводящие к разломам в земной коре, ее делению на фрагменты, к их взаимному перемещению и погружению в мантию. Такие фрагменты называются литосферными плитами. По линиям разломов имеет место вулканическая активность.

На всех этапах эволюции Земли происходила дегазация твердого и жидкого материала, в результате чего возникла первичная атмосфера. Из нее конденсировалась вода – возникла гидросфера. Атмосферу можно разделить на несколько слое: Тропосфера (высота 8-17 км) обеспечивает круговорот воды в природе; Стратосфера (до 55 км) содержит повышенную концентрацию озона, защищающего все живое от действия ультрафиолетовых лучей; Ионосфера (выше 55 км) защищает от космического излучения и отражает радиоволны, обеспечивая глобальную радиосвязь.

Первичная атмосфера была обогащена углекислым газом. Глобальное изменение атмосферы наступило около 2 млрд лет назад и связано с фотосинтезирующей деятельностью растений. В результате атмосфера обогатилась кислородом и стабилизировалась по составу, что в сочетании с прочими благоприятными условиями обеспечило возможность возникновения и развития разнообразных форм жизни на Земле. Для жизни наиболее важна та часть Земли, в которой обитают живые существа, т.е. биосфера. Она включает в себя все живое, гидросферу, те области литосферы и атмосферы, в которых обнаруживается жизнь.

Источником нагрева Земли являлись: солнечное излучение, гравитационное сжатие, распад радиоактивных изотопов, удары захватываемых Землей космических тел. Последние источники были особенно важны на ранних стадиях формирования Земли. Наиболее мощным и распределенным по всему объему планеты было выделение энергии радиоактивного распада короткоживущих радиоактивных изотопов, почти исчезнувших к настоящему времени. Солнечное излучение нагревает только тонкий поверхностный слой планеты.

Солнечно-земные связи

После вспышки на Солнце: через 8 минут – ЭМ излучение; начиная с 10.5 минут – солнечные космические лучи; через 1-2 суток ударная волна магнитного поля – магнитная буря. Последствия: Ионизация верхних слоев атмосферы, разрушение озонового слоя, ухудшение радиосвязи, радиационная опасность. А.Л.Чижевский в 1915 г. обратил внимание на циклическую связь между некоторыми эпидемиями и образованием солнечных пятен. Влияние на процессы в биосфере Земли (динамика популяции животных, эпидемии, эпизоотии, количество сердечно-сосудистых кризов и т.д.)

На примере образования Солнечной системы видно, как в сложной открытой материальной системе из вещества в элементарной форме и хаотизированном состоянии самопроизвольно возникает упорядоченная сложная многоуровневая система космических макротел, в которой при определенных условиях возникла еще более сложная самоорганизующаяся и самоподдерживающаяся система – живая материя.