Как рождаются звезды: от водорода до сверхновой

Появляясь в результате гравитационного коллапса водородного облака, звезды проживают яркую жизнь, постепенно угасая, а под конец зачастую взрываясь в яркой вспышке, давая жизнь новым светилам.

Когда звезды подмигивают нам с ночного неба, вряд ли мы задумываемся о том, что видим их такими, какими они были сотни и тысячи лет назад. Именно столько требуется фотонам, чтобы достичь наших глаз, двигаясь со световой скоростью.

Многие из далеких солнц, вероятно, уже давным-давно погасли, другие, пока невидимые для нас, уже успели родиться. Об их появлении рано или поздно узнают наши потомки.

Строительный материал для звезд
Для появления на свет новой звезды требуется огромное количество водорода − простейшего из всех существующих молекул. Она состоит из двух атомов, а те, в свою очередь, из ядра с одним протоном, вокруг которого расплылся в квантовом облаке один единственный электрон.

А еще необходим дейтерий, тяжелый водород, в ядре которого помимо протона содержится еще один нейтрон − элементарная частица, не имеющая электрического заряда.

Водород − одно из первых веществ, образовавшихся после Большого Взрыва, после того как раскаленная до невероятных температур материя в виде протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц начала конденсироваться.

Сразу после Большого Взрыва
Молекулы водорода образовывались в гигантских количествах, когда температура юной Вселенной несколько понизилась, и протоны начали объединяться с электронами.

Эта фаза началась по современным представлениям уже через одну секунду после Большого Взрыва и продолжалась в течение трех минут; за это время температура Вселенной резко упала.

Молодая Вселенная состояла на 75% из водорода, с 25% гелия, a также следами других элементов − до бора (не считая антиматерии).

Строительный материал для рождения звезд был готов, но одного наличия водорода было мало. Молекулы должны были сконденсироваться настолько, чтобы гравитационная сила притяжения между ними привела к термоядерной реакции.

Непосредственно после Большого Взрыва материя была равномерно распределена в пространстве и, вероятно, так бы и осталась водородным облаком, если бы не квантовые флуктуации, которые привели к колебаниям плотности газа и создали определенные структуры.

Звездная колыбель
Следы этих структур до сих пор можно обнаружить в виде космического фонового излучения и межзвездных туманностей во Вселенной, состоящих из водорода и гелия. Именно из такого водородного облака и образуются звезды, когда плотность газа достигает определенного, очень высокого уровня.

При этом температура газа возрастает, и его молекулы начинают вращение. Чем плотнее становится облако, тем вращение усиливается, молекулы водорода сталкиваются и излучают фотоны в инфракрасном спектре.

При вращении молекулярное облако, именуемое также звездной колыбелью, коллапсирует, но одновременно возникают центробежные силы, которые отталкивают сгущающуюся материю наружу. Так возникает протопланетный диск, в котором могут сформироваться планеты − скорее всего это будут газовые гиганты, вроде Юпитера.

Рождение звезды
Примерно через 50 млн лет газовое облако, наконец, становится протозвездой − вращающимся плазменным шаром. При этом молекулы водорода из-за чудовищных температур разрушаются, образуя отдельные атомы.

Какая-то часть протозвезд так и не достигает температуры, необходимой для термоядерного синтеза. Такие протозвезды образуют коричневые карлики, которые постепенно остывают в течение нескольких сотен млн лет. Их масса невелика − всего 1–10 % солнечной.
Но в крупных протозвездах процесс коллапса продолжается, внутренняя температура возрастает, пока энергия атомов водорода не достигает критического значения, при котором начинается термоядерная реакция. Энергия гравитации превращается в тепло, плазменный шар начинает излучать, гравитационный коллапс приостанавливается − наша звезда готова.

Жизнь и смерть звезды
В результате термоядерной реакции водород превращается в гелий, звезда функционирует подобно нашему Солнцу. Через несколько миллиардов лет весь водород внутри звезды оказывается исчерпанным, водородное ядро превращается в гелиевое, хотя во внешней оболочке реакции все еще продолжаются.

Гелиевое ядро становится все крупнее и крупнее, масса его растет, вновь начинается гравитационный коллапс. Во время этой фазы звезда становится красным гигантом.

Внутри ядра звезды под влиянием гравитационного сжатия вновь проходят термоядерные реакции: гелий превращается в другие элементы: углерод, затем кислород, кремний − вплоть до железа.

Вот и пришел конец нашей звезде. Если она достаточно массивна − раз в восемь тяжелее нашего Солнца, то может превратиться в сверхновую, которая при взрыве разлетается в открытом космосе. Вспышки сверхновой могут быть при этом ярче своих галактик.

Образующаяся при этом ударная волна может привести к сжатию других межзвездных облаков и образованию новых звезд. Впрочем, зачастую сияние новых звезд может запустить цепную реакцию, которая дает толчок рождения новых светил. Так образуются целые звездные поколения.

При этом из разлетевшейся материи сверхновых могут сформироваться твердые планеты вблизи новообразующихся звезд, а также многочисленные астероиды, несущиеся в межзвездном пространстве.