Главная Фотогалерея Рефераты Новости Видеогалерея Статьи  
 
 
Содержание
 
   

Модели звезд

     Перед тем как мы начнем разбираться в этом на редкость интересном вопросе, полезно познакомиться с моделями звезд. Модель звезды в принципе должна описывать температуру, давление, плотность, химический состав, состояние вещества в любой точке звезды.
    Мы не можем наблюдать «внутренности» звезды, и поэтому только расчеты, основанные на использовании известных физических законов, позволяют понять «поведение» звезды, ее физику. Мы никогда не узнаем, с какой степенью приближения соответствует модель истинной структуре космического объекта - звезды. Но сопоставление моделей с данными астрономических наблюдений помогает произвести соответствующие отбраковки.
       Сегодня для построения моделей используются мощные ПК; работа эта сложная и кропотливая, хотя в основе ее лежит использование простых физических законов, о которых мы уже говорили. Не будем останавливаться на технике счета моделей,
  перейдем сразу к наиболее интересному и важному вопросу об устройстве звезд различной массы и светимости. Это будет, собственно говоря, «сухой остаток» огромной работы, начатой еще в 1921 году Эддингтоном.
     Итак, верхняя часть главной последовательности.
     Там, как мы помним, расположены горячие массивные звезды. Возьмем, к примеру, звезду с массой в 10 солнечных масс и светимостью в 3 тысячи раз больше, чем у Солнца. Расчеты дают следующие характеристики ее структуры.
     В центре такой звезды находится конвективное ядро, радиус которого занимает примерно 0,2 от полного радиуса звезды. Причина появления конвективного ядра очевидна: лучистый перенос уже не справляется с откачкой энергии из центральных районов звезды, и поэтому должен включиться механизм конвекции. В центре звезды температура около 27 миллионов градусов, а плотность в 26 раз больше средней. В звезде 90 процентов водорода, 9-гелия и 1 процент остальных элементов. Согласитесь, что такая звезда устроена достаточно просто, основной источник ее энергии С - N -О-цикл.
       Посмотрим теперь, что представляют собой звезды, расположенные на нижней части главной последовательности. Они, разумеется, сильно отличаются от случая, который мы только что рассмотрели. Во-первых, у этих звезд (и в том числе у нашего Солнца) нет конвективного ядра, вовторых, основной источник энергии - протон-протонный цикл. И наконец, в этих звездах есть внешняя конвективная зона, в которой содержится примерно 10 процентов всей массы звезды, если масса этой звезды составляет 60 процентов от массы Солнца. Конвективная зона образуется из-за повышенной непрозрачности слоя, начинающегося на расстоянии 0,65 от полного радиуса звезды и продолжается почти до поверхности.
     В центре звезды плотность выше средней в 20 раз, а температура, естественно, ниже, чем у более массивной звезды,- всего 8,9 миллиона градусов. Химические элементы в этой модели равномерно распределены по всей звезде.
     При построении моделей Солнца была учтена неравномерность распределения водорода по радиусу, и тогда получилось, что температура в центре Солнца составляет 14,6 миллиона градусов, а плотность - 134 г/см3.
       Итак, все наши модели  звёзд заметно отличаются друг от друга. Каждая звезда имеет свою структуру - например ядро, или внешнюю конвективную зону. И выражение Эддингтона: «Нет ничего проще, чем звезда»,- кажется уже не столь очевидным. А ведь мы пока рассмотрели лишь самые простые модели звезд. Сложности дальше будут расти, как снежный ком.
       Рассмотрим, к примеру, модель звезды гиганта, радиус которой в 21 раз больше радиуса Солнца. Пусть масса гиганта равна 1,3 массы Солнца, а светимость больше в 226 раз. При расчетах структуры такой звезды выяснилась удивительная вещь.
