ч.3_7. Концепция теории образования и эволюции звезд.Белые карлики,Туманности,Сверхновые звезды.

ч.3_7. Концепция теории образования и эволюции звезд.

Белые карлики. Планетарные туманности. Сверхновые звезды.

Продолжение_(2.5;2.6,3).

***

Аннотация

            Рассмотрена эволюция звезд в зависимости от их массы, от исходного газового облака до образования сверхновых звезд и черных карликов.

***

Содержание

1. Введение ……………………………………………………………….     1
2. Этапы эволюции звездного вещества ……………………………….      3
   1. Стартовый этап ……………………………………………………..    3
   2. Гравитационный этап ………………………………………………  18
   3. Термодинамический этап ………………………………………….   26
   4. Теория звездных ядер ……………………………………………..    28
   5. Термоядерный этап ……………………………………………….     43
   6. Структура звезд главной последовательности диаграммы Г-Р ..     52
3. Магнитные поля звезд …………………………………………………    63
4. Эволюция звезд ……………………………………………………….      68
5. Воздействие звездной радиации на космические объекты …………..    83
6. Методика определения параметров звезд …………………………….    84

1. 2.5. Термоядерный этап
        Энергия, излучаемая сформировавшейся звездой, вырабатывается в результате всевозможных ядерных реакций, протекающих в недрах звезды. Особенность этих реакций заключается в следующем: для их протекания необходима высокая стартовая энергия взаимодействующих частиц, которая определяется их температурой. Это связано с взаимодействием частиц, обладающих положительным электрическим зарядом, который препятствует слиянию частиц, что необходимо для протекания ядерных реакций. Энергия, препятствующая слиянию частиц, называется «потенциальным барьером».
       Рассмотрим базовые основы источника энергии, который обеспечивает светимость звездам.
      Основой этого источника является нуклеосинтез ядер химических элементов. Взаимодействие ядер может носить либо пассивный (упругое взаимодействие), либо активный (неупругое взаимодействие) характер. При пассивном взаимодействии после столкновения ядер их индивидуальные параметры не изменяются.
       В свою очередь, активное взаимодействие подразделяется на две разновидности:
   1. Взаимодействие, порождающее фотоны после столкновения, что уменьшает кинетическую энергию ядер. Индивидуальные параметры ядер при этой разновидности столкновений не изменяются.
   2. При взаимодействии происходит преобразование одних ядер химических элементов в другие с изменением их энергетического состояния, которое в своей основе определяется величиной изменения их массы.
         Запишем следующее выражение:
                  (259)
                Где:  - сумма масс ядер, участвующих в ядерной реакции до их активного взаимодействия,
               - сумма масс ядер, получившаяся после активной реакции ядерных взаимодействий,
               - при выполнении этого условия в ядерной реакции происходит выделение энергии,
              величина, которой определяется по формуле:
                   (260)
      Где:   - величина энергии,
                С – скорость света.
             Если рассматривать два ядра до их взаимодействия, то для их активного взаимодействия необходимо, чтобы они обладали такой величиной кинетической энергии, чтобы ее хватило ядрам для преодоления энергетического потенциального барьера, который определяется силой их взаимного отталкивания, что, в свою очередь, определяется величиной их электрических зарядов, поскольку эти заряды у всех ядер положительные. Здесь возникает потребность в необходимости определить пороговую энергию (температуру) ядерных реакций.
           С целью упрощения анализа рассмотрим сугубо оценочную модель условий протекания термоядерных реакций на базе использования законов классической физики. Чтобы получить количественные (расчетные) величины пороговой энергии, примем, что потенциальный барьер для всех ядер рассчитывается по следующей эмпирической формуле:
               (261)
      Где:   - зарядовые числа взаимодействующих ядер,
               
              Вероятность протекания ядерных реакций обращается в ноль при такой начальной энергии взаимодействующих ядер, которая в 5 раз меньше величины потенциального барьера. Назовем ядра до железа включительно, легкими ядрами, а после железа по массовым числам – тяжелыми. В рамках принятых условий энергетические пороги ядерных реакций приведены в таблице 5. Легкие ядра, начиная с гелия, приведены с шагом в 4 нуклона. В таблице пороговое значение ядерных реакций приведены в  
      Таблица 5.   

   Ядро	p	d	t	He3		Be8		C		O	Na	Mg	Si	S	Ar	Ca40
   р	0.1	0.09	0.08	0.16	0.15	0.27		0.36		0.46	0.54	0.62	0.7	0.76	0.84	0.9
   	0.15	0.14	0.13	0.27	0.25	0.44		0.65		0.78	0.83	1.11	1.22	1.33	1.45	1.16
   d	0.09	0.08	0.07	0.15	0.14	-		0.34		0.42	0.5	0.58	0.65	0.72	1.78	0.85
   Продолжение таблицы
   Ядро	Ca44	Ti	Cr	Fe	Ni		Kr		Pd		Sn	La	Nd	Gd	Bi	U
   р	0.89	0.96	1.02	1.08	1.14		1.33		1.6		1.7	1.84	1.93	2	2.4	2.6
   	1.57	1.69	1.81	1.93	2.07		2.4		2.9		3.1	3.3	3.5	3.4	4.4	4.7
   d	0.83	0.9	0.96	1.02	1.08		1.27		1.53		1.62	1.76	1.84	1.93	2.3	2.47

     
      Поскольку, рассматривается исходный газовый шар, состоящий из водорода, то первичной, основополагающей ядерной реакцией может быть только реакция слияния протонов в более сложные ядра дейтерия. Эта реакция на ускорителях элементарных частиц, т.е. в земных условиях, не наблюдалась.  Это обстоятельство объясняется тем, что из-за стопроцентного насыщения кварковых сил в протонах ядерные реакции между протонами протекают с весьма низкой вероятностью.
       Возможен второй вариант начального нуклеосинтеза вещества. Нейтрон является неустойчивой частицей и с периодом полураспада 15 минут и распадается по следующей схеме:
                (262)
   Где:    p     - протон
                  - электрон,
                  - электронное антинейтрино.
       Следовательно, нет запрета на протекание обратной реакции, а именно:
              (263)
         Такая реакция происходит повсеместно в ядрах атомов при избыточном количестве в них нейтронов. Эта реакция называется К-захватом. При ней ядро поглощает электрон из электронной оболочки атома. Такая реакция происходит с участием тех ядер, в составе которых имеется избыточное количество протонов. При к-захвате один из протонов атомного ядра преобразуется в нейтрон. Несмотря на распространенность этой реакции в природе в недра звезд на возможность ее протекания наложены весьма жесткие ограничения. Дело в том, что масса нейтрона больше масса протона, примерно на 2.5 массы электрона. Поэтому, одно дело, протекание реакции слияния электронов с протонами в ядрах атомов и совсем другое, слияние электронов со свободными протонами.
       Для того чтобы такая реакция могла происходить необходимо:
   1. Чтобы масса электрона не менее чем в 2.5 раза превосходила его массу покоя.
   2. Необходима одновременная встреча в одной точке пространства трех частиц:
      – протона,
      - электрона,
      – антинейтрино.
           Несмотря на то, что в природе в свободном состоянии много активных антинейтрино, тем не менее, такое событие является чрезвычайно маловероятным. Только при большом скоплении протонов и электронов реакция слияния трех частиц способна дать заметное количество выделяемой энергии. Рассмотрим первое условие, масса электронов. При росте температуры плазменного вещества растет и релятивистская масса электронов.
         Определим изменения массы микрочастиц, связанное с изменением температуры того вещества, в состав которого входят данные микрочастицы. Энергия микрочастиц состоит из потенциальной релятивисткой части, определяемой приростом массы частиц и кинетической энергии ее движения:
                 (264)
     Где:   - совокупная энергия микрочастицы,
                - масса покоя микрочастицы,
                 - совокупная масса релятивисткой микрочастицы,
               V – скорость  движения микрочастицы,
               С – скорость света.
       Тепловая энергия микрочастиц определяется следующим выражением:
                 (265)
   Где:   - энергия микрочастиц, определяемая  температурой вещества,
               - постоянная Больцмана,
                - температура вещества.
                                                (266)
                (267)
                     (268)
               (269)
              (270)
                 (271)
         Через кратность изменения массы микрочастиц можно определить температуру вещества, в состав которого входит микрочастица.
        Определим температуру вещества, при котором масса электронов увеличивается в 2,5 :
   - для электронов:
            (272)
     
