Урок "Еволюція зір" (інтегрований курс "Природничі нвуки"

Шановні члени журі  Всеукраїнського конкурсу навчальних матеріалів до інтегрованого курсу «Природничі науки»!

Наш навчальний заклад Курахівська гімназія «Престиж» (Донецька область, Мар'їнський район)  є учасником всеукраїнського експерименту по апробації інтегрованого курсу  «Природничі науки»

Учитель-конкурсант: Антикуз Олена Володимирівна, учитель фізики вищої кваліфікаційної категорії, учитель-методист; тел. -066-212-56-18, e-mail: elenaant@i.ua

На конкурс пропоную різноманітні навчально-методичні матеріали тільки для 2-х уроків І семестру – тема: «Всесвіт», уроки 42-43:

Урок 42 – «Еволюція зір»

Урок 43 – Практична робота «Визначення стадії еволюції зірок»

Конкурсні матеріали складені у відповідні теки.  Жирним шрифтом виділені розробки уроків, на які необхідно звернути увагу.  Теки «Навчальні матеріали» та «Цифрові ресурси» - містять додатки до уроку 42.

Всі матеріали займають приблизно 50 Мб, якщо не буде можливості викласти дані матеріали на сайт конкурсу, всі матеріали можна знайти за посиланням: https://drive.google.com/file/d/1XZ_LAn_iZ9SwtEpAm8cRzdStkddwV2X5/view?usp=sharing

ТЕКА   Методичні матеріали:

Тека     Навчальні матеріали:

Цифрові ресурси:

Урок 42

Тема. Еволюція зір

Цілі:

• навчальна: продовжити формування фундаментального астрономічного поняття "зірка",  розглянути основні шляхи еволюції зірок залежно від їх маси та космічне явище зміни світності зірок на пізніх етапах еволюції

  розвивальна: з метою формування наукового світогляду учнів про­довжити ознайомлення учнів з методами й способами у пізнанні природи зір; продовжити розкриття ролі моделей під час вивчення реальної дійсності; продовжити формування вмінь – аналізувати інформацію, складати класифікаційні схеми, пояснювати властивості космічних об’єктів на основі найважливіших фізичних теорій.

 виховна: продовжити формування наукового світогляду учнів: - у ході знайомства з еволюцією зірок; на основі розкриття фундаментальних природних закономірностей (причинного взаємозв'язку і взаємозумовленості явищ і процесів, переходу кількісних змін у якісні, єдності і взаємодії протилежностей) і філософських положень про матеріальну єдність і пізнаванності світу при викладі астрономічного матеріалу про зорі; - при вивченні матеріалу про космічні процеси існування і еволюції зірок і зоряних систем.

Нові поняття

• Учні повинні знати:

• основні стадії еволюції зір;
• фізичні процеси, які протікають в надрах зір при різних стадіях її еволюції;
• поняття білий карлик, пульсар, червоний гігант, чорна діра

• Учні повинні вміти: аналізувати навчальний матеріал, використо­вувати узагальнений план для вивчення космічних явищ, робити висновки, пояснювати механізм виникнення чорної діри, та описувати фізичні процеси, що протікають поблизу чорної діри, зоряну еволюцію

• Міжпредметні зв’язки: астрономія, хімія, математика, фізика

• Формування компетентностей:

•  Спілкування державною мовою – обговорення стадії еволюції зір, підготовка текстової інформації про еволюцію зір у вигляді науково-популярної статті;
• Спілкування англійською мовою – пошук необхідної інформації в мережі інтернет, використання англомовної флеш-анімації;
• Математичної – порівняльний аналіз кількості років життя зірок в залежності від їх початкової маси з використанням діаграми ГР
• Інформаційно-цифрової – робота по пошуку потрібної навчальної інформації, робота з Google –формами;
• Інформаційно-цифрової – робота по пошуку потрібної навчальної інформації, робота з Google –формами;
• Уміння вчитися  – ставити перед собою цілі та досягати їх;
• Соціальна  – організація роботи в малих групах

Демонстрації:

1.  Космічні знімки глобул та регіонів зореутворення.
2.  Схеми еволюційних шляхів зір на діаграмі  Герцшпрунга-Рессела
3.  Нейтронні зорі та чорні діри у подвійних зоряних системах

Технічні засоби навчання, наочне приладдя:

1. Мультимедійний проектор, комп’ютер, цифрові ресурси – флеш-анімація «Оголошення теми уроку «Еволюція зір», інтерактивний плакат «Еволюція зір», тести «Еволюція зір», флеш-анімація «Діаграма ГР»
2. Атлас з астрономії стор.

Додаткове обладнання:

1. Робочий зошит з інтегрованого курсу «Природничі науки» (урок 42-43)
2. Тексти для опрацювання в групах
3. Інструкція по проведенню дослідів по моделюванню магнітного моля нейтронної зірки

Розгорнутий план уроку

Перед уроком учнів об’єднують в групи. Кількість груп кратна 4.

АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ОГОЛОШЕННЯ ТЕМИ УРОКУ

Учні дають відповіді на запитання що стосуються вивченої раніше теми «Види зір». Визначають букву, яка відповідає вірній відповіді. Для кожного питання вірна відповідь виділена жирним шрифтом. Кожна група дає  відповідь тільки на одне із запропонованих запитань. Номер групи співпадає з номером питання. Задача учнів – вибрати вірну відповідь та запам’ятати букву, яка відповідає обраній відповіді.

