Доклад по Физика на тема Еволюция на звездите. Джуджета. Неутронни звезди. Изработил: Любомир Филипов 12 ж кл. №11 10. 05. 2007 г

на тема

Изработил: Любомир Филипов 12^ж кл. №11

10.05.2007 г.

КРAЙНИ ЕТAПИ В ЕВОЛЮЦИЯТА НА ЗВЕЗДИТЕ

Когато ядреното гориво на звездите се изчерпи и не са възможни повече никакви термоядрени реакции, звездите са готови да умрат. Краят им отново зависи от тяхната маса. Звездите с по-малки маси умират, като разпръскват външните си слоеве и изхвърлят голяма част от масата си в околната междузвездна среда във вид на планетарни мъглявини. Ако масата на такава звезда е под 3 М , то от 25 % до 60 % от нея попадат в околното пространство. Тоест масите на остатъка от тези звезди са по-малки от половината от началните им маси.

Звездите с по-големи начални маси се саморазрушават в процеса на едно от най-мощните взривни явления в природата - избухването на свръхнова. И в двата случая междузвездната среда се обогатява с множество тежки елементи, синтезирани в недрата на загиналите звезди по време на еволюцията им. Не всичко обаче се разпилява в околното пространство.Това, което остава, са три типа доста екзотични астрофизични обекти - бели джуджета, неутронни звезди и черни дупки

БЕЛИ ДЖУДЖЕТА

Областта на белите джуджета се намира в долния ляв край на ХР-диаграмата. Еволюцията на звездите преминава през серия от термоядрени реакции на горенето на водорода, последвани от горенето на хелия. При звезди с маси под 3 М¤ _, след изгарянето на хелия температурата в недрата им не е достатъчно висока и постхелиевото горене на въглерода и кислорода не е възможно. Затова температурата на звездата се понижава и светимостта й намалява.

На ХР-диаграмата еволюционният трек на звездите с малки маси пресича хоризонтално отгоре главната последователност и рязко се спуска към областта на белите джуджета.

След като приключи термоядреното горене, изчезва и насочената навън сила, дължаща се на газово налягане, която до този момент уравновесява насочената навътре гравитационна сила. Тъй като нищо повече не противостои на гравитацията, звездата започва бързо да се свива - отново настъпва гравитационен колапс.

В резултат на колапса обемът на звездното ядро рязко намалява и то се свива до размерите на неголяма планета (до около 10 000 кm, или приблизително 10⁷m, т. е. планета като Земята), а плътността на веществото нараства до р=10⁸ - 10⁹ кg/m³.Тази плътност е огромна - половинлитрова бутилка, пълна с вещество от бяло джудже, тук, на Земята, би тежала колкото един локомотив! А същата бутилка, пълна с „обикновено" звездно вещество, например от Слънцето, ще тежи по-малко от килограм.

Силата на тежестта на повърхността на белите джуджета е около 350 000 пъти по-голяма от тази на земната повърхност. Така че ако на Земята тежите 60 кg, теглото ви на Слънцето ще е около 2 тона, а на повърхността на едно бяло джудже - около 20 000 тона...

Първото открито бяло джудже е и най-близкото до нас. Това е спътникът на най-бляскавата звезда на небето Сириус, α ξς ρϊηβεздието Голямо куче. Двойната система се намира на 8,61у от Слънцето. Още през XIX век било забелязано, че Сириус описва по небето не праволинейна, а вълнообразна траектория. Предположили, че това се дължи на гравитационното влияние на невидим дотогава спътник с голяма маса. С появата на по-съвършени телескопи спътникът бил открит. Оказало се, че масата му е почти колкото слънчевата, но радиусът му е само 0,07 Р¤ . Температурата на повърхността му е 30 000 К, следователно той разполага с още доста неизразходвани запаси от вътрешна енергия.

Белите джуджета се наблюдават трудно поради ниската им светимост. Открити са повече от 1000 такива звезди - главно близо до Слънцето. Смята се, че поне 10 % от всички звезди в нашата Галактика са бели джуджета.

Белите джуджета изобщо не приличат на познатите ни газови кълба, каквито са обикновените звезди. Веществото на белите джуджета се състои от плътно разположени едно до друго ядра, образуващи кристална решетка, между които се движи изроденият електронен газ. По физичните си свойства това вещество наподобява металите. В него енергията се пренася към повърхността на звездата чрез топлопроводност както по метален прът, нагряван от едната му страна.

Близо до повърхността израждането отслабва. На самата повърхност на белите джуджета веществото не е напълно йонизирано и част от него представлява обикновен газ.

Белите джуджета светят само за сметка на своята вътрешна енергия. Те постепенно изстиват и някога ще се превърнат в студени и мъртви черни джуджета. Черните джуджета могат да бъдат забелязани само благодарение на тяхното гравитационно поле. Процесът на изстиването на белите джуджета обаче е толкова бавен, че за цялото време на съществуване на Вселената нито едно от тях не е успяло да изстине напълно.

Белите джуджета са „гробници" на изгоряло вещество, което повече не участва в никакъв кръговрат. То остава завинаги погребано в недрата на тези мъртви звезди, които постепенно престават да светят и се охлаждат до температурата на междузвездното пространство. Такава е и съдбата на нашето Слънце, което ще завърши живота си след много милиарди години като студено и тъмно кълбо пресован кристал от кислород и въглерод.

