Корабли и лодки

В прошлом большинство кораблей лодок строили из дерева, и так было до 90-х годов XVIII века, когда появились первые корабли из железа. Через 100 лет их стали строить из стали.

Примерно в XVIII веке появилась идея построить корабль из железа. Многие люди опасались, что такое судно потонет, поскольку железо намного тяжелее дерева. В действительности способность судна удерживаться на плаву зависит от соотношения его массы и объема. Неважно, сколько весит судно; имея достаточно большой объем, оно будет плавать. Сплошной железный брус пойдет ко дну, но сделанный из него корпус судна не утонет, поскольку имеет большой объем по сравнению со своей массой.

Водоизмещение

Если предмет поместить в воду, он вытеснит определенный объем воды
. Эта вода удерживалась на месте выталкивающей силой, создаваемой окружающей водой. Та же выталкивающая сила будет действовать на предмет, помещенный в воду, и, следовательно, уменьшать кажущуюся массу предмета на величину, равную массе вытесненной воды.

Предмет, постепенно погружающийся в воду, будет испытывать постоянно растущую выталкивающую силу. Даже если железный брус полностью погружен, выталкивающая сила будет недостаточной, чтобы поддержать его на плаву. Но если той же массе железа придать форму большего объема, она будет вытеснять значительно большее количество воды. При погружении в воду лодка, в конце концов, достигнет уровня, когда будет вытеснять стольководы, что образующаяся выталкивающая сила будет поддерживать ее на плаву. Это количество воды, вытесненное плавающим судном, называют его водоизмещением. Таким образом, лодка плавает на уровне, на котором она вытесняет количество воды, равное ей по массе.

Грузоподъемность

Теперь положим на лодку груз. Он толкает лодку вниз в воду до тех пор, пока корпус не вытеснит достаточное дополнительное количество воды, чтобы обеспечить дополнительную выталкивающую силу, необходимую для поддержания лодки на плаву. И в этом случае, лодка будет плавать на уровне, на котором масса вытесненной воды равнаобщей массе плавающего тела. Но если груз будет слишком тяжелым, лодка никогда не достигнет точки, в которой сможет вытеснить достаточное количество воды, чтобы держаться на плаву, и потонет. Поэтому одной из важнейших эксплуатационных характеристик судна является дедвейт (полная грузоподъемность судна) - масса груза (полезный груз, судовые запасы, экипаж), принимаемая судном. Во время волнения корабли подвергаются сильным механическим напряжениям. Это вызвано тем, что выталкивающая сила, действующая на какую-либо часть корпуса, зависит от высоты волн в этой точке. На гребне волны водоизмещение будет наибольшим, и выталкивающая сила здесь также наибольшая. В подошве (нижней точке) волны выталкивающая сила будет наименьшей. В бурном море на разные части корпуса действует различная и постоянно меняющаяся выталкивающая сила.

Гребень и подошва

Хуже всего кораблю приходится, когда он идет против волн, длина которых (а это расстояние между гребнями) равна его собственной. Когда под носом и кормой находятся гребни, а по центру корпуса подошва, выталкивающая сила на концах судна значительно больше, чем по центру, и его средняя часть прогибается. Затем вершина волны оказывается по центру, а подошвы на концах судна, и проседают кор¬ма и нос. В экстремальных условиях судноможет переломиться пополам вне зависимости от качества его конструкции. Наибольшему риску подвергаются длинные суда, поэтому супертанкеры и большие сухогрузы строят широкими, чтобы отношение их длины к ширине находилось в оптимальных пределах.

Кроме прогибов и перегибов, на корпус корабля действуют и другие дополнительные нагрузки удары волн, скручивающие моменты, давление воды (возрастая с глубиной, оно оказывает наибольшее воздействие на корабли с большой осадкой). Конструкция корпуса должна быть рассчитана так, чтобы выдерживать все эти напряжения.

