TopList Яндекс цитирования
Русский переплет
Портал | Содержание | О нас | Авторам | Новости | Первая десятка | Дискуссионный клуб | Чат Научный форум
-->
Первая десятка "Русского переплета"
Темы дня:

Президенту Путину о создании Института Истории Русского Народа. |Нас посетило 40 млн. человек | Чем занимались русские 4000 лет назад?

| Кому давать гранты или сколько в России молодых ученых?
Rambler's Top100

Урания

В МИРЕ ДВОЙНЫХ ЗВЕЗД

Владимир Липунов

ГЛАВА I ЧТО ТАКОЕ ДВОЙНАЯ СИСТЕМА?

ГЛАВА II ПАРАДОКС АЛГОЛЯ

ГЛАВА III

ВДВОЕМ В ОДИНОЧЕСТВЕ

Всего за 40 минут

Охлаждаясь, нагревается

Всего за 30 миллионов лет

Если бы не квантовая механика

Ядерная эволюция

Покидая главную последовательность

Белые карлики

Нейтронные звезды

Вырожденный газ обладает удивительным свойством: его давление не зависит от температуры, а определяется только плотностью: Р ~ ro5/3. Как бы ни остывал белый карлик, он никогда не сожмется. Уравнение состояния белого карлика приводит к необычной зависимости его радиуса от массы. Эту зависимость легко получить.

Давление сил гравитации определяется как Ргр ~

(GM2/R2)/4piR2 ~ М2/R4, а давление газа - как

ro5/3 ~(M/RЗ)5!3 ~M5/3/R5. В равновесии оба давления должны быть равны, значит, R ~ М-1/3: чем больше масса карлика, тем меньше его радиус и тем больше его плотность. Но при возрастании плотности возрастает энергия электронов. Как известно, электроны в атоме стремятся занять самые нижние уровни. Так же и в электронном газе. Но в вырожденном электронном газе все нижние уровни заняты, а на занятый уровень электрону нельзя попасть из-за принципа Паули. Если мысленно увеличивать массу белого карлика, то будет расти его плотность. Электроны будут ⌠упаковываться■ все плотнее, но нижние полки заняты, и им приходится занимать самые верхние, где энергия велика. Постепенно энергия электронов становится сравнимой с их энергией покоя 2. Электронный газ становится релятивистским. А сжимаемость релятивистского газа гораздо лучше, чем нерелятивистского. Для него давление Р ~ ro4/3, т. е. Р ~ (M/R3)4/3 ~ M4/3 /R4. Газовое давление при сжатии растет так же, как и давление сил гравитации. Это означает, что равновесие белого карлика возможно лишь при одном и только одном значении массы. Критическое значение массы, равное примерно 1,5 массы Солнца, называют пределом Чандрасекара. Оно было получено двадцатилетним индийским физиком С. Чандрасекаром в 1931 г. В 1983 г. за цикл работ по теории белых карликов С. Чандрасекар был удостоен Нобелевской премии по физике.

При массе больше чандрасекаровского предела давление электронного газа не способно противостоять силам гравитации, и белый карлик сжимается. Независимо от Чандрасекара этот предел был получен советскими физиками Я. И. Френкелем и Л. Д. Ландау. Л. Д. Ландау в своей работе 1932 г. предположил, что звезды с массой больше критического предела сжимаются до тех пор, пока их ядра не придут в соприкосновение и не образуется одно гигантское ядро. Когда Ландау писал свою работу, а было это за год до открытия нейтрона, физики не знали, что при слиянии протонов и электронов образуются нейтроны. А буквально через год американские астрономы Вальтер Бааде и Фред Цвикки выдвинули гипотезу о том, что вспышка сверхновой звезды есть результат схлопывания обычной звезды в звезду, состоящую из одних нейтронов. Такие звезды были названы нейтронными звездами. Плотность нейтронов в них близка к ядерной, 1013 - 1015 г/см3. Это означает, что размер нейтронной звезды, где все нейтроны плотно прижаты друг к другу, в (1015)1/3 раз меньше размера Солнца, средняя плотность которого близка к единице. Радиус нейтронной звезды получается порядка 10 км. При этом ее масса больше массы Солнца.

