Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Ударная волна нагревает внешнюю оболочку до 1Оз К и она выбрасывается в окружающее пространство вместе с излучением и потоком нейтрино Невидимая до этого звезда мгновенно вспыхивает. В максимуме светимости сверхновая излучает в единицу времени столько же энергии, сколько излучает целая галактика из обычных звезд. Выброшенное взрывом вещество звезды уже содержит к этому моменту практически весь набор нуклидов. Именно за счет этого происходит обогащение Вселенной тяжелыми элементами.
Остатком сверхновой непосредственно после сброса внешних слоев является сильно нагретая нейтронная звезда, насыщенная энергичными фотонами. В тепловую энергию этой фотонейтронной звезды трансформировалась подавляющая часть энергии взрыва сверхновой. Тепловое охлаждение фотонейтронной звезды происходит за счет процессов (10.25) в которых рождаются нейтрино (антинейтрино) всех трех ароматов (е, 7з, т). Именно эти термальные нейтрино уносят подавляющую часть ( 95%) энергии, освобождающейся при взрыве сверхновой.
Основная часть термальных нейтрино нспускается за время около одной секунды. Это время можно считать длительностью взрыва сверхновой. Средняя энергия испушенных нейтрино 15 МэВ. Высвобождающаяся при взрыве сверхновой энергия (10'з-1Оз" эрг) есть разность гравитационных энергий связи исходной звезды и образующейся нейтронной звезды и по величине практически равна последней. Важным подтверждением вышеизложенного механизма взрыва сверхновой явилось наблюдение в 1987 г. сверхновой 8!х! 1987А в одной из ближайших галактик (Большом Магеллановом Облаке), отстоящей от нашей галактики на 170000 световых лет. Оболочка сверхновой была выброшена взрывом со скоростью несколько десятков тысяч километров в секунду. На ее месте раньше наблюдался голубой гигант массой 16Ме. Нейтринные детекторы Земли зарегистрировали 25 нейтрино от этого взрыва.
Длительность этого нейтринного сигнала составила 12 с. Средняя энергия зарегистрированных нейтрино около 20 МэВ. На основе этих данных 472 Глава !О. Нуклеосинтез и Вселенная полная энергия, унесенная при взрыве сверхновой БМ 1987А, оценивается в 3 !О'з эрг. В момент взрыва сверхновой температура во внешних слоях звезды резко повышается и там происходит взрывноа нуклеосннюез. В частности, образующиеся интенсивные потоки нейтронов приводят к их быстрому последовательному захвату ядрами и к появлению элементов в области массовых чисел А > бО, в том числе и самых тяжелых.
Взрыв сверхновой довольно редкое событие. В нашей Галактике (содержащей 10п звезд) за столетие происходит в среднем от 3 до 4 вспышек сверхновых. Всего же наблюдалось более 900 сверхновых, в основном в далеких галактиках, 49. Нейтронные звезды н черные дыры После взрыва сверхновой уплотнившееся ядро звезды может образовать нейтронную звезду или черную дыру в зависимости от массы вещества, оставшегося в центральной части взорвавшейся сверхновой.
В нейтронную звезду превращаются звезды с начальной массой ! ОМо < М < 40Мо, в черную дыру — самые массивные звезды с начальной массой М > 40Мо. Нейтронная звезда образуется как остаток сверхновой после выброса нейтрино. Она имеет ядерную плотность (10м — 1Ом г/смз) и типичный радиус !Π— 20 км.
Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это давление вырожденного существенно более плотного нейтронного газа в состоянии удерживать от гравитационного коллапса массзя вплоть ло ЗМэ. Таким образом, масса нейтронной звезды меняется в пределах (1,4 — 3)М,.>. Нейтрино, образующиеся в момент коллапса сверхновой, быстро охлаждают нейтронную звезду.
Ее температура по оценкам падает с 10п до 10' К за время около !РО с. Дальше темп остывания уменьшается. Однако он высок по космическим масштабам. Уменьшение температуры с ! Оз до 10а К происходит за 100 лет и ло 10~ К вЂ” за миллион лет. Известно = 1 200 объектов, которые относят к нейтронным звезлам. Около ! 000 из них расположены в пределах нашей галактики.
Структура нейтронной звезды массой 1,5Мэ и радиусом 1б км показана на рис. 10.8: ! — тонкий внешний слой из плотно упакованных атомов. Область П представляет собой кристаллическую решетку атомных ядер и вырожденных электронов. Область ГП вЂ” твердый слой из атомных ядер, перенасыщенных нейтронами. 1Ч вЂ” жидкое ядро, состоящее в основном из выро:кленных нейтронов. Область Ч образует адронную сердцевину нейтронной звезды. Она, помимо нуклонов, должна содержать пионы и гипероны. В этой части нейтронной звезды возможен переход нейтронной жидкости в твердое кристаллическое состояние, появление пионного конденсата, образование кварк-глкюнной и гиперонной плазмы.