Остойчивость

Остойчивость судна зависит от взаимного положения трех воображаемых точек -центра
тяжести, центра водоизмещения и метацентра. Вес корабля можно считать силой, направленной вниз и проходящей через точку, называемую центром тяжести, а плавучесть силой, направленной вверх и проходящей через точку, называемую центром водоизмещения. Когда корабль поднимается, центр водоизмещения находится непосредственно под центром тяжести, причем обе эти точки находятся на осевой линии воображаемой линии, проходящей через середину корабля.

Если под воздействием ветра или волны корабль кренится на один борт, центр тяжести не меняет своего положения но центр водоизмещения отклоняется от осевой линии в сторону более низкого борта корабля. Затем вес корабля, направленный вниз, и сила плавучести, направленная вверх, принуждают корабль вернуться в вертикальное положение. Когда корабль дает крен, вертикальная линия, по которой действует сила плавучести, пересекает исходную осевую линию в точке, называемой метацентром. Пока она находится выше центра тяжести, корабль устойчив и возвращается в вертикальное положение по¬сле исчезновения силы, вызвавшей крен. Но если две эти точки совпадают, силы плавучести и тяжести направлены противоположно. Поэтому сила, возвращающая корабль в вертикальное положение, отсутствует, и опасный крен сохранится.

Воздушные шары и дирижабли

Первый полет воздушного шара с людьми состоялся в 1783 году, а спустя столетие был создан дирижабль. Сегодня основным воздушным видом транспорта являются самолеты, но воздушные шары и дирижабли все еще используются в авиации.

Идея полета на воздушном шаре возникла в начале XIII века, когда английский естествоиспытатель Роджер Бэкон предложил использовать тонкую медную сферу, наполненную огнем или воздухом. Но такой аппарат не смог бы взлететь. Чтобы набрать высоту, воздушный шар должен быть очень легким, а наполняющее его вещество менее плотным, чем окружающий воздух.

Первый шаг к решению этой проблемы был сделан в 1766 г., когда английский химик Генри Кавендиш получил водород. Мыльные пузыри, наполненные водородом, быстро поднимались вверх, так как его плотность значительно меньше плотности воздуха. Для изготовления шара с водородным наполнителем требовался прочный и в то же время тонкий и легкий материал. Однако ни один из известных тогда материалов не был способен долго удерживать газ. Не существовало также технологии быстрого получения водорода для возмещения утечки газа.

Горячий воздух или водород?

В 1783 году братья Жозеф и Этьен Монголь-фье использовали в качестве наполнителя горячий воздух. Для этого они разожгли под открытым основанием шара древесный уголь. Затем, поместив в прикрепленную к шару корзину овцу, утку и петуха, запустили его. Полет, который состоялся в присутствии короля Франции Людовика XVI, продолжался восемь минут. Поскольку животные вернулись на землю невредимыми, следующим должен был полететь человек.

Дирижабли

Воздушные шары имели один большой недостаток они летели туда, куда их нес ветер
. Стремление иметь управляемый летательный аппарат привело к изобретению дирижабля. Первый дирижабль управляемый аэростат с двигателем -построил француз Анри Жиффар. 24 сентября 1852 года его воздушный корабль объемом 2000 кубических метров газа с паровым двигателем, вращавшим пропеллер, пролетел 27 км со скоростью 9 км/час. В 1895 г. конструкцию этого аппарата значительно усовершенствовал венгр Давид Шварц, построив первый дирижабль жесткой конструкции. Внутренний каркас из стальной проволоки позволял сохранять обтекаемую форму корабля, что обеспечивало плавность движения в воздушной среде.

В Германии граф фон Цеппелин усовершенствовал дирижабль. Первый построенный им аппарат с алюминиевым каркасом совершил полет 2 июля 1900 года. К 1930-м годам гигантские дирижабли жесткой конструкции, в которых объем газа превышал 150 000 кубических метров, совершали
трансокеанские пассажирские рейсы. Чаще всего эти дирижабли наполнялись взрывоопасным водородом, посколькуон обеспечивал большую подъемную силу, чем безопасный гелий. К тому же, гелий стоил дороже, и приобрести его можно было только в Северной Америке.
Из-за серии катастроф, произошедших с дирижаблями, наполненными водородом, а также усиливающейся конкуренции со стороны более тяжелых летатель¬ных аппаратов пассажирские перевозки на дирижаблях прекратились, хотя их продолжали использовать в военных целях.

