§ 121. Основные характеристики звезд
Диаграмма «спектр — светимость». Как и Солнце, звезды освещают Землю, но из-за огромного расстояния до них освещенность, которую они создают на Земле, на много порядков меньше солнечной. По этой причине и возникают технические проблемы при измерениях освещенности от звезд. Астрономы строят гигантские телескопы, чтобы уловить слабые излучения звезд. Чем больше диаметр объектива телескопа, тем более слабые звезды можно с его помощью исследовать. Измерения показали, что, например, Полярная звезда создает освещенность на поверхности Земли Е = 3,8 • 10 -9 Вт/м 2 , что в 370 млрд раз меньше освещенности, создаваемой Солнцем. Расстояние до Полярной звезды составляет 200 пк, или около 650 св. лет (r = б • 10 18 м). Поэтому светимость Полярной звезды Lп = 4πr 2 Е = 4 • 3,14 х (6 • 10 18 м) 2 • 3,8 • 10 -9 Вт/м 2 = 9,1 • 10 29 Вт = 4600 L
. Как видим, несмотря на малую видимую яркость этой звезды, ее светимость в 4600 раз превышает солнечную.
Измерения показали, что среди звезд встречаются звезды в сотни тысяч раз более мощные, чем Солнце, и звезды со светимостями в десятки тысяч раз меньшими, чем у Солнца.
Измерения температур поверхности звезд показали, что температура поверхности звезды определяет ее видимый цвет и наличие спектральных линий поглощения тех или иных химических элементов в ее спектре. Так, Сириус сияет белым цветом и его температура равна почти 10 000 К. Звезда Бетельгейзе (α Ориона) имеет красный цвет и температуру поверхности около 3500 К. Солнце желтого цвета имеет температуру 6000 К. По температуре, по цвету и виду спектра все звезды разбили на спектральные классы, которые обозначаются буквами О, В, A, F, G, К, М. Спектральная классификация звезд приведена ниже в таблице.
Имеется еще одна интересная связь между спектральным классом звезды и ее светимостью, которая представляется в виде диаграммы (рис. 16.2) «спектр — светимость (в светимостях Солнца)» (ее еще называют диаграммой Герцшпрунга—Рессела в честь двух астрономов — Э. Герцшпрунга и Г. Рессела, построивших ее). На диаграмме четко выделяются четыре группы звезд.
Главная последовательность. На нее ложатся параметры большинства звезд. К звездам главной последовательности относится и наше Солнце. Плотности звезд главной последовательности сравнимы с солнечной плотностью.
Красные гиганты. К этой группе в основном относятся звезды красного цвета с радиусами, в десятки раз превышающими солнечный, например звезда Арктур (α Волопаса), радиус которой превышает солнечный в 25 раз, а светимость — в 140 раз.
Сверхгиганты. Это звезды со светимостями, в десятки и сотни тысяч раз превышающими солнечную. Радиусы этих звезд в сотни раз превышают радиус Солнца. К сверхгигантам красного цвета относится Бетельгейзе (а Ориона). При массе примерно в 15 раз больше солнечной ее радиус превышает солнечный почти в 1000 раз. Средняя плотность этой звезды составляет всего 2 • 10 -11 кг/м 3 , что более чем в 1 000 000 раз меньше плотности воздуха.
Белые карлики. Это группа звезд в основном белого цвета со светимостями в сотни и тысячи раз меньше солнечной. Они расположены слева внизу диаграммы. Эти звезды имеют радиусы почти в сто раз меньше солнечного и по размерам сравнимы с планетами. Примером белого карлика служит звезда Сириус В — спутник Сириуса. При массе, почти равной солнечной, и размере, в 2,5 раза большем, чем размер Земли, эта звезда имеет гигантскую среднюю плотность — ρ = 3 • 10 8 кг/м 3 .
Чтобы понять, чем объясняются наблюдаемые отличия звезд разных групп, вспомним связь между светимостью, температурой и радиусом звезды, которую мы использовали для определения температуры Солнца (формула (16.3)).
Сравним две звезды спектрального класса К, одна — главной последовательности (ГП), другая — красный гигант (КГ). У них одинаковая температура — Т = 4500 К, а светимости отличаются в тысячу раз:
т. е. красные гиганты в десятки раз больше по размерам, чем звезды главной последовательности.