1. Відомо, що всі зорі, які доступні спостереженню мають приблизно однаковий хімічний склад. Практично всі схожі тим, що в складі мають водень та гелій. Чому ж їх спектри так відрізняються один від одного?

Е – Відмінності спектрів цілком залежать від температури поверхні зорі;

Ж- Відмінності спектрів цілком залежать від маси зорі;

К - Відмінності спектрів цілком залежать від конструкції телескопа;

М - Відмінності спектрів цілком залежать від розміру зорі;

2. Вибери всі вірні твердження про візуально-подвійні зорі:

Я – Візуально-подвійні зорі доступні телескопічним спостереженням;

Л- Візуально-подвійною зорею є Міцар сузір’я Великої Медведиці;

М – Візуально-подвійні зорі – це випадково розташовані близькі пари зір на небесній сфері;

3. Вибери всі вірні твердження про зорю Ригель у порівнянні з Бетельгейзе:

В – Найгарячіша;

Д – Найхолодніша

О- Має високу світність

С – Має маленьку світність

Ц– Більш далека;

4. Вибери всі вірні твердження про зорю Сиріус  у порівнянні з Ригель:

І – Найяскравіша;

Д – Найхолодніша

Ю- Найближча

С – Має маленьку світність

Букву вірної відповіді кожна група записує на дошці.  Якщо всі відповіді вірні, на дошці будуть записані букви:  Е, Я, Л, О, В, О, Ц, І, Ю

Пропонуємо учням скласти із запропонованих букв слово – ЕВОЛЮЦІЯ.

Оголошення теми уроку – «Еволюція зір».

При наявності мультимедійного проектора, комп’ютера можна скористатися авторським цифровим навчальним ресурсом 3_ЦР_1 ОГОЛОШЕННЯ ТЕМИ УРОКУ ( див додатки)

ЕТАП ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Звернення до учнів:

Завдання нашого уроку – підготувати науково-популярну статтю з  означеної теми. Як ви вважаєте, з чого необхідно розпочати?

По-перше, необхідно дати тлумачення словосполученню «еволюція зір». Слово «еволюція» зустрічається у різних науках та напрямках діяльності людини.

Що відображають нижченаведені малюнки?

Мал.1-3

1 – еволюція прапору України;

2- біологічна еволюція;

3 – еволюція мобільного телефона

Еволюція лат. evolutio, від evolvo — розгортання) — поступовий розвиток сутності при збереженні її якості в процесі кількісних змін (на відміну від революції, катастрофи, стрибка). Процес зміни, розвитку, перетворення когось, чогось.

Давайте спробуємо дати визначення поняттю еволюції зір.

Еволюція зір - зміна фізичних характеристик, хімічного складу та внутрішньої будови зорі із часом.

Зорі – природні об’єкти. А все у природі має закономірні зміни у часі. Які процеси, пов’язані із часом,  відбуваються із живою природою?

Народження, життя (різні періоди від народження до старіння), смерть.

Для неживої природи – зародження (поява) в результаті катаклізмів (н-д, гороутворення в наслідок руху літосферних пліт), «життя», і послідовне руйнування внаслідок ендогенних та екзогенних процесів.

Зорі також народжуються, живуть активне життя та помирають. Як же це відбуваються, як вчені встановлюють закономірності у світі зірок, від чого залежить еволюційний шлях зірок? Сьогодні вам необхідно це з’ясувати.

Робота в групах. Групи отримують текстову інформацію. Час роботи – 5-7 хвилин. Номер групи (від 1до 4) отримують тексти під номерами 1, 2 - 4.

Текст № 1.

Жодна зоря не світить вічно. Зоряна еволюція описує зміни, які відбуваються в зорях по мірі їх старіння – цикли життя зірок. Такі зміни неможливо спостерігати безпосередньо, так як такі зміни відбуються протягом млрд. років. Астрономи створюють теорію зоряної еволюції, а потім – перевіряють теорію, спостерігаючи на небі  реальні зорі.

Життєвий цикл кожної зорі розпочинається з її утворення із газопилової хмари. На небі можемо спостерігати утворення нової зорі в знаменитій Туманності Оріона, яка знаходиться на відстані 1500 світлових років від Сонця у сузір’ї Оріона. (Знайдіть на зоряній карті Туманність Оріона). Зірку, яка народжується, називають протозорею. Протозоря збирається воєдино силами гравітації, ці сили стягують речовину хмари у центр зорі, та стискають її. Гравітаційне стискання приводить по підвищення тиску та температури у центрі протозорі. Тепло передається із гарячих нард до холодної поверхні  зорі. Протозоря випромінює енергію у космос та світить темно-червоним кольором. При досягненні у центрі температури 10 млн К, у центрі починаються реакції ядерного синтезу. В результаті термоядерних реакцій вивільняється велика кількість енергії.  Коли сила тиску гарячих газів приходить в рівновагу  з силами гравітації, протозоря припиняє стискання  і починає рівномірно  випромінювати власне світло у космос. 

Вкажіть три основних етапи зародження зірки.

• Гравітаційне стискання газопилової хмари
• Збільшення внутрішньої температури і тиску
• Ядерний синтез

Еволюційний шлях зорі залежить від її початкової маси. Проаналізуйте наведені на малюнку теоретичні еволюційні треки на діаграмі Г-Р і опишіть етап зародження зірки в залежності від її маси та дайте відповіді на запитання:

Мал.4

Скільки часу необхідно протозорі (в залежності від її маси), щоб народитися та очутися на головній послідовності діаграми Г-Р:

А) для зорі типу нашого Сонця? 