Современные тенденции 

Сегодня беспилотные шары используются для научных исследований и метеорологических
наблюдений. Они поднимают в атмосферу приборы, которые фиксируют разнообразные параметры для последующей обработки. Воздушные шары и дирижабли используются в спорте и рекламе. Несколько дирижаблей перевозят пассажиров. Однако самые многообещающие проекты по использованию дирижаблей-гигантов связаны с транспортировкой крупногабаритных и сверхтяжелых грузов.

Суда на воздушных подушках и подводных крыльях

Обычные суда движутся довольно медленно из-за того, что им приходится преодолевать сопротивление воды. Суда на воздушной подушке (СВП) и на подводных крыльях (СПК) поднимаются над поверхностью воды, едва касаясь ее, и поэтому движутся быстрее.

Идею движения на воздушной подушке - слое воздуха, который удерживал бы судно над водой - выдвинул еще шведский ученый Э. Сведенборг в 1716 г. Одним из первых действующее СВП запатентовал в 1955 г. английский изобретатель К. Кокерелл. Его первое СВП - SR-N1 - было спущено на воду в 1959 г. Воздушная подушка толщиной 35 см, которую создавали судовые вентиляторы, удерживалась между судном и опорной поверхностью (водой или землей) воздушной завесой, нагнетаемой по периметру сверху вниз. Часть воздуха направлялась назад, перемещая СВП с максимальной скоростью 25 узлов. Это почти в три раза превышало скорость обычного судна тех же размеров. Еще одно преимущество состояло в том, что СВП могло перемещаться не только над водой, но и над сушей.

В большинстве СВП воздушные винты направляют воздух назад, двигая при этом судно вперед. Высоконапорные вентиляторы гонят воздух вниз, поднимая судно над поверхностью воды. Обычно воздух выходит через зазор между юбкой и опорной поверхностью, но некоторые конструкции, предназначенные для движения только по воде, снабжены юбкой на торцах и боковыми стенками, погруженными в воду и не дающими выходить воздуху. Таким судам нужна меньшая мощность для создания воздушной подушки, но сопротивление воды требует дополнительной мощности для поступательного движения.

Управление

Обычно управление СВП осуществляется изменением направления силы тяги. У многих СВП позади воздушных винтов установлены рули поворота. Для выполнения поворотов на малой скорости или па месте иногда применяются направленные в стороны воздушные сопла. В настоящее время СВП широко используются для пассажирских и грузовых перевозок, а также в военных целях как сторожевые и десантные суда. Платформы на воздушной подушке применяют в промышленности для перемещения тяжелых грузов.

Суда на подводных крыльях

СПК имеет крылья, поднимающие его из воды во время движения вперед. Они выполняют ту же функцию, что и в самолете, только подъемная сила создается потоком воды. Крылья закреплены в передней и задней частях судна с помощью вертикальных стоек.

В неподвижном состоянии СПК держится на поверхности, как всякое обычное судно. Однако при наборе скорости судно начинает подниматься из воды. Постепенно корпус полностью выходит из воды, и тогда кажется, что СПК скользит на водных лыжах. Судно может приводиться в движение гребным винтом или за счет забора воды и ее выбрасывания в воду или воздух через расположенные сзади сопла.

В СПК с частично погруженным крылом при движении крылья «пробивают» поверхность воды. При движении крыльев в воздушной среде подъемная сила весьма мала, так что судно погружается в воду и подъемная сила опять увеличивается. За счет этого судно удерживается на постоянной высоте над поверхностью воды. Такая схема используется в большинстве СПК.

