ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЗВЕЗД - Эволюция звезд
На протяжении ста лет после формулирования Р. Майэром в 1842 году закона сохранения энергии высказывали много гипотез о природе источников энергии звезд, в частности была предложена гипотеза о выпадении на звезду метеорных тел, радиоактивном распаде элементов, аннигиляции протонов и электронов. Реальное значение имеют только гравитационное сжатие и термоядерный синтез.
1.1. Гравитационное сжатие
Звезду массой Т_ и радиусом R можно характеризовать ее потенциальной энергией Е. Потенциальной, Или Гравитационной, энергией Звезды называется работа, которую надо затратить, чтобы распылить вещество звезды на бесконечность. И наоборот, эта энергия высвобождается при сжатии звезды, т. е. при уменьшении ее радиуса. Значение этой энергии можно вычислить при помощи формулы:
Потенциальная энергия Солнца равна: Е_= 5,9-1041 Дж.
Теоретическое исследование процесса гравитационного сжатия звезды показало, что приблизительно половину своей потенциальной энергии звезда излучает, тогда, как вторая половина тратится на повышение температуры ее массы приблизительно до десяти миллионов кельвинов. Нетрудно, однако, убедиться, что эту энергию Солнце высветило бы за 23 млн. лет. Итак, гравитационное сжатие может быть источником энергии звезд только на некоторых, довольно кратких этапах их развития.
1.2. Термоядерный синтез
Теорию термоядерного синтеза сформулировали в 1938 г. немецкие физики Карл Вейцзеккер и Ганс Бете. Предпосылкой этого было, во-первых, определение в 1918 г. Ф. Астоном (Англия) массы атома гелия, который равняется 3,97 массы атома водорода, Во-вторых, выявление в 1905 г. связи между массой тела Т И его энергией Е В виде формулы Эйнштейна:
Е=mС2
Где C - скорость света, в-третьих, выяснение в 1929 г. того, что благодаря туннельному эффекту две одинаково заряженные частицы (два протона) могут сближаться на расстояние, где превосходящей будет сила притяжения, а также открытие в 1932 г. позитрона е+ и нейтрона п.
Первой и наиболее эффективной из реакций термоядерного синтеза есть образования из четырех протонов р ядра атома гелия по схеме:
Очень важно то, что здесь возникает Дефект массы: Масса ядра гелия равняется 4,00389 а. е.м., тогда как масса четырех протонов 4,03252 а. е.м. За формулой Эйнштейна вычислим энергию, которая выделяется во время образования одного ядра гелия:
Нетрудно подсчитать, что если бы Солнце на начальной стадии развития состояло из одного водорода, то его превращение в гелий было бы достаточным для существования Солнца как звезды при нынешних потерях энергии около 100 млрд. лет. На самом деле же идет речь о "выгорании" около 10% водорода из глубочайших недр звезды, где температура достаточна для реакций синтеза.
Реакции синтеза гелия могут проходить двумя путями. Первый называется Рр-циклом, Второй - СNО-циклом. В том и другому случае дважды в каждом ядре гелия протон превращается в нейтрон по схеме:
,
Где V - нейтрино.
В таблице 1 указано среднее время каждой из термоядерных реакций синтеза, промежуток, за который количество исходных частичек уменьшится в Е Раз.
Табл. 1.
Реакции синтеза гелия.
Реакция |
Выделяемая энергия, МэВ |
Среднее время реакции. |
Рр-цикл |
|
|
CNO-цикл |
|
|
Эффективность реакций синтеза характеризуется мощностью источника, количеством энергии, которая высвобождается в единице массы вещества за единицу времени. Из теории вытекает, что , Тогда как . Граница температуры Т, Выше которой главную роль сыграет не Рр-, А CNO-цикл, равна 15-106 К. В недрах Солнца основную роль сыграет Рр-Цикл. Именно потому, что первая из его реакций имеет очень большое характерное время (14 млрд. лет), Солнце и подобные ему звезды проходят свой эволюционный путь около десяти миллиардов лет. Для более массивных белых звезд это время у десятки и сотни раз меньше, поскольку значительно меньшим есть характерное время основных реакций CNO-Цикла.
Если температура в недрах звезды после исчерпания там водорода достигнет сотен миллионов кельвинов, а это возможно для звезд с массой Т >1,2 m_, то источником энергии становится реакция преобразования гелия в углерод по схеме: . Расчет показывает, что запасы гелия звезда истратит приблизительно за 10 млн. лет. Если ее масса достаточно большая, ядро продолжает сжиматься и при температуре свыше 500 млн. градусов становятся возможными реакции синтеза более сложных атомных ядер по схеме:
При высших температурах перебегают такие реакции:
И т. д. вплоть до образования ядер железа. Это реакции Экзотермические, Вследствие их хода энергия высвобождается.
Как знаем, энергия, которую излучает звезда в окружающее пространство, выделяется в ее недрах и постепенно просачивается к поверхности звезды. Это перенесение энергии через толщу вещества звезды может осуществляться двумя механизмами: Лучистым переносом Или Конвекцией.