    T = 10 млрд. градусов Кельвина (1.0 МэВ);
            Предельная температура звездного вещества равна 11 миллиардам градусов Кельвина (пороговая температура устойчивого состояния ядер дейтерия). При сжатии газового облака на некотором его этапе энергии сжатия оказывается достаточно, чтобы температура звездного вещества в ее центре приблизилась к 11 миллиардам градусов. Таким образом, при тех температурах, которые создаются в центральном объёме звезд, масса у большинства электронов превышает в 2,5 раза их массу покоя. Рассмотрим, каким образом первоначально запускается процесс термоядерного синтеза в звездах, приняв, что первоначальная температура вещества в центре звезды, 11 миллиардов градусов Кельвина.
         Первичными реакциями нуклеосинтеза в центральном объёме звезды являются следующие:
               (273)
                (274)
        Следующими реакциями  начального нуклеосинтеза вещества являются те, в которых образуется дейтерий:
             (275)
     
       Реакция непосредственного объединения протонов в ядра дейтерия существенно затруднена из-за того, что в протонах кварки находятся в состоянии их стопроцентного насыщения кварковых  (ядерных) сил (статья 6 «Концепция кварковой структуры атомного ядра»).
         Реакция преобразование протона в нейтрон через объединение протона и электрона не происходит не потому, что она в принципе невозможна, а потому, что для ее протекания необходимо еще участие и антинейтрино, что делает осуществление такой реакции возможным, но маловероятным событием. Без участия антинейтрино преобразование протона и электрона в нейтрон запрещено законами квантовой механики.
         С участием нейтрино и антинейтрино возможно также протекания следующих маловероятных реакций:
              (276)
              (277)
        Таким образом, в центре звезды возникает смесь ядер дейтерия и протонов при температуре 10 МрК. Поскольку пороговая энергия взаимодействия ядер дейтерия с протонами равна 0,9 МрК, следовательно, синтезированные ядра дейтерия вступают в ядерную реакцию с протонами, которых в веществе звезды в избытке. В этой реакции образуется Не3 с энергией уже 55 МрК. Это приводит к дальнейшему росту температуры вещества в центральном объёме звезды:
        (5.5 МэВ)           (278)
       может вступать во взаимодействие либо с  , пороговая температура 1.5 МрК, либо с , пороговая температура 2.7 МрК. Эти величины заведомо ниже температуры устойчивого состояния ядер дейтерия.
                (18.4 МэВ)          (279)
        (12.8 МэВ)            (280)
       На этом этапе нуклеосинтеза сложных ядер протекают и другие ядерные реакции, в частности с участием трития:
             (281)
              (282)
            (283)
       Последние  две реакции обогащают нейтронами вещество, находящееся в центральном объеме звезды.
       Гелий3 участвует также в следующих реакциях;
               (284)
                      (285)
                (286)
           (287)
       Последние две реакции интересны тем, что в них рождаются нейтрино. Из-за их высокой проникающей способности часть этих нейтрино покидает Солнце и достигает Земли. Эти  частицы обнаружены с помощью нейтринных телескопов.
        Здесь важно отметить следующее, образование сложных ядер химических элементов приводит к саморазогреву вещества звезды. Рост температуры вещества ускоряет скорость протекания ядерных реакций, в том числе и синтез ядер дейтерия. По мере роста температуры вещества звездного ядра наступает момент, когда энергия частиц достигает такой величины, что ядра с низкой величиной энергии связи нуклонов, оказываются, не способны к длительному существованию. Такими ядрами в частности являются ядра дейтерия. При достижении температуры вещества в  11 МрК они сразу же после синтеза разбиваются высокотемпературными частицами на нуклоны, т.к. энергия связи нуклонов в ядре дейтерия равна 1,1 МэВ на нуклон. Таким образом, пороговой величиной на существование  дейтерия в веществе звезды в устойчивом состоянии является температура 11 МрК. В устойчивом состоянии ядра дейтерия находятся в той области звезды, где температура вещества ниже 11 МрК. Такая ситуация характерна для всех ядер химических элементов. Для каждого ядра существует своя нижняя температурная граница его существования в устойчивом состоянии.
          Верхняя пороговая температура (МрК) устойчивого состояния ядер химических элементов приведена в таблице 5 .
   Таблица 5.     

   d		C	O	Ne	Mg	Si	S	Ar	Ca	Ti
   11	70	76.1	79.4	80	82.2	85.1	86.4	86.3	86.1	87.3
   Cr	Fe	Ni	Kr	Pd	Sn	La	Nd	Gd	Bi	U
   87.6	88	87.9	87.3	85.8	85	83.8	82.8	82.2	77.7	75