В СПК с полностью заглубленным крылом крылья все время находятся в воде. Автоматическая система управления изменяет угол атаки крыльев под водой для удержания судна на нужной высоте над поверхностью. Эта система также улучшает остойчивость судна при волнении. К сожалению, она является слишком дорогостоящей для широкого применения.

Вертолеты и автожиры

Около 1500 года Леонардо да Винчи изобразил проект вертолета с винтом, приводимым в движение вручную. Позднее другие изобретатели разработали летающие модели, оснащенные двигателями. Но первые вертолеты, представлявшие практический интерес, появились только в 1930-е годы.

Для того чтобы удерживаться в воздухе, самолетам необходимо двигаться вперед. Движение крыла сквозь воздух создает силу, противоположную направленной вниз силе притяжения. Вертолеты же могут зависать в воздухе, т. к. подъемная сила создается за счет вращения их "крыльев". Так же, как у самолетов, подъемная сила создается потоком воздуха, огибающего поверхности крыла.

Эти узкие крылья вертолета называются лопастями. Вращение комплекту лопастей, называемому ротором, сообщается двигателем. А вот у автожира пропеллер двигает летательный аппарат вперед, и возникающий при этом поток воздуха заставляет ротор вращаться, как ветряную мельницу. Как и у вертолета, это вращение создает необходимую подъемную силу.

При зависании вертолета подъемная сила равняется его массе. Чтобы вертолет набирал высоту, увеличение подъемной силы достигается путем увеличения угла передней кромки лопастей по отношению к горизонтали, называемого углом атаки. Для одновременного увеличения угла атаки всех лопастей пилот использует рычаг, называемый сборным переключателем шага. При снижении подъемная сила уменьшается путем уменьшения угла атаки.

Направление движения 

При горизонтальном полете вперед ротор немного наклоняется вперед, чтобы обеспечивать подъемную силу и двигать вертолет по воздуху. Для этого угол атаки каждой из лопастей увеличивается, когда они оказываются сзади, и уменьшается - впереди. Ротор может наклоняться и в других направлениях, заставляя вертолет двигаться назад или в стороны. Пилот управляет наклоном ротора при помощи рычага циклического шага. Когда висящий вертолет начинает двигаться вперед, он может наклоняться на один бок. Это происходит потому, что за счет потока воздуха навстречу вертолету повышается скорость относительно воздуха лопасти, вращающейся вперед, в то время как скорость лопасти, вращающейся назад, уменьшается. Таким образом, подъемная сила обычно больше с одного борта вертолета и меньше - с другого. Для преодоления этой

проблемы лопасти крепятся на шарнирах, что делает их более гибкими и заставляет слегка изгибаться кверху при вращении вперед. Это приводит к уменьшению подъемной силы и противодействует ее увеличению вследствие повышения скорости лопастей относительно воздуха. В результате вертолет не подвергается нежелательному наклону.

Стабилизация 

В полете однороторный вертолет имеет тенденцию к медленному обращению вокруг своей вертикальной оси. Это объясняется третьим законом Ньютона: на всякое действие есть равное по силе противодействие. Иными словами, когда вертолет сообщает силу (действие) ротору, вращая его, ротор в свою очередь будет сообщать противоположно направленную силу (противодействие) вертолету. Поскольку вертолет относительно тяжелее, он будет обращаться медленно, однако вращающей силе все равно необходимо противопоставить другую, компенсирующую силу.

Большинство вертолетов имеют один основной ротор и комплект небольших вертикально расположенных лопастей - противо вращательный ротор. Он обеспечивает горизонтальную вращающую силу, которая гасит крутящий момент вследствие вращения основного ротора, таким образом стабилизируя вертолет.

Изменение тяги противо вращательного ротора обеспечивает изменение направления движения. Это достигается изменением угла атаки лопастей, что снижает тягу и позволяет вертолету повернуться в направлении, противоположном вращению основного ротора. Увеличение угла и тяги поворачивает вертолет в направлении вращения основного ротора.

