Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 92
Текст из файла (страница 92)
В процессе горения звезды в ее центре последовательно истощаются запасы водорода, гелия, кислорода, неона, кремния. Термоядерные реакции постепенно захватывают периферию звезды, приводя к расширению ее оболочки. Если на начальной стадии звезда имела однородный состав, то теперь она имеет слоистую структуру (рис. !0.6). В центре массивной звезды содержатся элементы группы железа, никеля, а на периферии— более легкие элементы. Внешняя оболочка состоит из водорода.
Набор термоядерных реакций в звезде зависит от ее массы. Происходит это. очевидно, потому что масса звезды определяет величину гравитационных сил сжатия, что в конечном счете определяет максимальную температуру и плотность в центре звезды. В табл. !0.5 приведены результаты расчета возможных реакций ядерного синтеза для звезд различной массы. Из таблицы видно, что полная последовательность ядерных реакций син- 468 Глава 1О. Нуклеосинмез и Вселенная Твбавиа 10.5 Набор возможных ядерных реакций синтеза в заездах различной массы теза возможна лишь в массивных звездах. В звездах с М < 0,08Мв гравитационной энергии недостаточно для нагрева звездного вещества до температур, необходимых для протекания ядерной реакции горения водорода.
На рис. 10.7 показано содержание различных элементов в звезде с массой 25Ми на стадии предсверхновой в зависимости от массы внутренней области. Хорошо видно, как по мере удаления от центра звезды увеличивается доля элементов с меньшим А. Центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и а-частиц — продуктов лиссоциации железа под действием 7-квантов. В районе М/Мэ = 1,5 преобладает за81. 'аде и мО составляют основную долю вещества в области от 1,6 ло 6М/Ми. ВнешнЯЯ оболочка звезды 1М/Ми > 8) состоит из водорода и гелия. Изображенное на рис. 10.7 распределение элементов соответствует стадии прелсверхновой, когда с фоторасшепления железа под действием 10' М/Ме 1О 0.0 1.0 !.б 2 4 0 О ГО 1О Рис. 10.7.
Солержание элементов в звезде с массой 25Мо в зависимости от массы внутренней области э 8. Завершение зкизненного цикла звезды. Сверхновые 4б9 т-квантов начинается охлаждение и сжатие центральной части звезды с последующим взрывом сверхновой. Прежде чем продолжить рассмотрение механизмов нуклеосинтеза, опишем конечные этапы жизненного цикла звезды. 4 8. Завершение жизненного цикла звезды. Сверхновые На стадиях нарушения динамического равновесия, когда в центре массивной звезды последовательно выгорают водород, гелий, углерод и т, д. и каждый раз начинается гравитационное сжатие ядра звезды, приводящее к ее резкому разогреву, происходят периодические извержения звездного вещества в окружающее пространство. При этом звезда теряет внешнюю оболочку и остается после завершения всех возможных термоядерных реакций в виде центрального ялра.
Дальнейшая судьба звезлы определяется массой этого ялра. Если она меньше или около Мя (это имеет место при начальной массе звезды < 8Мя), остаток звезды (ядро) за счет гравитационного сжатия уменьшается в размерах и превращается в белый карлик. Изолированная звезаа может пребывать в состоянии белого (а затем и черного) карлика неограниченно долго, постепенно остывая. Плотность белого карлика 10~-10~ г/смз, температура поверхности около 10' К. При этих условиях атомы должны быть погружены в море электронов, образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему гравитационному коллапсу звезды.
Оно имеет квантовую природу и возникает как следствие принципа Паули, которому подчиняются электроны. Принцип Паули устанавливает предельный минимальный объем пространства, который может занимать каждый электрон (зтот объем 10 зе-10 з' см', соответственно среднее расстояние межлу электронами ш10 м см). Гравитационное давление белого карлика не в состоянии этот объем уменьшить. В белом карлике все электроны заняли минимальный объем и гравитационные силы уравновешены внутренним давлением электронного газа. Расчеты показывают, что максимальная масса белого карлика 1,44М».
Таким образом, давление вырождения электронов не может удержать от сжатия массы большие, чем 1,44Мя (нредел Чондрасекара). Если 0,5Мя < М < 1,4Мв, ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если М < 0,5Мя, ядро белого карлика гелиевое. Светимость белых карликов составляет 1О з-10 4 светимости Солнца.
