Белые карлики
Белые карлики
|
Если масса звезды в начале эволюции не превосходила примерно 10 солнечных, термоядерные горение в ядре останавливаются на гелии, углероде, кислороде, неоне или магнии (в зависимости от массы). |
Далее физические условия в ядре становятся совсем необычными - при высокой плотности порядка 1 млн. грамм в кубическом см температуры в 10-50 млн Кельвинов оказывается недостаточно, чтобы считать газ идеальным (т.е. таким, чтобы можно было пренебречь эффектами взаимодействия частиц). При такой плотной "упаковке" частиц начинают сказываться квантовомеханические эффекты.
Во-первых, в соответствии с принципом Паули для частиц с полуцелым спином (например, электрона или нейтрона), в одном и том же состоянии могут находиться только две тождественные частицы с противоположно направленными спинами.
Во-вторых, согласно принципу неопределенности Гайзенберга чем меньше пространственная область локализации частицы, тем больше ее импульс.
Следовательно, при сжатии ионизованного газа все "вакантные" места в пространстве координат и импульсов электронов постепенно "заполняются" и при некоторой плотности наступает момент, когда добавление нового электрона в элемент объема вызывает гигантское противодействие. Это и есть давление вырожденного газа. Ясно, что оно никак не зависит от температуры вещества - меры хаотического движения частиц - а определяется только плотностью и постоянными квантовомеханического взаимодействия (постоянной Планка, массой электрона и скоростью света).
Переход ядра звезды в вырожденное состояние и является главной физической причиной различия эволюции звезд разной массы. После образования вырожденного ядра звезды термоядерное горение продолжается в слоевом источнике вблизи ядра (при этом звезда переходит в область красных гигантов на диаграмме Герцшпрунга-Рессела). Оболочка красного гиганта достигает гигантских размеров в тысячи радиусов Солнца и за время порядка 10-100 тысяч лет рассеивается в пространство.
Оставшееся горячее ядро постепенно остывает и превращается в белый карлик - звезду, в которой силам гравитации противостоит давление вырожденного электронного газа. При массе около солнечной радиус белого карлика всего несколько тысяч км. Средняя плотность вещества в нем свыше 106 г в кубическом см. Ядерные реакции внутри белого карлика не идут, а свечение целиком связано с его медленным остыванием. Основной запас тепловой энергии белого карлика содержится в колебательных движениях ионов, которые при температуре ниже 15 тысяч Кельвинов образуют кристаллическую решетку.
Образно говоря, белые карлики - это гигантские горячие кристаллы. Постепенно температура поверхности белого карлика уменьшается и звезда перестает быть "белой" (по цвету) - это скорее "бурый" или "коричневый" карлик. Если такой остаток звезды одиночный, с ним уже ничего не происходит. Однако если он находится в паре с другой звездой, возможна "вторая жизнь" белого карлика (см. в статье Взрывающиеся звезды). Одно из самых замечательных свойсты белых карликов - наличие предельной массы (так называемый "предел Чандрасекара" - по имени великого американского астрофизика XX в. С.Чандрасекара, который один из первых построил физическую теорию белых карликов и правильно объяснил наблюдаемые свойства этих звезд). Этот предел определяется только мировыми постоянными и химическим составом вещества белого карлика (точнее, числом электронов, приходящихся на один протон или нейтрон) и численно равен примерно 1.4 масс Солнца. При превышении предельной массы давление вырожденных электронов не может противостоять силам гравитации и за считанные секунды наступает катастрофическое сжатие белого карлика (говорят, что наступает коллапс). При повышении плотности в ходе коллапса протоны объединяются с вырожденными электронами и образуют нейтроны (так называемая нейтронизация вещества), а освобождаемая гравитационная энергия уносится в основном нейтрино (см. тж. Взрывающиеся звезды).
Чем заканчивается этот процесс? В настоящее время полагают, что коллапс может либо "остановиться" при достижении плотностей порядка грамм/см3 когда нейтроны сами становятся вырожденными - и тогда образуется нейтронная звезда, - либо выделяемая энергия полностью разрушает белый карлик и коллапс по сути дела превращается во взрыв без образования остатка.
« Назад