Астрономия для любителя Астрономия
Главная
Новости

Астрономия

Солнечная система

Звездное небо

Читальный Зал

Ссылки

Карта сайта



e-mail для связи:
admin(на)astronomus.ru


ЧЕМ ЖЕ ВЫЗВАН ФЕНОМЕН СВЕРХНОВЫХ 1 ТИПА?

Идея о том, что ядерное горение в сильно вырожденном газе может объяснить феномен Сверхновых, была высказана в 1960 г. У. Фаулером и Ф. Хойлом. К концу 60-х годов выяснилось, что взрывное горение углерода вполне возможно в релятивистски вырожденном углеродно-кислородном ядре при эволюции звезд, имеющих на стадии главной последовательности массу 4—8 Mc Об этом говорилось ранее при рассмотрении ядерной эволюции одиночных звезд. Там же отмечался ряд трудностей наблюдательного (отсутствие ярких сверхгиган-трв асимптотической ветви) и теоретического характера (проблема сброса протяженной оболочки звездой), которые остаются неразрешенными в рамках такого подхода. Есть и еще косвенные данные, свидетельствующие против такого подхода; например, наличие белых карликов в молодых рассеянных скоплениях звезд указывает, что звезды с массой 6—7 Mc на стадии главной последовательности способны превращаться в белые карлики без каких-либо катаклизмов.

С другой стороны, как отмечалось, феномен Сверхновых I типа вполне может вызываться последствиями аккреции вещества на белый карлик в тесной двойной системе, причем в этом подходе естественно объясняются многие характеристики Сверхновых I типа и их остатков. Расчеты показывают, что в данном случае требуется наличие двух белых карликов как компонентов тесных двойных систем, и как мы знаем, именно таким финалом заканчивается эволюция многих двойных систем (см. рис. 9). Иначе говоря, исходный состав тесной двойной системы должен включать в себя либо два гелиевых, либо гелиевый и углеродно-кислородный, либо два углеродно-кислородных белых карлика. Наибольшее распространение получила версия предсверхновой двойной системы с двумя углеродно-кислородными белыми карликами, разработанная трудами многих ученых, среди которых следует отметить К. Номото (Япония), А. Ибе-на (США) и А. М. Хохлова (СССР)

Однако не следует думать, что роль аккреции здесь заключается в инициировании ядерного горения углерода за счет энергии, высвобождаемой при падении вещества на углеродно-кислородный белый карлик. Как раз такая ситуация крайне нежелательна, поскольку она

не может обеспечить взрывное горение углерода с разрушением белого карлика. Дело в том, что в этом случае (как говорят, нецентрального возгорания углерода) ядерное горение начинается ближе к поверхности белого карлика, где вырождение электронного газа не столь сильное. По мере медленного движения фронта ядерного горения углерода к центру белого карлика область ядерного горения постепенно превращается в кислород-но-магниево-неоновое ядро, которое впоследствии может испытать гравитационное сжатие до нейтронной звезды. Естественно, никакого феномена Сверхновой при этом не возникает.

Расчеты показывают, что нецентральное возгорание углерода не происходит, если темп аккреции не превышает 3,5-10-6 Мс в год. Столь небольшой темп аккреции углеродно-кислородной смеси на углеродно-кислородный белый карлик Приводит лишь к увеличению его массы, в результате чего становится возможным возгорание углерода в центральных районах, как и в случае эволюции одиночных массивных звезд. Правда, за одним существенным исключением: белый карлик не окружен протяженной оболочкой, имеющейся у сверхгигантов на стадии возгорания углерода в центре углеродно-кислородного ядра. В то же время, как и в центре углеродно-кислородного ядра сверхгиганта, плотность в центре белого карлика столь высока (порядка 109 г/см3), что вырожденный электронный газ там становится релятивистским. И как только энерговыделение за счет термоядерных реакций превысит энергетические пртери на излучение нейтрино, начнется резкое повышение температуры в вырожденном веществе, способствующее более эффективному процессу ядерного горения.

На рис 12 представлена диаграмма температура — плотность вещества в центре белого карлика, где специальной линией указано соотношение между температурой и плотностью при выполнении условия Эпсилонсс = Эпсилонню , где Эпсилонсс — удельное энерговыделение при ядерном горении углерода, а Эпсилонню — удельные энергопотери на излучение нейтрино Отметим, что дальнейшее ядерное горение осуществляется при постоянной плотности, даже при увеличении температуры. На этой стадии перенос энергии осуществляется за счет конвекции и других процессов, и при допустимых условиях дальнейшее развитие взрывного ядерного горения не обязательно должно бы ло приводить к мгновенному нарушению гидростатического равновесия и взрыву белого карлика как пред-сверхновой.

