Белые карлики. Планетарные туманности. Сверхновые
звезды.
(Продолжение статьи 7, п.4._ Эволюция звезд. Звездная радиация. Определение параметров звезд.)
***
Аннотация
Рассмотрена эволюция звезд в зависимости от
их массы, от исходного газового облака до образования сверхновых звезд и черных
карликов.
***
Содержание
- Введение ………………………………………………………………. 1
- Этапы эволюции звездного вещества ………………………………. 3
- Стартовый этап …………………………………………………….. 3
- Гравитационный этап ……………………………………………… 18
- Термодинамический этап …………………………………………. 26
- Теория звездных ядер …………………………………………….. 28
- Термоядерный этап ………………………………………………. 43
- Структура звезд главной последовательности диаграммы Г-Р .. 52
- Магнитные поля звезд ………………………………………………… 63
- Эволюция звезд ………………………………………………………. 68
- Воздействие звездной радиации на космические объекты ………….. 83
- Методика определения параметров звезд ……………………………. 84
- 4. Эволюция звездРассмотрение процесса эволюции начнем со второго этапа, когда закончился процесс первичного выделения газового вещества:- во-1-х, в самостоятельный гравитационно связанный космический объект, состоящий измолекул водорода;- во-2-х, начался процесс его гравитационного сжатия.Гравитационный этап. Определим начальный радиус газовых облаков по формуле:(368)(370)Где: G - гравитационная константа,m - масса отдельной микрочастицы, из которых состоит газовое облако,M - масса газового облака,k - постоянная Стефана-Больцмана,T - температура вещества облака.Определим конечный радиус газового облака при его гравитационном сжатии, когда средняя плотность вещества станет равной :(371)(372)Уменьшение радиуса газовых облаков во времени определим по формуле 99:(373)Рост температуры вещества газового облака определим по формуле 122:(374)Определим величину температуры звездного вещества, при которой заканчивается гравитационный эволюционный его этап по формуле 128:(375)Термодинамический этап. При гравитационном сжатии газового облака растет средняя температура вещества, а, следовательно, и температура вещества, расположенного в поверхностном слое облака. При достижении средней плотности в облаке происходит кардинальные изменения состояния вещества. Прозрачность вещества облака падает настолько, что фотоны, рождаемые в веществе облаков, оказываются не способны беспрепятственно покидать облако. Срабатывает эффект Бугера-Ломберта. С этого момента сжатия вещества, начинается процесс преобразования облака в звезду, а именно, опережающими темпами начинает расти температура вещества в центральном объёме облака.Необходимо отметить, что переход от гравитационного к термодинамиическому этапу характеризуется весьма бурными хаотичными газовыми процессами, протекающими в объёме облака.Для ядерных звезд термодинамический этап звездной эволюции разбивается на два подэтапа:- 1-й, до образования в звездах их ядер;- 2-й, от образования первичных ядер до попадания звезд на главную последовательность диаграмма Г-Р.На первом подэтапе энергия в звездах вырабатывается за счет гравитационного сжатия их вещества.На втором – энергия вырабатывается не только за счет гравитационного сжатия, но также за счет термоядерных реакций, которые запускаются в звездных ядрах после того, как температура вещества ядер достигает 14 млн. градусов.Для звезд, масса которых равна , при их попадании на главную последовательность фактически вся масса звезд преобразуется сверхплотное ядро, но рост температуры, которого останавливается на 14 млн. градусов.Для звезд с массой больше макроскопические параметры ядра составляет незначительный процент от макроскопических параметров звезды, но температура вещества ядра достигает 11 млрд. градусов Кельвина. Масса звездных ядер возрастает с уменьшением массы звезд, а температура их вещества, наоборот растет пропорционально массам звезд.В конце термодинамического этапа звезды попадают на главную последовательность диаграммы Г-Р.В таблице 8 приведены параметры звезд до термоядерного этапа включительно.Таблица 8.
M [кг][м][м][м][м]
Где: M - масса звезд,
- начальный радиус газового облака,
- окончание эволюционного и начало термодинамического этапа,
- образование ядра,
- усредненные радиусы звезд, находящихся на главной последовательности
диаграммы Г-Р.
Приведем на рис. 7 изменение радиусов звезд в зависимости от их массы на этапе образования их ядер и попадания на главную последовательность диаграммы Г-Р.
Рис.7
Как видно из рисунка, для звезд, масса которых равна , этап попадания звезд на главную последовательность совпадает с образованием в них ядер.
Параметры звезд с температурой их поверхности приведены в таблице 9.
Таблица 9.