Их излучение обеспечивается запасенной в них тепловой энергией. Если начальная масса звезды М > 10М., конечной стадией ее эволюции является взрыв сверхновой. Массивная звезда проходит все этапы термоядерной эволюции, завершая»жизненный путь» гравитационным коллапсом. Рассмотрим более подробно развитие такой звезды с момента, 470 Глава 10. Нуклеосиннгез и Вселенная когда в ее центре становится возможным горение кремния с образованием ядер железа. Чтобы достичь этой стадии„массивной звезде необходимо несколько миллионов лет, Все дальнейшее происходит стремительна. Реакция горения кремния происходит в течение суток. В центре звезды, внутри кремниевой оболочки начинает формироваться железное ядро.
На границе железного ядра и кремниевой оболочки и в более удаленных слоях продолжается синтез элементов и вьщеление энергии за счет термоядерных процессов. Состоящая из элементов группы железа центральная область начинает сжиматься. Однако ядерные источники энергии уже исчерпаны, так как образовавшиеся в центре звезды атомные ядра имеют максимальную удельную энергию связи. Ядерный разогрев центральной части звезды прекращается, и она разогревается лишь за счет выделяю- шейся прн сжатии гравитационной энергии.
Компьютерное моделирование дает следующую картину взрыва сверхновой, которая подтверждается наблюдениями. При температуре 5. 1Оз К существенную роль начинают играть реакции расщепления под действием фотонов ядер группы железа на нуклоны и ядра гелия, например путем процесса: Ре- 13 Не+ 4п — !24,4 МэВ, (10.23) а также захват электронов свободными протонами и ядрами за счет слабых сил, ведущий к образованию электронного нейтрино: р+ е — и+ и„(А, Я) + е — (А, Я вЂ” !) + и,. (10.24) Все эти реакции протекают с поглощением энергии и способствуют охлаждению центральной части звезды. Число электронов внутри звезды резко уменьшается, и там образуются нейтроны и нейтроно-избыточные нестабильные ядра.
Давление в центре звезды (в частности давление вырожденного электронного газа) уже не в состоянии противостоять силам гравитации. Звезда теряет устойчивость и начинается ее коллапс— убыстряющееся (свободное) падение наружных оболочек на центр звезды. При этом скорость падения наружных слоев достигает 10з см/с.
В момент начала коллапса температура в центре звезды около 10'~ К, а плотность 10~-10'~ г/см'. Испущенные в процессах (10.24) электронные нейтрино вначале свободно покидают центральную часть (кор) звезды. Однако с ростом плотности внутренней части звезды растет и время движения нейтрино сквозь ядро звезды к ее поверхности и наступает момент, когда это время (секунды) значительно превышает время коллапса (миллисекунды). Происходит как бы «запирание» нейтрино внугри звезды. Это наступает при плотностях 5 ° !Он г/смз. Таким образом, значительная часть нейтрино не успевает покинуть звезду и удерживается ее коллапсирующим ядром. Как только коллапсирующее ядро звезды достигает плотности ядерного вещества (10м-100 г/см') коллапс резко прекращается, так как при дальнейшем увеличении плотности звезды ядерные силы становятся отталкивающими.
Температура ядра звезды поднимается примерно до 10н К. э 8. Завершение жизненного цикла звезды. Сверхновые 47 ! За счет нейтронизации (10.24) количества протонов и электронов внутри звезды значительно снижаются, и соответственно многократно возрастает доля нейтронов, которые становятся основным составным элементом ядра звезды. Падающие на ядро звезды внешние слои наталкиваются на внезапно остановившийся плотный кор. Возникает отраженная волна давления, которая со скоростью, превышающей скорость звука в веществе звезды, прохолит до ее поверхности.
Эта ударная волна имеет энергию порядка !Оз' эрг и отбрасывает движущуюся к центру звезлы материю наружу. Звезда из режима коллапса переходит в режим взрыва. Запертые в коре звезды электронные нейтрино двигаются за ударной волной и выходят из звезды за время 10 мс. Они уносят около 5% полной энергии коллапса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
