Рождение, жизнь и гибель звезд.
Статья о том, как звезды рождаются, почему они горят и к чему приводит их гибель.
Предисловие.
Статья вышла весьма объемной. Но иначе никак, ибо я очень постарался донести не только что именно происходит со звездами, но и почему. Надеюсь, что изложение вышло достаточно понятным для восприятия.
Начало.
Самое простое и самое распространенное вещество во Вселенной - это водород (темную материю в счет пока не берем).
Всего лишь один протон и один электрон, объединяясь, образуют атом водорода.
По современным оценкам 90% всех атомов во Вселенной составляют атомы водорода.
Статья вышла весьма объемной. Но иначе никак, ибо я очень постарался донести не только что именно происходит со звездами, но и почему. Надеюсь, что изложение вышло достаточно понятным для восприятия.
Начало.
Самое простое и самое распространенное вещество во Вселенной - это водород (темную материю в счет пока не берем).
Всего лишь один протон и один электрон, объединяясь, образуют атом водорода.
По современным оценкам 90% всех атомов во Вселенной составляют атомы водорода.
Именно водород стал источником самых первых звезд - звезд "населения 3".
Классификация звезд по "населению" - это классификация по времени возникновения и количеству тяжелых элементов в звездах. Эти показатели взаимосвязаны.
В период появления первых звезд категории "населения 3" (по разным оценкам это было через 50-350 миллионов лет после Большого взрыва) Вселенная была бедна и наполнена в основном водородом и небольшим количеством гелия.
А вот уже в процессе термоядерных реакций в самих звездах первого поколения образовались новые более сложные элементы, выброшенные в пространство взрывами гибнущих звезд.
Из этих элементов образовались звезды второго поколения - "население 2" с уже большим количеством различных веществ в составе. Погибнув, они раскидали элементы для звезд третьего поколения, к которым относится и наше Солнце - звезда "населения 1".
Такая странная нумерация поколений связанна с тем, что они назывались астрономами не по хронологии возникновения, а по мере их открытия и изучения.
Сначала изучали Солнце и солнцеподобные звезды. Позже открыли более старые звезды, дав им название "население 2". И когда в репертуаре возникли самые первые звезды стала ясна нелепость такой нумерации, но менять что-либо было уже поздно, их окрестили "населением 3".
Рождение звезды.
Классификация звезд по "населению" - это классификация по времени возникновения и количеству тяжелых элементов в звездах. Эти показатели взаимосвязаны.
В период появления первых звезд категории "населения 3" (по разным оценкам это было через 50-350 миллионов лет после Большого взрыва) Вселенная была бедна и наполнена в основном водородом и небольшим количеством гелия.
А вот уже в процессе термоядерных реакций в самих звездах первого поколения образовались новые более сложные элементы, выброшенные в пространство взрывами гибнущих звезд.
Из этих элементов образовались звезды второго поколения - "население 2" с уже большим количеством различных веществ в составе. Погибнув, они раскидали элементы для звезд третьего поколения, к которым относится и наше Солнце - звезда "населения 1".
Такая странная нумерация поколений связанна с тем, что они назывались астрономами не по хронологии возникновения, а по мере их открытия и изучения.
Сначала изучали Солнце и солнцеподобные звезды. Позже открыли более старые звезды, дав им название "население 2". И когда в репертуаре возникли самые первые звезды стала ясна нелепость такой нумерации, но менять что-либо было уже поздно, их окрестили "населением 3".
Рождение звезды.
В ранней Вселенной не было практически ничего кроме темной материи, водорода и некоторого количества гелия - второго простейшего элемента после водорода.
Квантовые флуктуации в новорожденной Вселенной привели к неравномерности плотности распределения темной материи. Эти очаги плотности и стали центрами гравитационного притяжения для атомов водорода и гелия. Такова доминирующая теория на сегодняшний день.
Несмотря на мизерные размеры атомов, они обладают массой, а значит участвуют в гравитационном взаимодействии. Атомы гравитационно притягивались друг другу, образуя за миллионы лет газовые облака.
Чем крупнее становились облака, тем большее количество атомов из окружающего пространства они притягивали, еще более увеличиваясь и уплотняясь.
Квантовые флуктуации в новорожденной Вселенной привели к неравномерности плотности распределения темной материи. Эти очаги плотности и стали центрами гравитационного притяжения для атомов водорода и гелия. Такова доминирующая теория на сегодняшний день.
Несмотря на мизерные размеры атомов, они обладают массой, а значит участвуют в гравитационном взаимодействии. Атомы гравитационно притягивались друг другу, образуя за миллионы лет газовые облака.
Чем крупнее становились облака, тем большее количество атомов из окружающего пространства они притягивали, еще более увеличиваясь и уплотняясь.
В процессе гравитационного сжатия облако атомов разогревается. Из-за закона сохранения момента импульса вещество начинает вращаться быстрее, образуя плотное ядро и аккреционный диск (быстро вращающееся вокруг центра притяжения облако вещества).
Сжатие ядра продолжается, пока температура в ядре не достигает миллионов градусов. Тогда начинается термоядерный синтез, приводящий к излучению огромного количества энергии.
Гравитационное сжатие, идущее внутрь, уравновешивается давлением излучения от термоядерного синтеза, идущим во вне. В этом равновесном состоянии и начинается основная жизнь звезды, именуемая "главной последовательностью".
Сжатие ядра продолжается, пока температура в ядре не достигает миллионов градусов. Тогда начинается термоядерный синтез, приводящий к излучению огромного количества энергии.
Гравитационное сжатие, идущее внутрь, уравновешивается давлением излучения от термоядерного синтеза, идущим во вне. В этом равновесном состоянии и начинается основная жизнь звезды, именуемая "главной последовательностью".
Водородный цикл горения звезды.
Гравитационное сжатие и высокая температура запускает реакции термоядерного синтеза водорода.
Он называется "протон-протонный цикл" (рр-цикл).
Что он из себя представляет?
Все начинается со слияния ядер водорода - протонов. Протоны имеют положительные электрические заряды, равные по силе зарядам электронов.
Подробнее об электрических зарядах можно почитать на этом сайте в статье "Электромагнитная волна".
Частицы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Это называют в физике Кулоновским барьером. Для того, чтобы его преодолеть протонам требуются колоссальные количества энергии.
Это может произойти при наборе протонами достаточной кинетической энергии. Но для этого требуются температуры порядка 10 миллиардов градусов. (шкала Цельсия или Кельвина на таких величинах уже не важна). Для примера, температура в ядре Солнца всего лишь около 15 миллионов градусов. Да и в самых горячих звездах температуры редко поднимаются до 1 миллиарда градусов.
Как же тогда запускается процесс слияния ядер водорода? За счет квантового туннелирования.
Квантовое туннелирование.
Гравитационное сжатие и высокая температура запускает реакции термоядерного синтеза водорода.
Он называется "протон-протонный цикл" (рр-цикл).
Что он из себя представляет?
Все начинается со слияния ядер водорода - протонов. Протоны имеют положительные электрические заряды, равные по силе зарядам электронов.
Подробнее об электрических зарядах можно почитать на этом сайте в статье "Электромагнитная волна".
Частицы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Это называют в физике Кулоновским барьером. Для того, чтобы его преодолеть протонам требуются колоссальные количества энергии.
Это может произойти при наборе протонами достаточной кинетической энергии. Но для этого требуются температуры порядка 10 миллиардов градусов. (шкала Цельсия или Кельвина на таких величинах уже не важна). Для примера, температура в ядре Солнца всего лишь около 15 миллионов градусов. Да и в самых горячих звездах температуры редко поднимаются до 1 миллиарда градусов.
Как же тогда запускается процесс слияния ядер водорода? За счет квантового туннелирования.
Квантовое туннелирование.
В квантовой механике состояние частицы описывается волновой функцией. Это не твердый шарик, как многие представляют, а непрерывная функция, определенная в каждой точке пространства. Квадрат модуля волновой функции показывает нам плотность вероятности нахождения частицы в той или иной точке пространства. Все, что мы можем сделать, это задать вопрос: "Какова вероятность найти частицу в этом объеме?".