Отказ двигателя

В случае отказа двигателя, вертолет можно безопасно посадить при помощи процедуры, называемой авторотацией. Пилот опускает сборный переключатель шага, вследствие чего кромка лопастей слегка накреняется вниз. При снижении вертолета воздух, огибающий лопасти, продолжает вращать их в нужном направлении. Когда вертолет приближается к земле, пилот снова приподнимает кромку лопастей для обеспечения подъемной силы, достаточной для замедления снижения перед посадкой.

Планеры

В 1903 г. братья Райт построили первый моторный самолет. Их вдохновителем был немецкий инженер Отто Лилиенталь, сконструировавший в конце XIX века планер.

Первые планеры построил англичанин Джордж Кейли в середине XIX в. Кейли ставил своей
целью создание самолета с двигателем, способного совершать длительные полеты. Но тогда эта задача была невыполнимой из-за слишком большого веса двигателей. Другие изобретатели экспериментировали с созданием тяги, используя пар, сжатый воздух, привод от часового механизма и резиновую катапульту.

Немецкий инженер Отто Лилиенталь пошел другим путем. Он решил в первую очередь улучшить технику планирования, увеличив подъемную силу за счет обтекаемой формы крыльев и восходящих воздушных потоков. В
1881 г. Лилиенталь, ухватившись за два обшитых тканью изогнутых крыла, сбежал по склону холма и отдался на волю ветра. Он успешно завершил короткий испытательный полет и позднее смог летать на расстояния до нескольких сотен метров.

С появлением в начале XX века моторных самолетов мало кто занимался планерами вплоть до 1920-х гг., когда в Германии и СССР начали проводиться соревнования по планерному спорту. С тех пор планеризм стал популярным видом спорта.

Дельтапланы

Современный дельтаплан имеет треугольное крыло, или парус из легкого алюминиевого каркаса, обтянутого нейлоновой тканью. Пилот-планерист висит на стропах и управляет полетом с помощью ручки управления.

При ее подаче вперед вес тела пилота переносится назад, а носовая часть дельтаплана поднимается. При этом возрастает аэродинамическое сопротивление и, следовательно, снижается скорость. Если потянуть ручку на себя, дельтаплан выравнивается, сопротивление воздуха уменьшается, а скорость увеличивается. Чтобы изменить курс полета, достаточно просто наклонить дельтаплан в нужную сторону. Обычно, чтобы подняться в воздух, дельтапланеристы бегут вниз по склону навстречу ветру. Но поиск подходящего склона и ожидание нужного направления ветра - занятие утомительное, поэтому некоторые спортсмены отдают предпочтение буксировке дельтаплана автомобилем.

Микролайты

Обычные дельтапланы не всем пришлись по вкусу - кое-кто предпочитает иметь планер с двигателем. В результате появились микролайты - разновидность планера с двигателем, подобным мотору газонокосилки, который устанавливается впереди или сзади и вращает пропеллер. Для микролайта характерны крыло, как у дельтаплана, открытая кабина пилота и колесное шасси. Есть здесь и основные устройства для управления. Полеты в основном проходят на высоте, не превышающей несколько сотен метров, при скорости 50 км/час. Однако более совершенные микролайты могут летать со скоростью 150 км/час.

На мускульной силе

Во все времена человек мечтал научиться летать как птицы. Одни фантазеры крепили к своим рукам самодельные крылья и неистово махали ими, пытаясь взлететь; другие бросались с утесов и разбивались насмерть. Мечта о самостоятельном полете стала реальностью в 1977 г., когда самолет «Госсамер кондор», несмотря на то что его пропеллер вращался педалями, впервые пролетел расстояние 1,6 км, что принесло его создателям - Полу Мак-Криди и Питеру Лиссеману - денежный приз в размере 50 000 фунтов стерлингов.

Звездные системы

Большая часть материи видимой Вселенной сосредоточена в звездах,которые располагаются не отдельно, а группами, образуя звездные системы.