Б) для зорі з масою, значно більшою маси Сонця?

В) для зорі з масою, значно меншою маси Сонця?

Запропонуйте  для своїх однокласників стислий опорний конспект в якому продемонструйте етап народження зірки.

Текст № 2-4.

Жодна зоря не світить вічно. Зоряна еволюція описує зміни, які відбуваються в зорях по мірі їх старіння – цикли життя зірок. Такі зміни неможливо спостерігати безпосередньо, так як такі зміни відбуються протягом млрд. років. Астрономи створюють теорію зоряної еволюції, а потім – перевіряють теорію, спостерігаючи на небі  реальні зорі.

Життєвий цикл кожної зорі розпочинається з її утворення із газопилової хмари. В залежності від початкової маси, зоря при народженні опиняється на головній послідовності. Початкова маса зорі впливає також і на подальшу еволюцію зорі.

Зорі головної послідовності – це зрілі зорі, які на головній послідовності  знаходяться протягом свого активного життя. Після того, як буде вичерпано ядерне паливо, починається кінцева стадія еволюції зорі.

Проаналізуйте інформацію, представлену на малюнку, та напишіть стислий опис  кінцевої стадії еволюції – смерті зорі в залежності від її маси:

2 група – зоря, масою  менше сонячної маси;

3 група – зоря, типу нашого Сонця;

4 група – зоря, масою значно більше сонячної

Мал.5

Підведення підсумків роботи груп – 5-7 хв

 Групи представляють свої наробки:

Група 1 – опорний конспект про етап народження зорі;

Групи 2 -4 – стислий конспект про кінцеві стадії еволюції зірок, в залежності від початкової маси – група 2 – маса зорі, меншою сонячної; група 3 – зорі типу нашого Сонця; група 4 – зорі, масою значно більшою маси Сонця.

Для представлення результатів роботи з текстами, можна запропонувати цифровий ресурс до уроку 3_ЦР_2 Інтерактивний плакат до уроку (стор 1). Інформацію про стадії еволюції зірки можна отримати при натисканні відповідного малюнка. Зникнення інформації з екрана відбувається при натисканні лівої кнопки миші по даному тексту.

При переході на інші сторінки ресурсу можна переглянути відеоанімації планетарної туманності, чорної діри та відеофрагмент про нейтронні зірки              . Після представлення результатів роботи, учні (робота в групах) складають класифікаційну схему «Еволюція зірок» (завдання 16, див. файл ФРАГМЕНТ робочого зошиту з теми «Еволюція зірок»)

Мал.6

Практичне завдання: виконується за умови доступу учнів до комп’ютерів, в залежності від матеріальної бази кабінету, учитель сам може визначитися, як скористатися даним цифровим ресурсом.

       Скориставшись флеш-анімацією (файл - 3_ЦР_5 Діаграма ГР.swf) визначте які із запропонованих зірок відповідають опису еволюційного шляху, який ви досліджували у першому завданні.

Група 1 – Народження зірки і попадання її на головну послідовність діаграми ГР. Які зорі належать цій послідовності?  Чи всі зорі пройдуть однакові еволюційні шляхи?

Група 2 – Які із запропонованих зірок пройдуть (пройшли) еволюційний шлях, який відповідає еволюції зірок з масою значно менше маси Сонця?

Група 3 -  Які із запропонованих зірок пройдуть (пройшли)  еволюційний шлях такий, як і наше Сонце?

Група 4 – Які із запропонованих зірок пройдуть (пройшли) еволюційний шлях, який відповідає еволюції зірок з масою значно більше маси Сонця?

                                                                                                 Мал.7-8

       Даний ЦР дозволяє розмістити всі зорі на діаграмі ГР в залежності від їх світності та температури. На малюнку 2 – скрин-шот виконаного завдання.

 Поглиблення навчального матеріалу.

       Після розташування запропонованих зірок на діаграмі ГР, де чітко виділяються групи зірок – гіганти, зорі головної послідовності та білі карлики.

Мал.9

Проведення демонстраційного  експерименту:

Обладнання: датчик магнітної індукції цифрової лабораторії «Ейнштейн», реєстратор даних, комп’ютер,  програма MultiLab, неодімові магніти, міксер (детальний опис досліду наведений у додатку 2-Н-2 ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ Моделювання магнітного поля нейтронної зірки)

Мал.10-11

1. Отриманий графік – залежність величини індукції магнітного поля від часу. Яку інформацію можна отримати, використовуючи цю залежність?
2. Чи можна визначити період обертання міксера? Яким чином?
3. Яке відношення даний дослід має до теми «Еволюція зір»?

Учитель демонструє цифровий ресурс 3_ЦР_6 ПУЛЬСАР, в якому демонструється відеоанімація обертання пульсара.

Можна запропонувати виконати проект «Еволюція зір», та більш детально дослідити отриману залежність

Далі вчитель доповнює інформацію про кінцеві еволюції зірок. Див. нижче теоретичний матеріал.

