 |
Астронет: К. А. Постнов/ГАИШ Лекции по Общей Астрофизике для Физиков http://variable-stars.ru/db/msg/1170612/7lec/node5.html |
<< 7.3 Предел Чандрасекара и | Оглавление | 7.5 Вспышки сверхновых. >>
7.4 Нейтронизация вещества и потеря устойчивости звезды.
Горение кремния 
с образованием ядер 
, 
,
, 
и т.д. замыкает цепочку термоядерных реакций
в невырожденном ядре массивной звезды. При этом плотность оказывается
порядка 
г/см
, температура
МэВ при
массе ядра 1.5-2 
.
При высоких температурах и плотностях прямые и обратные
ядерные реакции, идущие по электромагнитному каналу (с
испусканием или поглощением фотона), находятся в равновесии
(т.е. число прямых реакций в единицу времени равно числу обратных).
Если бы ядро звезды было окружено адибатической оболочкой и не сжималось,
то при достижении равновесных параметров в нем
установилось бы ядерное статистическое
равновесие и вещество представляло бы из себя смесь фотонов, нейтронов,
альфа-частиц и ядер химических элементов, концентрация которых вычислялась
бы по известным формулам статистической физики. Однако этого не
происходит из-за того, что затрачиваемая
на диссоциацию ядер энергия черпается из отрицательной
потенциальной гравитационной энергии. При этом
сжатие не сопровождается увеличением давления, как это было в случае
устойчивой звезды, поскольку диссоциация ядер представляет
из себя фазовый переход первого рода - энергия расходуется на
изменение внутренних степеней свободы частиц, а не на
увеличение энергии их трансляционного движения, которое определяет
давление невырожденного газа. Поэтому из-за диссоциации ядер
увеличение давления при росте плотности недостаточно для
компенсации сил гравитации.
Рост плотности сопровождается
включением других физических процессов (нейтронизация вещества
при захвате свободных электронов находящимися в ядрах
протонами, см. ниже),
при которых нейтрино уносят энергию из звезды и ее сжатие еще больше
ускоряется.
Ядерная эволюция в недрах звезд сопровождается увеличением относительного
содержания нейтронов: если в начале эволюции в веществе, состоящем
на 75% из водорода и 25% из гелия, на 6 протонов приходится 1 нейтрон,
то уже после образования гелия это соотношение уменьшается до 1:1.
С ростом плотности и началом вырождения электроны приобретают из-за
принципа Паули релятивистские скорости (уже при 
г/см).
Начиная с некоторой пороговой энергии электронов (энергии Ферми)
становятся возможными процессы нейтронизации вещества:
Заметим, что
-распад образующихся радиоактивных ядер запрещен принципом
Паули, т.к. электроны вырождены и все возможные энергетические
состояния заняты.
Средняя энергия образующихся при электронном захвате нейтрино
порядка энергии захвачиваемого электрона
где
- число электронов на барион (0.42 на начало горения
кремния),
г/см) - плотность.
При нейтронизации упругость вырожденного вещества уменьшается, так как
уменьшается концентрация электронов при сохранении плотности барионов
(лептонный параметр 
) (т.е. опять
происходит фазовый переход 1-го рода), и
эффективный показатель адиабаты вещества
уменьшается с 5/3 до 4/3. А из теоремы вириала (или условия
гидростатического равновесия звезды) известно, что при таком показателе
нарушается механическая устойчивость звезды. Поэтому нейтронизация вещества
является одним из основных физических процессов, поддерживающих коллапс ядер
массивных звезд на поздних стадиях эволюции.
Другая причина потери гидростатической устойчивости звезды - эффекты общей теории относительности: в ОТО давление вещества дает вклад в силу притяжения (образно говоря, давление "весит"), поэтому при больших плотностях и давлениях вырожденного газа эффекты ОТО приводят к дополнительным силам, стремящимся сжать звездное вещество.
При нейтронизации вещества звезда очень быстро теряет устойчивость: потеря
упругости приводит к сжатию и нагреву, но отрицательная теплоемкость обычных
звезд здесь перестает срабатывать, так как давление газа, противодействующее
сжатию, почти не зависит от температуры. Большая часть энергии от
гравитационного сжатия уносится нейтрино, образующимися при нейтронизации, и
даже если рост температуры при коллапсе снимает вырождение электронного
газа, энергия продолжает уноситься антинейтрино в ходе процессов
бета-распадов перегруженных нейтронами ядер. Необратимые потери энергии при
прямых и обратных бета-распадах получили название УРКА-процессов (впервые
рассмотрены Гамовым и Шенбергом). Объемные потери энергии при УРКА-процессах
сильно зависят от температуры и составляют
(Пинаев) а с учетом реакций, идущих через обмен нейтральным Z-бозоном
и
Таким образом, на заключительных стадиях эволюции нейтринная светимость звезд (состаляющая на главной последовательности несколько процентов от фотонной светимости) значительно возрастает и становится преобладающей.
<< 7.3 Предел Чандрасекара и | Оглавление | 7.5 Вспышки сверхновых. >>