Эффект квантового туннелирования - это квантовое явление, которое возникает, когда частицы движутся через барьер, который, согласно теориям классической физики, они преодолеть не могут.
В случае с протонами барьером является взаимное электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов.
При столкновении с барьером квантовая волна не заканчивается внезапно, ее амплитуда сокращается экспоненциально. Это падение амплитуды соответствует падению вероятности нахождения частицы по другую сторону барьера. Если барьер достаточно тонкий, то амплитуда может быть ненулевой с другой стороны. Это означает, что существует вероятность того, что некоторые из частиц будут туннелировать через барьер, то есть окажутся по другую его сторону (не пройдут насквозь по какой-то траектории, а просто окажутся с другой стороны, можно сказать телепортируются.
Тут следует оговориться об особенности терминологии в физике. Дело в том, что привычный обычному человеку термин "телепортация" - в квантовой механике называется "туннелирование". А вот "телепортацией" в квантовой физике называется передача свойств частицы без её физического перемещения (это атрибут состояния квантовой запутанности частиц). Эта чехорда с названиями приводит к путанице в восприятии квантовых процессов обычными людьми. В общем, запомните, что, то что обычно люди понимают под телепортацией в квантовой физике называется туннелированием.
Когда протоны оказываются достаточно близко за счет эффекта квантового туннелирования (примерно на расстоянии собственного размера), то вместе их уже удерживает другая сила - ядерная сильная.
Ядерное сильное взаимодействие, наряду с электромагнитным, слабым ядерным и гравитационным, является одним из четырех фундаментальных типов взаимодействий во Вселенной.
Его особенность заключается в том, что оно действует лишь на экстремально малых расстояниях (примерно равных собственным размерам частиц). Именно эта сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядрах атомов, преодолевая силу электромагнитного отталкивания. Но она очень быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому и необходим туннельный переход для сближения протонов настолько, чтобы они "склеились" под действием ядерного сильного взаимодействия.
Трансформация протонов (протон-протонный цикл).
Итак, с причинами слияния ядер водорода мы разобрались. Теперь поговорим о самом процессе, порождающим огромную энергию светимости звезд.
Ядра водорода, сливаясь, образуют так называемый тяжелый водород - дейтерий.
В случае с протонами барьером является взаимное электромагнитное отталкивание положительно заряженных протонов.
При столкновении с барьером квантовая волна не заканчивается внезапно, ее амплитуда сокращается экспоненциально. Это падение амплитуды соответствует падению вероятности нахождения частицы по другую сторону барьера. Если барьер достаточно тонкий, то амплитуда может быть ненулевой с другой стороны. Это означает, что существует вероятность того, что некоторые из частиц будут туннелировать через барьер, то есть окажутся по другую его сторону (не пройдут насквозь по какой-то траектории, а просто окажутся с другой стороны, можно сказать телепортируются.
Тут следует оговориться об особенности терминологии в физике. Дело в том, что привычный обычному человеку термин "телепортация" - в квантовой механике называется "туннелирование". А вот "телепортацией" в квантовой физике называется передача свойств частицы без её физического перемещения (это атрибут состояния квантовой запутанности частиц). Эта чехорда с названиями приводит к путанице в восприятии квантовых процессов обычными людьми. В общем, запомните, что, то что обычно люди понимают под телепортацией в квантовой физике называется туннелированием.
Когда протоны оказываются достаточно близко за счет эффекта квантового туннелирования (примерно на расстоянии собственного размера), то вместе их уже удерживает другая сила - ядерная сильная.
Ядерное сильное взаимодействие, наряду с электромагнитным, слабым ядерным и гравитационным, является одним из четырех фундаментальных типов взаимодействий во Вселенной.
Его особенность заключается в том, что оно действует лишь на экстремально малых расстояниях (примерно равных собственным размерам частиц). Именно эта сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядрах атомов, преодолевая силу электромагнитного отталкивания. Но она очень быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому и необходим туннельный переход для сближения протонов настолько, чтобы они "склеились" под действием ядерного сильного взаимодействия.
Трансформация протонов (протон-протонный цикл).
Итак, с причинами слияния ядер водорода мы разобрались. Теперь поговорим о самом процессе, порождающим огромную энергию светимости звезд.
Ядра водорода, сливаясь, образуют так называемый тяжелый водород - дейтерий.
Дейтерий -это тот же водород, но с более тяжелым ядром. Его ядро состоит из одного протона и одного нейтрона.
При слиянии один из положительно заряженных протонов трансформируется в нейтрон, не имеющий электрического заряда (происходит это путем кваркового перестроения в протоне, но не будем в это сейчас углубляться).
При преобразовании протона в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино.
При слиянии один из положительно заряженных протонов трансформируется в нейтрон, не имеющий электрического заряда (происходит это путем кваркового перестроения в протоне, но не будем в это сейчас углубляться).
При преобразовании протона в нейтрон, он испускает позитрон и нейтрино.
Далее дейтерий, вступая в реакцию с водородом, образует легкий изотоп гелия ³Не (гелий 3) с выбросом излишков энергии в виде гамма-кванта.
Далее ³Не может сливаться с таким же ³Не, образуя ⁴Не (гелий 4) и выбрасывая два протона (ядра водорода), которые, в свою очередь, сливаясь снова образуют дейтерий и реакция идет по новой.
Далее ³Не может сливаться с таким же ³Не, образуя ⁴Не (гелий 4) и выбрасывая два протона (ядра водорода), которые, в свою очередь, сливаясь снова образуют дейтерий и реакция идет по новой.
Я описал основной процесс синтеза, на который приходится подавляющий процесс реакций в звезде и основной объем выделяемого света. Эта цепочка реакций называется в физике ppI.
Фактически в звезде происходят и другие виды взаимодействий (их назвали ppII и ppIII) , но эти дополнительные ветви не столь значительны и важны в процессе выделения энергии, которую мы называем солнечным светом.
Ниже представлена таблица со всеми типами реакций и их вкладом для тех кому интересно детально разобраться во всем, что происходит в процессе термоядерного синтеза водорода в ядре звезды.
Фактически в звезде происходят и другие виды взаимодействий (их назвали ppII и ppIII) , но эти дополнительные ветви не столь значительны и важны в процессе выделения энергии, которую мы называем солнечным светом.
Ниже представлена таблица со всеми типами реакций и их вкладом для тех кому интересно детально разобраться во всем, что происходит в процессе термоядерного синтеза водорода в ядре звезды.
Где же в этом процессе свет, который потом летит к Земле?
Короткий ответ - везде.
При слиянии водорода выделяется позитрон - античастица электрона. При столкновении позитрона с электроном происходит их взаимная аннигиляция с выделением гамма-квантов.
В реакциях дейтерия гамма-квант выделяется напрямую.
В реакциях гелия гамма-квант не выделяется, но образующиеся свободные протоны несут в себе большой запас энергии, и далее, сталкиваясь с плазмой, тормозятся и энергия торможения уносится в виде излучения.
Как это происходит?
Выделевшиеся из гелиевой реакции "быстрые" протоны вступают во взаимодействие с электронами в плазме Солнца, передавая им чать своей энергии. Высокоэнергетичные электроны в свою очередь выпускают излишек приобретенной энергии в виде гамма-квантов.
Долгий путь света к Земле.
Короткий ответ - везде.
При слиянии водорода выделяется позитрон - античастица электрона. При столкновении позитрона с электроном происходит их взаимная аннигиляция с выделением гамма-квантов.
В реакциях дейтерия гамма-квант выделяется напрямую.
В реакциях гелия гамма-квант не выделяется, но образующиеся свободные протоны несут в себе большой запас энергии, и далее, сталкиваясь с плазмой, тормозятся и энергия торможения уносится в виде излучения.
Как это происходит?