ПОЯСНЕННЯ ВЧИТЕЛЯ  (викладений теоретичний матеріал з теми уроку, який має знати вчитель)

1. Народження та життя зірки

"Історія існування будь-якої зірки - це справді титанічна боротьба між силою гравітації, яка прагне її необмежено стиснути, і силою газового тиску, що прагне її" розпорошити", розсіяти в навколишньому міжзоряному просторі. Багато мільйонів і мільйонів років триває ця" боротьба ". Протягом цих жахливо великих термінів ці сили рівні. Але врешті-решт ... перемога буде за гравітацією ... " - писав відомий радянський астрофізик І. С. Шкловський     Сучасна теорія еволюції зірок добре пояснює загальний хід їх розвитку і повністю підтверджується даними астрономічних спостережень.

Із самих ранніх стадій своєї еволюції аж до своєї смерті зірки перебувають у стані теплової (термодинамічної) рівноваги: процеси виділення енергії в надрах зірок, тепловідведення з надр до поверхні і випромінювання енергії з поверхні зірки збалансовані.
        Зірка віддає (випромінює) свою енергію в навколишній простір, при цьому її температура і тиск зменшується і неврівноважена внутрішнім тиском сила тяжіння стискає зірку, здійснюючи роботу, що перетворюється в теплоту. Робота сил тяжіння при стисканні зірки вдвічі більше, ніж відвід енергії назовні (гравітаційна енергія зірки вдвічі більше енергії теплового руху часток газу), тому зірки мають негативну теплоємність.

 У кожному шарі зірки внутрішній (променевий) тиск газу врівноважується силою тяжіння.

        Розрахунок значень основних параметрів внутрішньої будови зірок можна зробити за допомогою законів механіки, молекулярної фізики і термодинаміки.
              Для хімічно однорідних зір головної послідовності, густина речовини плавно змінюється по радіусу, сила тяжіння  F_T визначається масою речовини в радіальному стовпу висотою r, площею S та значенням прискорення вільного падіння g.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ УЧНІВ (по ходу викладу матеріалу)

Використовуючи схему, як ілюстрацію, поясніть внутрішню будову зір головної послідовності

Мал.13

1. Ядро зорі (зона термоядерних реакцій)
2. Зона променевого переносу енергії, що виділяється в зоні ядерних реакцій
3. Зона конвекції (конвективного змішування речовини)
4. Гелієве ізотермічне ядро із виродженого газу.
5. Оболонка ідеального газу

Ознайомлення  учнів із заключними етапами еволюції («життя») зорі:

Перетворення водню в гелій у ядрі зорі призводить до збільшен­ня маси центральної частини зорі, поблизу неї збільшується сила ваги і сила газового тиску, що її врівноважує. Газ, згущаючись, стає дедалі більш «непрозорим» для випромінювання, що несе енергію. Ядро збільшується в масі, але стає меншим за розміра­ми й дедалі слабше притягує речовину зовнішніх, віддалених від нього шарів зорі. Зоря «розпухає», розширюється в навколишній простір. При поступовому стиску ядра під дією гравітації полови­на енергії, що виділяється, іде на збільшення кінетичної енергії й температури речовини ядра зорі, а друга половина — на випромі­нювання. Температура й тиск у центрі зорі збільшуються. Зростає кількість енергії, що виділяється в зоні термоядерних реакцій, од­нак розміри зорі зростають швидше і на одиницю площі поверхні зорі припадає дедалі менше енергії. Для зовнішнього спостерігача зоря починає «остигати», при цьому у неї одночасно збільшуєть­ся світність, переміщується по діаграмі Герцшпрунга — Рессела вправо й нагору й перетворюється, залежно від маси, у червоного гіганта або надгіганта.

Дані процеси можуть спричинити пульсації зорі: багато черво­них гігантів і надгігантів є неправильними (неперіодичними) або напівперіодичними змінними зорями.

Змінні зорі — міріди — червоні надгіганти, що змінюють свій блиск протягом сотень діб з амплітудою до 10⁸ раз. Так, зоря Миру, ο Кита міняє свій блиск від 3,4^m до 9,3^m за 332^d; зоря с Лебедя змі­нює свій блиск від 2,3^mдо 14,3^m (в 60 000 разів!) за 407^d.

Коли вміст водню в ядрі зменшиться до 1 %, термоядерні ре­акції призупиняться, рівновага між силами гравітації й промене­вого тиску порушується. Ядро зорі різко стискується до величини, за якої енерговиділення через стиск не стане перевищувати втрати енергії на теплопровідність і випромінювання нейтрино. Темпера­тура й тиск поблизу центра зорі зростають настільки, що в ньому почнуть відбуватися термоядерні реакції перетворення гелію у вуг­лець:

⁴Не+⁴ Не—> ⁸Ве + γ; ⁸Be+ ⁴He—> ¹²С+ γ

У міру «згоряння» гелію ядро продовжує стискуватися, темпе­ратура й тиск у ядрі ростуть, і через деякий час поблизу центра зорі почнуться термоядерні реакції перетворення вуглецю в кисень, кисню — у неон і т. ін:

¹²C+ ⁴He—> ¹⁶O + γ; ¹⁶O+ ⁴He—> ²⁰Ne + γ.