В первом случае речь идет о многоразовом поглощении и переизлучении квантов. Фактически при каждом таком акте проходит дробление квантов, поэтому вместо жестких г-квантов, которые возникают при термоядерном синтезе в недрах звезды до поверхности ее доходят миллионы квантов низкой энергии. При этом исполняется закон сохранения энергии.
В теории переноса энергии введено понятие длинны свободного пробеге кванта некоторой частоты х. Нетрудно сориентироваться, что в условиях звездных атмосфер, длина свободного пробега кванта не превышает нескольких сантиметров. И время просачивания квантов энергии от центра звезды к ее поверхности измеряется миллионами лет. Однако в недрах звезд могут сложиться условия, при которых такое лучистое равновесие нарушается. Аналогично ведет себя вода в сосуде, который подогревают снизу. Определенное время здесь жидкость находится в состоянии равновесия, так как молекула, получив излишек энергии непосредственно от дна сосуда, успевает передать часть энергии за счет столкновений другим молекулам, которые находятся выше. Тем самым устанавливается определенный градиент температуры в сосуде от ее дна к верхнему краю. Однако со временем скорость, с которой молекулы могут передавать энергию вверх за счет столкновений, становится меньше темпа передачи тепла снизу. Наступает кипение - перенос тепла непосредственным перемещением вещества.
В основе теории конвекции лежит принцип, что во время движения вверх каждый элемент массы не успевает обмениваться энергией с окружающим веществом, т. е. что это движение Адиабатическое. Это дает возможность разработать теорию конвективного движения, а соответствующие уравнения решать в объединении с уравнением гидростатического равновесия. Хотя в определенных частях звезды может существовать конвективная зона, равновесие звезды как целого сохраняется.
Как выяснено, в условиях звездных конфигураций конвекция возникает в двух случаях в центральной части звезды, если выделение энергии там происходит в весьма быстром темпе (благодаря процессам CNO-цикла), это касается звезд, массы которых превышают солнечную, и в оболочках звезд, если вещество там мало или совсем не ионизировано.
Похожие статьи
-
Жизненный цикл звезд зависит от их массы: звезды с низкой массой в конечном итоге превращаются в белых карликов, в то время как жизнь звезд с большой...
-
Сверхновые. - Эволюция и типы звезд
Около семи тысяч лет назад в отдаленном уголке космического пространства внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружные слои вещества. Сравнительно...
-
Около семи тысяч лет назад в отдаленном уголке космического пространства внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружные слои вещества. Сравнительно...
-
Рождение и эволюция отдельных типов звезд - Общие сведения о звездах и их типологии
Процесс звездообразования. Эволюция звезд -- это изменение со временем физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд....
-
Эволюция звезд - Происхождение Космоса и Солнечной системы
Возникшие в газопылевой среде Галактики сгущения, продолжающие сжиматься под действием собственного тяготения, получили название протозвезд. По мере...
-
Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая, но если масса вещества оставшегося после...
-
Как и все тела в природе, звезды не остаются неизменными, они рождаются, эволюционируют, и наконец "умирают". Чтобы проследить жизненный путь звезд и...
-
Основные характеристики и эволюция звезд
В результате огромной работы, проделанной астрономами ряда стран в течение последних десятилетий, мы многое узнали о различных характеристиках звезд,...
-
Эволюция звезд - Рождение и эволюция звезд
Современная астрономия располагает большим количеством аргументов в пользу утверждения, что звезды образуются путем конденсации облаков газопылевой...
-
Старые звезды с малой массой Поскольку возраст вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, что недостаточно для истощения запаса водородного топлива в...
-
Строение звезд - Эволюция звезд
Звезды не останутся вечно такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной постоянно рождаются новые звезды, а старые умирают. Чтобы понять, как...
-
Звезды среднего размера - Происхождение и эволюция звезд
Туманность Кошачий Глаз -- планетарная туманность, сформировавшаяся после гибели звезды, по массе приблизительно равной солнечной При достижении звездой...
-
Эволюция на основе ядерных реакций - Эволюция и строение звезд
При температуре в ядрах ~ 106 К начинаются первые ядерные реакции - выгорают дейтерий, литий, бор. Первичное количество этих элементов настолько мало,...
-
Понятие эволюции звезды - Эволюция и строение звезд
Эволюция звезда гравитационное сжатие Эволюция звезд - изменение физических характеристик, внутреннего строения и химического состава звезд со временем....
-
Звезды среднего размера - Эволюция звезд
При достижении звездой средней величины (от 0,4 до 3,4 солнечных масс) фазы красного гиганта в ее ядре заканчивается водород и начинаются реакции синтеза...
-
Типы звезд, Белые карлики - Эволюция и типы звезд
Глобула звезда карлик черный дыра Белые карлики Во Вселенной много белых карликов. Одно время они считались редкостью, но внимательное изучение...
-
Черная дыра - как последняя стадия эволюции звезд - Черные дыры
После выгорания термоядерного вещества в звезде, масса которой сравнима с массой солнца, то свойства газа кардинально меняются. Подобный газ называется...