Выделевшиеся из гелиевой реакции "быстрые" протоны вступают во взаимодействие с электронами в плазме Солнца, передавая им чать своей энергии. Высокоэнергетичные электроны в свою очередь выпускают излишек приобретенной энергии в виде гамма-квантов.
Долгий путь света к Земле.
Свет -это всего лишь электромагнитное излучение - фотоны разной длины волны.
Подробно об электромагнитном излучении вы можете почитать в статье "Электромагнитная волна" на этом сайте.
Гамма-кванты -это высокоэнергетические коротковолновые фотоны - то, что в обиходе называют радиацией.
Но ведь Солнце излучает не только радиацию. Основное излучение приходится на видимый и инфракрасный диапазоны. Почему?
Рождаясь из реакций термоядерного синтеза водорода в сердце звезды гамма-кванты оказываются в среде плотной плазмы - свободно летающих протонов и электронов. Буквально пролетев 1мм они сталкиваются с той или иной частицей. Далее они либо отражаются с потерей части энергии и сменой направления движения (это называется Комптоновское рассеивание), либо поглощаются и переизлучаются с другой энергией и в случайном направлении.
Движение фотонов не направлено четко от центра звезды наружу, оно хаотично, их направления случайны, а энергия по пути теряется, трансформируя фотоны из жестких гамма-квантов, в менее энергетическое рентгеновское излучение, потом в ультрафиолет, видимый спектр света и далее в инфракрасное излучение.
Это извилистый и долгий путь.
Подробно об электромагнитном излучении вы можете почитать в статье "Электромагнитная волна" на этом сайте.
Гамма-кванты -это высокоэнергетические коротковолновые фотоны - то, что в обиходе называют радиацией.
Но ведь Солнце излучает не только радиацию. Основное излучение приходится на видимый и инфракрасный диапазоны. Почему?
Рождаясь из реакций термоядерного синтеза водорода в сердце звезды гамма-кванты оказываются в среде плотной плазмы - свободно летающих протонов и электронов. Буквально пролетев 1мм они сталкиваются с той или иной частицей. Далее они либо отражаются с потерей части энергии и сменой направления движения (это называется Комптоновское рассеивание), либо поглощаются и переизлучаются с другой энергией и в случайном направлении.
Движение фотонов не направлено четко от центра звезды наружу, оно хаотично, их направления случайны, а энергия по пути теряется, трансформируя фотоны из жестких гамма-квантов, в менее энергетическое рентгеновское излучение, потом в ультрафиолет, видимый спектр света и далее в инфракрасное излучение.
Это извилистый и долгий путь.
В среднем путь фотона от рождения в ядре в процессе термоядерного синтеза до вылета за пределы звезды занимает около 100 000 лет. А вот выбравшись фотоны долетают до Земли уже за 8 минут.
Долетают в виде полного спектра всех длин волн: и гамма лучи, и рентген, и ультрафиолет, и видимый свет, и инфракрасный, и радиоволны.
Но не в равных пропорциях. Примерно 50% приходится на инфракрасный свет, 40% на видимый спектр и оставшие 10% включают в себя остальные диапазоны длин волн от радиоволн до ультрафиолета и радиации. Причем в этих 10% львиная доля уходит ультрафиолету, а радиоволны и гамма-лучи в совокупности составляют менее 1% от общего излучения.
Почему звезды не сгорают сразу?
Мы описали выше процесс термоядерного синтеза ядер водорода посредством туннельного эффекта. Но почему все ядра не прореагируют сразу?
Дело в том , что это очень маловероятный процесс. Я уже упоминал, что частицу в этом процессе следует рассматривать не как дискретный материальный объект, а как вероятностную волновую функцию. И вероятность для двух отдельно взятых протонов при температурном режиме Солнца (15 млн градусов в ядре) туннелировать и трансформироваться в пару протон-нейтрон настолько мало, что это событие будет происходить 1 раз в 10 миллиардов лет. Казалось бы практически невероятное событие, но эта малая вероятность уравновешивается гигантским количеством самих протонов в ядре.
Оценочно общее количество протонов в звезде солнечного типа составляет примерно 10⁵⁷ - 10⁵⁸ штук.
При таком гигантском количестве даже экстремально маловероятные события происходят достаточно часто. Ежесекундно более 4 миллионов тонн вещества в Солнце превращается в энергию.
Долетают в виде полного спектра всех длин волн: и гамма лучи, и рентген, и ультрафиолет, и видимый свет, и инфракрасный, и радиоволны.
Но не в равных пропорциях. Примерно 50% приходится на инфракрасный свет, 40% на видимый спектр и оставшие 10% включают в себя остальные диапазоны длин волн от радиоволн до ультрафиолета и радиации. Причем в этих 10% львиная доля уходит ультрафиолету, а радиоволны и гамма-лучи в совокупности составляют менее 1% от общего излучения.
Почему звезды не сгорают сразу?
Мы описали выше процесс термоядерного синтеза ядер водорода посредством туннельного эффекта. Но почему все ядра не прореагируют сразу?
Дело в том , что это очень маловероятный процесс. Я уже упоминал, что частицу в этом процессе следует рассматривать не как дискретный материальный объект, а как вероятностную волновую функцию. И вероятность для двух отдельно взятых протонов при температурном режиме Солнца (15 млн градусов в ядре) туннелировать и трансформироваться в пару протон-нейтрон настолько мало, что это событие будет происходить 1 раз в 10 миллиардов лет. Казалось бы практически невероятное событие, но эта малая вероятность уравновешивается гигантским количеством самих протонов в ядре.
Оценочно общее количество протонов в звезде солнечного типа составляет примерно 10⁵⁷ - 10⁵⁸ штук.
При таком гигантском количестве даже экстремально маловероятные события происходят достаточно часто. Ежесекундно более 4 миллионов тонн вещества в Солнце превращается в энергию.
Тем не менее такое огромное количество ежесекундно "сгорающей" материи составляет ничтожный процент от общей массы Солнца. В общей сложности убыль массы Солнца составляет всего лишь 0,1% от общей массы звезды и не оказывает никакого влияния на происходящие в ней процессы.
В целом жизнь звезды - это маловероятные слабые события , уравновешивающиеся огромным количеством вещества, вовлеченного в процесс. К примеру, 1м³ Солнца вылеляет примерно 300Вт тепла. В то же время человек выделяет 1000Вт тепла на 1м³.
Но, учитывая общее количество вовлеченного вещества в звезде, оно выделяет тепла в квадрилионы раз больше нежели человек.
Но так или иначе, запас водорода в звездах конечен. Длится процесс "горения" водорода долго и составляет в общей сложности 90% всего срока жизни звезды. Этот период называется в астрономии "главной последовательностью". Для небольших звезд (массой от 1,5 солнечных и меньше) этот период длится порядка 10 миллиардов лет. Для звезд крупнее этот период гораздо короче и измеряется миллионами лет.
С чем связана такая разница?
Все просто. Чем крупнее звезда, тем сильнее силы гравитационного сжатия, тем выше температуры, больше энергия протонов, а значит и выше вероятность преодоления кулоновского барьера путем квантового туннелирования. Протоны сливаются чаще и водородный ресурс звезды истощается быстрее.
Что же происходит, когда в звезде заканчивается водород?
Малые звезды выходят из главной последовательности и переходят к периоду старения. У них не достаточно в ядре сил гравитационного сжатия и температур для продолжения процесса термоядерного синтеза с более тяжелыми элементами.
Дело в том, что если в ядре водорода всего 1 протон, то в ядре гелия уже 2 протона и сила электромагнитного отталкивания возрастает в 4 раза. Кулоновский барьер становится слишком плотным и широким, чтобы ядра гелия смогли его преодолеть. Вероятность их туннелирования через барьер падает почти до нуля. Так что малые звезды, истощив запас водорода, начинают остывать, что запускает новые процессы в звезде, процессы старения. Но об этом позже. А пока обратим внимание на крупные звезды, от 1,5 масс Солнца и больше.