Основні етапи ядерної еволюції зір

У ході цих послідовних термоядерних реакціях утворюються важкі хімічні елементи; у надрах зір із масою М>8М_С — аж до ядра елементів групи заліза, що мають найбільшу енергію зв’язку. Швидкість протікання реакцій дедалі прискорюється: гелієве ядро перетворюється у вуглецеве за мільйони років; зоря із «залізним» ядром існує кілька десятків років. Будова такої зорі нагадує цибу­лину: у центрі — ядро з елементів групи заліза діаметром у десятки кілометрів і масою 1,25-2,05М_С, а довкола нього — концентричні оболонки з дедалі легших хімічних елементів аж до гелію й водню. Висока швидкість обертання масивних зір здатна змішувати речо­вину зовнішніх і глибинних шарів і впливати на хід термоядерних реакцій. Конвективні процеси ще сильніше перемішують речовину й виносять «новонароджені» атоми важких елементів (аж до Na, Al, Si) із зоряних глибин у зовнішню оболонку. В атмосферах над­гігантів народжуються дрібні тугоплавкі порошини (графіту (С), силіцій карбіду (Si) і т. ін.) розмірами 0,05-0,25 мкм. Густі пилові оболонки поглинають видиме випромінювання зір, зменшують їх­ній блиск і змінюють спектр.

При кожному стрибкоподібному стиску зоряного ядра довкола нього поширюються дедалі потужніші ударні хвилі, що намага­ються відкинути в навколишній простір речовину зовнішніх обо­лонок зорі.

Такі зорі спостерігаються із Землі як спалахуючі (еруптивні) змінні зорі — нові й наднові.

        На пізній стадії еволюції багато масивних гігантів і надгігантів втрачають свої зовнішні водневі оболонки. Їхні атмосфери інтен­сивно «випаровуються» потужними клоччастими потоками зоря­ного вітру. Розміри окремих хмар, що забирають зі швидкістю до 400 км/с               до 10²⁴   -10²⁸     кг речовини в рік, становлять від 0,1R_C до 4,1R_C. Втрати речовини, яка відноситься зоряним вітром, так ве­ликі, що за кілька десятків тисяч років від зір із початковою масою 35-38М_C можуть залишитися «недогарки» з масою 12-15М_C й навіть ще менше, до   4М_C !

        Їхні оголені гелієві ядра спостерігаються як зорі типу Вольфа — Райє. Середня маса зір Вольфа — Райє 17,8-18,5М₀ (від 1-2М_C до 20-44М_C) при масі вуглецево-кисневого ядра 7,4-10,3М_C. Понад 40 % зір Вольфа — Райє є компонентами тісних подвійних систем, що активно обмінюються речовиною зі своїми компонентами. Це змінює подальший хід і кінцевий результат зоряної еволюції, відтягує термін «смерті» зорі.

Кількісне збільшен­ня взаємодіючих елементів системи — зір, від однієї до двох або трьох, веде до якісної зміни характеристик і властивостей системи: ускладнення характеру еволюції кожного компонента й усієї зоря­ної системи загалом.

Мал.14

Смерть зорі приймає різні форми в залежності від її маси, маси її ядра, характеристик обертання, магнітного поля тощо.

Червоні карлики масою до 0,8М_С живуть довго до 100 млрд. років. По мірі зменшення концентрації водню в ядрі термоядерні реакції повільно угасають, зоря поступово зменшує свою температуру, перетворюється в чорний карлик, в якому сила тяжіння врівноважується тиском іонізованого газу що охолоджується.

Хід еволюції простий:

Червоний карлик головної послідовності                 Чорний карлик

Еволюція зорі з початковою масою 3-8 М_С при масі ядра 1,5М_С протікає

Зоря головної послідовності           

                            Червоний гігант         

                                        Спалах нової          

                                                      Білий карлик

                                                      Планетарна туманність

                                                                                                Чорний карлик

У разі чергового різкого стиску ядра зорі ударна хвиля вибухо­подібно відкидає в навколишній космічний простір зовнішні шари зорі, які слабко притягуються до її центра. Чим менше маса зорі, тим раніше станеться ця подія: зорі з масою ядра М<<М_@ скида­ють оболонку на стадії переходу до «горіння» гелію, зорі з масою  М » 1,5 М_С можуть «дожити» до утворення ядра з кисню й  неону.

  Явище називається спалахом нової зорі: на кілька днів світ­ність зорі, що гине, зростає до 400 тис. разів і залишається такою протягом кількох тижнів або місяців. Оскільки до спалаху зоря часто не спостерігалася неозброєним оком, для давніх астрономів це явище сприймалося як поява на небесній сфері нового яскравого світила. Але насправді це було не народження, а смерть зорі.

      Відкинуті вибухом газові оболонки розширюються зі швидкістю до 1000 км/с й утворюють планетарну туманність, що дуже повільно розсіюється в космічному просторі. Вона має розміри 0,1-1 пк, світиться за рахунок енергії, запасеної під час спалаху нової й перевипромінювання світла близько розташованих зір, і, звісно ж, містить у своєму складі багато гелію, кисню й азоту.

У випадку інтенсивної втрати речовини зорею її смерть може бути «тихою», без спалаху нової: відносно плавне, поступове роз­ширення зовнішньої оболонки червоного гіганта зі швидкістю близько 20 км/с               завершується утворенням планетарної туманності.

У центрі колишньої зорі спостерігається білий карлик — ко­лишнє ядро зорі, що стислося до розмірів менше 10⁴ км (R < 0,007M_C).   Час існування (охолодження) білих карликів — перетворення їх у холодні чорні карлики — становить сотні трильйонів років.

Число білих карликів різного віку в Галактиці досягає 10¹⁰ об’єктів, а їхня сумарна маса разом з масою остиглих чорних кар­ликів, за оцінками ряду учених, може досягати 10¹¹ кг!

