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

Categories:

Простая физика - 7. Смерть звезд и типы их "мумий".

     Предыдущим постом я коротко обрисовал физику процессов рождения и жизни звезд. Пора рассказать и о конечных стадиях их жизни, и о том, во что эти звезды превращаются. Разумеется, в самых общих чертах. Ибо разнообразие типов звезд и их окружения слишком велико. Что приводит к нередким отклонениям от описанной ниже схемы.
     Как вы теперь знаете, звезды большую часть своей жизни светят за счет энергии, выделяющейся в ходе простейшей термоядерной реакции - слияния ядер водорода в ядра гелия. Для поддержания которой достаточно температуры в 2-3 десятка миллионов градусов в недрах звезд. Понятно, что в каждой звезде неизбежно наступит момент, когда почти весь водород в недрах звезды выгорит в гелий. И реакция прекратится. Что будет происходить в дальнейшем?
     Недра звезды начнут охлаждаться. И падающее из-за этого давление в них уже не сможет сдерживать их гравитационное самосжатие. Но при таком самосжатии часть высвобождающейся потенциальной энергии вещества звезды идет на его нагрев. И когда температура недр звезды достигнет примерно сотни миллионов градусов, в них начнутся другие термоядерные реакции. Главная из которых по конечному результату - слияние трех ядер гелия в ядро углерода.
     На этой стадии, длительность которой существенно короче водородно-гелиевой, звезда раздувается и становится красным гигантом (в случае достаточно массивных звезд - красным сверхгигантом). Чтобы дальнейшие рассуждения были наглядными, нарисуем на фоне приведенной в предыдущем посте картинки классификации звезд "O, Be A Fine Girl, Kiss Me" схему их смерти:
Смерть звезд
      Из этой схемы видно, что умеренно массивные звезды (классов F, G, K) после весьма быстротечной стадии красного гиганта вспыхивают как "Новые". И, сбросив достаточно массивную оболочку, они превращаются в Белые карлики. Длительность стадии красного гиганта практически равна промежутку времени, в течение которого гелиевые недра звезды в ходе второго термоядерного цикла превращаются в основном в углеродные. У нашего Солнца первый термоядерный цикл (водородно-гелиевый) должен длиться примерно 10 млрд. лет. Половина которого уже в прошлом. А второй (гелиево-углеродный) цикл - почти в сотню раз короче.
     Белый карлик - устойчивый тип "мумии" звезды умеренной массы. Причина его устойчивости в том, что его дальнейшему гравитационному самосжатию и соответствующему повышению температуры в его недрах препятствует давление вырожденного электронного газа. Природу этой вырожденности мы обсуждать здесь не будем. Отметив лишь, что в белых карликах в объеме, занимаемом обычным атомом, умещается до нескольких сотен тысяч - миллиона электронов. 
     Температура в недрах белых карликов недостаточна для термоядерных реакций, в ходе которых ядра углерода могли бы превратиться в ядра с большим числом протонов. Типичный размер белого карлика примерно равен размеру Земли. А поскольку диаметр Земли в сотню раз меньше диаметра Солнца, то типичная плотность вещества белого карлика - несколько тонн в кубическом сантиметре.
     Ближайший к нам Белый карлик - видимый только в приличный телескоп спутник Сириуса, весьма близкой и самой яркой звезды на нашем небосклоне.
     Звезды больших масс (классов О, В, А) после весьма короткой стадии красного сверхгиганта и завершения гелиево-углеродного цикла тоже сбрасывают оболочку и вспыхивают как "Сверхновые". Их недра тоже сжимаются под действием гравитации. Но давление вырожденного электронного газа уже не может остановить это гравитационное самосжатие. Поэтому температура в недрах этих звезд повышается и в них начинают идти термоядерные реакции, в результате которых образуются следующие элементы таблицы Менделеева. Вплоть до железа
     Почему до железа? Потому, что образование ядер с большим атомным номером идет не с выделением энергии, а с поглощением. Конечно, элементы с большим атомным номером в недрах этих звезд образуются. Но в гораздо меньшем количестве, чем железо.
     А вот дальше эволюция расщепляется. Не слишком массивные звезды (классов А и частично В) превращаются в нейтронные звезды. В которых электроны буквально впечатываются в протоны и большая часть звезды превращается в огромное нейтронное ядро. Состоящее из практически соприкасающихся обычных нейтронов. Плотность вещества в котором порядка нескольких миллиардов тонн в кубическом сантиметре. А типичный размер нейтронной звезды - порядка десяти километров. Нейтронная звезда - второй устойчивый тип "мумии" умершей звезды.
     Нейтронные звезды обнаруживают себя обычно как пульсары. Что это такое? Практически все звезды обращаются вокруг своей оси и обладают достаточно сильным магнитным полем. Например, наше Солнце делает оборот вокруг своей оси примерно за месяц. Представьте себе, что его диаметр уменьшится сто тысяч раз. Ясно, что вращаться он будет гораздо быстрее. И магнитное поле такой звезды будет вблизи ее поверхности гораздо сильнее солнечного. Большинство нейтронных звезд имеют период оборота вокруг своей оси в десятые - сотые доли секунды. 
     А теперь представьте себе, что у такой звезды магнитная ось, как и у Земли, не совпадает с осью вращения. Жесткое излучение от такой звезды будет концентрироваться в узких конусах вдоль магнитной оси. И если эта ось будет с периодом вращения звезды "задевать" Землю, то эту звезду мы будем видеть как пульсирующий источник излучения. Наподобие вращаемого нашей рукой фонарика.
    Такой пульсар (нейтронная звезда) образовался сразу после вспышки сверхновой 1054 года, случившейся как раз во время визита кардинала Гумберта в Константинополь. По результатам которого произошел окончательный разрыв между католической и православной церквями.
    Наконец, достаточно массивные звезды (классов О и частично В) заканчивают свой жизненный путь третьим типом "мумии" - черной дырой. Такой объект возникает, когда масса остатка звезды настолько велика (более 3-5 масс Солнца), что давление соприкасающихся нейтронов в недрах этого остатка не может противостоять его гравитационному самосжатию.
     Напрямую черную дыру наблюдать невозможно. Ибо с ее поверхности (если она есть) никакая частица вырваться не может. Даже частица света - фотон. Но косвенно наблюдать черную дыру можно. Один из примеров таких наблюдений - здесь. В нем видна динамика вращающегося вокруг черной дыры аккреционного диска и отбрасываемых черной дырой высокоскоростных струй плазмы (джетов). Свойства же самой черной дыры обсуждать не будем. Ибо они никому не известны.
    Черные дыры появляются не только в результате смерти звезд. В центрах многих галактик существуют сверхмассивные черные дыры. В нашей Галактике такая черная дыра массой в несколько миллионов масс Солнца была идентифицирована по вращению звезд вокруг нее - смотрите динамику! А вот гораздо более массивная черная дыра (в несколько миллиардов масс Солнца) способна нарисовать совершенно потрясающую картину - любуйтесь!
Tags: Звезды, Физика на пальцах
Subscribe
promo moralg march 5, 2018 03:01 43
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 

  • 10 comments