Как ученые определяют возраст вещей, которым тысячи и миллионы лет

Общая информация

Эволюция Звезд

Время жизни звезды любого типа – невероятно долгий и сложный процесс, сопровождаемый явлениями космического масштаба. Многогранность его просто невозможно полностью проследить и изучить, даже используя весь арсенал современной науки. Но на основании тех уникальных знаний, накопленных и обработанных за весь период существования земной астрономии, нам становятся доступными целые пласты ценнейшей информации. Это позволяет связать последовательность эпизодов из жизненного цикла светил в относительно стройные теории и смоделировать их развитие. Что же это за этапы?

Гирохронология и спектральный анализ

Этим способом определяют возраст звезд, которые находятся в сотнях световых лет от Солнечной системы. Старение космических светил не происходит равномерно – 90% времени своего существования они почти не меняются, а серьезные метаморфозы начинают происходить в последние эпизоды существования. Если бы человек рос до 5 лет, всю жизнь не менялся и только на 90-м году начал резко стареть, в 91 год бы умер, его жизнь была бы похожа на модель существования звезд в космосе.

Астрономы поначалу не могли определить даже приблизительный возраст звезд, не находящихся на последних этапах существования. Ученые начали изучать, как звезда излучает свет. Солнце, к примеру, излучает радугу с тонкими линиями черного цвета, если разложить спектр свечения. Линии занимаются поглощением разных химических элементов, и по ним можно определить, каков состав звезды. При помощи состава светил ученые научились определять и их возраст. В звездах постоянно протекает процесс термоядерной реакции, в ходе которых сгорает водород и появляется гелий. Чем меньше гелия и больше водорода, тем младше звезда.

Также старую звезду от молодой можно отличить по скорости ее вращения. Новые звезды крутятся вокруг своей оси с большей скоростью. Но для наблюдения за вращением нужны сверхчувствительные телескопы, через которые устанавливают ориентиры – солнечные пятна. Чем старше звезда, тем больше таких пятен, и наблюдать за ее вращением становится сложнее.

Телескопом, который способен вести наблюдение за вращением светил, является «Кеплер» – устройство, обнаружившее тысячи экзопланет и звезд. При помощи телескопа удалось подтвердить, что формула гирохронологии работает, и ученые могут рассчитывать возраст звезд, зная скорость их вращения. Однако есть события, из-за которых расчеты могут быть неточными — к примеру, ослабление магнитного поля: вследствие этого процесса звезда начинает вращаться быстрее.

Звезды красных гигантов и сверхгигантов

Как не существует абсолютно идентичных людей, так нет и одинаковых звезд во Вселенной. Среди них выделяют группу звезд-гигантов, которые излучают в тысячи раз больше света, чем Солнце. Такие объекты имеют значительные размеры (от 10 до 1 000 радиусов нашего Светила) и невысокую плотность (около 10-2 — 10-4 кг/м3). Кроме того, с поверхности ряда гигантов происходит интенсивное истечение газового вещества.

К одним из самых уникальных и интересных представителей больших звезд относятся красные гиганты. Эти звезды имеют низкую температуру. Температура красных гигантов  достигает в среднем 3 000 — 5 000С, а их радиус в сотни раз превосходит радиус Солнца. Отмечено, что светимость красных гигантов где-то в 100 раз больше, чем у нашей Звезды. Максимальное количество энергии излучения такого объекта приходится на красную и инфракрасную части спектра. Как следует из теории звездной эволюции, образование красных гигантов происходит из звезд главной последовательности после того, как в их центральной части произойдет практически полное выгорание водорода.

К тому времени, как вполне обычное светило превратится в красного гиганта, его структура успевает измениться: внутри образуется плотное, богатое гелием ядро. Вокруг ядра тонкий энерговыделяющий слой и протяженная оболочка. Масса красного гиганта составляет от 1,5 до 15 масс Солнца и плотность менее 0,001 г/см3, что намного меньше плотности нашей звезды. В астрономии к красным гигантам относятся:

• Альдебаран;
• Арктур;
• Гакрукс;
• Мира.

