16

ЛЕКЦИЯ 15

Содержание

1. Заключительные стадии жизни звезд. Сверхновые.

2. Конечные этапы эволюции Вселенной.

3. Космические лучи.

1. 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.

Åñëè îíà M (это имеет место при начальной массе звезды <8M), остаток звезды (ядро) за счет гравитационного сжатия уменьшается в размерах и превращается вбелый карлик. Изолированная звезда может пребывать в состоянии белого (а затем и черного) карлика неограниченно долго, постепенно остывая. Плотность белого карлика 10⁶-10⁷ ã/ñì³, 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 ñì³, 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<1.4M, ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если M<0.5M, ядро белого карлика гелиевое.

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 е¸ 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 е¸ центре становится возможным горение кремния с образованием ядер железа. Чтобы достичь этой стадии массивной звезде необходимо несколько миллионов лет. Вс¸ 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 е¸ коллапс - убыстряющееся (свободное) падение наружных оболочек на центр звезды.

В момент начала коллапса температура в центре звезды 10⁹-10¹⁰ K, а плотность 10⁸-10⁹ ã/ñì³. 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 ã/ñì³). 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 е¸ 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 èëè черную дыру в зависимости от массы вещества, оставшегося в центральной части взорвавшейся сверхновой. В нейтронную звезду превращаются звезды с начальной массой 10M<M<40M, в черную дыру - самые массивные звезды с начальной массой M>40M.

Нейтронная звезда образуется как остаток сверхновой в результате процесса (15.1) после выброса нейтрино. Она имеет ядерную плотность (10¹⁴-10¹⁵ ã/ñì³) 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. Е¸ температура по оценкам падает с 10¹¹ äî 10⁹ K за время около 100 сек. Дальше темп остывания уменьшается. Однако он высок по космическим масштабам. Уменьшение температуры с 10⁹ äî 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, е¸ 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 не¸, не могут выйти за е¸ пределы и достичь внешнего наблюдателя. Звезда массой M, коллапсируя в черную дыру, достигает сферы радиуса r_ø (сферы Шварцшильда):

r_ø . (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. Шварцшильдо-вский 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 ã/ñì³). Фундаментальной проблемой физики черных дыр является проблема сингулярности внутри не¸. 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 е¸ 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 T_h тем большей, чем меньше е¸ масса M_h:

T_h 10^-7 (M/M_h) K.

Энергия, излучаемая в пространство черной дырой, поступает из е¸ 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 M_h10⁹ ã).