Технические науки

Как умирают звёзды. Часть 1: Смерть

Остаток сверхновой Кеплера.

Остаток сверхновой Кеплера. NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair / wikimedia.org (CC0 1.0)

Мы решили попросить некоторых увлеченных студентов и молодых исследователей поделиться с нами, что они изучают. Вторую серию лекций для нас читает магистр кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова Александр Сабитов. Он рассказал нам о последних этапах существования звёзд и о том, как «после смерти» они перерождаются в другие космические объекты.


 

До каких пор горит звезда

Основным параметром для звезды, который определят её дальнейшую эволюцию, является масса. Чем массивнее звезда, тем дальше зайдут термоядерные реакции синтеза, которые поддерживают её существование и горение, и тем плотнее будет в конечном итоге её ядро. Чем звезда легче, тем меньше интенсивность протекающих в ней процессов, и поэтому тем дольше в ней горит водород.

Звёзды, в которых горит водород — это звёзды главной последовательности, их 95% от всех во вселенной.  Как только в них догорает водород, там запускаются следующие реакции — это реакции, в которых начинается термоядерный синтез гелия и следующих, более тяжёлых элементов.

Если звезда достаточно массивная, то в ней реакции могут дойти до того, что образуется железо:Fe-56. Оно является наиболее стабильным элементом (именно элементом, не частицей). После железа термоядерные реакции уже протекать не могут, так как там уже в результате слияния энергия будет затрачиваться, а не выделяться. Так что после железа ядрам выгоднее разваливаться.

Жизненный цикл Солнца

Жизненный цикл Солнца. Айсик Бендер / wikimedia.org (CC BY 3.0)

Старение звезды

Однако основная стадия жизни звезды — это горение водорода. Оно длится миллиарды лет. Солнцу сейчас 4,5 млрд лет, и всё это время горит водород, и ещё примерно столько же, если не больше, он будет там гореть.

Со временем Солнце будет становиться всё больше и горячее, но мы это не сразу заметим. Но вот момент, когда там закончит гореть водород, он очень характерен тем, что произойдёт глобальная перестройка звезды. Вот сейчас что происходит: давление пытающегося упасть внутрь звезды вещества, уравновешивается излучением, то есть давлением света наружу. В результате противодействия двух этих сил сохраняется равновесие, и звезда остаётся стабильна в своих размерах. Кстати впервые экспериментально доказал это обстоятельство русский ученый П.Н.Лебедев.

Постепенно это равновесие будет смешаться, а звезда будет расти, и в момент, когда закончит гореть водород, для того, чтобы загорелся гелий, внутренние слои подсожмутся, а внешняя оболочка улетит, и образуется красный гигант. Если сейчас Солнце — это жёлтый карлик, то станет оно красным гигантом. Оно вырастет до такой степени, что его оболочка достигнет орбит внутренних планет: по оценкам, где-то до Венеры. И вот после этого начнёт гореть гелий, потому что для горения гелия просто нужна большая температура, а самый простой способ сделать больше температуру — это сделать больше давление.

рождение звезд

NGC 604, огромная звёздообразующая туманность в Галактике Треугольника. NASA, Hui Yang University of Illinois ODNursery of New Stars / wikimedia.org (CC0 1.0)

Почему звезда становится карликом

Как вообще зажигаются звёзды. В космосе есть огромное количество вещества, и иногда за счёт случайных флуктуаций в скоплениях космической пыли (протопланетных облаках) оно может собираться в кучки и само на себя падать, создавать давление. Постепенно давление становится всё больше и больше и больше, и в какой-то момент температура повышается и звезда вспыхивает. Точно также происходило где-нибудь в Средневековье в деревенских кузницах, когда они находились на равнине, а вокруг было болото. Из него добывали какое-нибудь метеоритное железо, а кремния у них не было. Как же они могли разжечь костёр? Брали металлическую заготовку, клали её на наковальню и били по ней молотом. Эта заготовка нагревалась просто за счёт того, что ей сообщали энергию. После этого её подносили к чему-то, что могло тлеть, и вот так без кремния кузнецы могли разжигать костёр. И точно так же зажигаются звёзды.

