Конечный этап массивных звезд. Новые и сверхновые звезды

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный университет»

Кафедра государственного и муниципального управления

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

КОНЕЧНЫЙ ЭТАП МАССИВНЫХ ЗВЕЗД.

НОВЫЕ И СВЕРХНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ

Работу выполнила:

студентка 1 курса, 1 группы

Специальность ГМУ

Чернова М.Г

Научный руководитель:

Амрамчук Алексей Васильевич

Краснодар 2013

Заключительные стадии жизни звезд. 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 его 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 ядра. Дальнейшая судьба звезды определяется массой этого ядра.

Если она M (это имеет место при начальной массе звезды <8M), остаток звезды (ядро) за счет гравитационного сжатия уменьшается в размерах и превращается в белый карлик. Изолированная звезда может пребывать в состоянии белого (а затем и черного) карлика неограниченно долго, постепенно остывая. Плотность белого карлика 106-107 г/см3, температура поверхности около 104 K. При столь высокой температуре атомы должны быть полностью ионизованы и внутри звезды ядра должны быть погружены в море электронов, образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему гравитационному коллапсу звезды. Это давление имеет квантовую природу и возникает как следствие принципа Паули, которому подчиняются электроны. Принцип Паули устанавливает предельный минимальный объем пространства, который может занимать каждый электрон (этот объем 10-30-10-31 см3, соответственно среднее расстояние между электронами 10-10 см). Внешнее давление не в состоянии этот объем уменьшить. В белом карлике все электроны достигли минимального объема и гравитационные силы уравновешены внутренним давлением электронного газа.

Расчеты показывают, что максимальная масса белого карлика 1.4M. Таким образом, давление вырождения электронов не может удержать массы больше, чем 1.4M. Если 0.5M<m

Светимость белых карликов составляет 10-2-10-4 светимости Солнца. Их излучение обеспечивается запасенной в них тепловой энергией.

Если начальная масса звезды M>10M, конечной стадией её эволюции является взрыв сверхновой. Массивная звезда проходит все этапы термоядерной эволюции, завершая “жизненный путь” гравитационным коллапсом. Более подробно рассмотрим развитие такой звезды с момента, когда в её центре становится возможным горение кремния с образованием ядер железа. Чтобы достичь этой стадии массивной звезде необходимо несколько миллионов лет. Всё дальнейшее происходит стремительно. 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 выделение энергии за счет термоядерных процессов. Состоящая из элементов группы железа центральная область начинает сжиматься. Однако ядерные источники энергии уже исчерпаны, т.к. образовавшиеся в центре звезды атомные ядра имеют максимальную удельную энергию связи. Ядерный разогрев сердцевины звезды прекращается и она разогревается лишь за счет выделяющейся при сжатии гравитационной энергии.

При температуре 5109 K существенную роль начинают играть реакции расщепления ядер железа на нейтроны, протоны и ядра гелия, а также реакции слабого взаимодействия ядер (A,Z)+e- (A,Z-1)+e с выбросом нейтрино. Эти реакции протекают с поглощением энергии и способствуют охлаждению центральной части звезды. Давление в центре звезды (в частности давление вырожденного электронного газа) уже не в состоянии противостоять силам гравитации. Звезда теряет устойчивость и начинается её коллапс - убыстряющееся (свободное) падение наружных оболочек на центр звезды.

В момент начала коллапса температура в центре звезды 109-1010 K, а плотность 108-109 г/см3. Рост кинетической энергии падающего к центру звезды вещества приводит к быстрому увеличению скорости горения наружных слоев звезды. При T=109-1010 K кислород во внешней зоне выгорает за несколько минут (освобождающаяся при этом энергия сравнима с энергией, выделяемой Солнцем в течение миллиарда лет).

Особенно бурно протекает заключительный этап сжатия массивной звезды. За время не более нескольких секунд плотность центральной части звезды достигает плотности ядерного вещества (1014-1015 г/см3). Температура ядра звезды поднимается до 1011 - 1012 K. В этих условиях интенсивно идет реакция превращения протонов в нейтроны с образованием нейтрино

p + e- n + e. (15.1)

Нейтрино покидают звезду, унося подавляющую часть высвобождающейся при взрыве сверхновой энергии (1051-1054 эрг) и оставляют в центре звезды сжатое до ядерной плотности нейтронное ядро.

С образованием нейтронного ядра сжатие центральной части звезды резко прекращается и возникает отраженная ударная волна. Эта волна нагревает внешнюю оболочку до 109 K и эта оболочка выбрасывается в окружающее пространство под действием давления излучения и потока нейтрино. Невидимая до этого глазом звезда мгновенно вспыхивает. В максимуме светимости сверхновая излучает в единицу времени столько же энергии, сколько излучает целая галактика из обычных звезд.