     В центре звезды водорода нет, он весь выгорел. Там находится маленькое ядро, состоящее почти целиком из гелия. Радиус его - всего лишь одна тысячная полного радиуса звезды. Поскольку водорода там уже нет, термоядерные реакции в ядре не идут, а температура ядра (40 миллионов градусов) постоянна. Поэтому ядро называется изотермическим.
     Однако даже 40 миллионов градусов недостаточны, чтобы «зажечь» тройной а-процесс, и источников энергии в ядре нет.
     Вокруг ядра расположена тонкая оболочка, в которой идут реакции С - N - О-цикла. Толщина оболочки - чуть меньше радиуса ядра. Далее идет слой, в котором энергия переносится излучением. Толщина его составляет примерно одну пятую радиуса звезды. А далее идут наружные слои гиганта, охваченные бурной конвекцией. Они содержат около 70 процентов массы всей звезды.
     Но тогда мы приходим к удивительному выводу. Небольшое ядро гиганта весит почти одну третью его часть. И его плотность составляет 3,5 • 105 г/см3. Другими словами, чайная ложка вещества ядра весит около тонны. Возникает резонный вопрос. Неужели вещество ядра красного гиганта тоже можно считать газом?
     Ответ на поставленный вопрос однозначен: «Да». Но газ этот особенный, и, чтобы объяснить все его свойства, мы должны будем поговорить о том, как устроены белые карлики  - широко распространенный тип звезд в нашей Галактике. Каковы их основные свойства?
     Светимость их очень мала: иногда в тысячи раз меньше солнечной. В то же время масса их примерно равна массе Солнца. Но при солнечной массе эти звезды имеют размеры, сравнимые с размерами планеты.
     Сразу же возникает вопрос о температуре внутри такой звезды. Если мы попробуем оценить ее по формуле миллионов градусов, то получим совершенно несуразный и противоречивый результат. Температура получится равной сотням миллионов градусов. Это, в свою очередь, означает что должны идти высокотемпературные реакции, в частности, тройной а-процесс. Крохотные звезды должны выделять огромное количество энергии и светить, как маяки на ночном небе. Но на самом деле их светимость очень мала. В чем здесь дело?
     До сих пор во всех «звездных» оценках мы пользовались лишь законом Клайперона и законом всемирного тяготения. Последний исключений не знает. Тогда остается сделать вывод о том, что вещество белого карлика не идеальный газ, и закон Клайперона здесь не работает. Но что же это такое? Быть может, вещество белых карликов жидкость или твердое тело?
     Нет. Плотность жидкости или твердого тела не может превышать 20 г/см3. При этой плотности атомы вещества уже предельно тесно расположены друг к другу. Расстояние между ними порядка 10~8 сантиметра. Но плотность белого карлика больше тонны в кубическом сантиметре. Это означает, что внутри белого карлика нет атомов! Там есть очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов.
     Итак, вещество белого карлика - газ, но газ чудовищной плотности. Поведение его никак нельзя описать в рамках законов школьной физики. Здесь уже нужна квантовая механика. Она, и только она, в состоянии объяснить свойства белых карликов.
       Великий физик Паули знаменит не только тем, что он предсказал существование нейтрино. Он также ввел в квантовую механику основополагающий принцип, названный его именем  принцип Паули, который запрещает находиться на одной и той же квантовой орбите в атоме более чем двум электронам. Принцип этот универсален, его смело можно назвать законом природы, исключений он не знает.
    Но при чем здесь атомы? Ведь спрессованное до немыслимых плотностей вещество белого карлика не содержит атомов. Там есть лишь ядра атомов и электроны. Оказывается, что электронный газ в белом карлике является чисто квантовой системой, и, говоря другими словами, словами квантовой механики, каждый электрон в газе может занимать строго определенное состояние. Но число состояний ограничено, конечно. Более того, число электронов в каком-либо объеме белого карлика больше числа разрешенных состояний.
