Эволюция звезд и конечные стадии их существования

Рождение и равновесие

Звёзды формируются в холодных облаках газа и пыли. Уплотнение сжимается собственной гравитацией, нагревается и превращается в протозвезду. Когда в центре начинается устойчивый синтез водорода, звезда выходит на главную последовательность.

Гидростатическое равновесие звезды — баланс направленной внутрь гравитации и направленного наружу градиента давления. Энергия из центра поддерживает высокую температуру и давление, а излучение постепенно уходит с поверхности. Нарушение баланса вызывает сжатие или расширение, пока не установится новое состояние.

Звезда около солнечной массы проходит стадию красного гиганта и оставляет белый карлик. Массивная звезда может через сверхновую оставить нейтронную звезду или чёрную дыру.

Главная последовательность и гиганты

Главная последовательность — стадия, на которой звезда получает основную энергию из превращения водорода в гелий в ядре. Её длительность сильнее всего зависит от массы. Массивная звезда ярче и сжигает топливо быстрее, поэтому живёт короче маломассивной.

После истощения водорода ядро сжимается и нагревается, внешние слои расширяются, звезда становится красным гигантом или сверхгигантом. В ядре может начаться синтез гелия, а у массивных звёзд — последовательное образование более тяжёлых элементов вплоть до железа. Слияние ядер тяжелее железа уже не даёт энергии.

Звёзды небольшой и средней массы

Звезда с массой порядка солнечной сбрасывает внешние слои, образуя планетарную туманность. Горячее ядро остаётся белым карликом размером примерно с Землю. Термоядерные реакции в нём прекращены, а гравитацию уравновешивает квантовое давление вырожденных электронов.

Белый карлик постепенно остывает. Его масса не может устойчиво превышать предел Чандрасекара около $1,4$ массы Солнца; при определённых условиях накопление вещества углеродно-кислородным белым карликом приводит к термоядерному взрыву сверхновой типа Ia. Это другой механизм, чем коллапс железного ядра массивной звезды; некоторые белые карлики другого состава могут испытывать коллапс без такого термоядерного взрыва. Название «планетарная туманность» историческое и не означает образование планеты.

Массивные звёзды

У массивной звезды железное ядро больше не поддерживается выделением энергии и коллапсирует. Внешние слои выбрасываются взрывом сверхновой, где образуются и рассеиваются многие тяжёлые элементы. Остаток становится нейтронной звездой или, при достаточной массе, чёрной дырой.

Нейтронную звезду поддерживает давление плотного ядерного вещества; быстро вращающаяся намагниченная звезда может наблюдаться как пульсар. Чёрная дыра — область пространства-времени, из которой после пересечения горизонта событий не может выйти даже свет. Радиус невращающейся чёрной дыры массы $M$ задаётся:

Горизонт не является твёрдой поверхностью. Чёрные дыры обнаруживают по движению соседних тел, излучению падающего вещества и гравитационным волнам.

Происхождение элементов

Первичный водород и большая часть гелия возникли в ранней Вселенной. Звёздный синтез и взрывные процессы создают более тяжёлые элементы, а сверхновые и слияния нейтронных звёзд рассеивают их в межзвёздную среду. Новые поколения звёзд и планет формируются уже из обогащённого вещества.

Энергетика всех стадий опирается на дефект массы и ядерный синтез. Диаграмма классов звёзд показывает не только разнообразие, но и разные этапы эволюции объектов с разными массами.