Отдельные детали строения нейтронной звезды в настоящее время уточняются. 473 в 9. Нейтронные звезды и черные дыры 10' 4 7 10'4 2 10!4 4.3-10' 10 Рис.!0.8. Сечение нейтронной звезды массой 1,5Мо я ралиусом Л = !6 км. Указана плотность р в г/см' в различных частях звезды Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами сложно изза малого размера и низкой светимости.
В 19б7 г. 3. Хьюиш и Дж. Белл (Кембриджский университет) открыли космические источники периодического радиоизлучения — иульсары. Периоды повторения радиоимпульсов пульсаров строго постоянны и лля большинства пульсаров лежат в интервале от 10 з до нескольких секунд. Пульсары — это врашаюгциеся нейтронные звезды. Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезл, могут сохранять форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения.
Сохранение углового момента и магнитного поля при коллапсе сверхновой и образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с очень сильным магнитным полем 1О'4-10'«Гс. Магнитное поле вращается вместе с нейтронной звездой, однако ось этого поля не совпалает с осью вращения звезды. При таком вращении радиоизлучение звезды скользит по Земле как луч маяка. Каждый раз, когда луч пересекает Землю и попадает на земного наблюдателя, радиотелескоп фиксирует короткий импульс радиоизлучения. Частота его повторения соответствует периоду вращения нейтронной звезды.
Излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы (электроны) с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Таков механизм радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Т. Голдом (рис. 10.9). Образование нейтронных заезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм: в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах. Перетекание вещества звезды- компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика, и по достижении критической массы белый карлик превращается в нейтронную звезду.
В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, ее масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратнтьс» в черную дыру. Это соответствует так называемому «тихому коллапсу». 474 Глава 1О. Иуклеосиннгез и Вселенная ось вращения звезды силовые линии магнитного поля наблюдатель гнитного поля Рвс. 10.9. Модель пульсара Если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массой М > ЗМо, то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды. Ядерные силы отталкивания на малых (< 0,8 Фм) расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект — черная дыра (термин введен Дж.
Уилером в 1967 г.; существование черных дыр предсказано в рамках обшей теории относительности Р Оппенгеймером и Г. Снайдером в 1939 г.). Основное свойство черной дыры состоит в том, что никакие сигналы, возникающие внутри нее, не могут выйти за ее пределы н достичь внешнего наблюдателя. Звезда массой М, коллапсируя в черную дыру, достигает сферы радиуса г (сферы Шварцшильда): г = — в3 — км (10.26) (формально к этому соотношению можно прийти, полагая в известной формуле для второй космической скорости ою = ~/2ОМ/В предельное значение. равное скорости света). При достижении объектом размера сферы Шварцшильда его гравитационное поле становится столь сильным, что покинуть этот объект не может даже электромагнитное излучение. Шварцшильдовский радиус Солнца равен 3 км, Земли — 1 ем (ни Солнце, ни Земля, конечно, не могут стать черной дырой).
Черная дыра Шварцщильда относится к неврашаюшимся объектам и является остатком массивной неврашаюшейся звезды. Вращающаяся а 9. Вейн»равные звезды и черные дыры 475 массивная звезла коллапсирует во вращающуюся черную дыру (черную дыру Керра). С точки зрения удаленного наблюдателя коллапс в черную дыру (достижение объектом щварцшильловского радиуса) продолжается бесконечно лолго. Для наблюлателя внутри объекта коллапс происхолит быстро ( !О» с для М !ОМв). Средняя плотность сферы Шварцшильда равна средней плотности нуклона (10" г,гсм').
Фундаментальной проблемой физики черных дыр является проблема сингулярности внутри нее. В конце коллапса все вещество сжимается в точку (г = 0) и плотность становится бесконечной. При этом понятие пространства-времени теряет смысл. Неизбежность сингулярности следует из теорем. доказанных в конце 60-х гг. прошлого века. Черную дыру можно обнаружить лишь по косвенным признакам, связанным с влиянием ее сильного гравитационного поля на движение окружающего вещества и распространение излучения, в частности, если она входит в состав лвойной звездной системы с видимой звездой. В этом случае черная дыра будет затягивать газ звезды. Зтот газ будет нагреваться, становясь источником интенсивного рентгеновскою излучения, которое может быть зарегистрировано, В настоящее время имеется около 100 объектов — кандидатов в черные дыры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
