Внутреннее строение звезд

СРОП

«Внутреннее строение звезд»

I.                   Источники энергии звезд

Для поддержания огромной энергии, излучаемой звёздами, им необходимо постоянно перерабатывать в неё огромную массу. Это осуществляется за счёт происходящих внутри светила термоядерных реакций, топливом для которых является составляющий их основу водород.

В основном энергия звёзд образуется в результате двух типов термоядерных реакций: для крупных звёзд типа голубых карликов характерны углерод-азотные реакции, а для более мелких звёзд вроде Солнца – протон-протонные реакции.

Первый способ – это CN-цикл, или цикл Бете.

Ее итогом является слияние четырех протонов в a-частицу, а углерод, азот и кислород выступают лишь как катализаторы. На начальном этапе работы цикла, пока еще не установился стационарный режим, большая часть углерода превращается в азот, а оставшийся углерод приобретает специфический изотопный состав, резко отличающийся от того, который имеется на Земле и в атмосфере Солнца.

Второй способ синтеза альфа-частиц в звездах – так называемая pp-цепочка:

Первые две реакции происходят по два раза, так как надо выработать два ядра ³He, прежде чем сможет произойти заключительная реакция, синтезирующая ⁴He.

Поскольку водород – основная составляющая звездного вещества (около 70% по массе) и поскольку при синтезе гелия выделяется большая часть ядерной энергии, запасенной в веществе, основную часть своей жизни звезды светят, сжигая водород. Последующие стадии ядерного горения, начинающиеся с весьма нетривиального процесса – слияния трех альфа-частиц в ядро ¹²C – важны, пожалуй, в первую очередь не с точки зрения энергетики, в этом отношении ничего принципиально нового здесь нет.

Гораздо важнее другое: как выяснилось в 50-е годы, на этих последующих этапах ядерной жизни звезд произошел (и продолжает происходить) синтез всех "тяжелых" элементов, кроме водорода и частично гелия. Эти последние достались от Большого Взрыва. Поскольку именно тяжелые элементы – это основа жизни, без преувеличения можно сказать, что первым принципиальным шагом к созданию возможности появления жизни во Вселенной стали те ядерные процессы, которые происходят в недрах звезд после выгорания там водорода.

II.                Перенос энергии в звездах

Известны, три способа переноса энергии в звездах:

·    лучистый перенос,

·    конвекция,

·    теплопроводность (электронная).

Все они могут действовать одновременно, однако, какой из этих механизмов будет главным – зависит от типа звезда.

В белых карликах и ядрах красных гигантов перенос энергии осуществляется в основном электронами, длина свободного пробега которых сильно возрастает в вырожденном газе (электронная теплопроводность). В нормальных звездах ГП теплопроводность очень невелика по сравнению с лучистым переносом или конвекцией и потому ее можно не принимать в расчет. Лучистый перенос всегда имеет место в нагретом газе, а конвекция может и не возникнуть.

Лучистый перенос тепла внутри звезд: 

В результате термоядерных реакций, происходящих в центральных областях звезд, из ядер легких химических элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и возникают γ -кванты с λ ∼ 0,001 Е и энергией

∼ 104 кэВ. В ходе медленного просачивания γ -квантов от центра звезды к поверхности они многократно поглощаются, а затем переизлучаются в другом направлении и с другой частотой в процессах тормозного поглощения и излучения электронов на ионах HII и HeIII, а

также при ионизации ионов тяжелых химических элементов и после-

дующих рекомбинациях. 

При высоких плотностях во внутренних слоях звезд процессы поглощения и переизлучения идут настолько часто, что требуются миллионы лет, чтобы энергия в форме излучения просочилась к поверхности. При этом происходит дробление каждого кванта на многие сотни и тысячи квантов меньших частот. В итоге из одного γ -кванта образуется несколько миллионов квантов видимого света – фотонов, которые и покидают поверхность звезды. 

Если энергия переносится из недр звезды наружу только путем излучения, то в недрах звезды должно выполняться условие лучистого равновесия, т.е. каждый слой поглощает ровно столько энергии, сколько излучает. Благодаря этому в слое поддерживается определенная температура.

Конвективный перенос энергии:

В звездах, также как и внутри Солнца, не во всех слоях выполняется условие лучистого равновесия. Приток тепла из внутренних областей звезды в такие слои может оказаться настолько большим, что слой не успевает его переизлучать. 

Например, это может случиться в слоях, где резко увеличивается коэффициент поглощения, либо в областях, где резко возрастает энерговыделение при ядерных реакциях. В этом случае включается более эффективный механизм переноса энергии – конвекция, т.е. перемещение масс вещества, возникающее под действием идущего из глубины теплового потока. Более нагретые массы газа поднимаются снизу вверх, в то время как более холодные опускаются. Происходит интенсивный процесс перемешивания вещества.

III.             Модели звезд разных масс. Звезды на поздних стадиях эволюции.

Звездная эволюция - изменение со временем физических характеристик и химического состава звезд.

Основные этапы звездной эволюции:

·               образование протозвезды в результате гравитационной конденсации межзвездного газа и пыли;

·               возникновение в центре сжимающейся звезды источника термоядерных реакций;

·                превращение звезды в гиганта, а затем в белого карлика (для звезд с массами, близкими к массе Солнца);

·               гравитационный коллапс массивных звезд, приводящий к образованию нейтронной звезды или черной дыры.