Александр Мартынов

Конечные этапы эволюции звезд

• Введение
• Белые карлики
• Нейтронные звезды
• Черные дыры

Введение

    Звезды, как известно, получают свою энергию из реакций термоядерного синтеза, и у каждой звезды рано или поздно наступает момент, когда термоядерное топливо подходит к концу. Чем выше масса звезды, тем быстрее она сжигает все, что может, и переходит на заключительную стадию своего существования. Дальнейшие события могут идти по разным сценариям, какой именно – в первую очередь зависит опять же от массы.
    В то время, когда «догорает» водород в центре звезды, в ней выделяется гелиевое ядро, сжимающееся и выделающее энергию. В дальнейшем в нем могут начаться реакции горения гелия и последующих элементов (см. ниже). Внешние слои увеличиваются во много раз под действием увеличившегося давления, идущего из нагретого ядра, звезда становится красным гигантом.
    В зависимости от массы звезды, в ней могут протекать разные реакции. От этого зависит, какой состав будет иметь звезда к моменту угасания синтеза.

Белые карлики

    Для звезд с массой до примерно 10 M_C ядро весит менее 1,5 M_C. После завершения термоядерных реакций прекращается давление излучения, и ядро начинает сжиматься под действием гравитации. Сжимается оно до тех пор, пока не начнет мешать давление вырожденного электронного газа, обусловленное принципом Паули. Внешние слои сбрасываются и рассеиваются, образуя планетарную туманность. Первую такую туманность открыл французский астроном Шарль Мессье в 1764 году и занес ее в каталог под номером M27.
    То, что получилось из ядра, называется белым карликом. Белые карлики имеют плотностьбольше 10⁷ г/см³ и температуру поверхости порядка 10⁴ К. Светимость на 2-4 порядка ниже светимости Солнца. Термоядерный синтез в нем не идет, вся излучаемая им энергия была накоплена ранее.Таким образом, белые карлики медленно остывают и перестают быть видимыми.
    У белого карлика еще есть шанс проявить активность, если он входит в состав двойной звезды и перетягивает на себя массу компаньона (например, компаньон стал красным гигантом и заполнил своейй массой всю свою полость Роша). В таком случае может начаться либо синтез водорода в CNO-цикле с помощью углерода, содержащегося в белом карлике, заканчивающийся сбросом внешнего водородного слоя («новая» звезда). Либо масса белого карлика может вырасти настолько, что загорится ее углеродно-кислородная составляющая, волной взрывного горения, идущей из центра. В результате образуются тяжелые элементы с выделением большого количества энергии:

¹²С + ¹⁶O → ²⁸Si + 16.76 МэВ
²⁸Si + ²⁸Si → ⁵⁶Ni + 10.92 МэВ

    Светимость звезды сильно возрастает в течение 2 недель, затем в течение еще 2 недель быстро спадает, после чего продолжает падать примерно в 2 раза за 50 дней. Основная энергия (около 90%) испускается в виде гамма-квантов из цепочки распада изотопа никеля.Такое явление называется сверхновой 1 типа.
    Белых карликов массой в 1.5 и выше масс Солнца не бывает. Это объясняется тем, что для существования белого карлика необходимо уравновесить гравитационное сжатие давлением электронного газа, но происходит это при массах не более 1.4 M_C, это ограничение называется пределом Чандрасекара. Величину можно получить как условие равенства сил давления силам гравитационного сжатия в предположении, что импульсы электронов определяются соотношением неопределенности для занимаемого ими объема, а движутся они со скоростью, близкой к скорости света.