     Тогда, поскольку принцип Паули нарушать нельзя, электроны, находящиеся в одном и том же объеме, должны отличаться друг от друга, должны обладать различными скоростями. Чем больше электронов в одном состоянии, тем больше отличаются их скорости. Электронов много, и все они движутся с разными скоростями в силу принципа Паули. В обычном газе изменение температуры влияет на скорости частиц. В нашем же, электронном газе, где работает принцип Паули, нагревание или охлаждение практически не повлияет на скорости электронов.
     Подобный газ называется вырожденным электронным газом. В принципе его можно охладить до абсолютного нуля, а движение электронов все равно будет продолжаться.      Поэтому и давление вырожденного газа мало зависит от температуры частиц и определяется лишь плотностью.
  Интересно, что в недрах обычных звезд газ не вырожден. «Критическая» плотность вырождения для «нормальной» звезды с температурой в центре около 10 миллионов градусов должна быть больше 1000 г/см3. Как мы знаем, такие плотности там не достигаются. Белые карлики, эти удивительные звезды, обладают еще некоторыми необычными свойствами. Во-первых, их масса тем больше, чем меньше радиус. Во вторых, существует некоторое предельное значение массы, при котором давление вырожденного газа уже не может сопротивляться воздействию гравитации. Теория показывает, что белых карликов с массой больше чем 1,43 М© в природе существовать не может.
     Мы забыли сказать несколько слов о причинах светимости белых карликов. Это отнюдь не праздный вопрос. Ведь водорода в них нет, он весь сгорел, а другие реакции в центре карлика, как мы видели, не идут. Но светимость-то, хоть и небольшая, есть. В чем здесь дело?
Во-первых, ядерные реакции могут идти в «атмосфере» белого карлика. Водород из межзвездной среды может попадать на его поверхность и служить затем ядерным горючим в тонком приповерхностном слое звезды. Во-вторых, белый карлик сам по себе имеет огромные запасы тепловой энергии. Время его охлаждения - сотни миллионов лет.
     Белые карлики - одно из самых удивительных творений природы. Но, кроме всего прочего, они играют существенную роль в проблемах  эволюции звёзд . К этому вопросу мы вернемся несколько позже, а сейчас посмотрим снова на изотермическое ядро красного гиганта. Теперь нетрудно видеть, что оно имеет все свойства которые имеют  белые карлики! Но такая сложная структура звезды не может не вызвать следующего вопроса: каким образом в центре гиганта мог образоваться белый карлик - звезда с удивительными свойствами?
     Для ответа на поставленный вопрос, хотя на первый взгляд это может показаться и непоследовательным, посмотрим, что будет с нашим Солнцем через миллиарды лет. Ведь и Солнце начнет когда-нибудь стареть. Как это будет происходить?
     Для начала вернемся к протон-протонному циклу. Мы уже говорили о том, что водород в центральных частях Солнца потихоньку выгорает. Сегодняшние оценки говорят, что водородной пищи Солнцу хватит еще на несколько миллиардов лет. В течение всего этого огромного промежутка времени в центре Солнца -водород постепенно превращается в гелий.
       Гелий   нечто вроде золы в огромной ядерной топке Солнца. Только если из обычной печки золу можно убрать, то гелий накапливается, и таким образом у Солнца образуется гелиевое ядро. Процессы слияния ядер водорода в гелий, изменение химического состава приводят в конце концов к тому, что облегчается выход квантов света - фотонов к поверхности звезды, и поэтому светимость Солнца постепенно увеличивается.
Ядерные реакции по протон-протонному механизму уже не смогут идти в ядре, состоящем из гелия, а будут происходить лишь вокруг ядра, как бы в его оболочке. Гелий, образующийся в оболочке, добавляется к ядру, и его масса увеличивается.
Ядро, естественно, начинает сжиматься. Но сжимается оно очень медленно, и энергия сжатия поэтому не успевает выходить из него наружу. И все-таки температура ядра очень медленно повышается. Почему?
