ДРУГИЕ ЭТАПЫ ЯДЕРНОГО ГОРЕНИЯ

Стадия ядерного горения водорода занимает большую часть жизни звезд, все последующие этапы их эволюции весьма скоротечны, и этим объясняется, что большинство наблюдаемых сейчас звезд занимают главную последовательность (потому и такое название) на диаграмме светимость — спектральный класс. Дальнейшая эволюция звезд зависит от их массы, о чем говорит рис. 4, где с помощью специальных кривых (треков) на диаграмме светимость — эффективная температура представлена теоретически рассчитанная эволюция звезды в зависимости от ее массы. Здесь же указана горизонтальная ветвь гигантов, которые представляют собой наиболее продолжительный этап эволюции звезд после стадии ядерного горения водорода

По мере исчерпания запасов водорода в центре звезды, где, собственно, только и имеются условия для ядерного горения, эффективная температура звезды падает. Для поддержания необходимого температурного режима центральные районы звезды начинают сжиматься, и выделяемая в результате этого сжатия энергия приводит к увеличению светимости звезды и некоторому расширению ее наружных слоев. В течение всего этого времени звезда на диаграмме светимость — эффективная температура (см. рис. 4) очень медленно перемещается вверх вправо в пределах полосы главной последовательности. Наконец, после истощения запасов водорода в центре звезды и образования там гелиевого ядра (как продукта сгорания водорода) начинается уже несдерживаемое ничем быстрое сжатие всей звезды.

При этом сжатии гелиевое ядро разогревается настолько, что в близлежащих к нему слоях возгорается водород, и наличие такого слоевого источника энерговыделения имеет принципиальное значение для всей структуры звезды. Внезапно возникшее энерговыделение, распространяясь наружу, приводит к резкому расширению наружных слоев звезды, которая превращается в красный гигант с обширной атмосферой и низкой эффективной температурой поверхности Все эти процессы — сжатие звезды, возникновение слоевого источника и превращение в красный гигант — занимают ничтожно малое время в жизни звезды, и поэтому на диаграмме светимость — спектральный класс (эффективная температура), составленной из наблюдательных данных, почти нет звезд в области между главной последовательностью и полосой гигантов.

Однако это касается звезд не очень большой массы, поскольку рассмотренная стадия расширения для достаточно массивных звезд соответствует их положению на диаграмме светимость — эффективная температура в области голубых сверхгигантов. Вследствие потерь массы, масштабы которых не известны, весьма вероятно, что часть массивных звезд на данном этапе эволюции занимает место на так называемой горизонтальной ветви гигантов. Таковы исходные положения звезд на диаграмме светимость — эффективная температура, когда возгорается гелий в центре продолжающего сжиматьсй гелиевого ядра, размеры и масса которого увеличиваются за счет выгорания слоевого источника.

Надо сказать, что для возгорания гелия в центре звезды требуется довольно большая масса - гелиевого ядра, существенно превышающая минимальную массу звезды, необходимую для возгорания водорода. И дело здесь не только в том, что температурный режим ядерного горения гелия намного выше, но и в том, что в звездах массой меньше 2 Mc образуется гелиевое ядро с электронной составляющей в вырожденном состоянии. В результате давление вырожденного электронного газа может вообще приостановить сжатие ядра до установления требуемого температурного режима в его центре, а если при достаточной массе возгорание все же происходит, то оно носит сильно неустойчивый характер. В некоторых красных гигантах возгорание гелия так и не начинается, и находящееся в их центре гелиевое ядро превращается в белый карлик после потери звездой своей оболочки.

Суть ядерного горения гелия заключается в том, что аlfa-частица (ядро Не⁴) последовательно присоединяется к другой аlfa-частице, а затем к образующемуся ядру Be⁸, синтезируя ядро углерода С¹². Участие трех аlfa-частиц в этих термоядерных реакциях послужило поводом назвать ядерное горение гелия “тройным аlfa-процессом”. Следует, правда, отметить, что часть аlfa-частиц может присоединяться к уже образовавшимся ядрам С¹², синтезируя ядра кислорода О¹⁶. В результате всего процесса в центре звезды образуется углеродно-кислородное ядро.

