Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 179
Текст из файла (страница 179)
Наконец, когда температура достигнет порядка 10 млн кельвинов, вступят в игру протон-протонный, а за ним углеродно-азотный циклы, являющиеся основными источниками выделения термоядерной энергии. Возросшее давление звездной плазмы стабилизирует звезду — ее гравитационное сжатие приостанавливается. С этого момента протозвезда и становится звездой, вступающей на главную последовательность. Место вступления ее на главную последовательность определяется первоначальной массой протозвезды.
Чем больше эта масса, тем выше оказывается протозвезда на главной последовательности. Ввиду того что водорода в звезде много она почти целиком состоит из водорода, — «выгорание» водорода охватывает несравненно более длительное время, чем «выгорание» дейтерия, лития, бериллия и бора. Звезды в верхней части главной погледовательности более массивны и обладают более высокими температурами. !!оэтому в них процесс «выгорания» водорода происходит более быстро и охватывает время порядка ста миллионов лет.
Напротив, у менее массивных и менее горячих звезд, как Солнце, этот процесс длится 10 — 15 млрд лет. Еще более медленно происходит эволюция звезд, находящихся в нижней части главной последовательности, — красных карликов. Выйдя на главную последовательность, звезда длительное время остается там, почти не меняя своих свойств. Г!оэтому основная часть звезд наблюдается именно на главной последовательности. Однако по мере «выгорания» водорода состояние звезды все же неуклонно, но очень медленно изменяется, так что изображающая звезду точка на диаграмме Гсрцшпрунга — Рессела перемещается и может уйти с главной последовательности. й 102) Краткие сведения об эволюции звезд 701 3.
Характер эволюции звезды существенно зависит от того, происходит ли в ее недрах перемешивание вещества или нет. Вычисления на моделях показывают, что если бы эволюция звезды сопровождалась полным перемешиванием (вследствие чего ее химический состав оставался бы однородным по всему объему звезды), то изображающая ее точка на диаграмме Герцшпрунга-Рессела перемещалась бы от главной последовательности влево. Наоборот, при полном отсутствии перемешивания изображающая точка перемещалась бы вправо от главной последовательности. Беглый взгляд на диаграмму Герцшпрунга-Рессела показывает, что на ней нет звезд, расположенных вблизи главной последовательности вверху и слева.
Зато имеется очень много звезд справа от нее — это красные гиганты и субгиганты. Следовательно, перемешивание вещества в недрах звезды в процессе смещения ее из главной последовательности играет лишь второстепенную роль. В массивных звездах, масса которых превышает примерно ЗМш, перенос тепла в основном осуществляется лучеиспусканием. В звездах с массами, меньшими примерно ЛХш, он осуществляется главным образом конвекцией, т.е. перемешиванием вещества. Эволюция звезд, масса которых меньше приблизительно массы Солнца, происходит настолько медленно, что время пребывания таких звезд в пределах главной последовательности превышает возраст !'алактики (около 1,2.
10'в лет). В звездах с малыми массами (меньшими О,ЗЛХш) преобладающим механизмом теплопередачи является конвекция. У таких звезд температура в центре недостаточно высока, чтобы водородный цикл работал полностью. Он обрывается на образовании изотопа гелия зНе, а изотоп Не уже не синтезируется. При несколько больших массах (но меньших примерно ЗМш) эволюция звезды заканчивается на образовании изотопа «Не.
Основной интерес представляет эволюция звезд, первоначальная масса которых превьппает примерно ЗМш. На ней мы и сосредоточим внимание. 4. Энерговыделение в звезде после ее образования и выхода на главную последовательность длительное время происходит преимущественно в центральной ее части за счет «выгорания» водорода. После выгорания водорода в центральной части звезды образуется центральное гслиевое ядро и окружающая его оболочка, богатая водородом. Звезда по своему составу становится сильно неоднородной. Ядерные реакции в ядре звезды прекращаются, но интенсивно происходят в ее оболочке.
Таким образом, основное энерговыделение из центральной части переносится в оболочку. В результате оболочка сильно раздувается. Звезда сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант или сверхгигант. Размеры звезды сильно увеличиваются (см. З 101, и. 3).