     И раньше во время нормальной своей работы в центре Солнца плотности газа были велики: более 100 граммов в одном кубическом сантиметре. Газ, который потяжелее воды в сотню с лишним раз! А в процессе сжатия гелиевого ядра этот газ потихоньку начинает вырождаться. Свойства ядра становятся близкими к свойствам металлов. Ну а это означает, что ядро очень хорошо проводит тепло, то есть имеет высокую теплопроводность. Именно поэтому, хоть ядро и сжимается, температура его повышается очень медленно, за счет высокой теплопроводности оно успевает отдать «излишки» тепла наружу.

   Итак, ядерные реакции в процессе старения Солнца пойдут вокруг ядра. Но из-за его вырожденности, из-за его высокой теплопроводности энергия здесь не запасается, она «накачивается» в оболочку, и наступит время, когда оболочка «разбухнет» от избытка энергии. В ней разовьются очень бурные конвективные процессы, гораздо более мощные, чем в сегодняшнем Солнце. Этот процесс займет немного времени, какие-нибудь миллионы лет.
     Нет, не беспокойтесь, ведь мы помним, что все эти катаклизмы начнутся скорее всего через несколько миллиардов лет, так что пока развитию нашей цивилизации со стороны термоядерных реакций на Солнце прямой угрозы нет. Ну а загадывать, что будет с человечеством даже через тысячу лет, даже при спокойном Солнце, дело гораздо более сложное, чем прогнозировать поведение светила через пару миллиардов лет. Ведь поведение человечества нельзя описать точными физическими законами.
Итак, Солнце вновь раздуется, закипит, да так, что здесь уже и от планет земной группы вряд ли что-нибудь останется, кроме оплавленных камней. Светимость Солнца возрастает при этом чудовищном кипении в тысячу с лишним раз, да еще вдобавок к этому оно станет очень большим. Короче говоря, наш желтый карлик   станет красным гигантом.
     Размеры этого гиганта огромны. Солнце может «раздуться» до орбит Меркурия или даже Земли. А затем красный гигант сбросит с себя все, кроме того, что находится у него в центре. Это очень интересный процесс, до конца не понятый современной астрофизикой. Почему звезда «хочет» избавиться от лишней массы? Почему она с колоссальной энергией выбрасывает часть своего «тела» в пространство?
     Эти процессы связаны с нарушением равновесия. Только за один год Солнце может потерять одну миллионную часть своего веса. Гигант начнет худеть. И за какие-нибудь десять-сто тысяч лет от него останется лишь центральная часть - ядро, о котором мы уже говорили. Гигант как бы сбросит все, что оказалось ненужным ему на этой стадии эволюции звёзд.
     Звездная материя образует около оставшегося ядра так называемую планетарную туманность, которая постепенно исчезнет, рассеется в космическое пространство. Этот своеобразный звездный стриптиз приведет к тому, что рано или поздно на месте Солнца останется только его гелиевое ядро - белый карлик.
     Мы уже говорили о свойствах ядра, которое представляет собой вырожденный газ. Возможно, дальнейшая судьба белого карлика определяется его массой и температурой. В случае нашего Солнца есть вариант, при котором белый карлик будет просто остывать в течение миллионов лет и превратится в, «черный карлик»- холодную маленькую звезду размером с земной шар, которую из какой-нибудь другой планетной системы и наблюдать-то невозможно.
     И белый и черный карлик полностью оправдывает свое название: это действительно карликовые звезды. Мы помним, что спутник одной из ярчайших звезд, Сириуса, белый карлик. Диаметр его всего-навсего 4200 километров, меньше, чем диаметр Земли. Называется он Сириус В. А пример эволюции Солнца, который мы сейчас (в сильно упрощенном виде) рассмотрели, приводит нас к более общей проблеме - проблеме эволюции звезд вообще.


   
Поиск
Rambler's Top100