Важным подтверждением вышеизложенного механизма взрыва сверхновой явилось наблюдение в 1987 г. сверхновой SN 1987A в одной из ближайших галактик - Большом Магеллановом Облаке, отстоящей от нашей галактики на 170 000 световых лет. Оболочка сверхновой была выброшена взрывом со скоростью несколько десятков тысяч километров в секунду. На её месте раньше наблюдался голубой гигант с массой 16M. Нейтринные детекторы Земли зарегистрировали около 20 нейтрино от этого взрыва.

В момент взрыва сверхновой температура во внешних слоях звезды резко повышается и там происходит взрывной нуклеосинтез. В частности, образующиеся интенсивные потоки нейтронов приводят к их быстрому последовательному захвату ядрами и к появлению элементов в области массовых чисел A>60, в том числе и самых тяжелых.

Взрыв сверхновой довольно редкое событие. В нашей Галактике (содержащей 1011 звезд) за последние 1000 лет было замечено лишь 3 вспышки сверхновых. Всего же наблюдалось более 700 сверхновых, в основном в далеких галактиках.

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 10M<m40M.

Нейтронная звезда образуется как остаток сверхновой в результате процесса (15.1) после выброса нейтрино. Она имеет ядерную плотность (1014-1015 г/см3) и радиус 10-20 км. Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3M. Таким образом, масса нейтронной звезды меняется в пределах 1.4-3M.

Нейтрино, образующиеся в момент коллапса сверхновой, быстро охлаждают нейтронную звезду. Её температура по оценкам падает с 1011 до 109 K за время около 100 сек. Дальше темп остывания уменьшается. Однако он высок по космическим масштабам. Уменьшение температуры с 109 до 108 K происходит за 100 лет и до 106 K - за миллион лет.

Структура нейтронной звезды массой 1.4M и радиусом 16 км показана на рис. 15.1. I - тонкий внешний слой из плотно упакованных атомов. В областях II и III ядра расположены в виде объемно-центрированной кубической решетки. Область IV состоит в основном из нейтронов. В области V вещество может состоять из пионов и гиперонов, образуя адронную сердцевину нейтронной звезды. Отдельные детали строения нейтронной звезды в настоящее время уточняются.

Рис. 15.1. Сечение нейтронной звезды массой 1.4M и радиусом R=16 км. Указана плотность в г/см3 в различных частях звезды

Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами сложно из-за малого размера и низкой температуры. В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли космические источники периодического радиоизлучения - пульсары. Периоды повторения радиоимпульсов пульсаров строго постоянны и для большинства пульсаров лежат в интервале от 10-2 до нескольких секунд. Пульсары - это вращающиеся нейтронные звезды. Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять свою 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 1010-1014 Гс. Магнитное поле вращается вместе с нейтронной звездой, однако ось этого поля не совпадает с осью вращения звезды. При таком вращении излучение звезды (радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка. Каждый раз, когда луч пересекает Землю и попадает на земного наблюдателя, радиотелескоп фиксирует короткий импульс радиоизлучения с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды. Само излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Таков механизм радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом (рис.15.2).

Рис. 15.2 Модель пульсара

Образование нейтронных звезд 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, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует, так называемому, “тихому коллапсу”.

Если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массой M>3M, то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды. Ядерные силы отталкивания на малых (<0.3 фм) расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект - черная дыра (термин введен Уилером в 1967 г.; существование черных дыр предсказано в рамках общей теории относительности Оппенгеймером и Снайдером в 1939 г.). Основное свойство черной дыры состоит в том, что никакие сигналы, возникающие внутри неё, не могут выйти за её пределы и достичь внешнего наблюдателя. Звезда массой M, коллапсируя в черную дыру, достигает сферы радиуса rш (сферы Шварцшильда):

rш . (15.2)

(Формально к этому соотношению можно прийти, полагая в известной формуле для второй космической скорости  предельное значение этой скорости, 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 см (ни Солнце, ни Земля, конечно, не могут стать черной дырой).

Черная дыра Шварцшильда относится к невращающимся объектам и является остатком массивной невращающейся звезды. Вращающаяся массивная звезда коллапсирует во вращающуюся черную дыру (черную дыру Керра).