Нейтронные звезды

    В случае с более массивными ( > 10 M_C) звездами все происходит несколько иначе.Высокая температура в ядре активизирует реакции с поглощением энергии, такие как выбивание протонов, нейтронов и альфа-частиц из ядер, а также e-захват высокоэнергетичных электронов, компенсирующих разницу масс двух ядер. Вторая реакция создает избыток нейтронов в ядре. Обе реакции ведут к его охлаждению и общему сжатию звезды. Когда энергия ядерного синтеза заканчивается, сжатие превращается в почти свободное падение оболочки на сжимающееся ядро. При этом резко ускоряется скорость термоядерного синтеза во внешних падающих слоях, что приводит к испусканию огромного количества энергии за несколько минут (сопоставимую с энергией, которую легкие звезды испускают за все свое существование).
    Сжимающееся ядро за счет высокой массы преодолевает давление электронного газа и сжимается дальше. При этом происходят реакии p + e^- → n + ν_e, после которых электронов, мешающих сжатию, в ядре почти не остается. Сжатие происходит до размеров в 10 − 30 км, соответствующих плотности, установленной давлением нейтронного вырожденного газа. Падающее на ядро вещество получает отраженную от нейтронного ядра ударную волну и часть выделившейся при его сжатии энергии, что приводит к стремительному выбросу внешней оболочки в стороны. Получившийся объект называется нейтронной звездой. Большую часть (90%) энергии, выделившейся от гравитационного сжатия, уносят нейтрино в первые секунды после коллапса. Вышеописанный процесс называется взрывом сверхновой второго типа. Энергия взрыва такова, что некоторые их них (редко) видны невооруженным глазом даже в дневное время. Первая сверхновая была зарегистрирована китаййскими астрономами в 185 году н.э. В настоящее время регистрируется несколько сотен вспышек в год.
    Получившаяся нейтронная звезда имеет плотность ρ ~ 10¹⁴ − 10¹⁵ г/см³. Сохранение момента импулься при сжатии звезды приводит к очень малым периодам обращения, обычно в пределах от 1 до 1000 мс. Для обычных звезд такие периоды невозможны, т.к. Их гравитация не сможет противодействовать центробежным силам такого вращения. Нейтронная звезда имеет очень большое магнитное поле, достигающее 10¹²-10¹³ Гс на поверхности, что приводит к сильному электромагнитному излучению. Несовпадающая с осью вращения магнитная ось приводит к тому, что в заданное направление нейтронная звезда посылает периодические (с периодом вращения) импульсы излучения. Такая звезда называется пульсаром. Этот факт помог их экспериментальному открытию и используется для обнаружения. Обнаружить нейтронную звезду оптическими методами намного сложнее из-за малой светимости. Период обращения постепенно уменьшается из-за перехода энергии в излучение.
    Внешний слой нейтронной звезды состоит из кристаллического вещества, в основном железа и соседних с ним элементов. Большая часть остальной массы — нейтроны, в самом центре могут находиться пионы и гипероны. Плотность звезды растет к центру и может достигать величин, заметно больших плотности ядерной материи. Поведение материи при таких плотностях плохо изучено. Существуют теории о свободных кварках, в том числе не только первого поколения, при таких экстремальных плотностях адронной материи. Возможны сверхпроводимое и сверхтекучее состояние нейтронного вещества.
    Существует 2 механизма охлаждения нейтронной звезды. Один из них – излучение фотонов, как и всюду. Второй механизм – нейтринный. Он преобладает до тех пор, пока температура ядра выше 10⁸ K. Обычно это соответствует температуре поверхности выше 10⁶ K и длится 10⁵−10⁶ лет. Существует несколько способов излучения нейтрино:

1. Прямой урка-процесс
   n → p + e^- + _e
   p + e^- → n + ν_e
   Этот процесс невозможен в идеальном вырожденном газе вследствие закона сохранения импульса (требуется p_F(n) < p_F(p) + p_F(e)). В реальных условиях в центре нейтронной звезды процесс все же допускается. Это самый эффективный процесс испускания нейтрино.
2. Модифицированный урка-процесс
   N + n → N + p + e^- + _e
   N + p + e^- → N + n + ν_e
   В реакции участвует дополнительный нуклон. Он избавляет от ограничений, связанных с импульсом нейтрона, но необходимость участия дополнительной частицы снижает скорость протекания реакции и делает ее требовательнее к температуре. Это основной механизм охлаждения нейтронных звезд.
3. Тормозное излучение
   N + N → N + N + ν +
   e + e  → e + e + ν +
   Этот процесс слабее урка процессов. Но при наличии сверхтекущести урка-процессы будут подавлены, и этот становится важным.
4. Испускание нейтрино при куперовском спаривании
   N → N + ν +
   Нуклон испускает пару при переходе через щель в энергетическом спектре сверхтекучего вещества. Важен при наличии сверхтекучести.