Однако массы красных гигантов могут и ие намного превышать массу Солнца. Благодаря большой поверхности светимость красного гиганта очень велика, несмотря на пониженную температуру его поверхности. По мере «выгорания» водорода в оболочке звезды масса центрального гелиевого ядра возрастает, а его гравитационное сжатие усиливается. Это приводит к возрастанию плотности и температуры гелие- ) Гл. ХН Некоторые вопросы астроеривипи 702 ваго ядра звезды. Когда эти величины достигают значений примерно 10ь г/смз и 10 К соответственно, начинает эффективно идти реакция «сгорания» гелия. На короткое мгновение (порядка 10 ~е с) создается неустойчивое ядро бериллия: Не+ «Не: — "Ве — 95 кэВ.
(102.1) Это ядро может тут же распасться на две ее-частицы, но может успеть захватить еще одну ее-частицу, в результате чего образуется ядро угле- рода в возбужденном состоянии: "Ве+ Не+ 363 кэВ «1оС*. (102.2) Возбуждение снимается 7-излучением: ~~С* — «шС+ у+ 7,68 МэВ. (102.3) В результате синтеза ядра шС из трех ядер Не освобождается энергия 7,22 МэВ.
Скорость генерации энергии в звезде при этой реакции пропорциональна примерно (Т/10 )зв. Значит, «сгорание» гелия в этой реакции эффективно лишь при температуре, превышающей 10 К. Когда накопится достаточное количесгво изотопа углерода '2С, гелий начинает «выгорать» также в реакциях шС+«Не»»еО+7 '"О+'Не- зоМе+7, зог4е+ «Не » з«М8+ 7, (102.4) Эта реакция имеет порог 0,81 МэВ и в принципе может быть использована для регистрации солнечных нейтрино почти всех энергий.
Однако реально в реакции (102.5) ядро 'атАг с подавляющей вероятностью получается в возбужденном состоянии с энергией возбуждения примерно 5 МэВ. Это увеличивает эффективный порог реакции до 5,8 МэВ. Поэгому реакция (102.5) может быть использована практически для регистрации быстрых нейтрино. Такие нейтрино на Солнце получаются сопровождающихся дальнейшим и, наконец, полным исчерпанием гелия. Эти реакции требуют все более и более высокой температуры порядка 10е — 1,5 10" К.
В результате завершения этих реакций получается ядро звезды, состоящее из изотопов углерода шС, кислорода '»0, неона ~оМе и магния ~~М8. 5. Все ядерные реакции в недрах Солнца и звезд недоступны непосредственному наблюдению. Существует лишь единственный косвенный метод наблюдения реакций, происходящих при участии слабого нзаимодействия. В таких реакциях образуются нейтрино, а они практически не поглощаются, пронизывая всю толщу звездного вещесгва.
Как указывалось в 3 74, для регистрации солнечных нейтрино Б. М. Понтекорво предложил воспользоваться реакцией зтС1 + и, -+ зецАг+ е з 102) Краткие сведения об эволюции звезд 703 только в одной из завершающих реакций водородного цикла, а именно вВ э "Ве+ е~ + ге (ец„( 14,1 МэВ) (102.6) (см. предыдущий параграф, и. 10).
Как указывалось в 3 74, такие «борные» нейтрино были зафиксированы в опытах Дэвиса. Однако их число оказалось примерно в 3 — 4 раза меньше наинизшего теоретического предела, найденного на основе современных моделей Солнца. Причина этого расхождения еще не ясна, хотя гипотезы для его объяснения и предлагались. 6.
Перейдем к рассмотрению завершающих стадий эволюции звезды. Как уже было сказано, в начальной стадии гравитационное сжатие звезды прекращается в результате освобождения энергии при ядерных реакциях. Возникает вопрос, существуют ли силы, способные приостановить гравитационное сжатие, когда источники ядерной энергии будут исчерпаны? Единственными силами, противостоящими гравитационным, тогда окажутся силы давления звездного вещества.
При высоких плотностях звездного вещества последнее существует только в форме «голых» атомных ядер и электронов. Давление газа создается движением электронов и атомных ядер. Но это есть не только тепловое движение, исчезающее при абсолютном нуле температуры. На него накладывается еще квантовое двинсение, не прекращающееся и при абсолютном нуле.
Будем рассматривать звездную плазму как идеальный газ, состоящий из электронов и положительно заряженных ядер, компенсирующих заряд электронов (газ из одних только электронов был бы вообще неустойчив). Отвлечемся от атомных ядер и сосредоточим внимание только на электронах. Обозначим через п число электронов в единице объема. Пусть газ находится при абсолютном нуле температуры. Движение элекгронов квантовано. Число возможных квантовых состояний с импульсом меньше ри„, найдется, если объем октанта импульсного пространсгва (118) (4х/3) рз, „, разделить на об ьем квантовой фазовой ячейки г»з, т е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