Центральный вопрос, который всегда требовалось решать при построении теории Сверхновых I типа в рамках рассматриваемой модели, заключается в характере распространения ядерного горения в недрах белого карлика. Когда в США появились только первые работы в этом направлении, безусловным считалось, что ядерное горение должно происходить в режиме детонации, т. е. с возникновением мощной ударной волны, приводящей к разрушению белого карлика без всякого остатка (за исключением разлетающейся оболочки, оставленной взрывом). Расчеты показывали, что в этом случае энергетика, задаваемая детонационным механизмом, вполне согласуется с оценками, характерными для Сверхновых I типа. Однако детонационный механизм приводил к тому, что оболочка, разлетающаяся после взрыва белого карлика, должна практически полностью состоять из железа (после его радиоактивного образования) общей массой около 1,4 Mс.

Таким образом, детонационный механизм не может объяснить в рамках рассматриваемой модели происхождение других элементов, кроме железа, обнаруживаемых в немалом количестве в спектрах Сверхновых I типа. Требовался более медленный режим ядерного горения, фронт которого распространялся бы в недрах белого карлика без образования сильной ударной волны (режим дефлаграции). Впервые дефлаграционный механизм (на примере синтеза магния в процессе ядерного горения углерода) был рассмотрен в 1974 г. группой советских астрофизиков во главе с В. С. Имшенником. К со

жалению, в этой работе не учитывалась конвекция, играющая важную роль в переносе энергии. В дальнейшем дефлаграционный механизм (уже с учетом конвекции) был подробно разработан в многочисленных работах японских и американских ученых.

Конвективное ядро у углеродно-кислородного белого карлика образуется, как только энерговыделение при ядерном горении углерода станет больше энергопотерь на излучение нейтрино. Несмотря на конвекцию, температура в центре белого карлика все же медленно будет увеличиваться, повышая энерговыделение при ядерном горении. Однако для энергетики взрывного процесса чрезвычайно важно, насколько эффективно конвекция переносит энергию и охватывает все большую часть недр общим энергетическим режимом. При малоэффективной конвекции не в достаточной степени обеспечивается энергетика дефлаграционного механизма, и поэтому дефлаграционный механизм требует довольно высокой эффективности конвекции на первых стадиях ядерного горения.

Когда температура достигает значения около 0,8 млрд. К, перенос энергии посредством конвекции становится неэффективным, и температура недр белого карлика начинает очень быстро возрастать. Собственно говоря, это и приводит в конечном счете к разрушению гидростатического равновесия белого карлика. Однако важным обстоятельством является то, что при температуре порядка 5 млрд. К устанавливается так называемое термодинамическое равновесие для ядерных реакций, т. е. они с одинаковой эффективностью идут в прямом и обратном направлениях. Наряду с термоядерным синтезом осуществляются и обратные реакции, и этим объясняется, что при взрыве белого карлика как предсверхновой в оставшейся оболочке, помимо никеля, превращающегося в железо, присутствуют и легкие элементы.

Следует отметить, что взрывное ядерное горение углерода как бы осуществляется в два этапа: на первом синтезируются неон, магний и другие элементы (в основном кремний), а на втором образуются элементы группы железа (в том числе и никель). В этом смысле имеются как бы две ступени в установлении термодинамического равновесия. Однако, как показал А. М. Хохлов, вторая ступень, т. е. на уровне синтеза элементов группы железа, нарушается при снижении плотности вещества до значения около 5*107 г/см3, а далее основными продуктами синтеза будут кремний, магний, неон и кислород Согласно расчетам требуется менее 1 с, чтобы фронт ядерного горения, распространяясь к наружным слоям, достиг слоев белого карлика с такой плотностью (при этом ядерное горение охватывает около 0,9 Mс) Этим и объясняется аномально высокое содержание данных элементов, как это следует из спектров Сверхновых I типа

В предположении достаточно высокой эффективности конвекции К. Номото, например, получил, что при дефлаграционном механизме ядерного горения в рассматриваемой модели высвобождаемая ядерная энергия составляет 2*1051 эрг, а кинетическая энергия, вызванная взрывом белого карлика как предсверхновой, — 1,5*1051 эрг. В качестве начальных данных предполагалось, что до аккреции плотность и температура в центре углеродно-кислородного белого карлика соответственно равны 3,4*107 г/см3 и 10 млн К При темпе аккреции 4-10-8 Мс в год плотность в центре белого карлика возрастает до 2,6*109 г/см3 перед возгоранием углерода, а масса достигает 1,378 Мс. Подсчет образующегося количества никеля дал 0,65 Мс.

Помимо прочего, дефлаграционный механизм обеспечивает достаточно мощную нейтринную вспышку, которой сопровождается взрыв белого карлика как пред-сверхновой. Например, в рассмотренной ранее модели К. Номото энергия этой вспышки составляет 3,7*1049эрг Наконец, отметим, что при действии дефлаграционного механизма также не образуется нейтронной звезды как остатка от взрыва белого карлика.

Обсудим теперь модель тесной двойной системы, в которой происходит аккреция вещества от гелиевого белого карлика на углеродно-кислородный белый карлик. Как и раньше, важную роль здесь играет темп аь-креции, но в отличие от предыдущего случая здесь возгорается гелий в оболочке углеродно-кислородного белого карлика, созданной аккрецией Поэтому высокий темп аккреции должен приводить к нарушению теплового равновесия в оболочке, она затем раздувается, и углеродно-кислородный белый карлик превращается в конфигурацию, напоминающую красный гигант. Правда, вполне возможно, что при возгорании гелия происходит потеря (частичная или полная) оболочки, созданной около углеродно-кислородного белого карлика, хотя в рассматриваемых условиях “гелиевая вспышка” не может быть особенно уж мощной.