Чтобы перейти от этапа горения водорода к этапу горения гелия, а потом дальше и дальше, нужно, чтобы ядро становилось плотнее. И вот хорошо, у нас звезда оказалась недостаточно тяжёлой, до горения железа не дошло, выгорел последний элемент, и энерговыделение наружу прекратилось. И что происходит? — Она начинает сжиматься, а внешние оболочки будут при этом улетать. Если масса этой звезды была меньше 1,4 масс Солнца, то такая звезда станет белым карликом. Что будет мешать ей дальше сжиматься, если удерживающий равновесие термоядерный синтез прекратился? — Тут уже будут действовать квантовые эффекты, а конкретно давление электронного газа наружу (об этом подробнее в одной из лекций). При этом звезда станет очень плотной: плотность вещества в её центре будет сравнима с плотностью самих атомных ядер. И если до этого её размер составлял где-то 100 радиусов Земли, то станет она размером с Землю или даже меньше.Есть белые карлики радиусом 4000 километров, 3000 километров, даже 800 километров, а радиус Земли 6300 километров.

истема KOI-256, состоящая из красного и белого карликов.

Система KOI-256, состоящая из красного и белого карликов. Иллюстрация NASA. NASA/JPL-Caltech / wikimedia.org (CC0 1.0)

Вечная звёздная пенсия

Этот процесс называется коллапс ­— схлопывание. В результате него вокруг звезды образуется красивая туманность и излучается очень много энергии. И первые сотни тысяч лет у оставшейся звезды будет ещё достаточно большой диаметр, и она ещё будет достаточно горячей, но со временем она будет остывать и сжиматься. Это называется стадия пред-белого карлика (pre-whitedwarfs). На этой стадии основные потери энергии происходят за счёт таких частиц, как нейтрино.Пред-белые карлики производят их гораздо больше, чем обычные звёзды, потому что активное рождение этих частиц происходит только при очень большой плотности и температуре, которые можно наблюдать как раз в пред-белых карликах. Нейтрино по массе в 500000 раз меньше электрона и очень плохо взаимодействуют с обычным веществом,даже хуже чем фотоны—частицы света,  поэтому они легко могут проходить сквозь материю и покидать даже ядро сверхплотных белых карликов. В связи с этим они способствуют достаточно быстрому охлаждению звезды.

Фотоны же — частицы, которые переносят свет — могут излучаться только с поверхности, а из ядра они до неё могут добираться 1000 лет. Обычные звёзды как раз таки производят в основном фотоны.Фотоны же переносят свет и энергию, поэтому обычные звёзды яркие. Белые же карлики производят мало фотонов, поэтому они тусклые. Когда производство нейтрино в предбелых карликах заканчивается, наступает уже стадия белого карлика.

Охлаждение белых карликов за счёт излучения фотонов, которых в них немного, и которые излучаются только с поверхности — это очень долгий процесс, практически вечный. Оно может длиться миллиарды и миллиарды лет. Однако когда-нибудь они всё же остынут и станут тусклыми-тусклыми так называемыми чёрными карликами, которые мы уже не будем видеть.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать друзьям

1 Комментариев

Подписаться на рассылку

Комментарии
  • Автор: Николай Борисов https://www.facebook.com/app_scoped_user_id/303489816709288/ Добавлено июля 23, 2017 в 11:18

    “Фотоны же — частицы, которые переносят свет”…грузовик перевозит груз…а что же вкладывается в понятие свет? Это же электромагнитное излучение с длиной волны примерно от 0,11 мкм до 0.76 мкм…пожалуйста, уточните…эти понятия…

Войти с помощью 

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях

В наших группах вы можете узнать много нового и интересного, а так же - принять участие в опросах и конкурсах

Присоединиться
Присоединиться