M [кг][м]42077013401800[м]
Где: - радиус и температура звезд, находящихся в начале термодинамического
эволюционного этапа;
- радиус и температура звезд, находящихся на главной последовательности
диаграммы Г-Р.
Обратим внимание, до образования в звездах их ядер температура поверхностного вещества звезд еще не достигает свечения в оптическом диапазоне электромагнитных волн.
Получим уравнения, определяющие изменения во времени, параметров звезд на термодинамическом эволюционном этапе (строка 144):
- масса . Радиус и температура поверхности звезд связаны следующим эмпирическим соотношением:
(376)
(377)
(378)
(379)
Время термодинамического этапа:
(380)
- масса . Радиус и температура поверхности звезд связаны следующим эмпирическим соотношением:
(381)
(382)
(383)
(384)
Время термодинамического этапа:
(385)
- масса . Радиус и температура поверхности звезд связаны следующим эмпирическим соотношением:
(386)
(387)
(388)
(389)
Время термодинамического этапа:
(390)
Определим время нахождения ядерных звезд на главной последовательности диаграммы Г-Р, массы которых равны , исходя из следующих исходных условий. В среднем 10% от массы этих звезд при их нахождении на главной последовательности, преобразуются в углерод.
Масса ядра атома равна:
- водорода,
- углерода,
Масса, приходящаяся на 1 нуклон ядра атома углерода, равна
Дефект массы равен:
(391)
(392)
Где: M - масса звезды,
- масса протона.
Для звезд массой :
(393)
(394)
(395)
Время равно 7.3 млрд. лет.
Для звезд массой :
(396)
(397)
(398)
Время равно 1 миллиону лет.
Определим время существования термоядерного состояния звезд, масса которых равна . В этих звездах происходит синтез ядер химических веществ до железа включительно. Примем, 10% водородного звездного вещества в процессе нуклеосинтеза ядер химических элементов преобразуются в ядра атомов железа. Таким образом, конечная масса железа, синтезированная в звезде, равна
Масса ядра атома железа в энергетических единицах равна эВ.
Энергия, приходящаяся на 1 нуклон атома железа, равна эВ.
Масса ядра атома водорода в энергетических единицах равна эВ.
(399)
В массе вещества, представляющего звезду, участвующего в термоядерных реакциях содержится следующее количество атомов водорода:
(400)
Совокупная энергия, выделяющаяся в звездном ядре, равна:
(401)
Время нахождения таких звезд на главной последовательности диаграммы Г-Р равно:
(402)
Время равно 20 тыс. лет.
Таким образом, время существования звезд массой на главной последовательности диаграммы Г-Р является весьма коротким во временных масштабах Вселенной. Температура для ядерных звезд является практически предельной температурой их эволюционного существования.
Таким образом, обнаружение во Вселенной звезд массой является несколько сложной задачей по следующей причине:
- эти звезды весьма редко образуются,
- время их светимости является относительно коротким.
Завершающий этап. Этот этап эволюции звезд представлен двумя подэтапами:
- до преобразования звезд в белых карликов,
- завершение эволюционного существования звезд.
После выгорания в звездах термоядерного топлива звезды переходят на следующий эволюционный этап, при котором температура их поверхности возрастает, а размеры уменьшаются. На этом этапе звезды эволюционируют за счет энергии гравитационого сжатия звездного вещества. Растет средняя температура звездного вещества. Чем массивней звезда, тем при более высокой температуре вещества звездных ядер у звезд начинается их завершающий этап. Это объясняется тем, что те термоядерные реакции, которые способны протекать при более низких температур звездного ядра, уже завершились на более ранних временных моментах термоядерного эволюционного этапа. Таким образом, для ядерных звезд, масса которых близка к завершающий эволюционный этап начинается при температуре вещества звездного ядра, примерно, равного 10 млрд. градусов. Для звезд меньших масс температура перехода вещества звездного ядра к завершающему этапу оказывается ниже 10 млрд. градусов.
После того, как звезда исчерпала свой термоядерный ресурс, она сходит с главной последовательности диаграммы Г-Р и перемещается влево по диаграмме. Примем, звезды массой эволюционируют без изменения температуры их поверхности. Звезды массой эволюционируют при температуре их поверхности равной 27 тыс. градусов Кельвина.
Получим уравнение перехода в состояние белых карликов для звезд, масса которых находится между (строки 139-141):
(403)
Где: T - константа.
(404)
Проинтегрируем полученное уравнение в пределах от :
(405)
(406)
(407)
Конечным эволюционным состоянием ядерных звезд любых масс является звездное ядро, в котором заключена практически вся масса звездного вещества и оно окружено оболочкой из разряженного вещества, подобно Земле, окруженной ее атмосферой.