Еволюція зір масою 10-15М_С (з масою ядра до 1,5-2,5 М_С ) протікає інакше:

Зоря головної послідовності           

                            Червоний надгігант         

                                        Спалах наднової          

                                                      Нейтронна зоря

                                                      Волокниста туманність

                                                                                                Чорний карлик

Із Землі смерть зорі виглядає як спалах наднової зорі. Під час спалаху наднової виділяється енергія до 10⁴³ Дж! Світність зорі, що гине, зростає в сотні мільйонів разів, і протягом декількох тиж­нів і навіть місяців зоря випромінює світла більше, ніж ціла галак­тика!

За спостережуваними характеристиками наднові поділяються на 2 групи:

 1) наднові I типу породжуються колапсом зір з масою ядра
близько 2М_С, збагачені гелієм, вуглецем і киснем (зорі типу Воль-
фа—Райє, білі карлики, що зіштовхуються, в тісних подвійних
системах та інші.) і виділяють під час вибуху енергії до 4-10⁴² Дж. .
У їхніх спектрах немає ліній водню, а крива блиску й світність
у максимумі майже однакові. Протягом 15 діб їхній блиск плавно
збільшується на 17^m потім кілька діб вони перебувають у максимумі блиску (при цьому вони виділяють енергії близько 4,5-10³⁶               й їхня світність досягає 1,2 10¹⁰Дж/с; далі протягом 300-350 діб їхній блиск спочатку швидко, а потім дедалі повільні­ше знижується;

2) наднові II типу породжуються колапсом масивних молодих
зір і виділяють під час вибуху енергії до 10⁴² Дж. Їхні спектри бага­ті водневими лініями, а криві блиску дуже різноманітні. Їхній блиск збільшується протягом 20 діб; у максимумі блиску вони виділяють енергії близько 7,5*10³⁵Дж/с; блиск знижується протягом 150 діб.

Спалах наднової починається з викиду речовини двома вузькими струменями (джетами) уздовж осі обертання стискального ядра зорі. Серія ударних хвиль поширює джет у всій оболонці, спричиняючи сферично-симетричний розліт речовини. Оболонка зорі розширюється в просторі зі швидкістю 5000-10 000 км/с, створюючи ударну хвилю й волокнисту газову туманність масою 3⋅10²⁹-6⋅10³⁰. 3 розмірами 20-40 пк, що має симетричну форму й випромінює за рахунок енергії, запасеною оболонкою наднової під час вибуху (волокниста туманність Бумеранг в 5000 св. років від Землі, що розширюється зі швидкістю 165 км/с, вважається  «найбільш холодним» об’єктом Метагалактики з температурою, нижчою від температури реліктового випромінювання 2,7 К). У складі речовини волокнистих туманностей міститься багато важ­ких і надважких хімічних елементів, що утворилися під час вибуху зорі. Частота спалахів наднових у Галактиці — 1 раз в 100-300 років.

     У центрі волокнистої туманності ядро, колишньої зорі масою до 1-2М_С, що стислося, утворює нейтронну зірку, у якій тиск нейтронної речовини врівноважує сили гравітації. Під час стиску зорі швидкість її обертання збільшується обернено пропорційно ква­драту радіуса; аналогічно посилюється магнітне поле, що стає в 10¹¹ -10¹³   раз потужнішим за сонячне. Вибух прискорює швидкість руху юної нейтронної зорі до 10²-10³ км/с і вона залишає місце свого народження

Нейтронні зорі — «суперзорі»: надмалі за розмірами (8–15 км) і надгусті – 10¹⁴- 10¹⁵ г/см³ об’єкти із середньою масою 1,35М_С, що складаються зі надвиродженої надпровідної речовини, є над-швидкообертовими (10-10⁵ об/с), володіють надпотужними маг­нітними полями (10¹²-10¹³ Гс) і є надприскорювачами частинок надвисоких енергій.

Пульсар — обертова нейтронна зоря, магнітна вісь якої не збі­гається з віссю обертання. У цей час відомо понад 1000 пульсарів — молодих нейтронних зір — джерел імпульсного рентгенівського або радіовипромінювання з періодом 0,033-4,8 с. Середня маса ві­домих нейтронних зір становить 1,2-1,4М_С.

Молоді нейтронні зорі — магнетари — мають надпотужне маг­нітне поле напруженістю до 10¹⁵ Гс: HD 37776 у сузір’ї Оріона має магнітне поле напруженістю 60 000 Гс; SGR 1900+14 у сузір’ї Орла на відстані 20000 св. років від Сонячної системи має магнітне поле, що у 800 трильйонів разів могутніше від земного. Найпотужніше магнітне поле (у квінтильйон разів могутніше від земного!) у магнетара SGR 1806-20 в 40 000 св. років від Землі. Надпотужні маг­нітні поля обумовлюють рентгенівську світність магнетарів, що називаються аномальними рентгенівськими (AXP) пульсарами. При розламах зовнішньої кори магнетарів відбуваються потужні спа­лахи м’якого γ -випромінювання: ці пульсари називають гамма-джерелами (SGR).