Самые большие скопления, насчитывающие миллиарды звезд, объединены в огромные
эллиптические или спиральные галактики - звездные острова, разделенные космическим пространством. В пределах типичной галактики группы из сотен тысяч звезд иногда перемещаются в виде плотных шаровых скоплений. Менее плотные группы, включающие сотни звезд, называются рассеянными скоплениями. Наименьшие скопления - до шести звезд - образуют кратные звезды. Чаще всего такая система состоит из двух звезд и называется двойной звездой. В среднем, из каждых 100 звезд около 30 являются одиночными, 47 - двойными, 23 - кратными.

Кратные звезды

Линзовый телескоп для получения точных данных о положении звезды В отличие от
созвездий, кратные звезды расположены относительно близко друг к другу и связаны взаимным тяготением. Двигаясь вместе в пространстве, они вращаются вокруг друг друга, то есть вокруг центра масс звездной системы, который именуется барицентром.

Средняя звезда на ручке ковша созвездия Большой Медведицы называется Мицар. Присмотревшись к ней, вы увидите рядом более тусклую звезду - Алькор.

Пара Мицар-Алькор является примером двойной звезды, видимой невооруженным глазом. Посмотрев на Мицар в телескоп, вы заметите, что она тоже состоит из двух звезд - Мицар А и В. Следовательно, эта звезда тоже двойная.

Визуально-двойные звезды

Двойные звезды, видимые невооруженным глазом или в телескоп, называются визуально-двойными звездами. Примеров таких звезд на небе много. При наблюдении в телескоп ближайшая к нам яркая звезда - Альфа Центавра - оказывается двойной и, следовательно, тоже относится к визуально-двойным звездам. Очень тусклая третья звезда этой системы, Проксима Центавра, - это ближайшая к Земле звезда.

«Половинки» многих визуально-двойных звезд различаются по цвету. У Антареса, например, они красного и зеленого цвета; у Бета Лебедя - желтого и зеленого цвета; у Альбирео - оранжевого и голубого цвета. Эти звезды видны в линзовый телескоп, позволяющий астрономам точно определять их координаты, скорость и направление движения.

Спектрально-двойные звезды

В некоторых системах двойных звезд оба компонента расположены так близко, что их невозможно разделить даже при наблюдении в очень мощные телескопы. Но ученые обнаруживают их на основе анализа их излучения с помощью спектроскопа. При прохождении через этот прибор свет звезды разлагается на спектр, в котором видны темные линии.

Эти линии смещаются в зависимости от того, удаляется звезда от нас или приближается к нам. На спектре двойной звезды имеется два вида линий, смещающихся в зависимости от приближения или удаления ее компонентов при обращении друг вокруг друга.

Двойные звезды, компоненты которых различаются таким способом, называются спектрально-двойными. Алькор, Мицар А и Мицар В, объединенные в систему Мицар-Атькор. являются спектрально-двойными звездами, составляющими систему из шести звезд. И оба компонента визуально-двойной звезды Кастор в созвездии Близнецов тоже спектрально-двойные.

Затменно-двойные звезды

по параллаксу определяется расстояние до ближайшей звезды Компоненты некоторых двойных звезд обращаются друг вокруг друга так, что плоскость их орбиты близка лучу зрения земного наблюдателя - т. е. компоненты периодически заслоняют друг друга, то есть, происходят взаимные затмения. Пока длится фаза затмения, мы видим только одну звезду, так что суммарный блеск системы уменьшается. Если одна звезда значительно слабее или больше, уменьшение блеска может оказаться значительным.

Наиболее известна затменно-двойная звезда Алголь в созвездии Персея. Каждые двое суток и 21 час ее яркость ослабевает от второй до третьей величины, но за следующие семь часов усиливается до прежнего уровня. Эту звезду часто называют «Подмигивающим дьяволом». Ее открыл в 1782 г. английский астроном Джон Гудрайк.