Среди этой категории светил встречаются особо крупные объекты, которые были выделены в отдельный класс красных сверхгигантов. Пока что таких звезд обнаружено совсем немного. Они отличаются достаточно большими размерами, а их светимость достигает 105 светимостей Солнца. Интересно, что такие объекты тяжелее нашего светила в 50 раз. Зато их радиусы достигают тысячи радиусов Солнца. Температура красного сверхгиганта 3 000 — 5 000С. Спектры этих объектов имеют молекулярные полосы поглощения, максимальное излучение приходится на спектральные области: красную, а также инфракрасную. Спектральный класс красного сверхгиганта К и М. Самым известным сверхгигантом является Бетельгейзе.

Эволюция Вселенной и этапы её развития

На сегодня принято выделять следующие фазы развития Вселенной:

1. Планковское время — период от 10-43 до 10-11 секунд. В этот короткий промежуток времени, как полагают учёные, гравитационная сила «отделилась» от остальных сил взаимодействия.
2. Эпоха рождения кварков – от 10-11 до 10-2 секунд. В этот период произошло зарождение кварков и разделение известных физических сил взаимодействия.
3. Современная эпоха — началась через 0,01 секунду после Большого взрыва и длится сейчас. В этот промежуток времени образовались все элементарные частицы, атомы, молекулы, звезды и галактики.

Стоит отметить, что важным периодом в развитии Вселенной считается время, когда она стала прозрачной для излучения – через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва.

Как велика энергия Солнца и звезд

Какими средствами мы располагаем для исследования Солнца и звезд?

Солнце посылает нам тепло и свет или, выражаясь в научном отношении более строго, излучение различных видов, в том числе гамма-лучи, рентгеновское излучение, видимый свет, радиоволны, а также нейтроны и нейтрино. Все заключения о строении Солнца, его возрасте, прошлом, настоящем и будущем нужно суметь сделать, исследуя это излучение.

Еще труднее определить возраст других звезд. Не вооруженный человеческий глаз видит на небе лишь несколько тысяч самых ярких из них. Мощный современный телескоп в соединении с чувствительной фотографической пластинкой увеличивает число доступных наблюдению звезд до миллионов. Ничтожное количество электромагнитного излучения-вот все, что доходит к нам от звезд.

Достаточно ли этого для суждения об их свойствах, в строении и возрасте? После того как были придуманы соответствующие методы исследования, оказалось возможным сказать: да, достаточно.

Самая близкая к нам звезда — это наше Солнце. «Энергия Солнца проявляется во всем, что нас окружает. Жизнь и развитие растений тесно связаны с деятельностью Солнца. «Человек вправе величать себя сыном Солнца», — писал К. А. Тимирязев. «Пища только потому и является источником силы в нашем организме,- добавляет он,- что она не что иное, как консерв солнечных лучей».

В отдельных местах земного шара и поныне сохранились исполинские деревья… Ширина одного из них такова, что 30 человек должны взяться за руки, чтобы суметь охватить его у основания. Как известно, возраст дерева можно определить, подсчитав число колец на его срезе. Возраст одного из таких гигантов, недавно поваленного бурей, согласно подсчету числа колец на его срезе оказался равным нескольким тысячам лет. Каждое одиннадцатое кольцо этого дерева имеет несколько иную ширину, что соответствует одиннадцатилетней периодичности пятен на Солнце. Кроме того, и это особенно интересно, на этом срезе можно видеть, что в продолжение тысячелетий кольца получались примерно одинаковые. Значит, за это время Солнце не изменилось и посылает на Землю одинаковое количество тепла и света.