       Переважна кількість нейтронних зір (ті, що мали до спа­лаху наднової слабкі магнітні поля) стають радіопульсарами (Т~0,1-3c), максимум енергії їхнього випромінювання припадає на радіодіапазон. Перші 10⁴ років свого існування юна нейтронна зоря є спалахувальним γ-джерелом, наступні 10⁴ років — ренгенівським пульсаром, потім активність нейтронної зорі поступово знижується до цілковитого припинення. У ході подальшої еволю­ції відбувається поступове «загасання» магнітних полів й уповіль­нення обертання нейтронних зір. Через 10 млн років нейтронна зоря перестає бути пульсаром.

Існування нейтронних зір було передбачено Л. Д. Ландау, В. Бааде й Ф. Цвіккі в 1932-1934 р., відкриті вони були А. Хьюїшем і Дж. Белл в 1967 році. Спостерігаються як радіо- і рентгенівські пульсари, спалахувальні рентгенівські й, можливо, γ -джерела.

Загальне число нейтронних зір у Галактиці може досягати де­кількох мільярдів.

Зорі з масами 20-40М₀ (з масою ядра більше 3М₀) мають ін­ший варіант еволюції:

Зоря надгігант класів О,В           

                            Зоря типу Вольфа-Райе         

                                        Спалах наднової          

                                                      Чорна діра + волокніста туманність

На стадії вибуху наднової зорі стиск їхнього ядра не зупиняєть­ся: відбувається «гравітаційний колапс» з утворенням нового типу космічних об’єктів — чорної діри (колапсара).

Чорні діри — гравітаційно зв’язані, непрозорі для випроміню­вання, просторово відокремлені в межах гравітаційного радіуса.

        Чорні діри «зоряного походження» мають середню масу близь­ко 10³¹ кг (до 8-10М_С).    Зовнішні властивості чорних дір опису­ються в рамках загальної теорії відносності, релятивістської й квантової фізики. Внутрішні властивості чорних дір — матерії, близької до синґулярності, стиснутої до густини понад 10⁹⁴ г/см³ при «планківських» розмірах менше 10^-35 м, — сучасні фізичні те­орії описати не можуть. Об’єкт, що «пішов під гравітаційний раді­ус», перестає спостерігатися, оскільки для нього друга космічна швидкість и′ вища від швидкості світла с. Межа області, що не може покинути електромагнітне випромінювання (при и′ = с), на­зивається «горизонтом подій» чорної діри; простір усередині нього називається «сферою Шварцшильда». Виявити чорну діру можна лише за дією її гравітаційного поля, що викривляє шлях світлових променів (ефект «гравітаційної лінзи»), які проходять поряд яз нею, і за рентгенівським випромінюванням речовини, що падає в чорну діру з навколишнього простору (внутрішні області акреційного диска розжарюються до 10⁹ K). За допомогою детекторів гра­вітаційних хвиль можна буде спостерігати рідкісні космічні явища злиття чорних дір і нейтронних зір у тісних подвійних системах (1 раз за мільйон років на 1 галактику), злиття «зоряних» чорних дір (1 раз за 5 мільйонів років на 1 галактику) і навіть злиття надмасивних чорних дір (1 раз за рік на весь Всесвіт!).

Існування чорних дір було передбачено на основі теорії Всес­вітнього тяжіння й корпускулярної теорії світла Дж. Мітчеллом (1783 р.) і П.-С. Лапласом (1796 р.). З погляду загальної теорії від­носності чорні діри були вперше описані в 1939 р. Р. Оппенгеймером; досліджувалися Дж. Уїлером, С. Хокінгом, В. П. Шварцманом, І. Д. Новиковим, В. П. Фроловим й іншими вченими.

Перші дослідники чорних дір вважали, що вони не мають інди­відуальних характеристик. У цей час установлено, що чорні діри можуть бути настільки ж різноманітні за властивостями, як і зорі.

        Поблизу чорної діри змінюються геометричні властивості про­стору й часу. Час існування чорної діри залежить від її маси: стійкими є лише колапсари з масою М₃=10³¹ кг, інші ж поступово «випаро­вуються» за рахунок квантових ефектів, руйнуються тим швидше, чим менше їхня маса. Чорна дірка «народжує» й випромінює час­тинки (при М<10¹¹ кг — фотони, нейтрино, гравітони; при 5⋅10¹¹ <М<10¹⁴ кг — додатково, електрони й позитрони; при М>10¹⁴ кг — більш важкі частинки). Елементарні частинки, що випускає чорна діра, називаються випромінюванням Хокінга.

Загальне число чорних дір у нашій Галактиці становить від кіль­кості нейтронних зір і, ймовірно, перевищує 10 000. Відкрито кіль­ка чорних дір з «надзоряною» масою понад 100М₀, що утворюють­ся, як вважають, під час злиття десятків і сотень дрібних чорних дір поблизу центрів галактик (маса чорної діри поблизу центра М82 приблизно становить від 500 до 100 000 М_@), і надмасивні чор­ні діри в центрах галактик з масою 10⁷-10⁸М₀. Чорні діри є по­тужними джерелами поляризованих гравітаційних хвиль.

Згідно з деякими сучасними даними, колапс окремих зір може бути «тихим» і відносно повільним, без спалаху наднової.

Перетворення ядер зір-надгігантів у чорні діри може відбува­тися протягом двох етапів: спочатку утворюється масивна, над­швидкісно обертова нейтронна зоря, колапсу якої перешкоджає відцентрова сила. За кілька десятків років надпотужне магнітне поле знижує швидкість обертання й нейтронна зоря, випустивши потужний імпульс γ-променів, перетворюється на чорну діру.