НЕУТРОННИ ЗВЕЗДИ

Звездите с остатъчна маса по-голяма от 1,44 Слънчеви маси имат друга съдба. Те умират значително по-ефектно. Ако звездният остатък има маса в интервала 1,44-3 Слънчеви маси, той просто не може да стане бяло джудже. Налягането на изродения електронен газ не успява да задържи колапса на огромното количество вещество, породен от силите на гравитацията. Гравитационният колапс продължава с все по-висока скорост и размерите на звездата намаляват 10³-10⁴ пъти само за няколко секунди! Температурата в недрата на свиващия се звезден остатък достига 10⁹-10¹⁰ К, а плътността - 10¹³ кg/m³.

При тези условия в остатъка от звездата протичат процеси, които причиняват разпадането не само на атомите (както е при белите джуджета), но и на техните ядра - получават се свободни протони и неутрони. Звездното вещество се неутронизира. Образно казано, при тази свръхвисока плътност електроните биват буквално „натъпкани" в протоните. В резултат плътността на звездното вещество нараства още повече и само за части от секундата достига плътността в атомните ядра, т. е. около 10¹⁷-10¹⁸ кg/m³. Според принципа на Паули образувалият се неутронен газ също се изражда и неговото огромно налягане успява да спре по-нататъшния колапс. Установява се равновесие и се появява неутронна звезда.

Неутронните звезди са изключително компактни обекти. Диаметрите им не надминават 10-30 km. Плътността в централните им части надминава с порядък плътността в ядрата на атомите и учените все още не знаят какви са физичните свойства на вещество в такова състояние. Над централните части плътността става близка до тази в атомните ядра и неутроните образуват особена течност. Независимо от гигантската температура, тази среда има свойствата на охладения почти до абсолютната нула течен хелий. Едно от тези свойства е свръхфлуидността, което означава, че частиците се движат помежду си без триене (с нулев вискозитет), т. е. без загуби на енергия.

Съществуващите модели показват, че този свръхфлуид се състои от 80% неутрони и по 10 % електрони и протони. Протоните образуват протонен „газ", разтворен в неутронната течност. Протонният газ се държи като идеален проводник.

Неутроните, образуващи течността, се намират в изродено състояние и именно те създават налягането, което се противопоставя на понататъшния гравитационен колапс.

Разликата между белите джуджета и неутронните звезди е именно в плътността на веществото им. Ако едно бяло джудже с маса колкото на Слънцето има размерите на Земята, то неутронна звезда със същата маса е 10³ пъти по-малка и 10 пъти по-плътна от него.

Най-горният слой на звездата представлява дебела само около 100m кора, подобна на земната, но се състои от желязо. Тази кора обвива кристална решетка от неизродени неутрони и богати на неутрони ядра на различни химични елементи (главно желязо). По-надолу е разположена зоната на свръхфлуидност. Над кората се намира обикновена газова „атмосфера", висока само няколко cm.

Освен компактните размери и колосалните плътности неутронните звезди се характеризират с още две важни особености - бързо въртене и силно магнитно поле.

При неутронните звезди колапсиращото ядро се свива 10-20 хиляди пъти и въртенето им се ускорява съответно от 100 до 400 милиона пъти. Затова вместо за около месец (което е типичният период на околоосното въртене за нормалните звезди), неутронните звезди правят един оборот около оста си за части от секундата.

Свиването на звездата предизвиква усилване на магнитното й поле.Нормалните звезди нямат особено силни магнитни полета. Поради гигантската плътност на веществото гравитационната сила на повърхността на неутронните звезди е чудовищна.

Силата на тежестта на повърхността на неутронната звезда е приблизително 10¹¹ пъти по-голяма от силата на тежестта на земната повърхност, т. е. там ще тежите 100 млрд. пъти повече!

Грамадната гравитационна сила не допуска съществуването на „планини" върху твърдата кора на неутронните звезди и затова повърхността им е изгладена като с ютия.

Неутронните звезди с основание могат да бъдат наричани масивни, компактни и свръхплътни бързовъртящи се магнити.

Неутронните звезди са отговорни за някой от най-катастрофалните взривове във Вселената.

Неутронна звезда е най-често звезда в края на своята еволюция, с маса над 10 пъти по-голяма от масата на нашето Слънце. При нея веществото е подложено на такъв невероятен натиск, че налягането на електронния газ не е в състояние да спре гравитационния колапс. Атомните ядра се разпадат до протони и неутрони, а протоните се свързват с електроните и се превръщат в неутрони. Така неутронните звезди са изградени изцяло от неутрони като плътността на веществото в центъра на неутронните звезди е огромна - 10¹²kg/cm³.

Масата на 1cm³ неутронно вещество е 10⁹ тона. Диаметърът на неутронните звезди е само около 5-6 км, а скоростта с която се въртят около собствената си ос е невероятна - правят една обиколка само за части от секундата. Магнитното поле образувано от тях е изключително силно - индукцията му на повърхността на звездата достига до 10⁸ Т. За пример: обект, който е попаднал в обхвата на гравитационното поле на звездата ще бъде привлечен и ще се сблъска със звездата със скорост от 150 000 км/с.