В целом жизнь звезды - это маловероятные слабые события , уравновешивающиеся огромным количеством вещества, вовлеченного в процесс. К примеру, 1м³ Солнца вылеляет примерно 300Вт тепла. В то же время человек выделяет 1000Вт тепла на 1м³.
Но, учитывая общее количество вовлеченного вещества в звезде, оно выделяет тепла в квадрилионы раз больше нежели человек.
Но так или иначе, запас водорода в звездах конечен. Длится процесс "горения" водорода долго и составляет в общей сложности 90% всего срока жизни звезды. Этот период называется в астрономии "главной последовательностью". Для небольших звезд (массой от 1,5 солнечных и меньше) этот период длится порядка 10 миллиардов лет. Для звезд крупнее этот период гораздо короче и измеряется миллионами лет.
С чем связана такая разница?
Все просто. Чем крупнее звезда, тем сильнее силы гравитационного сжатия, тем выше температуры, больше энергия протонов, а значит и выше вероятность преодоления кулоновского барьера путем квантового туннелирования. Протоны сливаются чаще и водородный ресурс звезды истощается быстрее.
Что же происходит, когда в звезде заканчивается водород?
Малые звезды выходят из главной последовательности и переходят к периоду старения. У них не достаточно в ядре сил гравитационного сжатия и температур для продолжения процесса термоядерного синтеза с более тяжелыми элементами.
Дело в том, что если в ядре водорода всего 1 протон, то в ядре гелия уже 2 протона и сила электромагнитного отталкивания возрастает в 4 раза. Кулоновский барьер становится слишком плотным и широким, чтобы ядра гелия смогли его преодолеть. Вероятность их туннелирования через барьер падает почти до нуля. Так что малые звезды, истощив запас водорода, начинают остывать, что запускает новые процессы в звезде, процессы старения. Но об этом позже. А пока обратим внимание на крупные звезды, от 1,5 масс Солнца и больше.
Звезды - гиганты.
Солнце весьма скромная звезда по меркам Вселенной. Альдебаран, например, в 45 раз больше Солнца, а Антарес - в 800 раз.
Эти звезды-гиганты живут гораздо меньше, зато их жизнь проходит намного веселее, чем у нашей маленькой звезды.
Если мощности Солнца недостаточно для запуска термоядерного синтеза тяжелых элементов и все тяжелые элементы в нем просто были захвачены из космоса в процессе гравитационного сжатия первичного газового облака, то звездам-гигантам вполне по силам запустить внутри себя "фабрику" синтеза тяжелых элементов.
Их жизнь не ограничивается протон-протонным циклом (pp-циклом). Их масса, сила гравитационного сжатия и температура позволяют запустить другой цикл термоядерного синтеза из того же водорода: углеродно-азотно-кислородный (CNO-цикл)
CNO- цикл.
Солнце весьма скромная звезда по меркам Вселенной. Альдебаран, например, в 45 раз больше Солнца, а Антарес - в 800 раз.
Эти звезды-гиганты живут гораздо меньше, зато их жизнь проходит намного веселее, чем у нашей маленькой звезды.
Если мощности Солнца недостаточно для запуска термоядерного синтеза тяжелых элементов и все тяжелые элементы в нем просто были захвачены из космоса в процессе гравитационного сжатия первичного газового облака, то звездам-гигантам вполне по силам запустить внутри себя "фабрику" синтеза тяжелых элементов.
Их жизнь не ограничивается протон-протонным циклом (pp-циклом). Их масса, сила гравитационного сжатия и температура позволяют запустить другой цикл термоядерного синтеза из того же водорода: углеродно-азотно-кислородный (CNO-цикл)
CNO- цикл.
CNO-цикл — это процесс, в котором участвуют ядра углерода, азота и кислорода, но сами они не расходуются. Они выступают как «посредники», помогая трансформировать ядра водорода в гелий.
Как и рр-цикл, CNO-цикл состоит из нескольких ветвей, среди которых доминирует одна: CNO-I.
Краткое изложение цикла.
1. Ядро углерода ¹²С (6 протонов+6 нейтронов) захватывает протон, образуя атом азота ¹³N (7 протонов+6 нейтронов) и испуская излишек энергии в виде гамма-кванта.
2. Образовавшийся изотоп азота нестабилен и лишний протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Образуется обратно углерод ¹³C (с 6 протонами в ядре, но дополненых в этот раз 7 нейтронами), позитрон, аннигилируя с электроном, испускает гамма-квант.
3. Углерод ¹³С снова захватывает протон, образуя азот ¹⁴N (в этот раз с 7 протонами и 7 нейтронами) и испуская гамма-квант.
4. Азот ¹⁴N захватывает протон, образуя нестабильный изотоп кислорода ¹⁵О (8 протонов + 7 нейтронов) с выделением гамма-кванта.
5. Лишний протон в кислороде ¹⁵O распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Образуется азот ¹⁵N, а позитрон вновь аннигилирует с электроном, испуская гамма-квант.
6. Азот ¹⁵N распадается на углерод ¹²С и альфа-частицу (положительно заряженное ядро гелия ⁴Не без электронов).
Как и рр-цикл, CNO-цикл состоит из нескольких ветвей, среди которых доминирует одна: CNO-I.
Краткое изложение цикла.
1. Ядро углерода ¹²С (6 протонов+6 нейтронов) захватывает протон, образуя атом азота ¹³N (7 протонов+6 нейтронов) и испуская излишек энергии в виде гамма-кванта.
2. Образовавшийся изотоп азота нестабилен и лишний протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Образуется обратно углерод ¹³C (с 6 протонами в ядре, но дополненых в этот раз 7 нейтронами), позитрон, аннигилируя с электроном, испускает гамма-квант.
3. Углерод ¹³С снова захватывает протон, образуя азот ¹⁴N (в этот раз с 7 протонами и 7 нейтронами) и испуская гамма-квант.
4. Азот ¹⁴N захватывает протон, образуя нестабильный изотоп кислорода ¹⁵О (8 протонов + 7 нейтронов) с выделением гамма-кванта.
5. Лишний протон в кислороде ¹⁵O распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино. Образуется азот ¹⁵N, а позитрон вновь аннигилирует с электроном, испуская гамма-квант.
6. Азот ¹⁵N распадается на углерод ¹²С и альфа-частицу (положительно заряженное ядро гелия ⁴Не без электронов).
Ключевым фактором в преобладании CNO-цикла является его чувствительность к температуре. При малых температурах (подобно температуре Солнца) этот цикл практически не запускается. Но при повышении температуры цикл становится преобладающим и по мере ее дальнейшего повышения ускоряется экспоненциально.
Жизнь звезд без водорода.
Так или иначе, но водород закончится в любой звезде. Чем купнее звезда, тем раньше в ее жизни наступает этот момент. И на этом этапе судьбы звезд разделяются, а дальнейший путь опять же зависит от массы звезды.
Самые малые звезды (в 2 раза меньше Солнца) - красные карлики столь медленно поглощают водород, что этот процесс может длиться трилионы лет.
Жизнь звезд без водорода.
Так или иначе, но водород закончится в любой звезде. Чем купнее звезда, тем раньше в ее жизни наступает этот момент. И на этом этапе судьбы звезд разделяются, а дальнейший путь опять же зависит от массы звезды.
Самые малые звезды (в 2 раза меньше Солнца) - красные карлики столь медленно поглощают водород, что этот процесс может длиться трилионы лет.
Поскольку Вселенная не настолько стара (всего лишь 13,8 миллиардов лет по современным оценкам) мы еще не наблюдаем ни одного умершего красного карлика.
Гипотетически, когда они все же исчерпают запасы водорода, их массы будет недостаточно для запуска термоядерного синтеза на основе гелия. Они просто начнут остывать, уменьшаясь в размерах и переходя в стадию голубого карлика, затем белого карлика и, окончательно растеряв свой запас тепла, завершат свою эволюцию в виде гипотетического черного карлика.