С точки зрения удаленного наблюдателя коллапс в черную дыру (достижение объектом шварцшильдовского радиуса) продолжается бесконечно долго. Для наблюдателя внутри объекта коллапс происходит быстро (10-4 сек для M10M). Средняя плотность сферы Шварцшильда равна средней плотности нуклона (1015 г/см3). Фундаментальной проблемой физики черных дыр является проблема сингулярности внутри неё. В конце коллапса все вещество сжимается в точку (r=0) и плотность становится бесконечной. При этом понятие пространства-времени теряет смысл. Неизбежность сингулярности следует из теорем, доказанных в конце 60-х гг.

Черную дыру можно обнаружить лишь по косвенным признакам, связанным с влиянием её сильного гравитационного поля на движение окружающего вещества и распространение излучения, в частности, если она входит в состав двойной звездной системы с видимой звездой. В этом случае черная дыра будет затягивать газ звезды. Этот газ будет нагреваться, становясь источником интенсивного рентгеновского излучения, которое может быть зарегистрировано.

В настоящее время известно несколько десятков объектов, которые считают черными дырами. Так имеется объект Лебедь XI, представляющий собой двойную систему с периодом вращения 5.6 суток. В состав системы входят голубой гигант с массой 22M и невидимый источник пульсирующего рентгеновского излучения с массой 8M, который, как полагают, и является черной дырой (объект такой большой массы не может быть нейтронной звездой).

Наряду с черными дырами, образовавшимися при коллапсе звезд, во Вселенной могут быть черные дыры, возникшие задолго до появления первых звезд вследствие неоднородности Большого Взрыва. Появившиеся при этом сгустки вещества могли сжиматься до состояния черных дыр, тогда как остальная часть вещества расширялась. Черные дыры, образовавшиеся на самом раннем этапе Вселенной, называют реликтовыми. Предполагают, что размер некоторых из них может быть значительно меньше размера протона.

Другой тип возможных черных дыр - сверхмассивные черные дыры (106-109 M), которые могут возникать в центре галактик и звездных скоплений. В 1963 г. были открыты квазары - компактные внегалактические источники радио-, оптического и рентгеновского излучения огромной мощности. Их светимость 1045-1048 эрг/сек. Столь мощное излучение может быть обеспечено сверхмассивными черными дырами.

В 1974 г. Хокинг показал, что черные дыры должны испускать частицы. Источником этих частиц является процесс образования виртуальных пар частица-античастица в вакууме. В обычных полях эти пары аннигилируют столь быстро, что их не удается наблюдать. Однако в очень сильных полях виртуальные частица и античастица могут разделиться и стать реальными. На границе черной дыры действуют мощные приливные силы. Под действием этих сил некоторые из частиц (античастиц), входивших в состав виртуальных пар, могут вылететь за пределы черной дыры. Так как многие из них аннигилируют, черная дыра должна становиться источником излучения. Черная дыра излучает как черное тело с температурой Th тем большей, чем меньше её масса Mh:

Th 10-7 (M/Mh) K.

Энергия, излучаемая в пространство черной дырой, поступает из её недр. Поэтому в процессе такого испускания частиц, масса и размеры черной дыры должны уменьшаться, а температура - расти. Таков механизм “испарения” черной дыры. Оценки показывают, что темп “испарения” очень медленный. Черная дыра с массой 10M испарится за 1069 лет. Время испарения сверхмассивных (миллиарды масс Солнца) черных дыр, которые могут быть в центре больших галактик, может составлять 1096 лет. Конечный этап испарения должен протекать как мощная вспышка -излучения (длительностью 0.1 сек для Mh109 г).

2. Конечные этапы эволюции Вселенной

Соотношение между плотностью вещества в и критической плотностью к определяет судьбу Вселенной. Если вк, то Вселенная будет расширяться все время, её объем будет возрастать неограниченно. Такую Вселенную называют открытой. Если в>к, то гравитационное притяжение будет замедлять расширение и оно, в конце концов, прекратится, сменившись постепенно ускоряющимся сжатием. Размеры Вселенной в этом случае будут конечными. Такую Вселенную называют закрытой (рис. 15.3).

Рис. 15.3

Мы еще не знаем, какова Вселенная, открытая или закрытая. Критическая плотность к10-29 г/см3, а средняя плотность вещества Вселенной (включая скрытую материю) в10-30-10-29 г/см3. Более точный учет скрытой материи может привести к соотношению в>к. Такой (небарионной) ненаблюдаемой материей могут быть, например, нейтрино или неизвестные слабо взаимодействующие массивные частицы, предсказываемые суперсимметричными версиями Стандартной Модели. Другими (барионными) видами такой трудно наблюдаемой материи могут быть большие планеты (типа Юпитера) или очень маленькие звезды, массы которых недостаточны для ядерных реакций синтеза (они слабо светятся за счет освобождающейся гравитационной энергии), или маленькие черные дыры, оставшиеся от эпохи горячей Вселенной.

