6.8. Механизм образования и эволюции звезд

Рассмотрим теперь механизм зарождения и развития звезд, а также в связи с этим классификацию звезд и методы их наблю­дения. Согласно гамовской модели Б В все элементы Вселенной образовались в результате термоядерных реакций. При гравита­ционной конденсации звезды из облака межзвездных газа и пы­ли высвобождается потенциальная энергия. Часть этой энергии расходуется на излучение, а остальная часть преобразуется в ки­нетическую энергию конденсирующихся атомов, что повышает температуру звезды. При температурах Т~ 10⁷ К и плотности -100 г/см³ начинаются термоядерные реакции, которые могут идти в зависимости от первоначального состава межзвездной пыли и звезд по двум схемам, или цепочкам. Большинство звезд состоит в основном из водорода (60 — 90% по массе), гелия (10 — 40%) и тяжелых элементов (0,1 — 3%). Звезды, в состав которых входят кроме водорода и гелия тяжелые элементы, вы­брошенные при вспышках так называемых новых или взрывах сверхновых звезд, называются звездами населения I.

Новыми звезды называются так потому, что в древности по­лагали, что это действительно новые звезды и до взрыва их нель­зя было видеть. На самом деле в некоторых звездах возникают неустойчивости, происходит извержение вещества в пространст­во, и светимость ее резко увеличивается. Частота извержений из­меняется от нескольких месяцев до лет. У остальных звезд из­вержения бывают примерно раз в 1000 лет. Сверхновые звезды фактически связаны со взрывом массивной звезды, что бывает один раз в несколько столетий. Сейчас за 10 веков обнаружено 7 сверхновых звезд. Интенсивность излучения сверхновых звезд в 10⁴ раз больше, чем у новых. Наше Солнце с 74% Н, 24% Не и 2% тяжелых элементов есть обычная звезда населения I. Звезды населения II образовались из первичного водорода и гелия и в основном содержат гораздо меньше остаточного материала дру­гих звезд. Они содержат много водорода, мало гелия и очень ма­ло тяжелых элементов.

6.8.1. Протон-протонный цикл

В первой термоядерной реакции, происходящей при конден­сации из межзвездной пыли, участвует лишь водород. При до­стижении указанных температур и плотностей газа происходит

реакция слияния (присоединения) двух протонов в результате слабых взаимодействий:

Ш + Ш ²D + + v,

где ²D — ядро дейтерия, е⁺ — позитрон, v_e — электронное нейт­рино.

Заметим, что мог бы образоваться изотоп ²Не, но его в при­роде не обнаружено. Как только в результате данной реакции образуется ²D, начинаются еще две дополнительные реакции — первая:

²D + ^JH —> ³Не + у, и за ней вторая с участием двух ядер ³Не:

(G) / /" I

Рис. 6.8. Схематическое изображение протон-протонной цепочки.

Г /

³Не + ³Не 2'Н + ⁴Не.

Конечным результатом этой последовательности реакций, ко­торая называется протон-протонной цепочкой или водородным циклом, является превращение четырех атомов водорода в одно ядро гелия (рис. 6.8).

Полная энергия, выделяющаяся при такой реакции, составля­ет 26,76 МэВ. Позитроны и кванты, возникающие в этих реак­циях, поглощаются в центре звезды. Нейтрино из-за слабого

взаимодействия, покидает звезду, унося свою энергию. С учетом потери этой энергии в каждой протон—протонной цепочке выде­ляется 26,3 МэВ, или 6,5 МэВ на нуклон. Каждый грамм водоро­да, превращаясь в гелий, высвобождает примерно 6 • 10¹⁸ эрг. По­этому Солнце, где ежесекундно в реакцию вступает ~ 6 • 10¹⁴ г во­дорода, выделяет мощность ~ 4 - 10²⁶ Вт. Обычно условия, при которых идут термоядерные реакции, существуют лишь внутри звезды. Испускаемый свет с поверхности звезды (а это фотоны) характеризует более холодное вещество.

В целом фотоны оказывают радиационное давление на внеш­ний слой звездного газа. Из ОТО известно, что масса т обладает энергией Е = тс². И наоборот, энергии Е соответствует опреде­ленная масса т. Следовательно, электромагнитное излучение с энергией Е обладает эквивалентной ей массой т = Е/с¹. И по­скольку электромагнитное излучение распространяется со ско­ростью света с, то оно имеет и импульс р = тс = Е/с и, следова­тельно, оказывает радиационное давление. В равновесии дейст­вующая на любой малый объем звездного вещества сила, обусловленная гравитацией, уравновешивается радиационным давлением. Как только термоядерные реакции обеспечивают до­статочное излучение для того, чтобы уравновесить направлен­ную внутрь гравитационную силу, сжатие звезды прекращается. Это подход к пониманию пульсирующей звезды, как раньше к целой Вселенной.