Астрогалактика

Через тернии к звездам!

Звезды. Сверхновые звезды


Карта сайта

            
Астрономия
древнейшая из наук
 Античная астрономия
 Хронология астрономии
 Современная астрономия
Основы астрономии
 Начала астрономии
 Время и небесная сфера
 Созвездия
 Движение небесных тел
 Астроприборы
 Астрофизика
 Обзоры астрооборудования
 Астрономические наблюдения

Общая астрономия
 Солнечная система
 Звезды
 Наша Галактика
 Внегалактическая астрономия
 Внеземные цивилизации
 Астрономы мира и знаменательные даты

Дополнительно
 Форумы Astrogalaxy.ru
 Астрономия для детей
 Планетарии России
 Это интересно
 Новости астрономии
 О проекте






Звезды. Сверхновые звезды. Гравитационный коллапс массивных звезд

По современным представлениям в звездах главной последовательности с массой больше 10 М термоядерные реакции проходят в невырожденных условиях вплоть до образования самых устойчивых элементов железного пика. Масса эволюционирующего ядра слабо зависит от полной массы звезды и составляет 2–2,5 М . В настоящее время известны два основных фактора, приводящие к потере устойчивости и коллапсу:

  • при температурах 5–10 миллиардов градусов начинается фотодиссоциация ядер железа – «развал» ядер железа на 13 альфа-частиц с поглощением фотонов: Fe56 + γ > 13He4 + 4n,
  • при более высоких температурах – диссоциация гелия He4 > 2n + 2p и нейтронизация вещества (захват электронов протонами с образованием нейтронов).

    Сброс оболочки звезды объясняют взаимодействием нейтрино с веществом. Распад ядер требует значительных затрат энергии, т.к. представляет собой как бы всю цепочку термоядерных реакций синтеза водорода в железо, но идущую в обратном порядке, не с выделением, а с поглощением энергии. Вещество теряет упругость, ядро сжимается, температура возрастает, но все же не так быстро, чтобы приостановить сжатие. Большая часть выделяемой при сжатии энергии уносится нейтрино. Таким образом, в результате нейтронизации вещества и диссоциации ядер происходит как бы взрыв звезды внутрь – имплозия. Вещество центральной области звезды падает к центру со скоростью свободного падения. Образующаяся при этом гидродинамическая волна разрежения втягивает последовательно в режим падения все более удаленные от центра слои звезды.

    Начавшийся коллапс может остановиться упругостью вещества, достигшего ядерной плотности (ρ = 2,8•1014г/см3) и состоящего в основном из вырожденных нейтронов (нейтронная жидкость). При этом образуется нейтронная звезда. Оболочка звезды приобретает огромный импульс (скорее всего, передающийся нейтрино) и сбрасывается в межзвездное пространство со скоростью 10 000 км/с. Такие остатки вспышек сверхновых при расширении взаимодействуют с межзвездной средой и заметно светятся. В некоторых типах остатков (т.н. плерионы) основная энергия в оболочку поступает в виде релятивистских частиц, рожденных быстровращающейся нейтронной звездой с сильным магнитным полем – пульсаром. При коллапсе ядер самых массивных звезд с массой более 40 масс Солнца имплозия ядра, по-видимому, приводит к образованию черной дыры.

    Области термоядерного синтеза в массивной звезде. Вспышки сверхновых типа Iа, по-видимому, вызваны коллапсом белого карлика входящего в состав двойной звездной системы, при достижении им массы, близкой к пределу Чандрасекара, в процессе перетекания вещества с расширившейся в ходе эволюции соседней звезды. Причина потери устойчивости белого карлика – нейтронизация и эффекты общей теории относительности. Основными элементами Вселенной являются водород и гелий. Нуклеосинтез в ранней Вселенной остановился на H, 4He, 3He, D, T, 7Li и ничтожной примеси более тяжелых элементов. Поэтому все элементы, начиная с углерода, образуются при термоядерном горении вещества в звездах и при взрывах сверхновых путем захватов протонов и ядер, 6Li, 9Be, 10B, 11B.