Радиус конечных звездных ядер определим по формуле 181:
(408)
Поскольку все ядра звезд окружены оболочкой, по аналогии со звездами массой и с учетом, что средняя температура вещества звезд белых карликов выше, примем, радиус белых карликов в 5 раз больше радиуса их ядер. Определим радиус белых карликов для звезд:
- массой
- радиус ядра: (409)
- радиус звезды: (410)- массой
- радиус ядра: (411)
- радиус звезды: (412)- массой
- радиус ядра: (413)
- радиус звезды: (414)Начальные и конечные параметры звезд при их преобразовании в белых карликов приведены в таблице 10.Таблица 10.
M [кг]
Где: M - масса звезд,
- усредненный радиус звезд, находящихся на главной последовательности
диаграммы Г-Р,
- радиус ядер белых карликов,
- радиус белых карликов,
- температура поверхности звезд, находящихся на главной последовательности
диаграммы Г-Р,
- температура поверхности белых карликов.
Эволюция звезд малых масс. Эта эволюция имеет свою существенно отличительную специфику от эволюции звезд больших масс. Рассмотрим эволюцию звезд малых масс на примере звезд, масса которых равна . На гравитационно - эволюционном этапе размер газового облака массой уменьшается от до . При этом средняя температура вещества газового облака увеличивается до 430 градусов Кельвина.
Далее происходит переход вещества к термодинамическому эволюционному этапу. На этом этапе в точке ЦМ звезды давление достигает 0,7 млн. атмосфер и в звезде образуется ядро. Это происходит при радиусе газового облака равном . А принципиальность отличия эволюции звезд малых масс происходит именно на этапе от начала образования в звезде ее ядра до попадания звезды на главную последовательность диаграммы Г-Р. Дело в том, что попадание звезд малых масс на главную последовательность диаграммы Г-Р в отличие от звезд больших масс, соответствует полному окончанию тех структурных преобразований, которые происходят с веществом внутри звезды. Структура звезды становиться точным аналогом структуры белых карликов, а именно, звезда оказывается, представлена сверхплотным ядром, в котором сосредоточена львиная доля вещества звезды, окруженного разряженным веществом ядерной оболочки. Отличие заключается только в температуре вещества в поверхностном слое оболочки ядра. Эта температура соответствует светимости звезд в красном диапазоне спектра электромагнитных волн. Причем, в дальнейшем, температура вещества поверхностного слоя звезды может только понижаться. Эти звезды в принципе не способны преобразоваться в белых карликов.
Эволюционный этап попадания звезды на главную последовательность протекает следующим образом. По мере потери звездой ее энергии, за счет излучения в окружающее космическое пространство, размер звезды уменьшается. При этом давление, сжимающее вещество в центральном объёме звезды, растет вначале до порогового значения образования в звезде ее ядра, представленного сверхплотным веществом. Начиная с этого момента, структура звезды – это сверхплотное ядро, окруженное веществом оболочки ядра. Причем, масса вещества оболочки на этом эволюционном этапе звезды многократно превышает массу звездного ядра. Но по мере дальнейшего уменьшения размера звезды, масса звездного ядра растет, а масса ядерной оболочки постепенно уменьшается. Наступает момент, когда масса вещества, представляющего оболочку ядра становиться соизмеримой с массой звездного ядра. Далее, переход вещества из оболочки к звездному ядру приобретает лавинообразный характер с выделением соответствующей огромной энергии в звездном веществе.
Рассмотрим эволюцию вещества в звездах малых масс после образования их ядер на количественном уровне.
На этапе от начала термодинамического процесса до образования ядра в веществе звезд за счет его гравитационного сжатия, выделяется энергия следующей величины:
(415)
Определим рост средней температуры звездного вещества:
(416)
(417)
Таким образом, средняя температура звездного вещества возрастает на 460 тысяч градусов. Но, самое интересное происходит на следующем эволюционном этапе. Конечным состоянием звезды является преобразование ее вещества в сверхплотное ядро. Определим величину энергии, которая выделяется в звездном веществе при его гравитационном сжатии.