Зорі з масами понад 90М₀ внаслідок надпотужного вибуху під час спалаху гіпернової повністю розпорошуються в навколишньо­му просторі. Енергія вибуху гіпернових у десятки й сотні тисяч ра­зів перевищує енергії спалахів наднових і досягає 10⁴⁵-10⁴⁷ Дж

Життєвий шлях зорі масою М = 1М_&

Основні етапи еволюції зорі:

1. — гравітаційний стиск протозоряної хмари;
2. — протозоря;
3. — стабільне положення зорі на головній послідовності, енер­гетика заснована на термоядерних реакціях перетворення водню в гелій;
4. — утворення гелієвого ядра й перетворення зір у червоного гі­ганта й далі надгіганта;
5. — червоний надгігант;
6. — пульсуюча змінна зоря, у надрах якої утворюється вугле­цеве ядро;
7. — спалах нової, утворення планетарної туманності;
8. — білий карлик;
9. — остиглий чорний карлик

Мал. 15 Еволюція масивних зір

Еволюція зір відображена на діаграмах Герцшпрунга— Рессела «спектр—світність» й «температура—світність». Життєвий шлях зорі, послідовні етапи її розвитку лежать уздовж діаграми вигадли­вою кривою лінією — треку еволюції зорі (рис. 15-16).

Всі основні фізичні характеристики зорі поступово змінюють­ся упродовж її «життя». Одні — світність, спектр, розміри й гус­тина — змінюються досить різко й сильно, інші (маса) — відносно слабко. Зорі зрушуються («виходять») на головну послідовність із правої частини діаграми — області протозір, коли усередині них починаються термоядерні реакції. На головній послідовності, що містить у собі переважне число зір, оскільки вона відбиває най­більш тривалий етап життя нормальних зір, у їхніх ядрах протіка­ють термоядерні реакції «водневого» горіння. Потім зоря перемі­щається вправо й нагору, в область червоних гігантів.

Термоядерні реакції вуглецево-кисневого й наступного циклів, що послідовно спалахують, можуть ненадовго, на дедалі коротші проміжки часу, ривками відсувати її вліво, уздовж осі абсцис, але повернення в область холодіючих червоних надгігантів неминуче. Для маломасивних зір усе закінчується спалахом нової й падінням у нижню область діаграми — у послідовність білих карликів і по­дальшим стомільярднорічним остиганням зліва направо уздовж ді­аграми до стану чорного карлика. У більш масивних зір їхні ядра, що стиснулися після спалаху наднової у нейтронні зорі й чорні діри, залишають діаграму зовсім.

Запитання до учнів у ході викладу нового матеріалу:

1. Які об'єкти є областями зореутворення в Галактиці?
2.  Що таке протозірка?
3.  Які реакції відбуваються в зірці на стадії головної послідовності?
4. Яке основне джерело енергії зір головної послідовності?
5. Що таке: світла туманність, темна туманність, газові та газопилові хмари?
6. Чому міжзоряні газ та пил не розподіляються у просторі рівномірно, а концентруються в хмари?
7. Що таке протозоря, вкажіть яким чином вона утворюється.
8. Які процеси протікають в надрах зір головної послідовності?
9. Що таке зоряний колапс?
10. Яким чином може змінюватися світність зір?
11. Яке співвідношення існує між світністю зорі та її масою, за допомогою якого можна оцінити час знаходження зорі на головній послідовності?

Закріплення нового матеріалу:

1. Із запропонованих фотографій ділянок зоряного неба, виберіть ті, які демонструють різні етапи зоряної еволюції, прокоментуйте стадію еволюції, що відповідає фотографії

2. Завдання для кожної групи – написати стислу інформацію про відповідну стадію еволюції, яка представлена малюнком (кожна група опрацьовує тільки один малюнок)
3. Робота з тестами (використовується додаток 3_ЦР_3 Тест Еволюція зір): За умови наявності доступу всіх учнів (або груп) до мережі інтернет, можна цей тест перенести у Google-форму, (нижче наведені скрин-шоти з авторського цифрового ресурсу, всього 16 питань, нижче наведені малюнки різних питань – вказати місце на діаграмі, співставлення, визначення порядку, заповнення текстової інформації, вибір слова із запропонованих)

Підведення підсумків уроку. Виставлення оцінок

Про що ми дізналися на уроці:

• Зоряна еволюція – це зміни, які відбуваються із зорями протягом їх старіння;
• Білий карлик, нейтронна зоря, чорна діра – кінцеві стадії еволюції зір, кінцева стадія еволюції зірки залежить від початкової маси зорі;
• Три етапи утворення зір – гравітаційне стискання газопилової хмари, збільшення внутрішньої температури та тиску, ядерний синтез
• Народження зірки типу нашого Сонця  триває близько 30 млн років, народження зорі, маса якої перевищує масу Сонця – 100 000 років, народження зорі з масою, значно менше маси Сонця – біля 100 млн років
• Довше всього живуть зорі з малими масами (червоні карлики), менше всього масивні зорі (блакитні гіганти);
• Зоря головної послідовності перетворюється в червоний гігант коли вичерпано всі запаси водню
•  

Домашнє завдання:

1. Опрацювати §
2. Робочий зошит  (див. додаток до роботи 2_Н_1 Фрагмент робочого зошиту)

За бажанням: Підготувати електронний ресурс (презентацію, відео тощо) про визначені стадії еволюції зірок.