    При вспышках сверхновых температуры столь высоки, что устанавливается термодинамическое равновесие и протоны и нейтроны захватываются все более тяжелыми ядрами, образуя элементы вплоть до 56Fe. Эти тяжелые элементы опять поступают в межзвездную среду, из них образуются звезды, обогащенные тяжелыми элементами. Наше Солнце – типичный представитель таких звезд, богатых железом и другими элементами. В процессе эволюции плотность и температура в центре звезды растут. При плотности ρ = 1010 кг/м3 физические свойства вещества внутри звезды существенно меняются. Газ внутри звезды перестает быть идеальным. Квантово-механическим взаимодействием частиц уже нельзя пренебрегать, так как характерные расстояния между ними меньше дебройлевской длины волны λ = h/p.

    Если масса звезды меньше 2,5 M , то в процессе эволюции происходит реакция превращения протонов в нейтроны: p + e– > n + e. При этом сжатие звезды останавливается на стадии нейтронной звезды.

    Ядерная эволюция в недрах звезд постоянно сопровождается увеличением относительного содержания нейтронов: если в начале эволюции в веществе, состоящем на 75 % из водорода и 25 % из гелия, на 6 протонов приходится 1 нейтрон, то уже после образования гелия у звезд главной последовательности это соотношение уменьшается до 1:1. С ростом плотности и началом вырождения электроны приобретают из-за принципа Паули релятивистские скорости.

    • Начинаются ядерные реакции:
    • 3He + e– > 3H + ρ e при плотности ρ > 106 кг/м3 (энергия выхода 18 кэВ),
    • 4He + e– > 4H + ρ e при плотности ρ > 1011 кг/м3 (энергия выхода 20 МэВ),
    • и так далее вплоть до 56Fe + e– > 56Mn + ρ e (энергия выхода 4 МэВ).

    Распад образующихся радиоактивных ядер запрещен принципом Паули, т.к. электроны вырождены и все возможные состояния заняты. При нейтронизации упругость вещества уменьшается, так как уменьшается концентрация электронов при сохранении плотности барионов. Поэтому нейтронизация вещества является одним из основных физических процессов, приводящих к коллапсу звездных ядер на поздних стадиях эволюции звезд.

    Другая причина потери устойчивости звезды – эффекты общей теории относительности. В ОТО давление вещества дает вклад в силу притяжения (образно говоря, давление «весит»), поэтому при больших плотностях и давлениях вырожденного газа эффекты ОТО приводят к дополнительным градиентам давления, стремящимся сжать звездное вещество. При нейтронизации вещества звезда очень быстро теряет устойчивость: потеря упругости приводит к сжатию и нагреву, но отрицательная теплоемкость обычных звезд здесь перестает срабатывать, так как давление газа, противодействующее сжатию, не зависит от температуры. Большая часть энергии сжатия уносится нейтрино, образующимися при нейтронизации, и даже если рост температуры при коллапсе снимает вырождение электронов, то энергия продолжает уноситься антинейтрино в ходе процессов бета-распадов перегруженных нейтронами ядер.

    Необратимые потери энергии при прямых и обратных бета-распадах получили название УРКА-процессов (впервые рассмотрены Гамовым и Шенбергом). Объемные потери энергии при УРКА-процессах сильно зависят от температуры. Таким образом, на финальных стадиях эволюции нейтринная светимость звезд, составляющая на главной последовательности всего несколько процентов от фотонной светимости, значительно возрастает и становится преобладающей.



    Источник информации: "Открытая астрономия 2.5" "ООО "ФИЗИКОН"

    Главная страница раздела

Copyright © 2004 - 2016, Проект 'Астрогалактика' • выпущен 12.07.2004
Top.Mail.Ru