Массы звезд удалось измерить только у звезд, входящих в состав двойных систем. И они определялись по параметрам орбит звезд и периоду их обращения вокруг друг друга с использованием третьего обобщенного закона Кеплера. Оказалось, что массы всех звезд лежат в пределах
0,05М ≤ М ≤ 100М
Для звезд главной последовательности имеется связь между массой звезды и ее светимостью: чем больше масса звезды, тем больше ее светимость.
Так, звезда спектрального класса В имеет массу около М ≈ 20М и ее светимость почти в 100 000 раз больше солнечной.
Источник энергии Солнца и звезд. По современным представлениям, источником энергии, поддерживающим излучения Солнца и звезд, служит ядерная энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях образования (синтеза) ядер атомов гелия из ядер атомов водорода. При реакции синтеза из четырех ядер атомов водорода (четырех протонов) образуется ядро атома гелия, при этом выделяется энергия ΔЕ = 4,8 • 10 -12 Дж, называемая энергией связи, две элементарные частицы нейтрино и два позитрона (4Н Не + 2е + + 2ν + ΔЕ).
Для протекания ядерных реакций необходима температура выше нескольких миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции протоны с одинаковыми зарядами смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. В результате термоядерных реакций синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг, дефект масс Δm = 0,01 кг и выделяется энергия q = Δmc 2 = 9 • 10 14 Дж.
Теперь можно оценить, на сколько времени хватит у Солнца запасов водорода, чтобы поддерживать наблюдаемое свечение Солнца, т. е. время жизни Солнца. Запас ядерной энергии Е = Mq = 2 • 10 30 • 9 • 10 14 = 1,8 • 10 45 Дж. Если поделить этот запас ядерной энергии на светимость Солнца L, то мы получим время жизни Солнца:
Если учесть, что Солнце состоит по крайней мере на 70% из водорода и ядерные реакции протекают только в центре, в солнечном ядре, масса которого составляет около 0,1М и где температура достаточно высокая для протекания термоядерных реакций, то время жизни Солнца и звезд, похожих на Солнце, составит t ≈ 10 10 лет. Солнце, по современным данным, существует уже около 5 млрд лет, так что ему еще жить и жить!
Термоядерные реакции синтеза гелия из водорода являются источником энергии звезд главной последовательности.
Определение спектров, цвета, температуры, светимости и масс звезд позволили классифицировать их по спектральным классам и обнаружить связь между спектральным классом и светимостью звезд, а также связь между их массой и светимостью.
Вопросы к параграфу
1. Перечислите основные группы звезд, которые выделяют на диаграмме «спектр — светимость».
2. Чем отличаются звезды одного спектрального класса, но принадлежащие разным группам?
Источник
Нейтронные звёзды и нейтрино
А.Т. Серков, А.А. Серков
ООО НИЦ (Научно-инженерный центр) «Углехимволокно», 141 009. Московская обл., г. Мытищи, ул. Колонцова, д. 5. e-mail: arkady07@rambler.ru
Краткое содержание
Излагается гипотеза образования нейтронных звёзд и нейтрино из ядер химических элементов, потерявших вследствие вязкого сопротивления окружающей среды электроны и осевое вращение, которые обеспечивали взаимную силу отталкивания между ядрами (сила Лоренца). «Обезэлектроненные» ядра при столкновении со скоростью ниже параболической увеличиваются в размерах вплоть до образования космических объектов – нейтронных звёзд, а при скорости выше параболической дробятся до размеров нейтрино.
О существовании нейтронных звёзд мы узнали сравнительно недавно (1967 г) после открытия Д. Беллом пульсаров, космических источников мощного радио-, оптического, рентгеновского и гамма- излучений, приходящих на Землю в виде периодических импульсов (всплесков). Мощность и частота этих всплесков могли исходить от космических объектов обладающих массой Солнца, но вращающихся с частотой 0,01-1,0 с-1. Такое сочетание параметров могло быть реализовано только при плотности массы объектов не менее 1012 г/см3, то есть плотности вещества ядер атомов, протонов и нейтронов. Отсюда название «нейтронные звёзды».
В сумме в нашей галактической системе присутствует огромное число таких объектов, достигающее 108 или даже 109 единиц, что составляет около 10% от общей массы звёзд в галактике. Это много и можно говорить о самостоятельной ветви эволюции вещества, связанной с образованием и превращениями вещества, обладающего сверхвысокой плотностью
1012 г/см3.
