ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

10/1986

Издается ежемесячно с 1971 г.

Э. В. Эргма,

доктор физико-математических наук

БАРСТЕРЫ. НОВЫЕ, СВЕРХНОВЫЕ-ТЕРМОЯДЕРНЫЕ ВЗРЫВЫ В КОСМОСЕ

в приложении этого номера:

НОВОСТИ АСТРОНОМИИ

Издательство “Знание” Москва 1986

Эргма Э. В.

Э74 Барстеры, Новые, Сверхновые — термоядерные взрывы в космосе. — М.: Знание, 1986. — 64 с., ил. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер. “Космонавтика, астрономия”; № 10). 11 к.

В брошюре рассказывается об удивительных событиях, которые порей происходят в ходе эволюции звезд, когда вещество ее недр становится вырожденным В этих случаях ядерное горение внутри эвеэд и на их поверхности становится неустойчивым, приводя к термоядерным взрывам, охватывающим иногда целиком всю звезду Многое об этих явлениях в жизни звезд нам стало известно лишь в последние годы.

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся современными проблемами астрофизики.

© Издательство “Знание”, 1986 г.

За последние двадцать лет, в основном благодаря широкому использованию быстродействующих ЭВМ, были достигнуты значительные успехи в изучении эволюции звезд. В настоящее время существуют комплексные вычислительные программы (особенно для массивных звезд), позволяющие прослеживать эволюцию звезды от стадии сжатия протозвездного облака через последующие этапы ядерного горения водорода, гелия, углерода (до образования железного ядра) с заключительным коллапсом (сжатием) до образования нейтронной звезды или черной дыры.

Как показывают расчеты, основным фактором, определяющим эволюцию звезд, является их масса. Чем массивнее звезда, тем более разнообразны этапы ее эволюции. От массы зависит и конечный результат эволюции звезды: превращение в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. С массой связана и эффективная температура, определяемая по полному потоку лучистой энергии, испускаемой звездой как абсолютно черным телом тех же размеров. Используемый при этом закон Стефана—Больцмана характерен для состояния идеального газа (жидкости), которое свойственно состоянию вещества в недрах большинства звезд.

Равновесная конфигурация звезд обусловливается тем, что силам тяжести противопоставляются силы газового давления, которое в случае идеального газа (жидкости) связано с температурой Т соотношением Р = nkT, где k — так называемая постоянная Больцмана, а п — концентрация свободных частиц, т. е. величина, связанная с плотностью вещества. Иначе говоря, такое состояние гидростатического равновесия звездных недр во многом зависит от теплового движения газовых частиц, энергетическим источником которого являются реакции термоядерного синтеза, или, как говорят, ядерного горения.

Важной особенностью эволюции звезд является то, что при определенных условиях вещество звездных недр способно переходить в состояние вырожденного газа, которое существенным образом отличается от состояния идеального газа (жидкости). В вырожденном газе из электронов или нейтронов (протонов) энергия этих частиц значительно превышает энергию их теплового движения, и поэтому давление вырожденного газа практически не зависит от температуры. Данное обстоятельство связано с действием принципа Паули из квантовой теории, согласно которому, например, два электрона или нейтрона (протона) не могут одновременно находиться в одном энергетическом состоянии. Так, при охлаждении газа возникает момент, когда ряд низких энергетических состояний частиц (энергии движения частиц) становятся “занятыми” и наступает вырождение газа.

Температура, с которой начинается вырождение газа, при его охлаждении, тем меньше, чем больше масса частиц, составляющих газ. Например, для электронов вырождение наступает уже при температуре около 10⁴K, и поэтому вырожденными являются все свободные электроны в металлах в естественных условиях (в твердом состоянии). Из квантовой теории следует, что температура вырождения связана с концентрацией частиц газа соотношением Т ~ n 2/3 , и если формально использовать это соотношение для случая идеального газа, можно получить связь давления вырожденного газа с концентрацией частиц Р ~ n 5/3 . Однако при высокой концентрации частиц скорость их движения в вырожденном газе может оказаться близкой к скорости света, а в этом релятивистском случае выполняется уже другое соотношение: Р ~ n 4/3 (такая разница существенным образом сказывается на дальнейшей эволюции звезд).

Вещество звездных недр хотя при своем поведении и подчиняется газовым законам, однако является довольно плотным. Поэтому при описании звездных недр пользуются плотностью массы, -а не концентрацией частиц, как .делалось выше. Но суть приведенных здесь соотношений от этого не меняется. На рис. 1 показаны различные,состояния звездного вещества, определяемые существующими соотношениями между температурой и плотностью: / — область, где основную роль играет дав-

Рис. 1. Области применимости различных состояний вещества для различных значении параметров плотности и температуры (крестиком указаны условия, характерные для вещества Солнца): / — область с давлением, /создаваемым излучением; // — идеальный газ; /// — вырожденный электронный газ; IV — релятивистский случай этого газа

ление излучения (Р ~ Т⁴), II — идеальный газ, /// — вырожденный электронный газ, IV — его релятивистский случай.

На представленной диаграмме крестиком указано и состояние недр Солнца, однако температура вещества внутри большинства звезд все же слишком велика, чтобы наступило вырождение. Оно может возникнуть в некоторых звездах, когда их недра начнут охлаждаться в связи с исчерпанием очередного вида ядерного горючего (например, водорода). Существуют объекты, называемые белыми карликами, в недрах которых уже не происходит ядерного горения вещества, и их светимость полностью определяется остаточным тепловым излучением ионов. Электронная составляющая вещества белых карликов находится в вырожденном состоянии, и именно давление этого вырожденного электронного газа делает конфигурацию таких объектов устойчивой.

Правда, надо сказать, что в зависимости от плотности вещества давление вырожденного газа резко уменьшается в релятивистском случае. Поэтому существует предельная ситуация, при которой электронный вырожденный газ становится релятивистским, а созда-ваемое им давление уже не способно предотвратить неудержимое гравитационное сжатие (или, как говорят, гравитационный коллапс) белого карлика. С другой стороны, релятивистским вырожденный газ делается при достаточно большой плотности вещества, и в конечном счете равновесная конфигурация белого карлика зависит от его массы. Ведь чем больше эта масса, тем больше должна быть плотность вырожденного газа, чтобы его давление уравновешивало бы силы тяжести.

Эта предельная величина массы М = 1,4 M_с (где ч Мс=2*10³³ г — масса Солнца) называется пределом Чандрасекхара в честь ученого, впервые рассчитавшего ее в 1931 г. Кстати, в 1983 г. С. Чандрасекхар был удостоен Нобелевской премии за весомый свой вклад в развитие теории строения и эволюции звезд.

В этом небольшом введении мы не случайно так подробно остановились на вырожденном состоянии вещества в недрах некоторых звезд. Дело в том, что ядерное горение в вырожденном газе носит неустойчивый характер и порою сопровождается взрывными процессами, а это и является основной темой нашей брошюры.