Гипотетически, когда они все же исчерпают запасы водорода, их массы будет недостаточно для запуска термоядерного синтеза на основе гелия. Они просто начнут остывать, уменьшаясь в размерах и переходя в стадию голубого карлика, затем белого карлика и, окончательно растеряв свой запас тепла, завершат свою эволюцию в виде гипотетического черного карлика.
Черные карлики - гипотетически полностью остывшие звезды, которые появятся в нашей Вселенной через триллионы лет. Они не будут излучать ни свет, ни тепло. Их температура будет схожа с температурой реликтового излучения (около 3 Кельвинов.)
Есть теория, что на завершающей стадии эволюции Вселенной черные карлики взорвутся в виде пинкоядерной свехновой.
Это ни чем не будет похоже на нынешние взрывы сверхновых в результате высокотемпературных термоядерных реакций в гигантских звездах.
В черных карликах уже нет температур, вещество вырождено. Но некоторые ученые полагают, что за счет постепенного уплотнения холодной звезды экстремальные плотности вещества приведут к возникновению туннельного эффекта и термоядерному взрыву остывшего "мертвого" темного карлика.
Это событие рассматривается как одно из последних проявлений активности во Вселенной, предвещающее наступление полной темноты.
Тройной альфа-процесс.
С судьбами маленьких звезд разобрались. Теперь поговорим о средних (типа Солнца) и крупных звездах.
У этих звезд масса и температура достаточны для запуска термоядерного синтеза гелия, образовавшегося от "горения" водорода.
Этот синтез обозвали тройной альфа-процесс. Почему альфа?
Потому что в нем основным участником мероприятия является альфа-частица, она же ядро гелия ⁴Не (2 протона + 2 нейтрона).
Почему тройной? Сейчас разберемся.
Есть теория, что на завершающей стадии эволюции Вселенной черные карлики взорвутся в виде пинкоядерной свехновой.
Это ни чем не будет похоже на нынешние взрывы сверхновых в результате высокотемпературных термоядерных реакций в гигантских звездах.
В черных карликах уже нет температур, вещество вырождено. Но некоторые ученые полагают, что за счет постепенного уплотнения холодной звезды экстремальные плотности вещества приведут к возникновению туннельного эффекта и термоядерному взрыву остывшего "мертвого" темного карлика.
Это событие рассматривается как одно из последних проявлений активности во Вселенной, предвещающее наступление полной темноты.
Тройной альфа-процесс.
С судьбами маленьких звезд разобрались. Теперь поговорим о средних (типа Солнца) и крупных звездах.
У этих звезд масса и температура достаточны для запуска термоядерного синтеза гелия, образовавшегося от "горения" водорода.
Этот синтез обозвали тройной альфа-процесс. Почему альфа?
Потому что в нем основным участником мероприятия является альфа-частица, она же ядро гелия ⁴Не (2 протона + 2 нейтрона).
Почему тройной? Сейчас разберемся.
Два ядра гелия сливаются образуя бериллий ⁸Be и выпуская гамма-квант. С таким ядром бериллий максимально нестабилен и энегетически не выгоден (почему это так не будем здесь расписывать, дабы не усложнять и без того затянувшуюся статью). До стабильного состояния бериллию нужен еще один нейтрон в ядре, который бы выступал связующим звеном между мегастабильными ядрами ⁴Не (гелия 4) и связывал бы их в стабильное ядро бериллия. Без этого дополнительного нейтрона жизнь атома ⁸Be чрезвычайно коротка - максимум 0,000001 секунды (а чаще гораздо короче), после чего он разваливается обратно на два стабильных ядра гелия ⁴He.
Но если к ⁸Ве, до того как он развалится, успеет присоединиться еще одно ядро гелия, то образуется уже новое жизнеспособное вещество - углерод ¹²С и гамма-квант.
Вот и ответ почему процесс тройной. Для него требуется слияние трех альфа-частиц, ядер гелия.
Для средних звезд типа Солнца тройной альфа-процесс в течение большей части их жизни не возможен поскольку требует слишком высоких температур, которых в Солнце нет.
Но по мнению физиков он должен будет запуститься в конце жизни нашего светила.
Выработав весь водород в гелий в ядре Солнце получит гелиевое ядро, не способное к дальнейшему синтезу в тройном альфа-процессе из-за недостаточности температур. Сила излучения ядра падает и сила гравитационного сжатия начинает преобладать, сжимая ядро. Энергия гравитационного сжатия ядра гелия приводит к повышению температуры.
Но если к ⁸Ве, до того как он развалится, успеет присоединиться еще одно ядро гелия, то образуется уже новое жизнеспособное вещество - углерод ¹²С и гамма-квант.
Вот и ответ почему процесс тройной. Для него требуется слияние трех альфа-частиц, ядер гелия.
Для средних звезд типа Солнца тройной альфа-процесс в течение большей части их жизни не возможен поскольку требует слишком высоких температур, которых в Солнце нет.
Но по мнению физиков он должен будет запуститься в конце жизни нашего светила.
Выработав весь водород в гелий в ядре Солнце получит гелиевое ядро, не способное к дальнейшему синтезу в тройном альфа-процессе из-за недостаточности температур. Сила излучения ядра падает и сила гравитационного сжатия начинает преобладать, сжимая ядро. Энергия гравитационного сжатия ядра гелия приводит к повышению температуры.
Гравитационное сжатие вновь зажигает звезду.
Остановимся чуть подробнее на этом процессе.
При сжатии ионы (положительно заряженные ядра) и электроны сближаются, оказываясь в меньшем объеме.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга (не вдаваясь подробно в эту обширную тему, заслуживающую отдельной статьи) координаты частицы тесно связаны с импульсом.
Остановимся чуть подробнее на этом процессе.
При сжатии ионы (положительно заряженные ядра) и электроны сближаются, оказываясь в меньшем объеме.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга (не вдаваясь подробно в эту обширную тему, заслуживающую отдельной статьи) координаты частицы тесно связаны с импульсом.
Говоря простым языком, по мере более плотной упаковки частиц в каком-то объеме их импульс растет.
Импульс, если кто не помнит, это количество движения частицы. Он связан с энергией по формуле Е=р²/2m. Не вдаваясь в формулы, скажем, что чем больше импульс, тем выше кинетическая энергия частиц и, соответственно, температура.
Повышение температуры сжимающегося вырожденного гелиевого ядра в Солнце еще недостаточно для запуска тройного альфа-процесса в ядре, но вполне хватает для запуска pp-реакций водорода во внешних слоях Солнца.
Термоядерные реакции с водородом, происходившие ранее в ядре звезды теперь запускаются во внешних слоях, окружающих ядро. Гравитация во внешних слоях слабее и излучение перевешивает гравитацию, что приводит к значительному расширению внешних газовых оболочек звезды. Звезда переходит в стадию красного гиганта.
Импульс, если кто не помнит, это количество движения частицы. Он связан с энергией по формуле Е=р²/2m. Не вдаваясь в формулы, скажем, что чем больше импульс, тем выше кинетическая энергия частиц и, соответственно, температура.
Повышение температуры сжимающегося вырожденного гелиевого ядра в Солнце еще недостаточно для запуска тройного альфа-процесса в ядре, но вполне хватает для запуска pp-реакций водорода во внешних слоях Солнца.
Термоядерные реакции с водородом, происходившие ранее в ядре звезды теперь запускаются во внешних слоях, окружающих ядро. Гравитация во внешних слоях слабее и излучение перевешивает гравитацию, что приводит к значительному расширению внешних газовых оболочек звезды. Звезда переходит в стадию красного гиганта.
Примерно через 7 миллиардов лет Солнце увеличится во много раз за счет расширения внешних оболочек под давлением излучения от "выгорающего" в них водорода и его границы согласно рассчетам будут проходить примерно там, где сейчас находится орбита нашей Земли.
Оно будет не очень горячим поскольку плотность энергии сильно упадет из-за увеличения объема, но при этом очень ярким, поскольку из-за того же увеличения объема значительно увеличится площадь излучаемой поверхности.