Нейтронные звезды, по мнению основной, части научного сообщества, являются «остатками массивных звезд, которые достигли конца своего эволюционного пути во времени и пространстве». Звезды с массой намного больше солнечной заканчивают эволюцию грандиозным взрывом сверхновой. Во время взрыва выделяется огромное количество энергии. На ядра атомов действуют огромные силы сжатия, разрушающие сами атомы, заставляя электроны сходить с орбит вокруг центра атома и вдавливаться в протоны и образуя нейтроны, таким образом, получается сверхплотное вещество, состоящее не из атомов, а представляющее собой сплошную упаковку нейтронов. Так рождаются нейтронные звезды.
Идея выдвигаемой гипотезы состоит в том, что вещество с плотностью
1012 г/см3, то есть равной плотности ядер атомов и нейтронных звёзд образуется самопроизвольно в результате вязкого торможения электронов на орбитах и их падения в конечном итоге на ядро атома, а также торможения осевого вращения ядер атомов.
Вязкое сопротивление и торможение орбитальных электронов, и уменьшение частоты осевого вращения ядер атомов обусловлено в основном двумя факторами: вязкостью окружающей физической среды (эфира) и пересечением силовых линий микро гравитационного (по существующей терминологии электрического) поля. Вязкость эфира мала, но от этого зависит только продолжительность процесса торможения.
Вторая составляющая определяется числом пересекаемых силовых линий и углом, под которым происходит их пересечение. Концентрическая ориентация силовых линий возникает благодаря осевому вращательному движению ядра атома по механизму образования пограничных слоёв. Ориентация силовых линий периодически изменяется в зависимости от расстояния от поверхности ядра. При высокой концентрической ориентации (разрешённые орбиты) орбитальное движение электронов происходит практически без пересечения силовых линий, то есть без торможения. Однако практически идеальной концентрической ориентации нет и пересечение силовых линий, а значит и торможение электронов всегда имеет место.
Ядро атома, обладающее плотностью
1012 г/см3, создаёт вокруг себя микро гравитационное поле с константой 1,847.1028 см3/гс2, в котором движутся электроны. Поле обладает вязко-упругими свойствами. Электроны вследствие вязкого сопротивления медленно тормозятся и со временем падают на ядро.
Атом обладает силой отталкивания, которая возникает из-за вязкого сопротивления и направлена нормально к направлению движения электрона и вращения ядра (сила Лоренца). Когда все электроны упадут на ядро а осевая скорость вращения существенно снизится, атом теряет силу отталкивания и, имея размеры ядра 10-13 см, превращается в самостоятельную нейтральную частицу.
Можно допустить, что пространство заполнено такими частицами, находящимися в непрерывном хаотичном движении. Как они будут взаимодействовать между собой, какова их судьба, какое направление получает дальнейшее эволюционное развитие вещества со сверхвысокой плотностью?
В зависимости от скорости и направления движения частиц в конечном итоге имеется две возможности, либо произойдёт столкновение частиц и их дробление или, напротив, их укрупнение путём взаимного орбитального захвата. Таким образом, в зависимости от конкретных условий могут одновременно происходить эволюционные изменения высокоплотного (1012 г/см3) вещества в сторону укрупнения, вплоть до образования крупных космических объектов – нейтронных звёзд, или, напротив, в сторону уменьшения (дробления) размеров и образования мельчайших частиц – нейтрино.
Возможность орбитального захвата и укрупнения тел может реализоваться при снижении скорости ниже параболической за счёт каталитического взаимодействия с третьими телами. Что касается уменьшения размеров тел при столкновении частиц, то здесь представляется целесообразным отдать предпочтение теории жидкого агрегатного строения ядерного вещества, несмотря на его высокую плотность [1,2 ] и дробления частиц по механизму «сroun splash» для жидких вторичных капель. Предложенная гипотеза при условии разработки методов создания магнитных полей, способных тормозить движение электронов на орбитах и снижать скорость осевого вращения ядер атомов, на наш взгляд может быть использована для проведения лабораторных исследований по получению искусственного сверхплотного вещества (1012 г/см3) и нейтрино.