Правда, определенность в дальнейшей судьбе звезд существует, лишь если их масса превышает примерно 8—9 Mc. По известной уже нам схеме образовавшееся углеродно-кислородное ядро сжимается, около него возникает слоевой источник ядерного горения гелия, за счет выгорания которого размеры и масса ядра увеличиваются. В итоге формируется многослойная структура звезды с углеродно-кислородным ядром, двумя слоями, где соответственно происходит ядерное горение гелия и водорода, и еще одним слоем расширяющейся водород-но-гелиевой конвективной оболочки. Затем в центре звезды возгорается углерод, в результате образуется кислородно-магниево-неоновое ядро, появляется новый слоевой источник и т. д.

Однако для звезд меньшей массы такая последовательность эволюции нарушается, и причиной этому является вырожденное состояние вещества в углеродно-кислородном ядре. Кроме того, высокая плотность вещества обусловливает то, что возникают различные физические процессы, сопровождающиеся испусканием нейтрино, потоки которых уносят энергию из звезды, вызывая охлаждение ядра. В результате сжатие продолжается до столь высоких плотностей, когда вырожденный электронный газ становится уже релятивистским. Как указывалось ранее, в этом случае развивается сильная тепловая неустойчивость, которая приводит к потере гидростатического равновесия вещества. При соответствующих условиях возгорание углерода в таком ядре заканчивается полным разрушением всей звезды, которая взрывается как Сверхновая типа I (об этом феномене будет подробнее сказано дальше).

Столь драматичный финал в жизни рассматриваемых звезд был предсказан в начале 70-х годов, благодаря работам эстонского и польского астрофизиков У. X. Ууса и Б. Пачинского, показавших, что релятивистский вырожденный электронный газ образуется в ходе эволюции звезд массой 3—8 Mc. Причем расчеты изменений температуры и плотности вещества в центре углеродно-кислородного ядра свидетельствовали о том <рис. 5), что независимо от точной массы рассмотренных звезд подобная ситуация возникает, когда масса углеродно-кислородного ядра достигает 0,6 Mc при его разрастании за cчет выгорания слоевого источника. На этой стадии эволюции звезда должна выглядеть как красный сверхгигант (рис. 6), имеющий светимость не менее 6- 10⁴ (M_co—0,6) Lc (где Lc = 3,86*10³³ эрг/с— светимость Солнца), а Мсо — масса ядра.

Однако есть определенные наблюдательные данные, указывающие на то, что красных сверхгигантов со столь высокой светимостью при массе 3—8 Mc нет ни в нашей Галактике, ни в ее спутниках — Магеллановых Облаках. В связи с этим было высказано предположение, что эволюция таких звезд может и не окончиться катастрофой. В частности, приводятся доводы в пользу того, что сверхмощный звездный ветер, создаваемый слоевым источником ядерного горения гелия после разрастания углеродно-кислородного ядра до массы 0,6 Mc, cnocoбен сбросить оболочку звезды, превратив ее ядро в остывающий белый карлик. Как уже говорилось, то обстоятельство, что общая масса звезд может существенно изменяться, сильно затрудняет выяснение их эволюции при ядерном горении; по этой же причине не окончательно ясна и судьба звезд массой меньше 8 Me-

Качественно теория объясняет дальнейшую эволюцию звезд с большей массой, однако в количественном отношении здесь много неясного и из-за недостаточности лабораторных данных о термоядерных реакциях, протекающих в недрах звезд. Так, например, ядерное горение углерода происходит при столкновении и присоединении друг к другу ядер С¹² с синтезом ядер неона Ne²⁰, натрия Na²³ или магния Mg²³. Характерная температура этого термоядерного синтеза в звездах составляет около 0,6 млрд. К, что соответствует энергии сталкивающихся частиц 1,7 МэВ. Экстраполяция же лабораторных данных о столкновении ядер С¹² с энергией не менее 2,4 МэВ, как недавно признал У. Фаулер в своей Нобелевской лекции, может дать разницу на порядок в зависимости от используемой модели. Отсюда совершенно неопределенным является характерное время многих термоядерных реакций в звездах.