Параллельно в гравитационно сжимающемся гелиевом ядре повышение энергии и температуры запускает ранее недоступный тройной альфа-процесс с генерацией на выходе углерода (кстати, именно углерод и только углерод в силу особенной атомной структуры является основой органики и живой материи, но об этом напишу в отдельной статье).
В итоге, умирающая звезда - красный гигант представляет собой ядро из углерода с примесью кислорода, внешний слой ядра из "горящего" в тройном альфа-процессе гелия и гигантские внешние слои с "горящим" в них водородом.
При этом горение вырожденного гелия достаточно не стабильно. Не буду углублятся в процессы, происходящие в вырожденном газе (статья и так уже очень тяжелая), скажу лишь, что нестабильность приводит к пульсации гелиевого ядра с чередующимися периодами яркости и затухания и, соответственно, ударными волнами идущими во вне. Параллельно в холодных внешних слоях образуются не разрушающиеся частички пыли, которые взаимодействуя с фотонами увеличивают свою энергию и разлетаются во вне вместе с газом, составляющим внешние слои звезды.
Звезда сбрасывает свои внешние слои. Они уносятся во внешний космос, образуя планетарную туманность. Остается в итоге лишь самая сердцевина - углеродно-кислородное ядро, называемое белым карликом.
Оно будет не очень горячим поскольку плотность энергии сильно упадет из-за увеличения объема, но при этом очень ярким, поскольку из-за того же увеличения объема значительно увеличится площадь излучаемой поверхности.
Параллельно в гравитационно сжимающемся гелиевом ядре повышение энергии и температуры запускает ранее недоступный тройной альфа-процесс с генерацией на выходе углерода (кстати, именно углерод и только углерод в силу особенной атомной структуры является основой органики и живой материи, но об этом напишу в отдельной статье).
В итоге, умирающая звезда - красный гигант представляет собой ядро из углерода с примесью кислорода, внешний слой ядра из "горящего" в тройном альфа-процессе гелия и гигантские внешние слои с "горящим" в них водородом.
При этом горение вырожденного гелия достаточно не стабильно. Не буду углублятся в процессы, происходящие в вырожденном газе (статья и так уже очень тяжелая), скажу лишь, что нестабильность приводит к пульсации гелиевого ядра с чередующимися периодами яркости и затухания и, соответственно, ударными волнами идущими во вне. Параллельно в холодных внешних слоях образуются не разрушающиеся частички пыли, которые взаимодействуя с фотонами увеличивают свою энергию и разлетаются во вне вместе с газом, составляющим внешние слои звезды.
Звезда сбрасывает свои внешние слои. Они уносятся во внешний космос, образуя планетарную туманность. Остается в итоге лишь самая сердцевина - углеродно-кислородное ядро, называемое белым карликом.
Дальнейшая судьба белого карлика подобна судьбам малых звезд, описанных ранее. Таков жизненый цикл Солнца и аналогичных звезд среднего размера.
Итак, с жизненными циклами малых и средних звезд разобрались.
Но в звездах покрупнее процесс нуклеосинтеза не заканчивается на углероде. Гравитационных сил и температур достаточно , чтобы "зажечь" (читай запустить термоядерный синтез) углерод и более тяжелые элементы.
Углеродное "горение".
Углерод ¹²С сливаясь с гелием ⁴Не образует кислород ¹⁶O с выделением гамма-кванта.
Углерод ¹²С сливаясь с другим углеродом ¹²С образуют магний ²⁴Mg в квазисвязанном состоянии. Это возбужденное состояние ядра с очень коротким сроком жизни (примерно 10-²⁰ сек.). Распадаться такое ядро может разными каналами, не обязательно тем же, каким образовалось (слияние двух ядер углерода).
Например, благодаря кластерной структуре ядра.
Кластерная концепция гласит, что протоны и нейтроны в ядрах размещены не хаотично, а геометрически упорядочено, образуя ячейки из упорядочнных объединений меньшего порядка, например альфа-частиц (ячейки по два протона и два нейтрона)
Но в звездах покрупнее процесс нуклеосинтеза не заканчивается на углероде. Гравитационных сил и температур достаточно , чтобы "зажечь" (читай запустить термоядерный синтез) углерод и более тяжелые элементы.
Углеродное "горение".
Углерод ¹²С сливаясь с гелием ⁴Не образует кислород ¹⁶O с выделением гамма-кванта.
Углерод ¹²С сливаясь с другим углеродом ¹²С образуют магний ²⁴Mg в квазисвязанном состоянии. Это возбужденное состояние ядра с очень коротким сроком жизни (примерно 10-²⁰ сек.). Распадаться такое ядро может разными каналами, не обязательно тем же, каким образовалось (слияние двух ядер углерода).
Например, благодаря кластерной структуре ядра.
Кластерная концепция гласит, что протоны и нейтроны в ядрах размещены не хаотично, а геометрически упорядочено, образуя ячейки из упорядочнных объединений меньшего порядка, например альфа-частиц (ячейки по два протона и два нейтрона)
Итак, высокоэнергетичный магний ²⁴Mg, образованный слиянием ядер углерода, может исторгнуть кластер альфа-частицы (гелий ⁴Не), образуя из остатков ядро неона ²⁰Ne.
Возможны и иные каналы распада. Магний может "выплюнуть" отдельный протон слабосвязанный с остальной структурой ядра, получая в остатке натрий ²³Na.
А может просто избавиться от излишков энергии, выпустив ее в виде гамма-кванта, и перейдя к более низкоэнергетическому стабильному состоянию ²⁴Mg.
Неоновое "горение".
Неон ²⁰Ne, в свою очередь, принимая гамма-квант переходит в высокоэнергетическое возбужденное состояние и распадается на кислород ¹⁶О и альфа-частицу (гелий ⁴Не).
Альфа-частица ⁴Не, сталкиваясь с неоном ²⁰Ne, образует магний ²⁴Mg с выпросом излишков энергии в виде гамма-кванта.
Кислородное "горение".
Кислород ¹⁶О объединяясь с таким же ¹⁶О может образовать:
кремний ²⁸Si + альфа-частица ⁴Не
фосфор ³¹Р + протон
серу ³²S с выбросом излишков энергии в виде гамма-кванта.
Возможны и иные каналы распада. Магний может "выплюнуть" отдельный протон слабосвязанный с остальной структурой ядра, получая в остатке натрий ²³Na.
А может просто избавиться от излишков энергии, выпустив ее в виде гамма-кванта, и перейдя к более низкоэнергетическому стабильному состоянию ²⁴Mg.
Неоновое "горение".
Неон ²⁰Ne, в свою очередь, принимая гамма-квант переходит в высокоэнергетическое возбужденное состояние и распадается на кислород ¹⁶О и альфа-частицу (гелий ⁴Не).
Альфа-частица ⁴Не, сталкиваясь с неоном ²⁰Ne, образует магний ²⁴Mg с выпросом излишков энергии в виде гамма-кванта.
Кислородное "горение".
Кислород ¹⁶О объединяясь с таким же ¹⁶О может образовать:
кремний ²⁸Si + альфа-частица ⁴Не
фосфор ³¹Р + протон
серу ³²S с выбросом излишков энергии в виде гамма-кванта.
Завершающим этапом эффективного нуклеосинтеза (когда образование более тяжелых элементов происходит с выделением энергии) является кремниевый этап , ведущий к образованию железа. Дальнейший синтез более тяжелых элементов уже не выделяет энергию. Более того, он наоборот требует поглощения энергии. Поэтому синтез более тяжелых элементов происходит лишь в самые последние мгновения жизни крупных звезд - взрывах сверхновых, когда энергия плещет через край.
Но обо всем по порядку.
Кремниевое горение.
Это финальный процесс в массивной звезде перед взрывом. Длится он не долго, буквально дни.
Это уже не синтез все более сложных элементов с выделением энергии. По сути это плазменный суп из беспрерывно разрушающихся и пересобирающихся тяжелых ядер в процессе их перехода к максимально стабильному состоянию - никелю ⁵⁶Ni, кобальту ⁵⁶Со и в итоге железу ⁵⁶Fe.
