Евгений Киселев (doctor_notes) wrote,
Евгений Киселев
doctor_notes

Categories:

Эволюция звезд простыми словами, по рабоче-крестьянски.

Не мое. Автор weaponer.

Вытащено из комментарие отсюда. Наткнулся случайно, очень понравилось изложение.

==================================================================================================

Сверхновые страдают от классической проблемы линнеевских классификаций: обнаружив первые сверхновые, Цвики (да, тот самый скандально известный гениальный мудак Цвики) и Бааде придумали гипотезу коллапса в нейтронную звезду и начали искать новые сверхновые для ее подтверждения. Лично Цвики нашел их 120 штук, до сих пор никем не побитый рекорд. А уже затем выяснилось, что общие внешние признаки навесили на два совершенно разных явления, причем исторически первые изученные профили, сверхновые типа Ia, оказались совершенно не про нейтронный коллапс. А еще затем, чтобы окончательно добить ценность этой классификации, сверхновые типов Ib и Ic оказались как раз про нейтронный коллапс, то есть совершенно не родственниками Ia.
Сейчас, когда астрофизики говорят просто “сверхновая”, априори подразумевается второй тип плюс Ib/Ic. Даже википедийная статья про второй тип начинается с “It has been suggested that Type Ib and Ic supernovae be merged into this article or section.” А когда говорят “первого типа”, то в уме держат “кроме Ib/Ic”. Пикатности ситуации добавляет то, что “неправильные” сверхновые Ia вообще-то встречаются или как минимум детектируются примерно на порядок чаще, чем все три других типа вместе взятые. Короче, твой биолог уже на этом этапе попался в ловушку, хех.
Итак, сначала бедный родственник. Тип Ia происходит родом из двойных систем. Поскольку звезды в двойных системах почти всегда разного возраста и веса, регулярно возникает ситуация, когда одна из звезд уже растеряла оболочки и превратилась в белого карлика, а вторая только начала становиться красным гигантом. Примерно две трети звезд в нашей галактике являются двойным, тройными и так далее, и примерно у 97% звезд белый карлик – естественный финал жизненного пути в главной последовательности (в зависимости от обстоятельств карликом может стать звезда массой до 10.5 солнечных), поэтому такая комбинация встречается намного чаще, чем можно было бы подумать. Так вот, если оболочка гиганта попадает в предел Роша карлика, карлик начинает воровать чужой водород.
При слишком быстром и/или неравномерном накоплении водорода на поверхности запускается цепная реакция, происходит термоядерный подрыв и мы получаем новую. Обычно орбита карлика от взрыва новой сильно не страдает, а собственной массы карлик теряет немного, порядка одной десятитысячной, поэтому процесс может регулярно повторяться с периодичностью от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч лет. Сейчас считается, что почти все новые имеют квазистабильный период, просто у нас недостаточно долгосрочных наблюдательных данных. В любом случае взрывы новых приводят к синтезу только самых легких элементов и в мизерных по вселенским меркам количествах, поэтому они нам не интересны.

Гораздо интереснее, если украденная масса накапливается достаточно равномерно и медленно. Когда-то считалось, что это приводит к превышению предела Чандрасекара и коллапсу, то есть все равно привет Цвики, но сейчас мы уже знаем, что этого не может случиться вообще или может, но в очень
экзотических случаях вроде столкновения двух белых карликов. А у попсовых углеродно-кислородных карликов в атмосфере красного гиганта все происходит намного увлекательнее. Поскольку белый карлик уже состоит из вырожденного электронного газа (о котором чуть ниже), давление внешних украденных слоев приводит не к классическому повышению давления и плотности ядра, но полностью уходит в рост его температуры. В момент, когда карлик почти достиг предела Чандры (буквально в одном проценте массы от предела), температура дорастает до достаточной для поджигания углерода. Несложно догадаться, что высвобождаемая сгорающим углеродом энергия тоже не повышает давление / расширяет ядро, а лишь разогревает ядро еще сильнее, причем благодаря идеальной теплопроводности вырожденной материи тепло распределяется по ядру равномерно и моментально. Что мы имеем в итоге? Правильно, гигантскую термоядерную бомбу, в которой с момента запуска углеродного синтеза и до почти полного выгорания углерода (и фрагментарного – кислорода) проходит всего несколько секунд. А затем хомячка разрывает на куски.

