|
23.09.2002
13:09 |
Красные гиганты и белые карлики 
Начало
Белые карлики
Теория Эддингтона великолепно объясняла
положения звезд на диаграмме Герцшпрунга - Рессела.
Задавая массу звезды и ее химический состав, можно было получить все
наблюдаемые характеристики: светимость, радиус, температуру поверхности и т.
д. Но всю
эту прекрасную картину портила одна невзрачная звездочка 40 Эридана В. На
диаграмме Герцшпрунга - Рессела она располагалась значительно ниже и левее
звезд
главной последовательности. Для своей высокой температуры она имела слишком
маленькую светимость,
а следовательно, и слишком малые размеры. Это никак
не укладывалось в теорию Эддингтона.
Выход был найден английским физиком Р. Фаулером
в 1926 г. Это было время удивительных физических открытий. В 1925 - 1927 гг.
немецкие физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер создали квантовую
механику. В 1927 г. Гейзенберг сформулировал принцип
неопределенности, гласящий, что мы не можем абсолютно точно и одновременно
знать значения координаты
и скорости элементарной частицы. Вольфганг Паули
в эти же годы формулирует принцип запрета, согласно
которому два электрона не могут находиться в одном
квантовом состоянии. Энрико Ферми и Поль Дирак исследуют фундаментальные
свойства материи с учетом
квантово-механических принципов. Эти новые открытия
показали, что при определенных условиях вещество перестает вести себя
обычным образом.
Теория Эддингтона предполагает, что вещество
звезды - это идеальный газ, т. е. газ, подчиняющийся
уравнению
P=ro RT/myu
(12)
где Р и ro -
давление и плотность вещества соответственно, myu- молекулярная
масса. Молекулярная масса - это
средняя масса одной частицы, выраженная в массах атома водорода. В таком
виде определение годится и для
плазмы, в которой нет и в помине никаких молекул.
У полностью ионизированной водородной плазмы молекулярная масса с большой
точностью равна 0,5. На
каждые две частицы (электрон и протон) приходится
только масса протона (масса электрона в 1800 раз
меньше).
Классическое условие идеальности газа состоит в том,
чтобы размеры частиц были много меньше длины свободного пробега.
Задумывались ли вы когда-нибудь, почему окружающие нас предметы имеют
плотности, близкие к 1 г/см 3? Плотность воды, например, просто равна 1
г/см3. Давайте попытаемся ответить на этот
вопрос.
Если охлаждать окружающие нас тела, то плотность
их практически не изменится. Это означает только одно,
а именно то, что эти вещества уже настолько охладились,
что частицы, их составляющие, пришли в соприкосновение и дальнейшее
охлаждение не приводит больше к сжатию. Да, в таком холодном мире мы живем.
Плотность
окружающих нас тел - это плотность атомов, из которых они состоят. Атом
водорода имеет массу 10 -24 г,
а его размер - 10-8 см. Разделим массу на куб размера,
получим 1 г/см3! Значит, в твердых и жидких телах
атомы и молекулы упакованы настолько плотно, что ни
о какой идеальности не может быть и речи. Найдем среднюю плотность Солнца.
Разделив массу Солнца (2 1033 г)
на объем (7 1010)3
см3, получим 1,4 г/см3. Вещество Солнца плотнее воды, однако его с
большим запасом можно считать идеальным газом. Почему?
Вспомним определение идеальности. Длина свободного
пробега должна быть много больше размеров частиц.
Длина свободного пробега равна произведению среднего
промежутка времени между последовательными столкновениями на скорость
частицы. С увеличением плотности
время между столкновениями уменьшается, из-за этого
уменьшается и длина свободного
пробега. Но если с увеличением плотности увеличивать и скорость частиц,
то
длина свободного пробега может не только уменьшаться, но даже расти. Мы
знаем: скорость движения растет
при увеличении температуры. В этом-то все и дело! Вещество Солнца нагрето
настолько, что даже при плотности более 1 г/см3 оно остается
идеальным газом (точнее,
плазмой). Однако ясно, что если мы начнем мысленно
сжимать Солнце, не сильно повышая его температуру,
условие идеальности рано или поздно нарушится.
При сжатии условие идеальности нарушится гораздо
раньше еще и по другой причине. Интересно, что
в самом конце прошлого века К. Э. Циолковский высказал идею о том, что при
сжатии Солнца его вещество
может перейти в новое состояние, не описываемое уравнением идеального газа.
Рассматривая сжатие звезд в результате излучения, он предположил, что при
определенной плотности сжатие может остановиться за счет
отклонения от идеальности. Но, конечно, он не мог предвидеть, что причиной
этого станут законы квантовой механики. Как впервые отметил Р. Фаулер, при
сжатии
звезды всего лишь в 10--100 раз важную роль начинает
играть расталкивание электронов за счет принципа запрета Паули. При
плотности 10 5 - 1 08 г/см3 протоны
и ионы настолько близко находятся друг от друга, что их
атомные уровни объединяются. При этом объединяются
электроны, образуя своеобразный газ, который называют
вырожденным. Применив уравнение состояния вырожденного электронного газа, Р.
Фаулер нашел, что размеры таких звезд должны быть порядка 5000 - 10000
км,
т. е. порядка размеров планет. Так было объяснено противоречие у звезды 40
Эридана В и других звезд такого
типа. Эти звезды назвали белыми карликами.
В центре звезд с массой меньше ЗМ
Солнца
"вызревает" гелиевое ядро,
которое, сжимаясь, превращается в гелиевый белый карлик. При сжатии
выделяется гравитационная энергия, она нагревает оболочку, и та охлаждается,
т. е. расширяется и рассеивается в виде
кольцеобразной туманности. Возможно, именно так
образуются планетарные туманности (см. рис. 35). В центре их, как правило,
находят очень горячую и компактную звездочку (остывающее гелиевое
ядро?).
У звезд больших масс температура в центре достаточна для
термоядерного синтеза более тяжелых элементов. Если масса звезды меньше 8Мо
(цифра примерная), то в ней "вызревает" ядро, состоящее из углерода и
кислорода. Сжатие такого углеродно-кислородного ядра, если его масса близка
к чандрасекаровскому пределу, происходит не столь безобидно, как если бы оно
состояло из
гелия. В центре звезды поджигается углерод, и по звезде
медленно распространяется волна горения. Этот процесс
Рис. 35.
Планетарная туманность в созвездии Водолея
хорошо
известен специалистам по взрывчатым веществам. Он называется
дефлаграцией. В некоторый момент нарушается гидростатическое
равновесие, звезда начинает пульсировать со все возрастающей амплитудой.
Такая раскачка может привести к взрыву и полному разлету белого карлика.
Энергия этого взрыва сравнима
с энергией вспышки сверхновой. Разорвавшаяся звезда
снабжает межзвездный газ тяжелыми химическими элементами, которые потом
войдут в состав новых звезд,
новых планетных систем, где возможно возникнет
разумная жизнь.
Наконец, в звездах с массами (8 - 10) М Солнца углерод
полностью выгорает и образуется ядро, состоящее из целого набора элементов -
кислорода, неона, магния. Впоследствии эти ядра остывают и превращаются в
белые
карлики. Лишнее вещество "тихо" рассеивается в виде
планетарной туманности.
Продолжение следует
Обозрение "Физические явления на небесах" профессора В.М.Липунова.
Выскажите свое мнение на:
|