         Из таблицы следует, энергетическая прочность альфа частиц в шесть с лишним раз превышает прочность ядер дейтерия. Самым устойчивым являются ядра железа56. Энергетическая прочность хрома и никеля, титана и криптона, кремния и свинца, магния и гадолиния – одинаковы. Энергетическая прочность ядер урана ниже прочности ядер углерода. Таким образом, из-за невозможности образования устойчивых ядер дейтерия при температуре больше 11 МрК, в ядре звезды эта температура является предельной для протекания ядерных реакций, т.к. при ее превышении разрывается цепочка образования более сложных ядер в веществе из-за отсутствия в нем устойчивых ядер дейтерия.
        При температуре до 11 МрК протоны являются активными частицам вплоть до ядер железа включительно. Для ядер дейтерия и трития потенциальный барьер ниже, и поэтому они способны вступать в ядерные реакции с ядрами, зарядовые числа у которых выше, чем у железа. Альфа-частицы сохраняют свою активность до ядер магния.
        Выше была рассмотрена стартовая цепочка ядерных реакций, протекающих в веществе, находящихся в центральном объёме звезды. Эта цепочка называется водородным циклом. При действии этого цикла происходит постепенное накопление альфа-частиц в веществе звезды. Наблюдательная практика показала, предельный процент накопления альфа-частиц составляет, примерно, 10%.  По мере роста концентрации альфа-частиц в веществе звезды в заметном количестве запускается процесс Солпитера, который называется тройным альфа циклом. Он представлен следующими ядерными реакциями:
    Be8 +               (288)
         Be8 является неустойчивым ядром, поэтому необходимо, чтобы альфа-частица столкнулась с ядром Be8 до того, как оно успеет распадься. Это возможно только при высокой концентрации альфа-частиц в веществе звезды.
   С12 +           (289)
       Здесь необходимо обратить внимание на то, что альфа-частицы преобразуются в ядра углерода. Восполнение потерь альфа-частиц происходит за счет, продолжающего действовать, водородного цикла. Помимо альфа-частиц  может взаимодействовать со следующими микрочастицами, вследствие чего является возможность протекания следующих ядерных реакция.
                (290)
              (291)
            (292)
    С12 + n        (293)
             (294)
        Далее запускаются следующие возможные  ядерные реакции:
   С12 +N13 +           (295)
   N13 C13 +           (296)
   C13 +         (297)
         Участие альфа-частиц в ядерных реакциях с ядрами, обладающими большими ядерными зарядами, прекращается. Вещество оказалось представлено смесью всевозможных ядерных частиц протонов, ядер дейтерия, альфа-частиц, ядер легких элементов и т.д., которые активно или неактивно взаимодействуют между собой. Помимо перечисленных частиц в веществе находятся нейтроны. Для этих частиц отсутствует электрический потенциальный барьер, следовательно, они могут легко проникать в ядра, обладающие любым зарядовым числом, при этом вступают в ядерные реакции со всеми ядрами за исключением гелия. Например:
              (298)
               (299)
       В данной реакции происходит самовоспроизводство нейтронов с преобразованием ядер  в  с поглощением дейтерия. Количество всевозможных ядерных реакций, протекающих в веществе звезды, огромно. Образно вещество звезды представимо в виде кипящего бульона из электронов, нуклонов и ядер, где происходит нуклеосинтез ядер химических элементов, принадлежащих таблице Менделеева, а концентрация соответствующих ядер, в частности, определяется их энергетической прочностью. Концентрация ядер выше тех, у которых выше энергия связи нуклонов с ядром.
        Вторым фактором, определяющим концентрацию вещества в звезде, начиная с углерода, является массовое число. Чем больше массовое число ядер, тем ниже их концентрация в веществе звезды.
          Как было сказано выше, приведенный анализ условий протекания ядерных реакций, является сугубо оценочным. Тем не менее, верхняя пороговая температура возможности протекания термоядерных реакций является точным значением, а именно, 11 млрд. градусов Кельвина.
        Принципиально иная ситуация складывается с нижним граничным пороговым значением температур. В квантовой механике, в отличие от классической, действует эффект тунелирования, который заключается в том, что даже, если у микрочастицы значение ее энергии ниже величины энергии потенциального барьера, тем не менее, микрочастица способна проникнуть сквозь энергетический барьер, но по законам вероятности. Действует этот закон следующим образом, чем меньшей энергией обладает микрочастица, тем ниже вероятность ее проникновения сквозь потенциальный барьер. Анализ показывает, в заметном количестве начинается выработка термоядерной энергии в центре звезд при температуре вещества равного 14 милн. градусов Кельвина. Фактически эта температура является пороговым условием запуска в звездах термоядерных реакций.
        Различают следующие процессы нуклеосинтеза ядер химических элементов с участием:
   p - процесс: протонов,
   α  - процесс: альфа-частиц;
   s- процесс: одиночных нейтронов, которые способны активно взаимодействовать с
       ядрами. 
            Для ядер обедненных нейтронами:
   r - процесс: нескольких нейтронов одновременно. Образование ядер с избыточным
        количеством нейтронов;
   x - процесс: высокоэнергетических частиц, выбивающие легкие ядра из тяжелых.
     Внутри звезды действуют  p, α и s - процессы. Под действием этих процессов происходит распространение процесса синтеза все более тяжелых ядер. Каждый этап образования более тяжелых ядер сопровождается выделением соответствующего количества энергии.  При температуре 11 МрК происходит синтез ядер, вплоть до железа включительно. На этом этапе процесс синтеза более тяжелых ядер заканчивается.
        Процесс выделения энергии в центральном объёме звезды происходит только до синтеза ядра Fe56. Синтез более тяжелых ядер сопровождается уже поглощением энергии, т.е. поглощением высокотемпературных частиц ядрами тяжелых элементов. Поскольку процесс синтеза ядер происходит в направлении от легких к тяжелым, поэтому процесс образования тяжелых ядер по сравнению с легкими, невелик. Поэтому процесс поглощения энергии тяжелыми ядрами незначительно сказывается на общем энергетическом балансе звезды.  Таким образом, в некотором количестве в ядрах массивных звезд синтезируются и ядра химических элементов, превышающие массу ядра железа. При уменьшении массы звезд процент таких ядер уменьшается до нуля. Последним стабильным тяжелым ядром, образующимся в результате этого процесса, является ядро висмута. За висмутом образуются уже неустойчивые радиоактивные ядра урана и трансурановых элементов.
        Процесс образование ядер атомов является вероятностным. Количество конкретных синтезированных ядер пропорционально их энергетической прочности. Легкими ядрами, обладающими повышенной энергетической прочностью, начиная с углерода12, являются ядра, которые отличаются друг от друга на такое количество нуклонов, которое соответствует составу нуклонов альфа-частиц. Такими ядрами являются кислород16, неон20 и т.д. Это создает в звезде взрывоопасную смесь. Сдерживающим фактором бурного массового протекания ядерных реакций является низкая энергетическая прочность ядер дейтерия. На первом этапе нуклеосинеза ядер по мере роста массы ядра звезды, в процесс нуклеосинтеза вовлекается новое вещество.  Чем больше масса звезды, тем выше теплоизоляция ядра. Это приводит к росту скорости реакции нуклеосинтеза в центре звезды. Процесс теплового разогрева звезды заканчивается цепочкой, в которой ключевую роль играют альфа-частицы. При их избыточном количестве и высокой концентрации легких ядер запускается ускоренный процесс преобразования углерода в кислород, кислорода в неон, неон в магний и т.д. Это приводит к избыточному выделению тепловой энергии, которая не успевает из звездных недр попасть на ее поверхностный слой, что повышает температуру ее ядра. Дальнейший ускоренный разогрев вещества приводит фактически к цепной реакции альфа процесса, заканчивающегося взрывом звезды. При относительно малой массе звезды разогрев внутренних объемов вещества может и не привести к катастрофическим последствиям для звезды. При взрыве звезды температура ее недр резко повышается, что ускоряет протекания всех ядерных реакций, включая реакции синтеза тяжелых ядер. Запускается – процесс. Это приводит к синтезу ядер, обогащенных нейтронами, в частности, трансурановых элементов.
         В целом, процесс протекания реакций нуклеосинтеза ядер определяется массой звезд, чем массивней звезда, тем ниже интегральная теплопроводность ее вещества. При гравитационном сжатии газового облака плотность вещества, находящегося в центральном объёме облака и его температура, растут. Этот процесс превращает газовое облако в звезду. Как только давление в центре  звезды достигает 0,7 млн. атмосфер  образуется ядро и начинается повышаться температура вещества, представляющего звезду. Из-за высокой теплопроводности вещества ядра температура этого вещества во всех локальных объёмах ядра практически одинакова, поэтому реакции нуклеоснтеза происходят во всем объёме ядра. После запуска термоядерных реакций в ядре постепенно все звездное вещество переходит в квазистационарное тепловое состояние. Мощность энергии, вырабатываемой в термоядерном реакторе звезды в ее ядре, равна мощности, которая излучается с поверхности звезды в окружающее космическое пространство. Интенсивность (мощность) протекания термоядерных реакций определяется массой звезд. Чем массивней звезда, тем выше мощность ее ядерного реактора.
          В целом температура вещества центрального объёма звезд колеблется от 14 млн. до 11 млрд. градусов Кельвина. У звезд малых масс температура вещества близка к 14 млн., градусов,  а у звезд, масса которых близка к 30 массам Солнца, температура вещества в их центральном объёме достигает 10 млрд. градусов Кельвина.
       Чем выше температура вещества, тем больше масса ядер химических элементов способна синтезировать такое вещество. Для звезд, масса которых близка к  , в их ядрах синтезируются только легкие ядра химических элементов до гелия включительно. При температуре 10 млрд. градусов Кельвина синтезируются ядра химических элементов до железа включительно и в небольшом количестве синтезируются ядра более тяжелых элементов.
          Рассмотрим, каким образом изменяется состояние вещества звезд по мере выгорания в них их термоядерного топлива. Базовой особенностью термодинамического состояния звезд является то, что на всех их промежуточных эволюционных этапах средняя температура их вещества все время монотонно растет. Но на различных этапах существенно изменяется скорость роста температуры. На термоядерном эволюционном этапе звезд рост средней температуры замедляется за счет того, что тепловая энергия, вырабатываемая в центральном объёме звезд, уравновешивается излучением этой энергии с их поверхности. По мере выгорания термоядерного топлива мощность звездного ядерного реактора снижается. Казалось бы, это должно приводить к снижению средней температуры звездного вещества, но не тут-то было. Стабильное состояние звезде обеспечивает гравитационная сила, сжимающаяся вещество звезды. При возникновении тенденции к снижению средней температуры звездного вещества она компенсируется тем, что происходит гравитационное сжатие звездного вещества, которое сопровождается:
   - выделением в веществе звезды энергии гравитационного сжатия звездного вещества с
      соответствующим уменьшением объёма звезды, что приводит к дальнейшему росту
      средней температуры  ее вещества;
   - росту давления, сжимающего вещество звезды, находящегося в ее центральном объёме.
           Таким образом, выгорание термоядерного топлива сопровождается:
   -  уменьшением размера звезды,
   - ростом средней температуры и температуры ее поверхности,
   - увеличением массы звездного ядра с соответствующим уменьшением его размера,
   - уменьшение температуры вещества ядра.
          Уменьшение размера звезды повышает плотность и среднюю температуру ее вещества, что повышает интегральную теплопроводность вещества звезды в целом. Таким образом, несмотря на то, что средняя температура звездного вещества растет, температура вещества в ее центральном объёме снижается за счет роста температуры ее поверхности. Этот процесс заканчивается тем, что в центральном объёме звезды температура вещества снижается ниже 14 млн. градусов и на этом термоядерный эволюционный этап звезды заканчивается.
             После завершения термоядерного эволюционного этапа звезда продолжает излучать энергию в окружающее космическое пространство за счет энергии накопленной:
   - в звездном ядре,
   - в раскаленном остывающем веществе звезды, окружающего звездное ядро,
   - за счет энергии гравитационного сжатия вещества звезды.
        Тепловая  энергия звездного ядра определяется следующим образом.
       Эта энергия представлена кинетической энергией:
   - электронов,
   - ядер атомов, синтезированных после термоядерного эволюционного этапа звезды.
     Этот состав определяется массой звезды.
        Совокупная энергия микрочастиц, представляющих звездное ядро, определяется по формуле:
              (300)
   Где:    k     - постоянная Больцмана,
               T   - температура ядра,
               N   - количество микрочастиц, представляющих ядро.
        При снижении температуры звездного ядра ниже 1 млрд. градуса Кельвина в звезде происходят следующие тепловые процессы. Продолжает расти средняя температура звездного вещества, а размер звезды уменьшается, что повышает плотность ее вещества и давление, сжимающее вещество в центральном объёме звезды. Это приводит к росту массы звездного ядра с соответствующим  уменьшением его размера.   Это способствует выделению тепловой энергии в звездном ядре, но из-за низкой сжимаемости вещества звездного ядра и повышения интегральной теплопроводности вещества звезды в целом, температура ядра продолжает снижаться. При этом продолжается  также процесс повышения температуры поверхностного слоя звезды. Это приводит к тому, что одновременно растет степень ионизации звездного вещества в верхних слоях звезды.
      Конечным состоянием этого процесса является этап, когда звездное вещество переходит в такое состояние, когда оно практически перестает сжиматься гравитационной силой. В дальнейшем вещество звезды просто остывает уже во всем ее объёме при соответствующем заполнении электронных оболочек атомов, представляющих звездное вещество.
        По мере остывания вещества, окружающего звездное ядро, начинается процесс образования атомов из плазменного состояния вещества. Вначале, электроны заполняют К-тые орбиты электронных оболочек и наиболее близко расположенные к ядру атома, затем, оболочки, расположенные на более удаленных расстояний от ядра. В начале заполняются оболочки ядер тяжелых элементов. В последний момент заполняются электронные оболочки легких ядер. Для железа заполнение К-ой оболочки начинается при снижении температуры вещества до 92 млн. градусов Кельвина, для ядра атома Урана температура равна 1.15 млрд. градусов Кельвина.
       Пороговая температура 100-ой ионизации ядер атомов химических элементов определяется по следующей формуле:
             (301)
   Где:   z  - порядковый номер атома в таблице Менделеева,
               (Тн) - температура 100-ой ионизации атома водорода, которая равна 136 градусам
                   Кельвина.
          При этом выделяется энергия, приходящаяся на 1 электрон для:
   - водорода 13.6 эВ,
   - железа 9.2 КэВ,
   - урана 0.12 МэВ.
        Таким образом, энергия, выделяемая при попадании электрона на К-тую орбиту ядер атома урана, соизмерима с энергией, выделяющейся при нуклеосинтезе ядер химических элементов.
        По мере эволюционного преобразования вещества, если звезда сохранила свое существование, она превращается вначале в белого, затем в коричневого, и наконец, в черного карлика. На этом эволюционный процесс преобразования звезды завершается. В конечном счете, звезда, оказывается, представлена сверхплотным ядром, окруженного веществом в газообразном или твердом состоянии. Внутренняя граница звездных ядер определяется давлением 0,7 млн. атмосфер, которое создается звездным веществом и веществом самого ядра.
2. 
   