Исследование развития жизни на Земле показывает, что уже около 2-3 миллионов лет на ней живет человек, а органическая жизнь насчитывает около одного миллиарда лет. Между тем органическая жизнь, связанная oс существованием сложных многоатомных молекулярных соединений, возможна только при определенных температурных условиях. Значит, уже по крайней мере миллиард лет Солнце излучает тепла и света приблизительно столько же, как и сейчас. Что касается имевших место на Земле периодов оледенения, то, по мнению ряда ученых, они объясняются не изменением интенсивности солнечного излучения, а изменением наклона земной оси или прохождением солнечной системы через холодную туманность.

Земля перехватывает лишь около миллиардной части колоссального количества тепла и света, испускаемого солнечной поверхностью во все стороны, и эта часть обусловливает возможность жизни на Земле. Если расценить попадающую на Землю энергию Солнца всего по одной копейке за киловатт-час, то окажется, что Земля получает ее ежесекундно на полмиллиарда рублей. Есть звезды, излучающие в тысячи раз больше энергии, чем наше Солнце. К нам от них доходит так мало энергии лишь потому, что они расположены от нас очень далеко.

Сколько лет звездам Млечного Пути

Если говорить про Солнечную систему, в которой мы с вами живём, то Солнце и его планеты возникли приблизительно в одно время. Как оказалось, произошло это около 4,5 миллиардов лет назад. Между прочим, это относится и к Земле.

В нашей галактике Млечный Путь большая часть звёздных тел являются ровесниками Солнца или старше его. То есть на вопрос о том, сколько лет звездам Млечного Пути, ответ: примерно 4,5 миллиарда лет.Хотя не стоит забывать, что звёздообразование и смерть светил это постоянные процессы.

В принципе понятно, что эти процессы происходят. Сейчас учёные могут зафиксировать и даже спрогнозировать формирование очередной звезды. Более того, известны некоторые области, где происходит их рождение. Например, так называемые звёздные колыбели.

Млечный путь с Земли

Однако с финальной стадией эволюции звёздных тел также не всё просто. Конечно, при достаточных данных сейчас возможно спрогнозировать и предсказать очередной этап в жизни объекта. Проблема в том, что прогнозы могут иметь разные направления развития. Из разряда, а если так, то будет то, а если вот так, то по-другому. Как минимум, не стоит забывать, что Вселенная полна сюрпризов.

Вдобавок, мы можем видеть на небе свет уже умершей звезды. Можно сказать, отголоски из прошлого. Правда, это относится к удалённым от нас астрономическим объектам. А вот видимые невооружённым глазом, как правило, живут себе и поживают.

Вроде бы всё просто, но в действительности это не так. Много загадок в нашем космосе.

Скопление галактик

Звезда HE 1523-0901

Этот красный гигант находится в созвездии Весов, в 7500 световых годах от нас. Дает света в 164 раза больше, чем Солнце, хотя на 20% легче его. Но красные гиганты имеют гораздо меньшую плотность, поэтому имеют гораздо большую поверхность, из-за чего и света излучают в целом больше. Кстати, яркость HE 1523-0901 составляет 11.1m, так что эту звезду можно попробовать отыскать в телескоп.

Главное отличие этой звезды – её возраст, который ученые измерили еще в 2007 году. Он оказался равным 13.2 миллиардов лет, всего на полмиллиарда меньше возраста Вселенной! Это явный рекордсмен и долгожитель!

Но погрешность измерений составила 0.7 миллиардов лет, а это очень много, поэтому этот кандидат, вероятно, не самый старый. Хотя уважение, несомненно, вызывает.

Эпизод IV. Конец существования звезд и их гибель

Диск звезды Бетельгейзе, снимок телескопа Хаббл

Старые светила, как и их юные собратья, делятся на несколько видов: с малой массой, средних размеров, сверхмассивные звезды, белые карлики, нейтронные и черные дыры. Что касается объектов с небольшой массой, то до сих пор нельзя точно утверждать какие именно процессы с ними происходят на последних стадиях существования. Все подобные явления гипотетически описаны при помощи компьютерного моделирования, а не на основании тщательных наблюдений за ними. После окончательного выгорания углерода и кислорода происходит увеличение атмосферной оболочки звезды и быстрая потеря ею газовой составляющей. В финале своего эволюционного пути светила многократно сжимаются, а их плотность наоборот значительно возрастает. Такую звезду принято считать белым карликом. Затем в ее жизненной фазе следует период красного сверхгиганта. Последним в цикле существования звезды является ее превращение, в результате очень сильного сжатия, в нейтронную звезду. Однако не все подобные космические тела становятся таковыми. Некоторые, чаще всего наиболее крупные по параметрам (больше 20-30 масс Солнца), переходят в разряд черных дыр в результате коллапса.