Доказательством, правда, косвенным справедливости выдвинутой гипотезы является расчёт напряженности магнитного поля на поверхности нейтронной звезды. Из литературных источников известно, что напряжённость магнитного поля, которым обладает нейтронная звезда на поверхности, обычно достигает значения, равного 1012 – 1013 Гс. Однако, в литературе отсутствуют сколь-нибудь убедительное объяснение такой необычно высокой напряжённости магнитного поля на поверхности нейтронных звёзд.
Ранее[3] нами было изучена зависимость напряжённости магнитного поля обычных космических тел от их массы, радиуса и периода вращения. Получено количественное выражение (1), связывающее эти величины:
Н = (v/С)2(M/RT)0,5, (1)
где v- линейная скорость на экваторе космического тела, С- скорость распространения гравитационного излучения (аналог скорости света), равная 0,25.109 см/с. M, R и Т- масса, радиус и период вращения космического тела. Уравнение (1) удовлетворительно описывает магнитные свойства твердотельных планет. Так, например, близкие значения расчётной и справочной величины магнитной напряжённости получены для поверхности Земли, Нрасч. = 0,42 Гс и Нсправ. = 0,50 гс
Уравнение (1) применили для расчёта напряжённости магнитного поля нейтронной звезды с типичными параметрами: М = 0, 28.1034 г (1,4 массы Солнца), R = 1,1.106 см, Т = 0,6 с. Расчёт напряжённости магнитного поля на поверхности нейтронной звезды дал величину 0,14.1012 Гс, то есть в пределах приведенных ранее средних значений. Этот результат служит доказательством общности происхождения магнитных свойств обычных космических тел и нейтронных звезд, что подтверждает (правда, косвенно) правильность предложенной гипотезы о происхождении нейтронных звёзд. Теперь о нейтрино. Предлагаемая гипотеза основывается на представлениях о жидком агрегатном состоянии ядерного вещества. Это значит, что «обезэлектроненные» ядра размером
10-13 см могут соударяться по механизму «crown splash», когда капля жидкого вещества, ударяя в поверхность другого жидкого вещества, в качестве реакции на удар приводит к образованию вокруг капли большого числа вторичных мелких капель. Механизм этого процесса поясняется схемой на рис.1. Размеры вторичных капель на один — два десятичных порядка меньше исходной капли, так что допустимо предположить, что они являются «таинственными» нейтрино.
Рис.1.Схема образования вторичных капель (эффект «crown splash») при ударе капли жидкости в поверхность другой жидкости: 1- удар капли первичной жидкости по поверхности другой жидкости (вид сверху), 2- вторичная капля, 3- жидкий вертикальный цилиндр («rim»), 4- струйка жидкости.
Таким образом, предложена гипотеза образования нейтронных звёзд и нейтрино из ядер атомов в две стадии. Исходной предпосылкой является тот факт, что ядра атомов и нейтронные звёзды имеют одинаковую высокую плотность вещества, равную
1012 г/см3. На первой стадии вследствие вязкого сопротивления окружающей физической среды (эфира) и пересечения силовых линий микро гравитационного (электрического) поля происходит торможение электронов на орбитах и снижение скорости осевого вращения ядер атомов. В результате электроны в конечном итоге падают на ядро и сливаются с ним. Присутствие обращающихся вокруг ядра электронов и осевое вращение ядер придавало атомам Лоренцову силу отталкивания. После падения электронов, а также снижения осевой скорости вращения ядер в окружающем пространстве появляется большое количество хаотично движущихся нейтральных частиц с высокой плотностью.
Дальнейшая судьба частиц зависит от скорости их соударения. Если скорость была ниже параболической (второй «космической»), то частицы объединяются, превращаясь в центр роста космического тела с высокой плотностью вещества, которое со временем может превратиться в нейтронную звезду. Если скорость соударения была выше параболической, то происходило дробление с образованием мелких частиц – нейтрино.
1. ВА Архипов, ВФ Трофимов, Образование вторичных капель при ударном воздействии капли с поверхностью жидкости, Прикладная механика и техническая физика, 2005, т.16, №1, с.35-62.
2. RD Deegan, Ph Brunet, J Eggers, : Rayleigh-Plaeau instability causes the crown splash, 0806.3050v2[physics. Flu-dyn] 3 Dec 2008.
3.АТ Серков, АА Серков, МБ Радишевский, ГИПОТЕЗЫ-1, Солнечная система и атомы, О магнетизме Земли и других космических тел, с.12.
Источник