Это не одна линейная цепочка, а квази-равновесная сеть реакций, где одновременно идут фоторасщепления и обратные захваты.
Фоторасщепление - это процесс распада атомных ядер в связи с переходом в высокоэнергетическое возбужденное состояние при поглощении гама-кванта, приводящий к испусканию ядром протонов (p), нейтронов (n) или альфа-частиц (⁴He). Эти частицы тут же вновь поглощаются другими атомными ядрами с испусканием излишков энергии в виде гамма-квантов.
Если разложить эту карусель парралельных процессов на линейные процессы, то выглядеть это будет следующим образом:
кремний ²⁸Si + ⁴He → сера ³²S
сера ³²S + ⁴He → аргон ³⁶Ar
аргон ³⁶Ar + ⁴He → кальций ⁴⁰Са
кальций ⁴⁰Са + ⁴He → титан ⁴⁴Ti
титан ⁴⁴Ti + ⁴He → хром ⁴⁸Cr
xром ⁴⁸Сr + ⁴He → железо ⁵²Fe
железо ⁵²Fe + ⁴He → никель ⁵⁶Ni
Но обо всем по порядку.
Кремниевое горение.
Это финальный процесс в массивной звезде перед взрывом. Длится он не долго, буквально дни.
Это уже не синтез все более сложных элементов с выделением энергии. По сути это плазменный суп из беспрерывно разрушающихся и пересобирающихся тяжелых ядер в процессе их перехода к максимально стабильному состоянию - никелю ⁵⁶Ni, кобальту ⁵⁶Со и в итоге железу ⁵⁶Fe.
Это не одна линейная цепочка, а квази-равновесная сеть реакций, где одновременно идут фоторасщепления и обратные захваты.
Фоторасщепление - это процесс распада атомных ядер в связи с переходом в высокоэнергетическое возбужденное состояние при поглощении гама-кванта, приводящий к испусканию ядром протонов (p), нейтронов (n) или альфа-частиц (⁴He). Эти частицы тут же вновь поглощаются другими атомными ядрами с испусканием излишков энергии в виде гамма-квантов.
Если разложить эту карусель парралельных процессов на линейные процессы, то выглядеть это будет следующим образом:
кремний ²⁸Si + ⁴He → сера ³²S
сера ³²S + ⁴He → аргон ³⁶Ar
аргон ³⁶Ar + ⁴He → кальций ⁴⁰Са
кальций ⁴⁰Са + ⁴He → титан ⁴⁴Ti
титан ⁴⁴Ti + ⁴He → хром ⁴⁸Cr
xром ⁴⁸Сr + ⁴He → железо ⁵²Fe
железо ⁵²Fe + ⁴He → никель ⁵⁶Ni
Цепочка останавливается на никеле ⁵⁶Ni. Это крайне нестабильный изотоп. Он быстро (период полураспада 6 дней) преобразуется в кобальт ⁵⁶Со. Период полураспада изотопа кобальта ⁵⁶Со составляет 77 дней. Кобальт ⁵⁶Со путем полураспада преобразуется в максимально стабильный элемент - железо ⁵⁶Fe.
Почему железо становится финальной точкой в процессе нуклеосинтеза в звездах?
Чтобы понять, почему железо становится финальной точкой, нужно взглянуть на то, как ядра атомов удерживают свою энергию.
В физике это описывается понятием удельной энергии связи (энергия, приходящаяся на один протон или нейтрон в ядре).
Если нарисовать график, где по вертикали будет шкала энергии связи, а по горизонтали массы элементов, то элементы расположаться на нем в форме горы с пиком на железе.
Почему железо становится финальной точкой в процессе нуклеосинтеза в звездах?
Чтобы понять, почему железо становится финальной точкой, нужно взглянуть на то, как ядра атомов удерживают свою энергию.
В физике это описывается понятием удельной энергии связи (энергия, приходящаяся на один протон или нейтрон в ядре).
Если нарисовать график, где по вертикали будет шкала энергии связи, а по горизонтали массы элементов, то элементы расположаться на нем в форме горы с пиком на железе.
До железа легкие ядра сливаются и масса получившегося ядра чуть меньше суммы масс исходных частиц. Эта лишняя масса преобразуется в энергию (всем известная формула Эйнштейна связи массы и энергии Е=mc²) и покидает образовавшееся ядро в виде гамма-квантов, нейтрино и т.д. Как уже я описывал ранее, именно в этом процессе и кроется источник светимости звезд.
Но после железа ядра становятся настолько тяжелыми и перегруженными протонами, что для их дальнейшего слияния энергию нужно уже тратить на образование новых более тяжелых элементов.
Ядерная сильная, притягивающая протоны и нейтроны друг к другу, мощна, но быстро убывает с увеличением расстояния. И в этом ключ верховодства железа. Чем больше протонов и нейтронов тем больший пространственный объем занимает ядро.
Но после железа ядра становятся настолько тяжелыми и перегруженными протонами, что для их дальнейшего слияния энергию нужно уже тратить на образование новых более тяжелых элементов.
Ядерная сильная, притягивающая протоны и нейтроны друг к другу, мощна, но быстро убывает с увеличением расстояния. И в этом ключ верховодства железа. Чем больше протонов и нейтронов тем больший пространственный объем занимает ядро.
Железо ⁵⁶Fe , состоящее из 26 протонов и 39 нейтронов представляет собой максимальную комбинацию, при которой силы ядерного притяжения преобладают над силами электромагнитного отталкивания положительно заряженных протонов. В больших элементах электромагнитное отталкивание начинает преобладать и требуется дополнительная энергия для присоединения к таким ядрам дополнительных протонов. Суммарная сила электромагнитного отталкивания уже не позволяет сильному ядерному притяжению присоединить этот протон к ядру, даже если он окажется рядом.
Смерть больших звезд в космических взрывах - сверхновые звезды.
Если вы внимательно прочитали всё вышеизложенное, то, во-первых, я восхищен, а во-вторых, вы наверняка уже и сами понимаете о чем дальше пойдет речь.
Если кратко, то когда в центре звезды образуется железное ядро, «печка» выключается. Термоядерные реакции больше не производят энергию и давление излучения, направленное во вне падает. Гравитация, которую раньше сдерживало это давление, мгновенно побеждает. Огромная масса звезды обрушивается внутрь, что приводит к чудовищному взрыву. Это очень быстротечный процесс, все происходит за секунды.
Что именно происходит?
Когда излучение термоядерного синтеза перестает сдерживать гравитацию, начинается процесс мощного сжатия ядра.
Если масса звезды превышает предел Чандрасекара, то она не способна стареть в виде белого карлика как описывалось выше для маломассивных звезд и звезд средней массы. Предел Чандрасекара опрелеляет предельную массу равновесия сил давления вырожденного электронного газа и гравитации. Он составляет от 1,38 до 1,44 масс Солнца в зависимости от состава.
Если же звезда массивней, то ее ждет фотодиссоциация и нейтронизация.
Суть этих процессов в том, что
ядра железа разрушаются под воздействием чудовищной температуры и жестких гамма-квантов ядра железа буквально испаряются, распадаясь обратно на протоны, нейтроны и альфа-частицы. Этот процесс поглощает остатки энергии, ускоряя падение частиц к центру масс звезды под лействием гравитации. Электроны в буквальном смысле вдавливаются в протоны. Давление настолько велико, что электроны объединяются с протонами, превращая их в нейтроны. При этом выбрасывается колоссальное количество нейтрино.
Ядро размером с Землю за доли секунды сжимается до размеров небольшого города (около 10–20 км в диаметре). Плотность при этом становится чудовищной и сжатие резко останавливается. Нейтроны начинают отталкиваться друг от друга из-за принципа запрета Паули.