Радиус ядра равен: :
(418)
Определим величину прироста средней температуры звездного вещества:
(419)
Таким образом, средняя температура звездного вещества составляет 80 млн. градусов Кельвина! Поскольку структура звезды представлена сверхплотным ядром окруженного оболочкой вещества, плотность которого на несколько порядков меньше плотности вещества звездного ядра, поэтому модель звезд с равномерно распределенным в ней звездным веществом для этого типа звезд уже не применима. В результате сильного разогрева звездного вещества представленного сверхплотным ядром, окруженного оболочкой, общий объём звезды, согласно уравнению Клайперона, увеличивается пропорционально температуре нагрева звездного вещества. Дополнительным источником энергии служит звездное ядро, т.к. из-за высокой температуры вещества в нем запускаются процессы интенсивного протекания термоядерных реакций. Давление на поверхности ядра уменьшается, и часть вещества звездного ядра преобразуется в обычное газоплазменное вещество. Это приводит к тому, что перегретое вещество звезды в ее поверхностном слое, отрывается от звездной поверхности и рассеивается в окружающем пространстве, образуя планетарную туманность. Таким образом, происходит, частичный тепловой сброс звездного вещества. Оставшаяся часть звездной оболочки, из-за его разрежённости быстро остывает. Интенсивность протекания термоядерных реакций быстро снижается. Таким образом, звезда быстро переходит на главную последовательность диаграммы Г-Р, а в ее ядре действуют термоядерные реакции нуклеосинтеза ядер химических элементов, которые протекают при температуре вещества ядра теперь уже равного 14 млн. градусов. После завершения термоядерного этапа, остывая, звезда постепенно превращается в черного карлика с соответствующим уменьшением ее размера за счет уменьшения толщины ядерной оболочки звезды.
Определим время существования звезд на главной последовательности массой , если их светимость обеспечивается термоядерными реакциями. Для этих звезд практически вся их масса участвует в термоядерных реакциях, но поскольку температура синтеза ядер химических элементов в этих звездах относительно низкая (14 млн. градусов), в этих звездах из химических элементов синтезируется только гелий.
Масса ядра гелия в энергетических единицах равна: .
Масса, приходящаяся на 1 нуклон равна: .
Масса ядра атома водорода равна: .
(420)
В массе вещества звезды, участвующего в термоядерных реакциях, содержится следующее количество атомов водорода:
(421)
Совокупная энергия, выделяющаяся в звездном ядре равна:
(422)
Время нахождения таких звезд на главной последовательности диаграммы Г-Р равна:
(423)
Это время превышает возраст существования вселенной на несколько порядков. Таким образом, время существования звезд различных масс на главной последовательности диаграммы Г-Р изменяется в следующих пределах: от близкой к нулю до .
ПРИМЕЧАНИЕ: по мере выгорания термоядерного топлива, уменьшается количество атомных ядер в веществе звездного ядра. Постепенно растет количество электронов, входящих в электронные оболочки ядер химических элементов. Это приводит к тому, что растет размер звездных ядер пропорционально корню пятой степени из среднего количества электронов, приходящихся на одно ядро атома химического элемента, представляющего звездное ядро.
Рождение сверхновых звезд. Здесь необходимо отметить, что аналогичная ситуация возникает и при эволюции массивных ядерных звезд на завершающем эволюционном их этапе. После того, как термоядерное топливо в звездных ядрах выгорело, продолжается процесс сжатия звездного вещества, что сопровождается ростом давления, действующего в центральном обьеме звезды. Это приводит к преобразованию вещества оболочки ядра в сверхплотное вещество ядра. Вещество оболочки представлено еще не выгоревшим термоядерным топливом, что поддерживает процесс горения термоядерного топлива, но уже в поверхностном слое звездного ядра, температура которого постепенно повышается. Этот процесс продолжается до тех пор пока масса сохранившегося вещества оболочки ядра не станет соизмеримой с массой ядра. К этому моменту уже весь водород оболочки выгорел в термоядерных реакциях. Далее процесс преобразования вещества оболочки в вещество звездного ядра приобретает лавинообразный характер. При этом процессе выделяется гигантское количество энергии. Резко поднимается средняя температура звездного вещества, что дожигает оставшиеся легкие ядра химических элементов и рождаются все ядра тяжелых химических элементов таблицы Менделеева, включая трансурановые. В результате, в продуктах последующего взрыва, при котором образуется сверхновая звезда, водорода практически нет.
Энергия взрыва сверхновых звезд вырабатывается за счет:
- гравитационного сжатия звездного вещества,
- термоядерных реакций вещества оболочки ядра.
Таким образом, взрыв звезд сопровождается мощнейшей прощальной вспышкой электромагнитного излучения звезды и сбросом части вещества оболочки и вещества из верхнего слоя ядра в окружающее космическое пространство.
После завершения этого процесса структура звезд окончательно приобретает состояние белого карлика, а именно, звездное ядро, в котором сосредоточена львиная доля звездного вещества, окруженного оболочкой из разряженного вещества.