С Земли мы видим затменно-двойную звезду как переменную, яркость которой колеблется с точностью часового механизма в соответствии с периодом обращения обоих компонентов. Ее относят к классу затменно-переменных звезд.

У физически переменных звезд, таких как цефеиды, изменение блеска зависит от внутренних процессов.

Эволюция двойных звезд

Обычно один из компонентов двойной системы больше другого и проходит свой жизненный цикл быстрее. Он успевает превратиться в красного гиганта, затем в белого карлика, а его спутник все еще остается обычной звездой. Но когда спутник,в свою очередь, превращается в красного гиганта, вот тут-то все и начинается. Белый карлик притягивает к себе газы расширяющегося гиганта, которые, накапливаясь, все время сжимаются и разогреваются.

Приблизительно через 100 000 лет температура и давление достигают уровня, необходимого для начала реакции слияния ядер. Газовая оболочка взрывается с огромной силой, в результате чего блеск звезды-карлика усиливается почти в миллион раз. Наблюдая это явление с Земли, мы говорим о рождении новой звезды.

Иногда астрономы обнаруживают, что один компонент двойной звезды является обычной звездой, другой - невидимой, но очень массивной и, к тому же, вероятным источником сильного рентгеновского излучения. Этот компонент не может быть обычной звездой, иначе его было бы видно. Поэтому предполагают, что это - черная дыра, то есть остатки массивной звезды.

По мнению астрономов, в этом случае происходит следующее: благодаря мощной гравитации черная дыра притягивает к себе газы обычной звезды; втягиваясь по спирали с невероятной скоростью, они сильно разогреваются и, прежде чем исчезнуть в дыре, выделяют энергию в виде рентгеновского излучения.

Эволюция звезд

Среди множества звезд, которыми усеяно небо, разбросаны огромные облака пыли и газов, в основном водорода. Именно в таких межзвездных облаках, или туманностях, рождаются звезды.

Продолжительность жизни звезд настолько велика (до десятков миллиардов лет), что астрономы не могут проследить жизнь хотя бы одной из них от начала до конца. Зато они могут наблюдать за звездами, находящимися на разных стадиях развития. Объединив полученные данные, ученые проследили основные этапы жизни типичных звезд.

Рождение звезды

Возникновение звезды начинается с уплотнения вещества внутри туманности. Образовавшееся уплотнение постепенно уменьшается в размерах, сжимаясь под воздействием гравитации. Во время этого сжатия, или коллапса, выделяется энергия, разогревающая газ и пыль и вызывающая их свечение. Возникает так называемая протозвезда. В ее центре, или ядре, плотность и температура вещества максимальные. Достигнув температуры около 10 000 000°С, в газе начинают протекать термоядерные реакции. Ядра атомов водорода соединяются, превращаясь в ядра атомов гелия. При таком синтезе выделяется огромное количество энергии. В процессе конвекции эта энергия переносится в поверхностный слой, а затем излучается в космос в виде света и тепла. Таким образом, протозвезда превращается в настоящую звезду.

Излучение, исходящее из ядра, разогревает газовую среду, создавая давление, направленное вовне, и, таким образом, препятствуя гравитационному коллапсу звезды. В результате, она обретает равновесие, то есть имеет постоянные размеры, постоянную поверхностную температуру и постоянное количество выделяемой энергии. Звезду на этой стадии развития астрономы называют звездой главной последовательности, указывая, таким образом, на занимаемое ею место на диаграмме Герцшпрунга-Ресселла. Эта диаграмма выражает связь между светимостью и температурой звезды. Протозвезды с небольшой массой никогда не разогреваются до температур, необходимых для начала термоядерных реакций. В результате сжатия эти звезды превращаются в тусклых красных и даже более тусклых коричневых карликов. Первая коричневая звезда-карлик была открыта лишь в 1987 г.

Гиганты и карлики

Диаметр Солнца равен приблизительно 1 400 000 км, температура поверхности - около
6000°С. Солнце излучает желтоватый свет. На протяжении 5 млрд. лет оно входит в главную последовательность звезд.