-
Эволюция звезд малой массы ( до 8 М Солнца) - Строение и эволюция звезд и планет
Если массы, необходимой для начала термоядерной реакции, недостаточно (0,01-0,08 масс Солнца), термоядерные реакции никогда не начнутся. Такие...
-
"Разновидности масс тел", Молодые звезды малой массы - Особенность эволюции звезд
Молодые звезды малой массы Это еще по сути протозвезды, в центре которых только начинаются ядерные реакции, и все излучение происходит, в основном, из-за...
-
Конечные стадии эволюции звезд
Конечные стадии эволюции звезд Сверхновые звезды - это массивные звезды, светимость которых внезапно увеличивается до огромной величины, а затем...
-
Эволюция звезд - Происхождение и эволюция звезд
"Строение звезды и источник ее энергии казались в какой-то степени выясненными, но возникли другие, не менее важные вопросы. Так, оказалось, что Солнце,...
-
Классификация звездных спектров - Образование и эволюция звезд
Класс Особенности спектров Темп-ра, К Типичные звезды O Линии HI, HeI, HeII многократно ионизованных Si, C, N, O (SiIV, CIV, CIII, NIII и др.) 40-28 тыс....
-
Введение - Рождение и эволюция звезд
Звезда - небесное тело, по своей природе сходное с Солнцем, вследствие огромной отдаленности видимое с Земли как светящаяся точка на ночном небе. Звезды...
-
Эволюция звезд - Эволюция и типы звезд
Более девяти десятых вещества нашей планеты Галактики сосредоточено в звездах; есть галактики, в которых на звезды приходится 99,9% массы. Мир звезд...
-
Рождение и эволюция звезд - Рождение и эволюция звезд
Мир звезд огромен и разнообразен. За тысячи лет до нас это знали внимательные наблюдатели неба -- пастухи, мореходы, проводники караванов. Они отличали...
-
Заключение - Происхождение и эволюция звезд
В результате проведенного исследования были подведены следующие итоги. Большую часть своей жизни и хода эволюции звезда находится на главной...
-
НЕЙТРОННЫЕ звезда белый карлик туманность нейтронный - Эволюция звезд
Звезды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца не смогут в конце жизни остановить свое сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации...
-
Заключение - Рождение и эволюция звезд
Итак, мы можем сделать следующие выводы, что все звезды рождены в плазме ядер галактик и выведены ими на первоначальную орбиту в виде быстровращающейся...
-
БЕЛЫЕ КАРЛИКИ - Эволюция звезд
Белые карлики - одна из увлекательнейших тем в истории астрономии: впервые были открыты небесные тела, обладающие свойствами, весьма далекими от тех, с...
-
Эволюция звезд большой массы (больше 8 М Солнца) - Строение и эволюция звезд и планет
Звезды с такими массами быстро проходят свой жизненный путь. После того, как звезда с массой большей восьми Солнечных масс, входит в стадию красного...
-
ПРИЧИНА ВЗРЫВОВ ЗВЕЗД, Эволюция звезд - Звездное небо
Существует несколько гипотез о причине взрывов звезд, наблюдаемых как сверхновые. Однако общепризнанной теории, основывающейся на известных фактах и...
-
Звезды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца не смогут в конце жизни остановить свое сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации...
-
Источники энергии звезд - Энергия звезд
Наиболее очевидным свойством звезд является то, что они светятся, точнее, являются самосветящимися телами. За счет чего покрываются их энергетические...
-
Эволюция звезд и геометрическая турбулентность - Геометрическая турбулентность и эволюция звезд
Используем полученные результаты для доказательства того, что горение вещества в звездах обусловлено только изменением метрики пространства-времени....
-
Образование и эволюция звезд - Образование и эволюция звезд
Звезды - наиболее распространенные объекты во Вселенной. Более 98% массы наблюдаемого космического вещества сосредоточено в них. Эволюция звезд - важный...
-
Нейронные звезды. - Эволюция и типы звезд
Звезды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца не смогут в конце жизни остановить свое сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации...
-
Механизм образования и эволюции звезд - Рождение и эволюция звезд
Согласно современным представлениям, звезды возникают в результате гравитационного сжатия плотных газопылевых облаков с последующим разогревом и...
-
Образование звезд, стадия гравитационного сжатия - Эволюция и строение звезд
Согласно наиболее распространенной точке зрения, звезды образуются в результате гравитационной конденсации вещества межзвездной среды. Необходимое для...
-
Астрофизика (физика звезд на поздней стадии эволюции) - Еще раз о Мироустройстве
Из выступления директора Государственного астрономического ин-та им. Штейнберга, академика РАН, профессора, Черепащук. Черные Дыры, Кротовые Норы, Темная...
-
Нейтронные звезды, Черные дыры - Происхождение и эволюция звезд
Известно, что в некоторых сверхновых сильная гравитация в недрах сверхгиганта заставляет электроны упасть на атомное ядро, где они сливаясь с протонами...
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЗВЕЗД - Эволюция звезд