Определим величину энергии, выделяющей при взрыве сверхновых звезд по формуле 133:
(424)
- массой радиус ядра
(425)
- массой радиус ядра
(426)
- массой радиус ядра
(427)
Таким образом, энергия, выделяющаяся при взрыве сверхновых звезд, пропорционально массе звезд, а для звезд конкретной массы, величина выделяющейся энергии является весьма стабильной величиной.
После завершения процесса взрыва структура звезд приобретает конечное состояние белого карлика, а именно, звездное ядро, в котором сосредоточено львиная доля звездного вещества, окруженного оболочкой разряженного вещества. Если до взрыва звезда обладала моментом импульса, то при увеличении массы ядра часть момента импульса звезды передается ядру, которое резко изменяет скорость своего вращения, что приводит к возникновению мощного магнитного поля ядра. Это превращает образовавшегося после взрыва, белого карлика в магнитар.
На этом этапе излучение энергии звездой происходит за счет их внутренней тепловой энергии, накопленной звездой на предыдущих ее эволюционных этапах, и во время взрыва при ее преобразовании в сверхновую звезду, а также за счет гравитационного сжатия вещества оболочки звезды.
Определим величину тепловой энергии белого карлика, которая находится в его ядре. Пусть вещество ядра нагрето до 1 млрд. градусов и представлено железом. Массу ядра примем равной
Определим величину тепловой энергии:
(428)
(429)
Такую энергию излучает Солнце за миллиард лет своего существования на его термоядерном эволюционном этапе. Постепенно остывая, белый карлик превращается в начале в желтого, затем в коричневого и на конец в черного карлика, достигнув своего минимального размера на промежуточной финишной черте длинного эволюционного звездного пути. С учетом уменьшения размера и температуры поверхности белых карликов, время их остывания на порядки превышает миллиард лет.
ВЫВОД:
- В звездах малых масс, близкой , при образовании в них ядер происходит сброс избыточной энергии, которая вырабатывается за счет гравитационного сжатия звездного вещества, в виде теплового расширения вещества звездной оболочки в форме планетарной туманности. Звезда преобразуется в карликовую звезду.
- В звездах средних масс, близких к , на этапе их преобразования в белых карликов, вырабатывается огромная энергия за счет гравитационного коллапса звездного вещества, которое частично сбрасывается в окружающее пространство в форме взрыва гигантской энергетической мощности в виде сверхновых звезд первого типа. Звезда преобразуется в белого карлика.
- Эволюция звезд больших масс, которые превышают , заканчивается термоядерным взрывом гигантской энергетической мощности в виде образования сверхновых звезд второго типа. В результате звезда либо полностью взрывается, либо преобразуется в белого карлика.Особо обратим внимание на следующее обстоятельство. При термоядерном взрыве звезды совокупная масса ее вещества уменьшается, что приводит к скачкообразному уменьшению гравитационной силы, действующей со стороны звезды на другие космические обьекты.При гравитационном взрыве звезды масса вещества представляющая звезду наоборот, вначале возрастает за счет скорости движения вещества в оболочке, окружающей ядро звезды при ее коллапсе, а затем уменьшается, что образует импульс гравитационной силы, действующей со стороны звезды на окружающее ее космическое пространство. Эти всплески гравитационной силы сторонниками ТО ошибочно названы "гравитационными волнами".Процессы этапа сжатия газовых облаков на количественном уровне приведены в таблицахМасса облака кг.Таблица 11..
R[м]T[]3-2.4=0.630200500770L[вт]03.453.673.723.7401.091.161.181.2
Продолжение таблицы 11.
R[м]T[]7701600290035205800L[вт]00
Масса облака кг.
Таблица 12.
R[м]T[]3-2.4=0.6302005008001400L[вт]03.43.723.743.773.7701.11.181.191.21.2
Продолжение таблицы 12.
R[м]T[]14008000L[вт]00
Масса облака кг.
Таблица 13.
R[м]T[]3-2.4=0.63020050080015001860L[вт]01.071.091.0971.11.1041.1103.393.463.483.493.53.52
Продолжение таблицы 13.
R[м]T[]1860L[вт]000.30.4
Масса облака кг.
Таблица 14.
R[м]T[]3-2.4=0.630200500800150020002500L[вт]01.1371.1781.2061.2081.20851.2091.20903.5873.743.8293.8353.8373.8383.838
Примечание: завершение таблиц в следующем разделе.
продолжение статьи п.4 ст.7 ("Термоядерный этап" эволюции звезд, "Воздействие звездной радиации на космические обьекты." и "Методика определение параметров звезд".)Окончание: ч.5_7 (п.п.5,6) http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/02/5-7.html
Гребенников Валерий 8-928-16-00-581
Комментариев нет:
Отправить комментарий