§6. Физические условия в недрах и строение звезд

Если для некоторой звезды известны масса и радиус, то можно получить представление о физических условиях в ее недрах. Т в недрах звезды прямо пропорциональна ее массе М и обратно пропорциональна ее радиусу; в частности, для температуры T_о в центре звезды можно записать ,где к - коэффициент пропорциональности. Примерное его значение, справедливо, только для звезд, сходных с Солнцем.

От значения температуры сильно зависит характер ядерных реакций в недрах звезды.

В Солнце, выделение ядерной энергии в основном происходит в результате протон- протонной реакции. В горячих звездах ранних спектральных классов, в недрах которых температура выше и составляет десятки миллионов кельвинов, главную роль играет превращение водорода в гелий за счет углеродного цикла. В результате этой реакции выделяется значительно большая энергия, что и объясняет большую светимость звезд ранних спектральных классов.

Таким образом звезды, располагающиеся в различных участках диаграммы спектр - светимость, отличаются своим строением. Это подтверждается теоретическими расчетами равновесных газовых конфигураций, выполненными для определенных значений химического состава, массы, радиуса и светимости звезды (так называемых моделей звезд).

§ 7. Модели звезд

Строение звезд главной последовательности схематически показано на рис. Во всех этих звездах энергия освобождается в их центральных частях за счет превращения водорода в гелий. Звезды, массы которых меньше 0,3 М_с, являются полностью конвективными что связано с их сравнительно низкими температурами и высоким значением коэффициента поглощения. Нижняя часть главной последовательности М<1M_c. 1 конвективная зона 2 Перенос энергии излучением

У звезд с несколько большей массой в ядре осуществляется лучистый перенос, тогда как во внешних слоях — конвективный, причем масса конвективной оболочки быстро уменьшается при передвижении вверх вдоль главной последовательности.

Верхняя часть главной последовательности

М>1M_c. 1-конвективное ядро

У звезд массами больше солнечной, наоборот, имеется конвективное ядро, масса которого тем больше, чем больше масса звезды. Это связано с тем, что у массивных звезд температуры в центре настолько высоки (> 20 10⁶ К), что в них идут термоядерные реакции углеродно-азотного цикла Так как энерговыделение при этом значительно выше, чем при рр- реакциях, то излучение уже не успевает отводить тепло и в ядре наступает конвекция.

В

частности, у звезды спектрального класса В при М=10М_с, R=6R_c конвекцией охвачено около 25% массы; граница между конвективным ядром и лучистой оболочкой проходит на расстоянии от центра r=0,2R.

Температура в центре звезды равна T=40 10⁶К, а плотность =22 10³ кг/м³ .

Солнце

1 конвективная зона

2 Перенос энергии излучением

Рис. Строение звезд главной последовательности.

Б

олее сложным является строение звезд-гигантов. В центре звезды- гиганта находится изотермическое ядро (его радиус составляет около 0,001 R, масса —0,25M_c) где температура практически постоянна. Ядро окружено очень тонким (r=0,001 R) слоем, в котором происходит выделение энергии за счет реакций синтеза гелия, далее идет слой толщиной около 0,1R, в котором энергия переносится путем лучеиспускания. Все это погружено в протяженную конвективную оболочку протяженность которой достигает 9/10 радиуса звезды (рис). Для звезды - красного гиганта массой М=1,3М_с, радиусом R=21R_c и светимостью L=226L_c температура в изотермическом ядре, состоящем почти целиком из гелия, равна 40 10⁶К, а плотность в центре =3,510⁸кг/м³

1. Вырожденное изотермическое ядро Т=40 10⁶К

2. Зона лучистого переноса

3 Слоевой ядерный источник

4 Конвективная оболочка

Рис. Схема строения звезды - красного гиганта.

Белые карлики. Важной особенностью только что рассмотренной структуры красного гиганта является образование в его недрах изотермичного объекта с массой порядка массы Солнца или меньше, состоящего из вырожденного газа, в основном гелия. На диаграмме Герцшпрунга - Рессела этот объект должен располагаться, в нижнем левом углу, так как при значительной температуре он в силу малых своих размеров (10^-2— 10^-3 R_c) должен обладать малой светимостью. Таким образом, белые карлики оказываются сверхплотными вырожденными звездами, по-видимому, исчерпавшими водородные источники термоядерной энергии. Плотность в центре белых карликов может достигать сотни тонн в кубическом сантиметре

Нейтронные звезды. Начиная с некоторого значения массы, давление вырожденного газа не может уравновесить силу гравитации. Такая звезда может неограниченно сжиматься (коллапсировать). Коллапс неизбежен при массах, превышающих, примерно, 2—3М_с Он был бы неизбежен при М>1,2M_c, если бы не возможность превращения звезды в нейтронную, когда силам гравитации способно противостоять давление вырожденного нейтронного «газа». Правда, прежде чем это произойдет, звезда должна испытать ядерный взрыв, наблюдаемый как вспышка сверхновой звезды, в результате которого выделится вся возможная ядерная энергия и вещество перейдет в форму нейтронов и образуется принципиально новый объект—нейтронная звезда, для которой существует понятие поверхности, так как ее внешние слои (кора) оказываются твердыми и состоят из тяжелых ядер Fe и Не. Толщина коры порядка 1 км при общем радиусе нейтронной звезды в 10 км. Под корой давление так велико, что тяжелые ядра «размалываются» до нуклонов, причем электроны «вдавливаются» в протоны и образуется нейтронная жидкость. Центральная часть диаметром около 1 км, по-видимому, также находится в твердом состоянии.

Черные дыры. При массах больше нескольких солнечных даже давление вырожденных нейтронов не в состоянии противостоять гравитационным силам и ничто не может остановить безудержное сжатие (коллапс) звезды. Особая ситуация возникает, когда радиус коллапсирующей звезды приближается к некоторому критическому значению R_g, определяемому соотношением

R_g=2GM/c², где с - скорость света. Как видно из формулы V_п=V_c , при таком значении радиуса объекта, называемом гравитационным радиусом Шварцшильда, параболическая скорость оказывается равной скорости света. Это означает, что от звезды с радиусом меньше гравитационного, лучи света уйти не могут. Следовательно, такой объект принципиально ненаблюдаем, хотя его существование допускается законами физики и даже необходимо следует из них. Эти теоретически предсказанные объекты, поглощающие свет, способные притягивать к себе другие массы, но ничего не излучающие, называют черными дырами.