   
   

   2.6.   Структура звезд главной последовательности диаграммы Г-Р

   
   
   

           Всю совокупность звезд во вселенной можно разбить на два класса:

   
   
   

   - безъядерные,

   
   
   

   - ядерные.

   
   

          Безъядерные звезды представлены газоплазменным веществом.

   
   

        Ядерные звезды - это те, в центре которых находится ядро.

   
   

        Диапазоны изменения параметров звезд:

   
   

   - безъядерных:

   
   

   

   
   

   
   

                               (302)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

   
   

        Где:      - радиус и масса Солнца.

   
   

   
   

   - ядерных:

   
   

   

   
   

   
   

                               (303)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

        Структура ядерных звезд представлена:

   
   

   - твердым веществом звездного ядра,

   
   

   - газоплазменная оболочка газового ядра, в которой для звезд, превышающих массу Солнца, сосредоточена основная масса звездного вещества.

   
   

        Звездное ядро является термоядерным реактором, в котором вырабатывается тепловая энергия звезд.

   
   

        Светимость звезд изменяется в чрезвычайно широких пределах. Определим диапазон светимости ядерных звезд:

   
   

            (304)

   
   

        Где:  α     - коэффициент излучения,

   
   

                  R    - радиус звезды,

   
   

                  T   - температура поверхности звезды.

   
   

            (305)

   
   

   

   
   

             (306)

   
   

   

   
   

   
   

            Кратность изменения светимости звезд равна следующей величине:

   
   

                 (307)

   
   

   
   

         Возникает вопрос, какой физический механизм обеспечивает звездам такой колоссальный диапазон изменения, излучаемой ими энергетической мощности?

   
   

         В звездах действуют два энергетических источника:

   
   

   - гравитационного сжатия вещества звезд,

   
   

   - термоядерные реакции нуклеосинтеза ядер химических элементов.

   
   

        На термоядерном эволюционном этапе существования звезд решающим источником энергии является термоядерный  реактор звездного ядра. Температура вещества звездных ядер определяется диапазоном протекания термоядерных реакций, который находится в следующих пределах:

   
   

           (308)

   
   

   
   

       Звезды образуются из первичного холодного газового облака. Постепенно, по мере гравитационного сжатия, вещество облака разогревается, но температура его поверхностного вещества находится ниже той величины, при котором облако способно светить в оптическом диапазоне волн. Только после образования в облаке ядра происходит его преобразование в звезду. Отсюда следует, на диаграмме Г-Р движение звезд происходит из правого верхнего угла влево - вниз. Причем, этап образования в звездах ядер достигает звезды примерно на полпути их движения по диаграмме к звездам, находящихся на главной последовательности. Далее звезды относительно быстро преодолевают остаток пути их движения к главной последовательности.

   
   

          Базовой особенностью нахождения звезд на главной последовательности диаграммы являются:

   
   

   - протекания термоядерных реакций в звездных ядрах,

   
   

   - что очень важно (!) звезды перешли в квазистационарное состояние, т.е. в такое, когда изменение их макроскопических параметров происходит относительно медленно и долго.

   
   

         Поскольку звезды образуются первоначально из холодного газообразного вещества, для запуска термоядерных реакций необходимо, чтобы температура вещества ядер звезд обязательно достигла величины в 14 млн. градусов. После образования в звездах их ядер размеры звезд продолжают уменьшаться (таблица 6).

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   Таблица 6.   

   
   

   M   [кг]
   [м]
   [м]
   [м]
   [м]

   
   

   
   

    Где:    M     - масса звезд,

   
   

                    - начальный радиус газового облака,

   
   

                    - радиус газовых облаков на начальном термодинамическом эволюционном

   
   

                            этапе,

   
   

                    - радиус звезд при образовании в них ядер,

   
   

                    - радиусы звезд при их нахождении на главной последовательности

   
   

                         диаграммы   Г-Р.

   
   

         При попадании звезд на главную последовательность их вещество находится в квазистационарном состоянии, т.е. размеры звезд на этом эволюционном этапе изменяются незначительно относительно других эволюционных этапов.

   
   

        Определим параметр звездных ядер по формуле 242:

   
   

               (309)

   
   

   
   

       Для звезд, масса которых равна и меньше  , масса звездных ядер определяется по формуле 244:

   
   

              (310)

   
   

   
   

        Радиус звезд определим по формуле (строка 449):

   
   

              (311)

   
   

   
   

       Радиус звездных ядер определим по формуле:

   
   

                (312)

   
   

   
   

       Результаты вычисления приведены в таблице 7.

   
   

   Таблица 7.    

   
   

   [кг]
   [м]
   	5	4.8	4.5	4.2	3.1	3	2.9	1.6	0
   м	2.98	3	3.1	3.2	3.5	3.6	3.7	4.4	0

   
   

   
   

   Где:          - масса звезд,

   
   

                    - радиус звезд,

   
   

                    - масса ядер,

   
   

                   - радиус ядер.

   
   

           Как видно из полученного результата, параметры звездных ядер весьма слабо зависят от массы звезд. При изменении массы звезд в 25 раз масса ядер изменяется в 3 раза, а радиус всего в 1,5 раза. Таким образом, в звездах рассматриваемых масс параметры ядер составляют весьма  небольшой процент от макроскопических параметров звезд. Здесь необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. С уменьшением массы звезд масса звездных ядер увеличивается, а размер, соответственно, уменьшается. В звездных ядрах происходят преобразования более легких ядер химических элементов более тяжелые. По мере термоядерного синтеза более тяжелых ядер, сохранение вещества звездного ядра в шестом сверхплотном состоянии требует более высокого, сжимающего их давления. Для звездных ядер, представленных атомами железа, необходимо наличие давления не менее 2.5 млн. атмосфер (статья «12. Концепция истории и строения Земли»). Определим пороговую величину  массы звезд, при которой давление в их центральном обьеме становится равным 2.5 млн. атмосфер ( по формуле 7:

   
   

               (313)

   
   

   
   

      Усредненные радиус звезд с их массой, представленные на главной последовательности диаграммы Г-Р, связаны следующим соотношением (строка 449):

   
   

              (314)

   
   

          Подставим значение радиуса в 312:

   
   

               (315)

   
   

   
   

             (316)

   
   

   
   

              (317)

   
   

   
   

               (318)

   
   

   
   

         Определим плотность вещества звездного ядра для звезд массой  (таблица 7):

   
   

              (319)

   
   

   
   

         Таким образом, плотность вещества звездного ядра в 210 раз превосходит плотность твердого водородного вещества при нулевой величине внешнего давления.