Нейтронные звезды рождаются в конце эволюции звезд с первоначальной массой более 10 масс Солнца. Большая масса нужна звезде для того, чтобы по мере выгорания легких элементов хватило температуры для поджигания более тяжелых элементов. В этих звездах сгорает все дотла, т. е. до железа. Дальнейший синтез ядер уже не выделяет, а наоборот, поглощает энергию. Поэтому, начав сжиматься, железное ядро уже не может остановиться.

Выделяющаяся гравитационная энергия расходуется на синтез более тяжелых элементов, и сжатие звезды становится катастрофическим. Такой процесс называется коллапсом. Во время коллапса выделяется столь большая энергия, что вся массивная оболочка сбрасывается со скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду. Это, по-видимому, и наблюдается как взрыв сверхновой. Гипотеза Бааде и Цвикки была великолепно подтверждена в 1968 г., когда в Крабовидной туманности (остатке вспышки сверхновой) был обнаружен радиопульсар.

Излучение радиопульсара приходит к нам в виде строго периодической последовательности узких импульсов. Кривая блеска радиопульсара напоминает старую расческу с редкими зубьями. Зубья (импульсы) могут следовать один за другим, а могут и пропадать, но появляются они только в строго определенных местах (в определенные моменты времени). В расческе такое ⌠фатальное поведение■ ≈ результат технологии ее производства (машина штампует зубья, равноотстоящие друг от друга). А вот что поддерживает

строгую периодичность пульсара? Оказывается, вращение нейтронной звезды. Но вращаться с периодом 0,033■ с может только нейтронная звезда. Любую другую звезду разорвут гигантские центробежные силы.

Американский астрофизик Томас Голд первым понял, что радиопульсары ≈ это нейтронные звезды, в которых источником энергии излучения является их вращение, а магнитное поле нейтронной звезды является тем передаточным ремнем, который ⌠выуживает■ эту энергию из нейтронной звезды. Магнитное поле нейтронной звезды, подобно полю Земли, имеет дипольный характер. Это означает, что в нем есть выделенная линия, проходящая через магнитные полюса. Вдоль этой линии выбрасываются потоки релятивистских частиц и излучения. Пульсар, подобно вращающемуся прожектору, ⌠освещает■ космос. Периодически

луч ⌠чиркает■ по Земле, и тогда мы ввспринимаем импульс излучения. Но излучая, пульсар должен замедлять свое вращение ≈ это и наблюдается. Периоды радиопульсаров постепенно увеличиваются (см. рис. 37). Но почему нейтронные звезды столь быстро вращаются и обладают столь мощными магнитными полями?

 

Быстрое вращение и мощные магнитные поля ≈ это такой же след (⌠родимое пятно■) процесса рождения нейтронных звезд, как и Крабовидная и подобные ей туманности. Разница только в том, что туманность рассеивается и перестает быть видимой за несколько десятков тысяч лет, а вращение и магнитное поле сохраняются многие миллионы лет!

Удивительные свойства пульсаров не оставляют сомнений в том, что нейтронные звезды рождаются при схлопывании обычных звезд. Точнее, железных ядер звезд. Железное ядро, вызревшее в центре массивной звезды, может иметь массу больше чандрасекаровского предела. Оно коллапсирует, выделяя гигантскую энергию за счет работы сил тяготения. Этой энергии хватает и на сброс массивной оболочки звезды (образование туманности ≈ остатка сверхновой), и на

усиление ее магнитного поля, и на ускорение ее вращения.

Самой трудной здесь остается проблема сброса оболочки звезды. При сжатии железного ядра звезды ядра атомов вдавливаются друг в друга и идет процесс нейтронизации вещества, протон р+ соединяется с электроном е-, образуя нейтрон п:

р+ + е~ ->■n + nyu.

При этом выделяются нейтрино nyu. Они-то и уносят энер- гию. Плотность здесь так велика, что даже нейтрино с их всепроникающей способностью не могут прямо выйти из звезды. Нейтрино начинают поглощаться (например, в обратных реакциях), отдавая свой импульс. Возникает мощное нейтринное давление. Астрофизики полагают, что именно в результате этого давления и сбрасывается оболочка звезды. Существование же нейтронных звезд подтверждает эту картину.

 

Но в определенных случаях оболочка не сбрасывается. Ну и что, скажет читатель, образуется массивная нейтронная звезда. Но в том-то и дело, что массивных нейтронных звезд не бывает.

 

Продолжение


Rambler's Top100