Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 41. Старение и смерть звезд. Белые карлики.

      Основную часть своей жизни звезды проводят на главной последовательности. Питаясь энергией пережигания ядер водорода (протонов) в ядра гелия (альфа-частицы). Но запасы протонов не бесконечны...


      И звезды нашли, пусть и кратковременный, выход. Переходя на питание энергией пережигания ядер гелия в ядра элементов второй и частично третьей строк таблицы Менделеева. Вплоть до железа  (атомный номер 26). Почему железа? Потому, что процесс образования ядер массивнее железа идет не с выделением, а с поглощением энергии. И, следовательно, такая термоядерная реакция не может быть самоподдерживающейся. Поэтому рассмотрим, как протекает старость и наступает смерть звезд. И каковы мумии умерших звезд. Разумеется, на качественном уровне. Без излишних подробностей, выявленных в модельных расчетах и наблюдениях.

      1. Старение звезд.
      Когда запас протонов в центральной части звезды истощается, термоядерная реакция образования ядер гелия из протонов прекращается. Прекращается выделение энергии и эта часть звезды начинает охлаждаться. Падает и давление в ней, поддерживающее равновесие недр звезды от гравитационного самосжатия звезды. Достаточно быстрое сжатие центральной части звезды в свою очередь ведет к раздуванию ее внешних частей (на качественном уровне это можно понять, вспомнив законы сохранения энергии и импульса). Радиус звезды возрастает. Эти процессы, включая и судьбу звезд разной массы, видны на следующей, несколько грубоватой, диаграмме:

      По мере сжатия гелиевых недр звезды температура в них растет. И для не слишком маломассивных звезд в какой-то момент начинает превышать величину порядка 100 миллионов градусов. В таких условиях начинаются термоядерные реакции, в результате которых из ядер гелия и протонов начинают рождаться ядра элементов второй строки таблицы Менделеева. Ядра лития, бериллия и бора малоустойчивы и быстро разрушаются. Поэтому распространенность этих элементов в природе весьма мала. Зато ядра основных биогенных элементов достаточно устойчивы. Общая картина распространенности в природе элементов таблицы Менделеева видна из следующей диаграммы (по вертикали логарифмический масштаб):

      Обращает на себя внимание любопытный факт - ядра элементов с четными номерами (четным числом протонов) распространены в природе на порядок-полтора изобильнее, чем соседствующие с ними ядра элементов с нечетными номерами. Это объясняется тем, что реакции слияния альфа-частиц (ядер гелия) идут легче, чем реакции слияния альфа-частиц с дейтерием или тритием (тяжелых изотопов водорода).
      В целом процессы старения звезд оказались гораздо плодотворнее их основной жизнедеятельности. Именно они создали базу для зарождения жизни на планетах звезд второго и последующих поколений и дали высшим проявлениям этой жизни приличный запас элементов для развития цивилизаций.

      2. Смерть звезд.
      Как далеко заходят процессы наработки более тяжелых элементов из ядер гелия в недрах звезд? Это зависит от массы звезды. В недрах самых маломассивных звезд термоядерные реакции такого типа могут вообще не начаться. В более массивных они генерируют ядра части элементов второй строки таблицы Менделеева. В самых массивных такие реакции генерируют ядра всех элементов вплоть до железа (№ 26). Но в любом случае после прекращения этих реакций наступает смерть звезды. А вот форма мумии умершей звезды зависит от ее первоначальной массы. В этом разделе мы рассмотрим только одну из форм возможных мумий звезд - белые карлики.

      3. Белые карлики.
      В белые карлики превращаются умершие звезды с первоначальными массами вплоть до M ~ 8 - 10 Msun (масс Солнца). При этом умирающие звезды в процессе умирания сбрасывают большую часть свой массы, находящейся во внешней части звезды, в окружающее звезду пространство. Так, что конечная масса белого карлика не превышает 1,2 Msun.

      Размеры белых карликов обычно сравнивают с размером Земли. А объемная плотность вещества в них согласно Википедии оценивается в пределах ρ ~ 105 - 109 г/см3. Чудовищная плотность! Вплоть до тысячи тонн в кубическом сантиметре.

      Обычно говорят, что равновесие белого карлика обеспечивается балансом сил гравитации и давления вырожденного электронного ферми-газа. Уверен, что большинству читающих это определение абсолютно непонятно о чем идет речь. Поэтому зайдем с другой стороны и попытаемся понять что есть белые карлики другим способом.

      При максимальной из указанных выше плотностей (ρ 109 г/см3) в каждом кубическом сантиметре содержится n 0,3*1033 электронов (полагаем, что на один электрон приходится пара из протона и нейтрона). Это означает, что размер "кубика", занятого электроном равен d 1,5*10-11 см. Будем рассматривать эту величину как неопределенность координаты электрона. Тогда из соотношения неопределенности Гайзенберга ΔхΔp  ħ и того факта, что p = mev следует, что неопределенность скорости электрона Δv ~ ħ/(med) ≈ 2,5 скорости света. Отсюда следуют два вывода:
      а) Верхняя оценка плотности вещества в белых карликах примерно на порядок явно завышена. Ибо сверхсветовых электронов не бывает. То есть, предельная плотность вещества в белых карликах не превышает величины ρмах ~ 108 г/см3.
      б) Белые карлики предельной плотности по своей сути есть шары максимально сжатой электронной жидкости из почти релятивистских электронов. В которой плавают ядра гелия, углерода, азота, кислорода и других элементов. Вплоть до, как показывают расчеты, ядер магния (более тяжелые ядра в недрах звезд с первоначальной массой меньше 8 - 10 Msun  вряд ли образуются в достаточно приличных количествах). Надеюсь, это определение заметно понятнее, чем вырожденный электронный ферми-газ.

      В следующих псто мы обсудим природу мумий звезд типа нейтронных звезд и черных дыр.

Tags: Маленькие рассказы о космосе, Начала физики
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Конец МКС?

    Объявлено о прекращении участия России в МКС. Аккуратно объявлено - после 2024 года. Как раз тогда, когда истечет второе продление ее эксплутации…

  • Птичка поет кольцами...

    Не только лишь особо тренированные курильшики способны выпускать дым кольцами. Делают это и птички. Разумеется, выпуская из клюва не дым, а…

  • Путин, скорее всего, согласится. И потому окончательно проиграет.

    Политика - это игра в мяч. И тот, кто отдает мяч-инициативу в руки противника, тот, как правило, проигрывает. Менее суток в руках Путина был…

promo moralg march 5, 2018 03:01 44
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 8 comments