При темпе аккреции, меньшем критического, на поверхности углеродно-кислородного белого карлика образуется массивная гелиевая оболочка, в которой со временем может начаться взрывное ядерное горение гелия. Расчеты показывают, что при такой конфигурации — углеродно-кислородное ядро и гелиевая оболочка — при действии аккреции возгорается гелий, поскольку требуемая для этого температура существенно ниже, чем при возгорании углерода Возгорание происходит на дне оболочки, а затем взрывное ядерное горение быстро распространяется наружу, так что оно не затрагивает углеродно-кислородного ядра, которое может остаться после взрыва, лишь немного потеряв свою массу

Таким образом, в такой модели феномен Сверхновой обеспечивается лишь взрывным ядерным горением оболочки белого карлика. Это не очень привлекает теоретиков к данной модели, а кроме того, имеется еще ряд трудностей специфического характера. Ведь чтобы обеспечить энергетику процесса, достаточную для феномена Сверхновых, масса оболочки должна быть сравнительно большой, однако возгорание гелия вполне может начаться и в менее массивной оболочке. Но в этом случае не обеспечивается требуемой энергетики взрывного процесса

Последнее обстоятельство привлекло к этой модели внимание А М. Хохлов а и Э. В. Эргмы при объяснении феномена пекулярных Сверхновых I типа. Причем оказалось, что для этого необязательно требовать наличия именно гелиевого белого карлика в качестве второго компонента системы, поскольку вполне допустимо наличие двух углеродно-кислородных белых карликов с гелиевыми оболочками (весьма характерный финал для эволюции тесных двойных систем) При достаточно небольшом темпе аккреции (опять же характерном для таких систем) гелия, поставляемого одним из компонентов, на гелиевую оболочку другого возникает взрывное горение гелия на дне оболочки. Если еще допустить, что масса углеродно-кислородных белых карликов очень мала (менее 1 Мс), то взрывной процесс в такой модели приводит к полному разрушению белого карлика.

Следует отметить, что характерное время ядерного горения гелия даже при высоких температурах, но при небольших плотностях весьма незначительно по сравнению с характерным временем взрывного процесса Это приводит к неполному выгоранию гелия во время взрыва, что также обеспечивает небольшую энергетику процесса. При этом в случае детонационного механизма основным продуктом взрывного ядерного горения будет никель, и этим .можно объяснить отсутствие линии кремния в спектрах пекулярных Сверхновых I типа. Правда, специфический характер ядерного горения гелия при небольших плотностях обеспечивает незначительное содержание кремния также и при действии дефлаграцион-ного механизма.

Надо сказать, что существует альтернативная модель феномена пекулярных Сверхновых I типа, которую предложили американские астрофизики К. Уйлер и Ч. Левро. По их мнению, данный феномен может возникать в ходе эволюции одиночной звезды, имеющей на стадии главной последовательности массу 10—15 Mс. При образовании у такой звезды гелиевого ядра массой 2—4 специфические условия могут обеспечить взрывное ядерное горение гелия, вызываемое детонационной ударной волной. Однако при этом требуется, чтобы до взрыва звезда лишилась своей обширной водородной оболочки (проблема, характерная для интерпретации феномена Сверхновых I типа с помощью одиночных звезд), а кроме того, в рассматриваемой модели вследствие ряда причин образуется совсем уж небольшое количество никеля (значительно меньше 0,1 Mс).

В заключение этого раздела немного остановимся на возможности возникновения феномена Сверхновых I типа при аккреции в тесной двойной системе, состоящей из двух гелиевых белых карликов. Характер эволюции тесных двойных систем таков, что максимальная суммарная масса обоих гелиевых белых карликов в них не может превышать 1 Mс. Для объяснения же феномена Сверхновых I типа требуется, чтобы масса одного из компонентов составляла 0,7—1 Mс, что в рамках данной модели означает перетекание почти всего вещества одного из компонентов к другому Кроме того, для возгорания гелия именно в центре белого гелиевого карлика требуется, чтобы темп аккреции заключался в очень узких пределах — от 10-8 до 2*10-8 Мс. В прин-

дипе взрывное ядерное горение гелия в такой модели все же может обеспечить феномен Сверхновых I типа, но вследствие перечисленных причин такое событие — уж очень редкое явление

 


- Введение

- Ядерное горение водорода

- Другие этапы ядерного горения

- Тесные двойные системы

- Сверхновые: наблюдательные данные

- Феномен сверхновых 1 типа

- Новые и повторные новые

- Катаклизмические и симбиотические звезды

- Рентгеновские барстеры

- Заключение

- Приложение

© ImUgh & leksus copyright 2005-2010 all rights reserved