Первый тип чрезвычайно ценен тем, что мы изначально очень точно знаем массу взорвавшейся звезды, ~99% предела Чандры, а по спектру и профилю горения можем достаточно реалистично оценить исходный состав ядра и, соответственно, очень точно посчитать энергетический выход процесса. Можем и не считать, потому что и так знаем: сверхновые первого типа выделяют практически фиксированное количество энергии, 1-2*1044 джоулей. В сочетании с отличной заметностью на расстоянии (на пике светимость первого типа равна примерно пяти миллиардам солнечных, это за вычетом редкой экзотики вроде типа IIn самые яркие взрывы в природе) сверхновые Ia являются лучшими стандартными свечами, но это ты и так знаешь.
Причем даже если взрывной пик упущен, разлетающееся облако подсвечивается распадом никеля-56 до кобальта-56 до железа-56, обеспечивая заранее известный график светимости, то есть запасную стандартную свечу.

Что здесь очень важно понимать: хотя сверхновые первого типа являются примерно на два порядка менее энергетическими процессами, чем типичные коллапсары, тяжелых элементов они выбрасывают при взрыве примерно столько же или даже больше. Здесь сказываются как безумные нейтронный и фотонный потоки в момент взрыва (у коллапсаров это преимущественно нейтринный поток) для кормления S-, R-, Rp- и P-процессов, так и тот банальный факт, что все насинтезированное не падает обратно на нейтронную звезду, а разлетается в открытый космос.

А встречаются Ia, повторюсь, в разы чаще, чем второй тип. Это в галактиках первого поколения звезды сплошь и рядом были голубыми гигантами в десятки и сотни солнечных, сгорали за жалкие миллионы лет и щедро усеивали пространство тяжелыми элементами, нейтронными звездами и черными дырами, но в наше время 80% звезд вообще имеют массу в пределах одной десятой солнечной, так что сверхновые первого типа сейчас уверенно держат первое место по производственным возможностям. Разумеется, коллапсар в пятьдесят солнечных масс намного романтичнее, но скорее всего нашей жизнью мы обязаны унылому белому карлику.

Незадача с классификацией, повторюсь, произошла из-за того, что “классические” сверхновые второго типа внешне чертовски похожи на первый тип: у них близкая светимость на пике, медленно остывающее облако и похожие спектры. Само разделение на типы изначально произошло исключительно по отсутствию/наличию водородных линий в спектре, и именно поэтому Ib/Ic оказались в одной компании с Ia: у всех троих оголенное ядро, только Ia взрывается, а Ib/Ic коллапсируют. Лишь с развитием наблюдательных возможностей начали обнаруживаться реальные различия, от в действительности разных графиков светимости и разных скоростей джетов (это одна из главных проблем с использованием второго типа как стандартной свечи, скорость джета очень большая и вариативная, до десятой световой, поэтому мы не можем полагаться на красное смещение) до нейтринного всплеска, упреждающего появление на небе II/Ib/Ic.

Возвращаясь к исходному тексту, понимание происходящего там заканчивается примерно в районе образования железной сердцевины, а затем начинается бред. Все потому что к этому времени ядро из ведения “классической” термоядерной физики уже перешло в зону ответственности квантовой механики, сжавшись до срыва электронных облочек и перехода в состояние вырожденного электронного газа.

Кстати, мало кто понимает, что вот эта приводимая в каждой второй статье схема слоев разных элементов в ядре является не инфографикой для демонстрации последовательности горения, а реальной структурой. Ядро действительно слоеное, тяжелые продукты синтеза мигрируют к центру, легкие остаются на поверхности. Железо же является конечным продуктом синтеза не потому, что его ядро “самое устойчивое” – позор биологам! – а потому, что это последний экзотермический и, следовательно, самоподдерживающийся синтез. Все более тяжелые элементы при синтезе поглощают больше энергии, чем отдают обратно, так что активный термояд заканчивается на образовании железа и некоторого количества никеля с кобальтом на заемные джоули. Отсюда и “железный пик” в распространенности элементов во Вселенной.