Черные дыры

    В случае, если масса исходной звезды превышала 30 масс Солнца, то образующееся во взрыве сверхновой ядро будет тяжелее 3 M_C. При такой массе давление нейтронного газа больше не может сдерживать гравитацию, и ядро не останавливается на стадии нейтронной звезды, а продолжает коллапсировать (тем не менее, экспериментально обнаруженные нейтронные звезды имеют массы не более 2 масс Солнца, а не трех). На этот раз коллапсу уже ничего не помешает, и образуется черная дыра. Этот объект имеет чисто релятивистскую природу и не может быть объяснен без ОТО. Несмотря на то, что вещество, по теории, сколлапсировало в точку − сингулярность, черная дыра имеет ненулевой радиус, называемый радиусом Шварцшильда:

R_Ш = 2GM/c².

    Радиус обозначает границу непреодолимого даже для фотонов гравитационного поля черной дыры, называемую горизонтом событий. К примеру, радиус Шварцшильда Солнца − всего 3 км. Вне горизонта событий гравитационное поле черной дыры такое же, как поле обычного объекта ее массы. Наблюдать черную дыру можно только по косвенным эффектам, так как сама она сколько-нибудь заметной энергии не излучает.
    Несмотря на то, что покинуть горизонт событий ничто не может, черная дыра все же может создавать излучение. В квантовом физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные пары частица-античастица. Сильнейшее гравитационное поле черной дыры может успеть провзаимодействовать с ними до того, как они исчезнут, и поглотить античастицу. В случае, если полная энергия виртуальной античастицы была отрицательна, черная дыра при этом теряет массу, а оставшаяся частица становится реальной и получает энергию, достаточную, чтобы улететь из поля черной дыры. Это излучение называется излучением Хокинга и имеет спектр абсолютно черного тела. Ему можно приписать некоторую температуру:

    Влияние этого процесса на массу большинства черных дыр ничтожно по сравнению с той энергией, которую они получают даже от реликтового излучения. Исключение составляют реликтовые микроскопические черные дыры, которые могли образоваться на ранних стадиях эволюции Вселенной. Малые размеры ускоряют процесс испарения и замедляют процесс набора массы. Последние стадии испарения таких черных дыр должны заканчиваться взрывом. Подходящих под описание взрывов зарегистрировано ни разу не было.
    Вещество, падающее на черную дыру, нагревается и становится источником рентгеновского излучения, которое служит косвенным признаком наличия черной дыры. При падении на черную дыру вещества с большим моментом импульса оно образует вращающийся аккреционный диск вокруг нее, в котором частицы теряют энергию и момент импульса перед падением на черныю дыру. В случае с сверхмассивной черной дырой, возникают два выделенных направления вдоль оси диска, в которых давление испускаемого излучения и электромагнитные эффекты ускоряют выбившиеся из диска частицы. Это создает мощные струи вещества в обе стороны, которые также можно зарегистрировать. По одной из теорий, именно так устроены активные ядра галактик и квазары.
    Вращающаяся черная дыра представляет собой более сложный объект. Своим вращением она «захватывает» некоторую область пространства за горизонтом событий («Эффект Лензе-Тирринга»). Эта область называется эргосферой, ее граница называется пределом статичности. Предел статичности представляет собой эллипсоид, совпадающий с горизонтом событий в двух полюсах вращения черной дыры.
    Вращающиеся черные дыры имеют дополнительный механизм потери энергии через передачу ее частицам, попавшим в эргосферу. Такая потеря энергии сопровождается потерей момента импульса и замедляет вращение.

Список литературы

1. Б.C. Ишханов, И.М. Капитонов, И.А. Тутынь "Нуклеосинтез во вселенной" М., Изд-во Московского университета. 1998.
2. http://www.astronet.ru/
3. С.Б.Попов, М.Е.Прохоров "Астрофизика одиночных нейтронных звезд: радиотихие нейтронные звезды и магнитары" ГАИШ МГУ, 2002
4. Уильям Дж. Кауфман "Космические рубежи теории относительности" 1977
5. Другие источники в интернет

декабрь 2010 г.