Дендрохронология

Этому методу нас учили еще в школе, на уроках природоведения или биологии. Речь пойдет о годичных кольцах на деревьях – узоре, сформированном изменениями в климате. Узор остается на деревянных домах и предметах, благодаря чему можно точно узнать их возраст.

Летом дерево растет быстрее, чем зимой, поэтому на спиле дерева можно обнаружить множество колец темного и светлого оттенков. Светлые полосы – теплое время года, когда дерево росло быстро, а темные и узкие полосы появились зимами, когда растение замедляло свое развитие из-за неблагоприятного климата. За год дерево добавляет одно кольцо, поэтому можно определить его точный возраст или изменение климата, которому оно было подвержено.

Способ применяли в Великом Новгороде, когда пытались определить точный возраст деревянных мостов. Мостили улицы в то время добротно, использовали принцип укладки толстых бревен на тонкие. Конструкция обновлялась примерно раз в 15-20 лет, и на старые бревна укладывали новые по принципу слоеного пирога. В иных местах города мостовые состояли аж из 28 слоев бревен, первые из которых устанавливали много веков назад.

Массовые скопления звёзд

Для того чтобы определить, сколько лет Вселенной, учёные исследуют участки космоса с большим скоплением звёзд. Находясь примерно в одной области, тела имеют сходный возраст. Одновременное зарождение звёзд даёт возможность учёным определить возраст скопления.

Используя теорию «эволюции звёзд», строят графики и проводят многолинейные вычисления. Учитываются данные объектов с одинаковым возрастом, но разной массой.

Получилось ли точно определить, сколько лет Вселенной? По расчётам учёных результат оказался неоднозначным — от 6 до 25 миллиардов лет. К сожалению, данный метод имеет большое количество сложностей. Поэтому существует серьезная погрешность.

Эпизод I. Протозвезды

Протопланетный диск, окружающий молодую солнечную систему в туманности Ориона

Жизненный путь звезд, как и всех объектов макромира и микрокосма, начинается с рождения. Это событие берет свое начало в формировании невероятно огромного облака, внутри которого появляются первые молекулы, поэтому образование называется молекулярным. Иногда употребляется еще и другой термин, непосредственно раскрывающий суть процесса, – колыбель звезд.

Только когда в таком облаке, в силу непреодолимых обстоятельств, происходит чрезвычайно быстрое сжатие составляющих его частиц, имеющих массу, т. е. гравитационный коллапс, начинает формироваться будущая звезда. Причиной этому является выплеск энергии гравитации, часть которой сжимает молекулы газа и разогревает материнское облако. Затем прозрачность образования постепенно начинает пропадать, что способствует еще большему нагреванию и возрастанию давления в его центре. Заключительным эпизодом в протозвездной фазе является аккреция падающего на ядро вещества, в ходе чего происходит рост зарождающегося светила, и оно становится видимым, после того, как давление испускаемого света буквально сметает всю пыль на окраины.

Найди протозвезды в туманности Ориона!

Эта огромная панорама туманности Ориона получена из снимков телескопа Хаббл. Данная туманность одна из самых больших и близких к нам колыбелей звезд. Попробуйте найти в этой туманности протозвезды, благо разрешение этой панорамы позволяет это сделать.