   
   

          На термодинамическом этапе до образования в звездах их ядер в звездах выделяется следующая энергия их гравитационного сжатия, которая определяется по формуле 134:

   
   

            (320)

   
   

   - для звезд массой  :

   
   

             (321)

   
   

   
   

   - для звезд массой:

   
   

   
   

            (322)

   
   

   
   

   Определим прирост средней температуры звездного вещества по формуле:

   
   

             (323)

   
   

   
   

             (324)

   
   

   
   

               (325)

   
   

        Для звезд:

   
   

   - массой:

   
   

              (326)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

   - массой :

   
   

             (327)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

        Определим энергию гравитационного сжатия звездного вещества с момента образования их ядер до момента их попадания на главную последовательность на диаграмме Г- Р.

   
   

          Для звезд массой 

   
   

   
   

           (328)

   
   

   
   

        Для звезд массой   :

   
   

   
           (329)

   
   

   
   

        Определим прирост температуры вещества звездных ядер, если бы вся энергия гравитационного сжатия звезд полностью пошла бы на нагрев вещества ядер.

   
   

       Для звезд массой  :

   
   

           (330)

   
   

   
   

    Для звезд массой  :

   
   

             (331)

   
   

   
   

      Определим, на какую величину способно нагреться вещество звезд в целом в процессе образования их ядер для звезд :

   
   

   - массой    :

   
   

            (332)

   
   

   
   

   - массой    :

   
   

           (333)

   
   

   
   

            Суммарная средняя температура вырастает для звезд:

   
   

   - массой    :

   
   

         (334)

   
   

   - массой    :

   
   

            (335)

   
   

   
   

        Рассмотрим эволюционные преобразования вещества для звезд массой  

   
   

       Согласно таблице 6  при рождении ядра для звезд массой     радиус звезды был равен . При этом размере звезды давление в точке ЦМ равно 7. Поскольку часть звездной массы переходит к ядру, радиус уменьшается, а это приводит к росту внутреннего давления внутри звезд. Причем, чем меньше масса звезд, тем выше давление, действующее в их центральном объёме. Именно в избыточности давления, создаваемого веществом звезд малых масс и кроиться ответ о структуре ядерных звезд этих масс. С уменьшением массы звезд, масса их ядер растет, а размер ядер уменьшается. Если идти от звезд больших масс к звездам малых масс, то, примерно, до звезд, масса которых равна массе Солнца, звездные ядра не вносят заметного вклада в структуру звезд, т.к. размеры и масса ядер составляют незначительные процент от общего размера и массы звёзд. Но для звезд, масса которых меньше Солнца, звездные ядра начинают вносить все более заметный вклад в структуру звезд. Максимальной величины этот вклад достигает в звездах, масса которых равна    .

   
   

         Рассмотрим структуру звезд, масса которых равна   . Как и все ядерные звезды, эти также представлены газоплазменными оболочками и звездными ядрами. Определим соотношение между оболочкой и ядром. Давление, действующее на вещество оболочки, не может превысить 7, поэтому примем, что среднее давление, действующее на вещество оболочки равно . Среднюю температуру вещества оболочки примем равной 1 млн. градусов Кельвина. На основании уравнения Клайперона определим плотность вещества звездной оболочки:

   
   

             (336)

   
   

   
   

           (337)

   
   

   
   

            (338)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

   Где:  P    - давление,

   
   

             n  - концентрация микрочастиц,

   
   

             k   - постоянная Стефана-Больцмана,

   
   

             T   - температура,

   
   

             ρ  - плотность вещества,

   
   

               (mp) - масса протона.

   
   

        Объём пространства, занимаемый звездой, равен следующей величине;

   
   

         (339)

   
   

   
   

   Где:    R   - радиус звезды.

   
   

       Примем, что весь объём пространства, занимаемый звездой, представлен веществом ее оболочки. Определим массу вещества:

   
   

            (240)

   
   

   
   

   
   

   Где:    M    - масса звезды

   
   

              V    - обьем звезды.

   
   

            (341)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

       Определим долю вещества оболочки от общей массы звезды:

   
   

            (342)

   
   

   
   

       Таким образом, даже если бы вся звезда была представлена только ее оболочкой, масса оболочки все равно составила бы ничтожный процент от общей массы звезды. В реальности, оболочка звезды занимает только ту часть ее объёма, который представляет сферический слой вещества вокруг ядра звезды. Фактически он представляет атмосферу звездного ядра. Из приведенного анализа следует: основная масса звездного вещества сосредоточена в звездном ядре, и только незначительная часть вещества находится в ядерной оболочке звезды.

   
   

       Определим радиус звездного ядра:

   
   

             (343)

   
   

   
   

      Отсюда толщина ядерной оболочки звезды равна следующей величине:

   
   

           (344)

   
   

   
   

       Определим ту долю общего объёма звезды, которую занимает ее ядро:

   
   

           (345)

   
   

   
   

              (346)

   
   

   
   

           (347)

   
   

   
   

   

   
   

   
   

          И хотя львиная доля массы звезды сосредоточена в ядре, тем не менее, оболочка звездного ядра занимает 98.4% от общего объёма вещества звезды.

   
   

       По мере увеличения размера звезд их параметры изменяются следующим образом:

   
   

        - масса звезд растет,

   
   

       - давление в центральном объёме – снижается,

   
   

       - отношение массы звезд, сосредоточенное в ядерной оболочке, к массе звезд в целом

   
   

         увеличивается,

   
   

       - масса ядер уменьшается, а их размер увеличивается.

   
   

       Поскольку в данном случае рассматриваются стабильные ядерные звезды, ограничим этот ряд следующими размерами звезд:

   
   

             (348)

   
   

   
   

      Для звезд с радиусом 30 солнечных, радиус звездного ядра равен   . (таблица 7).

   
   

     Как было показано выше, в целом для ядерных звезд диапазон изменения температуры ядерного вещества изменяется в следующих пределах(раздел 2.5 «Термоядерный этап»):

   
   

           (349)

   
   

   
   

        Определим величину градиента температур ядерных оболочек вещества звезд во всем диапазоне их размеров.

   
   

        Для звезд радиуса     градиент равен:

   
   

            (350)

   
   

   
   

       Для звезд радиуса       градиент равен:

   
   

           (351)

   
   

   
   

       Среднее значение градиента равно 0.525   . Совпадение градиента температур во всем рассматриваемом диапазоне размеров звезд главной последовательности диаграммы Г-Р, требует своего физического объяснения.

   
   

          Рассмотрим теплопроводность газообразных веществ, которая определяются по формуле:

   
   

           (352)

   
   

       Где:         - теплоемкость газа,

   
   

                     - средняя скорость движения микрочастиц, представляющих газ;

   
   

                      - средняя длина пробега микрочастиц;

   
   

                  ρ    - плотность вещества.

   
   

           (353)

   
   

      Где:    n     - концентрация микрочастиц,

   
   

                 d     - эффективный диаметр микрочастиц.

   
   

           (354)

   
   

     Где:      m       - масса микрочастиц,

   
   

           (355)

   
   

   
   

            (356)

   
   

   
   

          Рассмотрим параметр V. Энергия микрочастиц определяется следующими выражениями:

   
   

             (357)

   
   

       Отсюда получим:

   
   

            (358)

   
   

   
   

             (359)

   
   

   
   

           Из рассмотренного уравнения следует, теплопроводность пропорциональна корню квадратному из температуры газообразных веществ, к которым относятся и вещества в плазменном состоянии. Именно в этом и заключается сущность физического объяснения сформулированного вопроса.

   
   

         После образования в звездах их ядер температура вещества ядер достигает порогового значения запуска в них термоядерных реакций, что повышает температуру ядер относительно средней температуры вещества, находящегося в ядерной оболочке. Поскольку исходная температура вещества оболочек относительно низкая, то у них и низка их интегральная теплопроводность. Оболочка играет роль теплоизолирующей шубы, которая окутывает ядерные реакторы звёзд, их ядра. По мере разогрева вещества оболочки теплом, вырабатываемым звездным ядром, т.к. при этом происходит и нагрев вещества в приповерхностном слое ядра, которое передается дальше от ядра, интегральная теплопроводность оболочки возрастает до той величины, когда наступает режим термодинамического равновесия звезды в целом. Тепловая энергия, вырабатываемая термоядерными реакциями вещества ядра, становиться равной энергии, которая излучается поверхностным излучением звездного вещества в окружающее космическое пространство.

   
   

          Для звезд, масса которых меньше  , усредненные параметры звезд главной последовательности диаграммы Г-Р связаны  следующим эмпирическим выражением 9строка 452):

   
   

               (360)

   
   

   
   

       Для звезд, масса которых больше  , это же соотношение определяется следующим эмпирическим выражением (строка 349):

   
   

             (361)

   
   

   
   

        Определим величину массы звезды, радиус которой равен: м (строка 450):

   
   

          (362)

   
   

   
   

       Для звезд массой    температура звездного ядра близка к 11 млрд. градусов кельвина. Таким образом, зная радиус звезды и используя значение величины, градиента температуры вещества вдоль радиуса звезд в их оболочке, можно определить температуру вещества звездных ядер. Например, для Солнца  температура вещества ее ядра равна следующей величине:

   
   

            (363)

   
   

   
   

       Для звезд, масса которых равна  , температура их ядер равна 14 млн. градусов Кельвина. Отсюда следует, космический газообразный обьект, масса которого меньше , уже не является звездой, т.к. его структура такова, что температура ядер у таких космических обьектов не достигает 14 млн. градусов Кельвина. Поэтому в таких обьектах не происходит запуск термоядерных реакций.