Реальная плотность вещества Вселенной в определяет геометрию пространства - её кривизну C (или радиус кривизны L=). Общая теория относительности дает для радиуса кривизны следующую формулу

, (15.3)

вселенная сверхновый нейтронный звезда

где c - скорость света, а H - постоянная Хаббла. Если в=к, то L=, а C=0. Пространство в этом случае плоское, а геометрия такого пространства Евклидова. Если в>к, кривизна пространства положительна и радиус кривизны L конечен. При в<к, радиус кривизны L тоже конечен (и мнимый), а кривизна C отрицательна.

Наглядно представить “кривое” (неевклидово) трехмерное пространство невозможно, поэтому приходится для иллюстрации обращаться к двумерным объектам - поверхностям. Евклидова геометрия в двумерном варианте отвечает плоскости. Кратчайшими (т.е. геодезическими) линиями на плоскости являются прямые, а сумма углов треугольника, образуемого геодезическими линиями на плоскости, строго равна (180o).

Пусть теперь двумерной поверхностью будет сфера (рис. 15.4а). Геодезическими (кратчайшими) линиями на сфере являются дуги больших кругов (меридианов). Очевидно, сумма углов треугольника, образованного на сфере тремя такими дугами, будет больше (следствие выпуклости сферы). На седлообразной (вогнутой) поверхности (рис. 15.4б) сумма углов треугольника будет меньше . Чисто геометрически кривизну в данной точке поверхности определяют следующим образом

, (15.4)

где ™™™ - сумма углов треугольника, а S - его площадь (S0). При этом радиус кривизны. Сферическая (выпуклая) поверхность имеет положительную кривизну, седлообразная (вогнутая) - отрицательную, а плоская - нулевую.

Рис. 15.4

Если наш мир и неевклидов, то в среднем чрезвычайно мало от него отличается. Пусть, например, его плотность в=2к, тогда из (15.3) имеем L 3109 парсек 1023 км. Очевидно “почувствовать” столь ничтожную искривленность Вселенной в целом невозможно (локальная искривленность вблизи, например, черной дыры может быть большой). 

Если Вселенная положительно искривлена, т.е. является закрытой, то её ждет остановка расширения и сжатие в точку (рис.15.3). Что последует за этим? Может быть новый Большой Взрыв. Таким образом, закрытая Вселенная возможно является циклической (или пульсирующей) - рис. 15.5.

Рис. 15.5

Даже если наша Вселенная - закрытая, то (учитывая, что никаких признаков быстрого замедления нет) до начала её сжатия по меньшей мере десятки миллиардов лет.

Рассмотрим, что произойдет со Вселенной, если она открыта. Сначала погаснут звезды. Так Солнце через 5 млрд лет превратится в белый карлик. Ещё раньше погаснут более массивные звезды, превратившись в нейтронные звезды и черные дыры. Звезды менее массивные, чем Солнце, проживут дольше. Процесс образования новых звезд происходит и в наше время. Однако наступит эпоха, когда новые звезды не будут рождаться. Запасы ядерной материи, из которой может возникнуть звезда, будут исчерпаны. Звездный этап Вселенной завершится через 1014 лет.

Через 1018-1019 лет прекратят своё существование галактики. Около 90% звездной материи галактик будет рассеяно в межгалактическом пространстве, а около 10% будет затянуто в черные дыры. Последние также будут сливаться и, в конце концов, на месте каждой галактики останется одна сверхмассивная черная дыра.

Рассеянная в пространстве ядерная материя исчезнет за счет распада внутриядерных нуклонов, вызванного переносчиками сил Великого объединения - бозонами X и Y (Лекция 13). Этот процесс закончится через 1033-1035 лет. Продуктами распада нуклонов являются электроны, позитроны, фотоны и нейтрино. Из-за крайней разреженности вещества к этому моменту электроны и позитроны не будут аннигилировать.

В конце концов из “тяжелых” объектов во Вселенной останутся только сверхмассивные галактические черные дыры. Они будут сливаться, образуя ещё более массивные супергалактические черные дыры. И, наконец, сами эти черные дыры будут испаряться. Этот процесс крайне медленный и завершится через 10100 лет. При этом во Вселенной останется, главным образом, сильно разреженный газ электронов, позитронов, фотонов и нейтрино.

Размещено на Allbest.ru