Звездные величины

Античные астрономы, включая Гиппарха, предполагали, что все светила, включая звезды, располагаются на поверхности одной сферы, что означало, что и дистанция от каждой из них до наблюдателя была одной и той же. Различалась, таким образом, лишь их яркость. Те объекты, у которых ее показатель был наибольшим, получили первую величину, а с наименьшим — шестую. Каталог, который выполнил Гиппарх, включал:

• 15 звезд максимальной первой категории;
• 45 — второй;
• 208 — третьей;
• 474 — четвертой;
• 217 — пятой;
• 49 — шестой, в которую были включены наиболее тусклые звезды.

В дальнейшем было точно определено, что звезды светят неравномерно и, помимо этого, располагаются на различных расстояниях от земли. Также помимо визуального способа определения их величины сейчас применяется фото, а также болометрический метод.

Спектральная классификация звёзд

https://youtube.com/watch?v=uEnKQTI8n5M

https://youtube.com/watch?v=Cms86zkUazk

Новые и сверхновые звезды

Иногда на небе ученые наблюдают резкую сильную вспышку, которая не имеет никакого отношения к мерцанию переменных светил. Так образуются новые и сверхновые звезды. Новые получили свое название, потому что раньше считалось, что на месте появления такого объекта первоначально была пустота. В ХХ веке, когда проводилось регулярное фотографирование небосвода, установили, что на месте вспышки «новых» светил все-таки была небольшая слабозаметная звездочка, но в определенный момент она почему-то резко увеличила свое свечение.

Новые звезды вспыхивают раз в несколько лет. И даже, несмотря на то, что количество излучаемого света увеличивается в десятки тысяч раз, заметить их невооруженных взглядом невозможно, настолько далеко они расположены.

Вспышка сверхновой звезды – куда более масштабное явление. Энергия, которая образуется при взрыве, сопоставима с солнечной, которую оно излучает за несколько миллиардов лет. Сверхновые звезды вспыхивают еще реже. Данное явление происходит как в нашей Галактике, так и за ее пределами. В 1054 г в китайских и японских хрониках в Галактике был отмечен взрыв сверхновой звезды, который видели даже в дневное время. В 1987 году с помощью современной аппаратуры удалось наблюдать вспышку сверхновой от начала до конца. Произошла она в галактике Большое Магелланово Облако.

Почему же вспыхивают новые и сверхновые звезды? Ответ на этот вопрос удалось найти лишь в середине ХХ века. Во время очередной вспышки, специалисты заметили, что произошел взрыв одной звезды из двойной системы. В этой паре одна звезда похожа на Солнце, относится в главной последовательности. Вторая – очень плотный белый карлик, его диаметр в 100 раз меньше Солнца. Звезды находятся очень близко друг к другу. В результате приливных сил вещество из желтого светила «переливалось» на карлика. Там оно попало в условия высоких температур и давления, что запустило термоядерные реакции. На Солнце такие реакции происходят в недрах и являются относительно спокойными. В системе звезд это спровоцировало взрыв, в результате которого оболочка белого карлика начала сильно расширяться, а светимость двойной системы многократно увеличилась. Однако плотность оболочки была настолько низкой, что она никак не повредила желтой звезде. Сейчас светило продолжает «снабжать» карлика веществом и вполне вероятно, что через несколько сотен лет произойдет еще одна вспышка новой звезды на небе.

Со сверхновыми дела обстоят немного иначе. В созвездии Тельца учеными было обнаружено светящееся газовое облако – Крабовидная туманность. Сейчас оно расширяется и специалистам удается определить скорость этого расширения. Если в течение определенного времени скорость не менялась, то примерно 1000 лет назад, вещество из туманности находилось в одной точке – в том месте, где произошла вспышка сверхновой звезды. Так ученые определили, что Крабовидная туманность – это остатки после вспышки. Позже были обнаружены еще аналогичные туманности. Самое интересное, что в центре Крабовидной туманности находится звезда пульсар. Ее вещество гораздо плотнее, чем у белых карликов. Ели очень массивные светила в конце своей жизни теряют устойчивость, то это становится причиной взрыва сверхновой звезды.