   
   

           В зависимости от температуры звездного ядра, в нем с ростом температуры:

   
   

   - во-1-х, растет скорость протекание термоядерных реакций;

   
   

   - во-2-х, пропорционально температуре ядра в нем растет количество различных ядер

   
   

                   химических элементов, т.е. растет масса тех ядер химических элементов,

   
   

                   которые способны синтезировать данное ядро.

   
   

         Линия главной последовательности звезд на диаграмме Г-Р имеет излом в месте, где масса звезд близка к массе Солнца. Это связано с тем, что при температуре звездных ядер,  превышавшей 35 млн. градусов, в ядре начинается синтез ядер химических элементов почти всей таблицы Менделеева. Рост интенсивности синтеза этих ядер быстро происходит с ростом температуры звездных ядер. Именно синтез дополнительных ядер и вносит дополнительный вклад в выработку энергии термоядерного синтеза химических элементов для звезд, масса которых превышает массу Солнца.

   
   

        В ядрах звезд, масса которых равна     , ядерные реакции протекает весьма вяло. Такое звездное ядро способно синтезировать только ядра таких химических элементов, как дейтерий и гелий. А вот в ядрах звезд, масса которых превышает  , происходит синтез ядер практически всей таблицы Менделеева. Правда, количество синтезируемых ядер, масса которых превышает массу ядра атома железа, быстро падает с ростом массового числа ядер.

   
   

          Таким образом, чем больше масса звезды, тем при более высокой температуре звездного ядра наступает состояние термодинамического равновесия. Возникает вопрос, а что происходит со звездами, масса которых превышает 30 солнечных масс?

   
   

        Если звездное ядро рождается в звездах  с массой близкой к  , то такая звезда просто взрывается. Взрыв такой звезды происходит в 2 этапа.

   
   

   1. В звезде рождается ядро, которое служит детонатором для второго этапа.
   2. Запускается последовательно цепочка сферического фронта термоядерных реакций с температурой ниже 11 млрд. градусов, который движется от центрального объёма звезды к ее поверхности, доведя температуру вещества внутри объёма звезды не ниже 11 млрд. градусов Кельвина в большом центральном объёме звезды. Это приводит к взрыву звезды гигантской энергетической мощности.
              После взрыва на месте бывшей звезды остается ее ядро, которое дополнительно поглотила часть вещества, взорвавшейся звезды. Рассмотрим протекание тепловых процессов в тех ядерных звездах, которые  не подвержены термоядерному взрыву.
           Определим характер изменения плотности водородного вещества с глубиной погружения в звездные недра, принадлежащих к главной последовательности диаграммы Г-Р. Запишем уравнение Клайперона;
              (364)
                (365)
          Где:    P   - давление,
                     n   - концентрация микрочастиц,
                    k   - постоянная Больцмана,
                    T   - температура,
                    ρ   - плотность вещества,
                   mp    - масса протона.
          Состояние плазменного вещества определяется:
      - его температурой,
      - давлением, сжимающим вещество.
            Давление вблизи поверхности звездных ядер во всех звездах одинаковое и равно 70 миллиардов паскалей. Температура вещества ядра определяется массой звезды. Определим плотность водородного вещества на поверхности солнечного ядра:
             (366)
      
           Таким образом, плотность водородного вещества в ядерных звездах с глубиной погружения вначале растет от нулевого значения, затем достигает минимального значения, а потом уменьшается до величины, определяемой температурой поверхности звездного ядра.
          В целом плотность вещества звезд у поверхности ядер изменяется следующим образом, для звезд:
      - массой 
               (367)
      - массой 
              (368)
             В звездах действуют три механизма передачи тепловой энергии от ядра к веществу их оболочки:
      - пузырьковый,
      - конвективный,
      - радиационный.
               Пузырьковый механизм передачи тепла заключается в следующем. Поверхностная температура ядер чрезвычайно высокая. Это приводит к тому, что вещество ядра разогревает, прилегающее к его поверхности плазменное вещество до такой температуры, что на поверхности ядер образуются пузыри сильно перегретого плазменного вещества. Они отрываются от поверхности ядер, всплывают к внешней поверхности звезды.  На  своем пути постепенно остывают, отдавая свою тепловую энергию окружающему их холодному веществу оболочки ядра. Этот процесс подобен тому, что происходит в кастрюле с кипящей водой, стоящей на раскаленной кухонной плите. Только здесь есть принципиальное отличие. В кастрюле на кухне площадь дна кастрюли и площадь поверхности кипящей воды совпадают. Нагрев воды в кастрюле по уровню от дна кастрюли, всплывающими пузырями пара, имеет некоторую скорость во времени.
          В звездах, масса которых превышает массу Солнца, площадь поверхности теплового реактора его ядра на несколько порядков меньше площади внешней поверхности звезды. Этот фактор существенно снижает эффект роста средней температуры вещества звезды по сравнению с кастрюльным вариантом нагрева вещества. Следует также учитывать огромную массу звездной оболочки звездного вещества. Здесь действует эффект инерционности в гигантских масштабах. Ясно также, пузырьковая активность в ядрах звезд возникает только после образования ядер и пропорциональна массе звезд. Образно, плазменное вещество ядерных звезд кипит на поверхности их ядер.
           Как было сказано выше, плазменные пузыри всплывают к поверхности звезды, остывая на своем пути. Тем не менее, часть наиболее объёмных пузырей успевает достичь звездной поверхности, не отдав энергию при своем всплытии. Выход пузырей из звездной поверхности в окружающее космическое пространство сопровождается мощной энергетической вспышкой плазменного вещества над поверхностью звезды. Таким образом, вспышечная активность звёзд тем выше чем меньше толщина газовой оболочки у ядерных звёзд .
           Необходимо также отметить следующее. Нижний порог протекания термоядерных реакций равен 14 млн. градусов. Для массивных звезд поверхность температуры ядер на порядки превышает эту величину. Причем, ядро нагревает вещество оболочки, прилегающей к поверхности звездного ядра, до температуры поверхности ядра. При удалении от поверхности ядра температура вещества оболочки постепенно снижается до 14 млн. градусов. Таким образом, в сферическом слое оболочечного вещества, находящегося между поверхностью звездного ядра и границей температуры вещества 14 млн. градусов также протекают термоядерные реакции. Здесь необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. Минимальная плотность вещества звездных ядер равна  . Эта плотность на несколько порядков превосходит среднюю плотность того вещества в оболочке ядер, в котором протекают термоядерные реакции. Следовательно, из-за того, что масса ядра во много раз превосходит массу вещества, прилегающего к поверхности ядра, в котором протекают термоядерные реакции, по этой причине термоядерные реакции в оболочке ядра не способны внести решающего вклада в процесс выработки совокупной тепловой энергии звездным веществом.
            В веществе звездного ядра и в прилегающем к ядру веществе оболочки протекают термоядерные реакции, которые постепенно обогащают, как вещество ядра, так и вещество его оболочки, сложными ядрами химических элементов. Причем, темпы обогащения вещества звездного ядра сложными нуклеотидами существенно опережают этот процесс для вещества оболочки ядра по следующей причине:

   
   