Приблизительно за 10 млрд. лет водородное "топливо" на такой звезде исчерпывается, и в ее ядре остается главным образом гелий. Когда "гореть" больше нечему, интенсивность направленного от ядра излучения уже недостаточна для уравновешивания гравитационного коллапса ядра. Но выделяемой при этом энергии достаточно для того, чтобы разогреть окружающее вещество. В этой оболочке начинается синтез ядер водорода, выделяется больше энергии. Звезда светится ярче, но теперь уже красноватым светом. Одновременно она расширяется, увеличиваясь в десятки раз. Теперь она называется красным гигантом.

Ядро красного гиганта сжимается, а его температура возрастает до 100 000 000°С и более. Здесь происходят реакции синтеза ядер гелия, превращая его в углерод. Благодаря выделяемой при этом энергии звезда светится еще каких-нибудь 100 млн. лет. Когда гелий заканчивается, и реакции затухают, вся звезда под влиянием гравитации постепенно сжимается почти до размеров Земли. Выделяемой при этом энергии достаточно, чтобы звезда (теперь уже белый карлик) продолжала ярко светиться некоторое время. Степень сжатия вещества в белом карлике очень высока и, следовательно, плотность его очень большая - вес одной столовой ложки может достигать тысячи тонн.

Жизненный цикл звезды с массой, в пять раз превышающей массу Солнца, значительно короче, и эволюционирует она несколько иначе. Такая звезда намного ярче, температура ее поверхности 25 000°С и более, период пребывания в главной последовательности звезд всего лишь около 100 млн. лет. На стадии красного гиганта температура в ядре превышает 600 000 000°С. В нем происходят реакции синтеза ядер углерода, который превращается в более тяжелые элементы, включая железо. Под воздействием выделяемой энергии звезда расширяется до размеров, в сотни раз превышающих первоначальные. На этой стадии ее называют уже сверхгигантом.

Процесс производства энергии в ядре внезапно прекращается, и оно сжимается в течение считанных секунд. При этом выделяется огромное количество энергии, образуя катастрофическую ударную волну. Она проходит через всю звезду и силой взрыва выбрасывает значительную ее часть в космическое пространство, вызывая явление, известное как вспышка сверхновой звезды. Подобная вспышка наблюдалась в феврале 1987 г. в соседней галактике - Большом Магеллановом облаке. В течение короткого времени эта сверхновая
звезда светилась ярче целого триллиона солнц.

Ядро сверхгиганта сжимается, образуя небесное тело диаметром всего 10-20 км и настолько плотное, что чайная ложка его вещества может весить 100 миллионов тонн! Это небесное тело состоит из нейтронов и называется нейтронной звездой. Вновь образовавшаяся нейтронная звезда отличается очень сильным магнетизмом и большой скоростью вращения. В результате создается мощное электромагнитное поле, испускающее радиоволны и другие

виды излучения. Они распространяются из магнитных полюсов звезды в форме лучей. Когда они проносятся мимо наших радиотелескопов, мы воспринимаем их как короткие вспышки, или импульсы (англ. pulse). Поэтому мы называем такие звезды пульсарами.

Первый световой пульсар был обнаружен в Крабовидной туманности. Его импульсы повторяются с периодичностью 30 раз в секунду. Импульсы других пульсаров повторяются гораздо чаще: ПИР (пульсирующий источник радиоизлучения) 1937 + 21 вспыхивает 642 раза в секунду. Звезды с наибольшей массой, в десятки раз превышающей массу Солнца, тоже вспыхивают, как сверхновые. Но благодаря огромной массе их коллапс имеет гораздо более катастрофический характер. Разрушительное сжатие не прекращается даже на стадии образования нейтронной звезды, создавая область, в которой обычное вещество прекращает свое существование. Остается лишь одна гравитация - настолько сильная, что ничто, даже свет, не может избежать ее воздействия. Эта область называется черной дырой.