Наблюдать за звездами увлекательно и познавательно. Даже не используя никакой современной аппаратуры, можно для себя сделать много удивительных открытий. На небосводе регулярно появляются новые объекты. Только в нашей Галактике Млечный Путь ежегодно рождается около пяти новых звезд.

6.6 Определение возраста скоплений

Остановимся вкратце на одном из результатов теории внутреннего строения звезд,
ставшим классическим — определение возраста шаровых скоплений. Диаграмма ГР
шаровых скоплений имеет характерный вид
(). От главной последовательности
в так называемой «точке поворота» отходит ветвь красных гигантов. Можно предположить,
что все звезды шарового скопления образовались одновременно. Тогда наблюдаемую
диаграмму ГР получают следующим способом. Возьмем набор звезд разных масс и построим
для них эволюционные кривые (). Звезды большой массы (т. е. большой светимости)
эволюционируют быстрее и становятся красными гигантами, пока звезды малой массы
еще остаются на главой последовательности. Соединив точки равного возраста (жирная
кривая на ), получим наблюдаемую диаграмму ГР. Этот метод позволяет определить
не только возраст скоплений, но и начальный химический состав их звезд, так как от
него зависит вид получаемой диаграммы ГР

Получение начального содержания гелия очень
важно для космологии. Во фридмановской космологии в теории горячей Вселенной
должно быть около 25-30% He

Сходным образом определяют и возраст рассеянных скоплений. Существенная разница
— это практически полное отсутствие ветви гигантов в молодых рассеянных скоплениях.
Объясняется это просто — в стадии красного гиганта звезда живет очень недолго
в рассеянных скоплениях общее число звезд в сотни раз меньше, чем в шаровых, а
«предгиганты» в них массивнее (так как рассеянные скопления гораздо моложе) и
эволюционируют быстрее. По этим причинам вероятность застать звезду в стадии гиганта
очень мала. Но «точка поворота» и здесь видна — это то место, где главная
последовательность резко обрывается.

Рис. 38.	Рис. 39.

Интересно заметить, что в рассеянных скоплениях видны белые карлики. Их массы
заведомо меньше чандрасекаровского предела (1,4). Наблюдаются
белые карлики около 0,7, хотя звезды более массивные сидят еще на
главной последовательности. Например, в Гиадах есть больше десятка белых карликов,
а точка поворота . В Плеядах найден один белый карлик, хотя
на главной последовательности еще есть звезды с массой 4-6! Эти факты
говорят об интенсивной потере массы звездами после главной последовательности
и перед концом жизни.

6.5 Горение гелия: 3 alpha-реакция
| |
6.7 Качественная картина … >>

Астрометрия
—
Астрономические инструменты
—
Астрономическое образование
—
Астрофизика
—
История астрономии
—
Космонавтика, исследование космоса
—
Любительская астрономия
—
Планеты и Солнечная система
—
Солнце

Сколько звёзд в нашей Галактике?

Наша Галактика называется Млечный Путь. Именно в ней находится Солнечная система, а также множество других. Данная галактика считается спиральной с перемычкой. Её диаметр составляет приблизительно 30 тысяч парсек, что в переводе на световые лета составляет 100 000. Если же перевести в более привычную для человека единицу измерения расстояния, то это будет 1 квинтиллион километров. Примерная толщина Млечного Пути – 1 000 световых лет.

Интересный факт: Многие звёзды предпочитают парное существование. Они считаются двойными звёздами, имеющими один на двоих центр тяжести. Примечательно, что во вселенной встречаются и целые группы, где на один центр тяжести приходится по 3-4 звезды. Что же касается нашего Солнца, то эта звезда – одиночка. А ведь как было бы интересно встречать рассвет сразу с 2-3 небесными светилами.

Сколько звёзд в нашей Галактике?

Согласно последним оценочным данным, в нашей галактике есть примерно 200-400 миллиардов звёзд. Большая их часть скопилась таким образом, что издалека это похоже на плоский диск. Помимо обычных звёзд имеются в Млечном Пути и коричневые карлики в количестве 25-100 миллиардов.