Принцип запрета Паули -это квантовый закон, согласно которому два фермиона (читай нейтрона) не могут находиться в одном квантовом состоянии. Из-за экстремальной плотности нейтроны вырождаются (вынуждены занимать все более высокие энергетические уровни), создавая колоссальное «давление вырождения», которое противодействует гравитации и останавливает дальнейший гравитационный коллапс.
Внешние слои звезды, которые все еще падают внутрь на скорости около 25% от скорости света, с размаху ударяются об это сверхплотное ядро.
Происходит мощнейший упругий отскок. Возникает ударная волна, которая движется наружу, разрывая звезду изнутри. Происходит мощнейшая вспышка - взрыв сверхновой и внешние слои звезды выбрасываются в открытый космос.
Если вы внимательно прочитали всё вышеизложенное, то, во-первых, я восхищен, а во-вторых, вы наверняка уже и сами понимаете о чем дальше пойдет речь.
Если кратко, то когда в центре звезды образуется железное ядро, «печка» выключается. Термоядерные реакции больше не производят энергию и давление излучения, направленное во вне падает. Гравитация, которую раньше сдерживало это давление, мгновенно побеждает. Огромная масса звезды обрушивается внутрь, что приводит к чудовищному взрыву. Это очень быстротечный процесс, все происходит за секунды.
Что именно происходит?
Когда излучение термоядерного синтеза перестает сдерживать гравитацию, начинается процесс мощного сжатия ядра.
Если масса звезды превышает предел Чандрасекара, то она не способна стареть в виде белого карлика как описывалось выше для маломассивных звезд и звезд средней массы. Предел Чандрасекара опрелеляет предельную массу равновесия сил давления вырожденного электронного газа и гравитации. Он составляет от 1,38 до 1,44 масс Солнца в зависимости от состава.
Если же звезда массивней, то ее ждет фотодиссоциация и нейтронизация.
Суть этих процессов в том, что
ядра железа разрушаются под воздействием чудовищной температуры и жестких гамма-квантов ядра железа буквально испаряются, распадаясь обратно на протоны, нейтроны и альфа-частицы. Этот процесс поглощает остатки энергии, ускоряя падение частиц к центру масс звезды под лействием гравитации. Электроны в буквальном смысле вдавливаются в протоны. Давление настолько велико, что электроны объединяются с протонами, превращая их в нейтроны. При этом выбрасывается колоссальное количество нейтрино.
Ядро размером с Землю за доли секунды сжимается до размеров небольшого города (около 10–20 км в диаметре). Плотность при этом становится чудовищной и сжатие резко останавливается. Нейтроны начинают отталкиваться друг от друга из-за принципа запрета Паули.
Принцип запрета Паули -это квантовый закон, согласно которому два фермиона (читай нейтрона) не могут находиться в одном квантовом состоянии. Из-за экстремальной плотности нейтроны вырождаются (вынуждены занимать все более высокие энергетические уровни), создавая колоссальное «давление вырождения», которое противодействует гравитации и останавливает дальнейший гравитационный коллапс.
Внешние слои звезды, которые все еще падают внутрь на скорости около 25% от скорости света, с размаху ударяются об это сверхплотное ядро.
Происходит мощнейший упругий отскок. Возникает ударная волна, которая движется наружу, разрывая звезду изнутри. Происходит мощнейшая вспышка - взрыв сверхновой и внешние слои звезды выбрасываются в открытый космос.
В зависимости от того, сколько массы осталось в центре, остатки звезды переходят в одно из двух возможных состояний:
Нейтронная звезда.
Если масса остатка ядра составляет от 1,4 до 2–3 масс Солнца, гравитационная сила уравновешивается давлением вырожденных нейтронов и образуется гигантский стабильный атомный шар, который бешено вращается (пульсар или магнитар).
Нейтронная звезда.
Если масса остатка ядра составляет от 1,4 до 2–3 масс Солнца, гравитационная сила уравновешивается давлением вырожденных нейтронов и образуется гигантский стабильный атомный шар, который бешено вращается (пульсар или магнитар).
Черная дыра.
Если масса ядра превышает 3 массы Солнца, даже давление нейтронов не может остановить гравитационный коллапс. Вещество проваливается само в себя, образуя область, откуда не может вырваться даже свет.
Если масса ядра превышает 3 массы Солнца, даже давление нейтронов не может остановить гравитационный коллапс. Вещество проваливается само в себя, образуя область, откуда не может вырваться даже свет.
Темы нейтронных звезд и черных дыр столь обширны и интересны, что заслуживают отдельных статей, а пока завершим обзор жизни звезд рассказом о том как и почему взрывы сверхновых обеспечивают Вселенную элементами тяжелее железа.
Как я писал ранее, железо является крайней точкой стабильности атомного ядра, где протоны и нейтроны удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием, преобладающим над силой электромагнитного отталкивания. Добавление еще хотя бы одного протона становится невозможным даже если он туннелирует близко к ядру из-за слишком сильного электромагнитного отталкивания протонов уже находящихся в ядре.
Требуется дополнительная энергия для присоединения новых частиц к ядру. Эту энергию и дает взрыв сверхновой. Мощнейший поток быстро разлетающихся под действием ударной волны нейтронов, буквально вдавливает нейтроны в ядра железа и других более легких элементов во внешних слоях звезды. Нейтроны трансформируются в протоны, выбрасывая из себя отрицательный заряд в виде электронов и излишки энергии в виде антинейтрино. Новые протоны уже находятся в ядре и остаются там , удерживаемые сильным ядерным притяжением, если совокупная энергия ядра ниже энергетической суммы "ядро + свободный протон". Это наиболее частый процесс. Но в редких случаях, когда энергия объединенного ядра все еще выше состояния "ядро + свободный протон", происходит эмиссия протона (он покидает ядро).
Тут следует упомянуть о ключевом принципе физических систем - все физические системы стремятся к состоянию минимальных энергий и занимают позиции максимально выгодного энергетического состояния. В соответствии с этим принципом возбужденные восокоэнергетические электроны исторгают излишки энергии в виде фотонов и занимают самый минимальный из свободных энергетических уровней. В соответствии с этим же принципом новые протоны остаются в ядре, если это наиболее энергетически выгодное состояние для частиц. Так и образуются новые более тяжелые элементы, полный список которых вы можете изучить в таблице Менделеева.
Как я писал ранее, железо является крайней точкой стабильности атомного ядра, где протоны и нейтроны удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием, преобладающим над силой электромагнитного отталкивания. Добавление еще хотя бы одного протона становится невозможным даже если он туннелирует близко к ядру из-за слишком сильного электромагнитного отталкивания протонов уже находящихся в ядре.
Требуется дополнительная энергия для присоединения новых частиц к ядру. Эту энергию и дает взрыв сверхновой. Мощнейший поток быстро разлетающихся под действием ударной волны нейтронов, буквально вдавливает нейтроны в ядра железа и других более легких элементов во внешних слоях звезды. Нейтроны трансформируются в протоны, выбрасывая из себя отрицательный заряд в виде электронов и излишки энергии в виде антинейтрино. Новые протоны уже находятся в ядре и остаются там , удерживаемые сильным ядерным притяжением, если совокупная энергия ядра ниже энергетической суммы "ядро + свободный протон". Это наиболее частый процесс. Но в редких случаях, когда энергия объединенного ядра все еще выше состояния "ядро + свободный протон", происходит эмиссия протона (он покидает ядро).
Тут следует упомянуть о ключевом принципе физических систем - все физические системы стремятся к состоянию минимальных энергий и занимают позиции максимально выгодного энергетического состояния. В соответствии с этим принципом возбужденные восокоэнергетические электроны исторгают излишки энергии в виде фотонов и занимают самый минимальный из свободных энергетических уровней. В соответствии с этим же принципом новые протоны остаются в ядре, если это наиболее энергетически выгодное состояние для частиц. Так и образуются новые более тяжелые элементы, полный список которых вы можете изучить в таблице Менделеева.
На этом, пожалуй, стоит завершить эту статью. Надеюсь теперь у вас сложилось понимание не только того, что происходит со звездами, но и почему.