   1. В ядре процесс нуклеосинтеза ядер протекает во всем объёме  плотного ядра.
      В оболочке ядра этот процесс происходит только в тонком слое сильно разряженной плазмы. Таким образом, объём протекающих реакций в ядре несоизмеримо превосходит объём этих же реакций в оболочке ядра.
   2. Масса ядра звезд, превышающих массу Солнца, во много раз меньше массы звездного вещества, входящего в оболочку ядра.
            Первый пункт не требует специального разъяснения.
            Рассмотрим второй пункт. Пузырьковая активность звездного ядра и конвективные тепловые потоки постоянно перемешивают вещество в ядерной звездной оболочке. Поэтому можно принять, в среднем химический состав вещества ядерной оболочки звезд в первом приближении одинаков во всем объёме ядерной оболочки. С учетом рассмотренных условий, процесс удельного обогащения вещества оболочки ядра и вещества самого ядра сложными нуклеотидами происходит с принципиально различными скоростями. Тем не менее, по мере старения звезды, процент сложных нуклеотидов в ядерной оболочке звезды все время растет. Для звезд равных масс этот фактор можно использовать для определения их сравнительного возраста нахождения на главной последовательности диаграммы Г- Р.
           Принципиально иная ситуация возникает для существования звезд, масса которых превышает 30 солнечных масс. Из-за того, что в точке их центра массы, давление не достигает той пороговой величины, при которых в звездах образуются их ядра, разогрев и свечение вещества этих звезд происходит за счет энергии их гравитационного сжатия. При этом сжатии постепенно растет как поверхностная температура, так и температура вещества, находящегося в их центральном объёме. После того, как средняя плотность вещества начинает превышать величину   , начинается опережающий рост температуры вещества, находящегося в центральном объёме звезды, по сравнению с ростом средней температуры ее вещества. По мере роста температуры вещества в центральном объёме звезд, она постепенно достигает порогового значения запуска термоядерных реакций. Начинается нуклеосинтез ядер химических элементов. Поскольку в этих звездах нет стабилизирующего фактора их гравитационного устойчивого состояния в виде сверхплотного ядра, в начавшийся процесс нуклеосинтеза ядер вовлекается все больший объём звездного вещества вдоль радиуса звезды, начиная от точки ее ЦМ. Из-за относительно низкой интегральной теплопроводности вещества массивных звезд растет температура вещества, находящегося в их центральном объёме.
              Температура вещества в точке ЦМ звезды достигает 11 млрд. градусов. В этой точке нуклеосинтез ядер прекращается, но он продолжается в окружающем сферическом объёме, где температура вещества ниже 11 млрд. градусов. Возникает фронт тепловой энергии звездного вещества, распространяющегося от точки ЦМ к ее поверхности. Внешняя оболочка звезды на первом этапе играет роль стабилизирующего фактора состояния звезды из-за ее инерционности. На следующем этапе процесс распространения теплового фронта приобретает лавинообразный характер, что приводит к мощному взрыву соответствующей звезды. Мощность взрыва пропорциональна величине массы массивных звезд.
            Поскольку при росте температуры вещества в центральном объёме звезды при взрыве растет и давление, то в звездах происходит образование ядер, которые сохраняются и после взрыва звезды. Если в центре звезды при взрыве давление не достигает 0,7 млн. атмосфер, то в такой звезде ядро не образуется.
   3. Магнитные поля звезд
             Рассмотрим механизм, порождающий магнитные поля звезд. Вещество, представляющее звезду, разогрето до чрезвычайно высоких температур, поэтому оно находится в плазменном состоянии. Это означает, что, например, в солнечном веществе в большой степени отсутствуют стабильные физические конструкции, связанные кулоновскими силами подобные тем, которые присутствуют в холодных физических объектах, а именно, электрически нейтральные атомы, молекулы, кристаллы. Таким образом, солнечное вещество состоит в основном из свободных электронов и протонов. Все эти частицы обладают собственными магнитными моментами, с которыми они взаимодействуют между собой следующим образом, одноименными магнитными полюсами они отталкиваются, а разноименными – притягиваются, образуя цепочки частиц, размещенных вдоль магнитной силовой линии, которые автоматически объединяются в единое замкнутое магнитное поле. Так в звездном веществе спонтанно образуются магнитные конструкции, подобные постоянным магнитам, с которыми мы имеем дело на Земле, причем, той же самой физической природы. Главное различие состоит в размерах этих магнитов. В солнечном веществе образуются магниты гигантских размеров, соизмеримых с размером Солнца. Из-за эффекта вмороженности магнитного поля в плазму постоянные магниты, которыми пронизано звездное вещество, являются весьма устойчивыми физическими конструкциями. Образуются две основные магнитные конструкции: цилиндрические и тороидальные постоянные магниты. Они отличаются тем, что цилиндрические магниты обладают открытыми магнитными полюсами, а в тороидальных – магнитное поле образует структуру, свернутую в кольцо. Таким образом, у этих магнитов отсутствуют явно выраженные полюса. Кольцевые магниты образуются из цилиндрических последовательным соединением цилиндрических их магнитными силами. Из законов магнитогидродинамики известно, в постоянных магнитах магнитное поле обладает различной напряженностью в его поперечном сечении. С другой стороны, частицы, образующие магнитные поля, нагреты до высоких температур, следовательно, они обладают импульсом, т.е. они находятся в постоянном движении. Поскольку исключительно вдоль магнитносиловых линий частицы двигаться не могут из-за вихревого характера магнитного поля и инерционности частиц (при таком движении частицы не взаимодействуют с магнитным полем), и из-за хаотичности направлений тепловых скоростей их движения, отсюда преимущественным движением микрочастиц является круговое в поперечном направлении (циклотронные) относительно линии магнитного поля. Поскольку круговые движения образуют рамки с током, которые находятся в магнитном поле, поэтому частица одного электрического знака преимущественно вращается в одном направлении относительно их ориентации в магнитном поле, внося свой отрицательный магнитный вклад в общее поле магнита. Направление теплового движения микрочастиц хаотично, поэтому совокупный магнитный вклад микрочастиц определяется их циклоронным движением в общее магнитное поле плазменной магнитной конструкции, практически равен нулю.
             В сформированных магнитных конструкциях накапливается энергия за счет циклотронного вращения электрически заряженных микрочастиц. Чем сильней магнитное поле, тем меньше радиус циклотронной траектории движения микрочастицы. Это потенциальная энергия, накапливающаяся микрочастичками в сформированном магнитном поле звезды. Из-за изменчивости густоты силовых линий поперек магнитного поля у частиц возникает дрейфовая скорость их перемещения, которая направлена в сторону уменьшения величины напряженности магнитного поля. В первую очередь дрейфуют частицы, обладающие максимальной температурой. В областях магнитного поля, обладающих максимальной напряженностью, образуются разряженные области частиц с пониженной температурой. В магните наступает состояние динамичного равновесия частиц. Поскольку в целом вещество, представляющее магнит, оказывается менее плотным, чем окружающее вещество, поэтому магнитная конструкция начинает всплывать к поверхности звезды. Если магниты тороидальной конструкции своими полями слабо взаимодействуют с магнитными полями других магнитов, то принципиально иная ситуация происходит с цилиндрическими магнитами. Они сильно взаимодействуют между собой своими магнитными полями. При соосном, т.е. параллельном расположении они своими полями либо отталкиваются друг от друга, либо притягиваются друг к другу, образуя из двух магнитов один.
              При вертикальном всплытии цилиндрического магнита к поверхности звезды такие магниты образуют на нем пятна. Здесь наиболее интересным является случай, когда всплывает два параллельно цилиндрических вертикально расположенных к поверхности звезды магнита с противоположно расположенными магнитными полюсами. Такие магниты на поверхности звезды соединяются в один. Общее магнитное поле исчезает. Поскольку во внутренних областях магнита находится вещество, происходит схлопывание этих областей с выбросом огромных сгустков раскаленного вещества в окружающее пространство. Циклотронная энергия переходит в линейно-кинетическую. Если всплывает один из вертикальных цилиндрических магнитов, как было сказано выше, на этом месте на звездной поверхности образуется пятно с пониженной температурой звездного вещества. По мере всплытия цилиндрического магнита его верхняя часть разрушается, что также может привести, в конечном счете, к схлопыванию темного пятна. Распад магнита начинается с момента, когда при всплытии из фотосферы он появляется в солнечной короне. В этой области менее плотное окружающее вещество, из которого состоит звездная корона, уже не препятствует дрейфу частиц из области магнитного поля в окружающее пространство. Это приводит к постепенному снижению плотности вещества, представляющего магнит, а, следовательно, и к ослаблению напряженности магнитного поля магнита, что заканчивается его распадом.
            Принципиально иная ситуация возникает если на поверхности звезды всплывает тороидальный магнит и при этом плоскость тора перпендикулярна к звездной поверхности. В этом случае над поверхностью звезды возникает протуберанец - это верхняя часть тора. Нижняя часть находится в звездном веществе, выталкиваемое архимедовой силой, которая и поддерживает верхнюю часть тора над поверхностью звезды, образуя гигантскую арочную конструкцию. Центральная часть такой конструкции за счет силы гравитации несколько прогибается в направлении к поверхности звезды.
           Структуру звездных магнитных полей существенно усложняет факт деффиренциальности углового вращения звездного вещества вдоль радиуса звезды и тепловых эффектов, действующих в оболочке звездного вещества вокруг его ядра.
             ВЫВОД: в больших объемах плазмы автоматически порождаются структуры постоянных магнитов. Например, способность плазмы образовывать магнитные поля постоянных магнитов ответственно за ту характерную волокнистую структуру, которая образуется после взрыва сверхновых звезд.
            Если же объединяются два плазменных объекта в один, обладающие сильными примерно равными магнитными полями с противоположно направленными магнитами в один, то общее поле вычитается. Исчезают магнитные силы, удерживающие электрически заряженные микрочастицы на орбитах внутри объектов, что приводит к мощному взрыву результирующего объекта. Происходит своеобразное короткое замыкание магнитных токов. Этот процесс соответствует взрывам, происходящим на поверхности звезд и в частности Солнца.
           В космосе существуют компактные объекты, обладающие сверхсильными магнитными полями. Возникает вопрос природы магнитных полей космических объектов. В тех космических объектах, у которых давление в точке ЦМ превышает 0,7 млн. атмосфер, образуются ядра представленные веществом, находящихся в шестом сверхплотном состоянии. Особенность этого состояния заключается в следующем:
      - макроскопический параметр такого вещества перестают зависеть от его температурного состояния,
      - по электрическим свойствам вещество переходит в сверхпроводящее состояние, т.е. его сопротивление, протекающему через вещество  электрическому току, становиться равным нулю,
      - шестое состояние вещества соответствует агрегатному состоянию твердых веществ.
           В целом вещество в шестом состоянии представлено кристаллической решеткой в пространстве, которой находится газ представленный свободными электронами. Что это означает?  Большинство компактных космических объектов обладают моментом импульса относительно их собственной оси вращения, т.е. объекты вращаются вокруг этой оси с некоторой угловой скоростью. После перехода вещества в шестое состояние, поскольку электрическое сопротивление становиться равным нулю, происходит механическое отделение электрически отрицательно заряженного газа от электрически положительно заряженной кристаллической решетки, которая представлена ядрами химических элементов. Электронный газ механически перестает взаимодействовать с веществом  кристаллической решетки, но сохраняет свое взаимодействие с решеткой своим электрическим зарядом. Это означает следующее: при пространственном перемещении физического объекта, представленного шестым состоянием вещества, объём, занимаемый электронным газом полностью соответствует объёму пространства, занимаемой кристаллической решеткой такого вещества.
            Другая ситуация возникает если объект представленный шестым состоянием вещества, вращается с некоторымугловым ускорением. У электронного газа объекта, с момента перехода вещества в шестое состояние, в дальнейшем угловой момент превращается в константу. Например, если объект вращался при переходе вещества в шестое состояние, то в дальнейшем совокупный электронный газ объекта становиться гироскопом объекта. Причем особо отметим, из-за его большой массы электронный газ обладает огромной механической инерционностью. С этого момента электронный газ обладает всеми теми механическими свойствами, который обладает обычный волчок, т.е. вращающийся круглый объект. Если же при переходе вещества в шестое состояние исходный объект не вращался относительно окружающего космического пространства, то после перехода в шестое состояние момент  импульса вращения электронного газа в дальнейшем будет сохранять свое нулевое значение вне зависимости от дальнейшего вращательного поведения кристаллической решетки объекта. Поскольку, кристаллическая решетка объекта входит в вещество, которое перешло в шестое состояние, и оно представляет ядро, которое входит в состав совокупного космического объекта, поэтому своей поверхностью механически связано с тем веществом, которое окружает ядро.
          В целом угловая скорость вращения космического объекта вокруг своей оси может изменяться, т.е. космический объект может вращаться ускоренно, а, следовательно, будет, ускоренно вращаться и ядро космического объекта. Но как было сказано выше, момент импульса электронного газа ядра является константой. Таким образом, при ускоренном вращении ядра космического объекта ускорение приобретает только кристаллическая решетка ядра, представленная электрически положительно заряженными ядрами химических элементов. Ускоренное вращательное движение ядра приводит к тому, что угловая скорость вращения положительно электрически заряженной решетки ядра начинает отличаться от угловой скорости вращения электронного газа кристаллической решетки ядра. Другими словами,  скорость вращения положительно электрически заряженной решетки ядра начинает отличаться от угловой скорости вращения ее электронного газа. Направленное движение электрических зарядов в физике названо электрическим током. Эта ситуация аналогична той, что если в земных условиях привести во вращение вокруг оси диск, представленный сверхпроводником. Принципиальность отличия заключается в масштабах масс электрических зарядов, представляющих сверхпроводник. Каковы последствия такой ситуации? 
             В сверхпроводниках существуют два независимых электрических тока:
      - первый представлен положительно заряженной кристаллической решеткой,
      - второй электронным газом, входящим в состав сверхпроводника.
           Если оба тока равны, т.е. и кристаллическая решетка и электронный газ вращается с одинаковой угловой скоростью в одном направлении, то никакого внешнего эффекта не наблюдается, т.к. величины токов одинаковые, а токи представлены электрическими зарядами противоположных знаков.
             Принципиально иная ситуация возникает, если угловая скорость вращения кристаллической решетки и электронного газа не совпадают. Возникает разность электрических токов. Эта разность создает кольцевой электрический ток отличный от нуля. Кольцевой ток – это токовый контур, который создаёт внутри токового кольца магнитное поле. Такова природа магнитных полей звездных ядер.
           Солнце обладает ядром, вещество которого электрически является сверхпроводником. Возникает вопрос, почему у Солнца отсутствует единое магнитное поле? Ответ здесь следующий.
             Для того чтобы у космического объекта было единое магнитное поле, необходимо выполнение следующих условий:

   
   

   1. Наличие электрического сверхпроводящего ядра, проводимость которого определяется величиной давления, действующего в центре космического объекта, которое должно быть не ниже 70 млн. паскалей.
   2. Изменение осевой угловой скорости вращения ядра космического обьекта, т.е. вращение должно носить ускоренный характер.
         Если первое условие для Солнца выполняется, то второе не выполняется. Угловая осевая скорость вращения солнечного ядра практически не изменяется, т.к. оно вращается в плазменной среде практически без трения. По этой причине у Солнца отсутствует единое магнитное поле. В дальнейшем, по мере уменьшения размеров Солнца, в ходе его эволюции наступит момент, когда угловая скорость вращения солнечного ядра изменится настолько, что и у Солнца появиться единое весьма сильное магнитное поле. Причем, переход от звезды, у которой отсутствует единое магнитное поле, к состоянию, когда у нее появляется сверхсильное магнитное поле, происходит спонтанно (о чем речь пойдет ниже). Именно этот фактор обеспечивает звездам мощную вспышку фотонного излучения. Рассмотрим этот вопрос.
             Наблюдения за космическими объектами показали, во Вселенной существуют объекты, излучающие фотоны с частотами рентгеновского и гамма диапазонов. В целом во Вселенной наблюдается тенденция к уменьшению размеров космических объектов при соответствующем росте средней температуре вещества и угловой скорости вращения. Рассмотрим сжатие объектов, обладающий такой высокой температурой, что вещество, представляющее объект находиться в плазменном состоянии.  На некотором этапе сжатия, как было сказано выше, у обьекта спонтанно возникает сверхсильное магнитное поле. Такое состояние космического объекта названо магнитаром. Наличие электрически сверхпроводящего звездного ядра обеспечивает звездам существование весьма сильных магнитных полей. При спонтанном сжатии объекта индукция его магнитного поля резко увеличивается, причем она может достигнуть невообразимой гигантской величины (десять в тридцатой степени Тесла!). Спонтанное увеличение индукции магнитного поля объекта уменьшает радиус орбит электронов, которые вращаются в магнитном поле за счет своих тепловых скоростей движения. Поскольку электроны являются квантовыми частицами, их орбиты в сверхсильных магнитных полях квантуются точно также как и электронные орбиты в атомах. Причем, в сверхсильных магнитных полях квантуются и орбиты протонов.
            Уменьшение радиусов орбит в сверхсильных магнитных полях достигает величин значений боровских орбит атомов химических элементов. Уменьшение орбит сопровождается излучением фотонов соответствующих энергий. Таким образом, температура вещества объекта и величина его магнитного поля определяют спектр того излучения фотонов, который наблюдается у данного объекта. Такие спектры подобны спектрам фотонов, излучаемых стопроцентно ионизированными атомами, но природа излучения фотонов, рождаемых сверхсильными магнитными полями совершенно другая, здесь электроны на орбитах удерживает не электрическое, а магнитное поле. При температуре вещества объекта в сто тысяч градусов и индукции магнитного поля в триста тысяч Тесла орбиты электронов соответствуют первой боровской орбите  атомов водорода. При температуре в миллиард градусов и индукции магнитного поля в 2,5 миллиарда Тесла радиус орбит электронов соответствует первой боровской орбите атомов урана. Следовательно, соответствующие сочетания высокой температуры вещества космических объектов и их сверхсильных магнитных полей обеспечивает им излучение фотонов в рентгеновском и гамма диапазонах.
                ВЫВОД: теоретически эффект квантования орбит электрически заряженных частиц высоких энергий в сильных магнитных полях, с использованием сильных электрических полей, можно применить для создания импульсных квантовых генераторов фотонов высоких энергий.

   Продолжение _ ч.4_7   http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/01/4-7.html