Тем не менее теория точно предсказывает, что дальнейшая эволюция звезды после образования кислород-но-магниево-неонового ядра зависит от того, превышает или нет масса этого ядра величину 1,37 Mc. Дело в том, что этой массы достаточно, чтобы в таком ядре (кстати, не обязательно в центре) началось ядерное горение неона, в результате синтезируются ядра кремния Si²⁸. Впоследствии может начаться ядерное горение кремния с образованием ядер никеля Ni⁵⁶, которые посредством захвата электрона и последующего Beta⁺-распада превращаются в ядра железа Fe⁵⁶. После образования железного ядра звезда имеет очень сложную структуру “луковицы” со следами всех рассмотренных ядерных превращений (рис. 7). Надо сказать, что последние этапы ядерной эволюции звезд охватывают весьма непродолжительный промежуток времени.

Согласно современным представлениям эволюция и массивной звезды, и звезды с кислородно-магниево-неоновым ядром массой менее 1,37 Mc заканчивается одинаково: в течение считанных секунд совершается гравитационный коллапс (сжатие) с образованием нейтронной звезды или черной дыры (последнее, видимо, возможно лишь в очень массивных звездах). Причем этот коллапс звезды осуществляется, так сказать, “беззвучно”, т. е. без каких-либо сопровождающих взрывных процессов, подобных взрыву звезды как Сверхновой. Наиболее полно гидродинамическая картина данного явления была разработана в работах советского астрофизика Д. К. Надежина в середине 70-х годов.

Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере гравитационного коллапса кислородно-магние-во-неонового ядра массой менее 1,37 Mc, которое образуется в ходе эволюции у звезд массой 8—10 Mc. Как и в рассмотренном ранее случае углеродно-кислородного ядра, аналогичные обстоятельства приводят к тому, что и в данном ядре вырожденный электронный газ является релятивистским. Причем наличие этого газа не только не препятствует, но и способствует дальнейшему гравитационному коллапсу. Дело в том, что при плот-ностях, достигаемых при сжатии рассматриваемого ядра”

энергия “вырожденных” электронов становится достаточной для захвата их атомными ядрами, где они, взаимодействуя с протонами, превращаются в нейтроны с испусканием нейтрино.

Этот процесс, называемый нейтронизацией вещества, приводит к тому, что вырожденный электронный газ практически исчезает, затрачиваясь на образование нейтронов. Кроме того, потоки возникающих нейтрино беспрепятственно уносят наружу энергию, охлаждая газ, что также способствует гравитационному сжатию. По мере увеличения плотности вещества начинают протекать различные ядерные реакции, в том числе и с выделением энергии (например, возгорается кислород), но тенденция гравитационного сжатия столь сильна, что это не приводит к его остановке. Процесс кажется неудержимым, но в конце концов приостанавливается, и причиной этому опять же является вырождение вещества.

Все дело в процессе нейтронизации вещества, который на первых порах благоприятствовал дальнейшему гравитационному коллапсу. Однако в этом же процессе образуются нейтроны, которые, как мы знаем, тоже способны переходить в вырожденное состояние. Этот вырожденный нейтронный газ обладает гораздо большим давлением, чем вырожденный электронный газ, и поэтому устанавливает равновесную конфигурацию при очень высоких плотностях вещества. Правда, все еще зависит от массы звезды, поскольку теория предсказывает, что при массе, большей около 2,5 Mc, гравитационное сжатие объекта не может быть приостановлено никакими силами, и он превращается в черную дыру. Поэтому для образования нейтронной звезды требуется, чтобы перед сжатием своего ядра звезда окончательно бы рассталась со своей оболочкой.