Так вот, вырожденный электронный газ. Типичная научножурналистская полуправда-полузаблуждение вроде “нейтронная звезда состоит из нейтронов” заключается в утверждении, что ядро сжимается по мере замедления термояда и _остывания_, когда падающая температура/внутреннее давление не способны уже сопротивляться гравитации и давлению внешних слоев. Твой биолог именно так и пишет, остывающее железное ядро. На самом деле процес идет ровно наоборот, никакого остывания нет и в помине, а замедление термояда регулярно сменяется запуском новых цепочек благодаря сжатию. Ядро сжимается потому, что в нем накапливаются более тяжелые и плотные продукты синтеза, для поддержания которых при прежней плотности необходимы бы были намного большие температуры, а так как дополнительных источников энергии для этих температур нет, новый баланс давления и излучения устанавливается при большей плотности и большей же температуре, полученной уже за счет самого сжатия (оно выделяет колоссальное количество энергии). В результате ядро сжимается и очень сильно разогревается, а заодно ускоряет термояд во внешних слоях, что в свою очередь увеличивает светимость звезды. Именно поэтому по мере накопления гелия наше Солнце прирастает в светимости примерно на 10% за миллиард лет, а под занавес жизни перегретое ядро раздует и начнет срывать его внешние оболочки, особенно когда начнутся гелиевые вспышки (скорость гелиевого термояда невероятно чувствительна к температуре, поэтому зажигание гелия запускает очень быструю цепную реакцию).

Fun fact: обычно считается, что само по себе горение любых звезд обогащает Вселенную тяжелыми элементами, рассыпанными в пространстве. Реальность, как и почти все в астрофизике, сильно отличается от популярных представлений. Хотя Солнце выжигает 620 миллионов тонн водорода в секунду, производя 4.26 миллиона тонн чистой энергии, за миллиард лет оно конвертирует в гелий всего 1.4% своего водорода, ну или порядка одной пятой за полный жизненный цикл, причем весь этот гелий осядет в ядре. Даже гелий и тяжелые элементы из исходного газа постепенно мигрируют в ядро, фотосфера сейчас более водородная (75%), чем была у протозвезды (71%), а сама протозвезда (27.4% гелия) была лишь чуть грязнее газа первичного нуклеосинтеза (25% гелия-4 после Большого взрыва), и это при том, что Солнце относится к третьему поколению звезд. Сброшенные под конец жизни Солнца оболочки будут заметно богаче водородом, чем исходный газ. Рядовые звезды переваривают водород, тру, но их продукты горения захораниваются в остывающих ядрах, а назад в космос возвращается пусть в меньших количествах, но более чистый водород. Впрочем, есть и исключения, у которых материал ядра активно перемешивается со сбрасываемыми оболочками.

Чем тяжелее продукты синтеза и чем сильнее давление внешних слоев, тем больше температура и плотность, при котором достигается новый баланс ядра. И хотя температура может расти почти бесконечно до планковской, резервы плотности упираются в размеры атомов, которые определяются сопротивлением их электронных оболочек. В какой-то момент происходит срыв оболочек, ядро превращается в одну гигантскую квантовую систему, поведение которой с этого момента управляется уже не Больцманом, а принципами Паули и Гейзенберга.

Суть происходящего в том, что согласно принципу Паули две частицы в квантовой системе не могут занимать одно и то же энергетическое состояние. (в этот момент в образованной аудитории обычно раздаются возмущенные возгласы, что им по слогам зачитывают букварь, перебиваемые встречным вопросом “а вы понимаете, что именно значит эта фраза?”) На самом-то деле все просто, все возможные состояния описываются комбинациями спина, позиции и скорости с поправкой на гейзенберговскую неопределенность. Возможные состояния по спину представлены здесь фермионной статистикой, а возможные состояния по позиции… как бы проще сформулировать “до хуя частиц в ограниченном пространстве”?

Поэтому попытки уплотнить количество частиц на единицу пространства упираются в гейзенберговскую неопределенность, за которой дополнительные частицы могут добавляться только при условии отличия их скорости/энергии от уже имеющихся. Классический пример выглядит так: представим газ, который поочередно сжимается и охлаждается до абсолютного нуля. В конце концов мы приходим к состоянию, при котором позиция каждой частицы определена предельно точно в пределах планковской константы, новые впихнуть просто некуда, Паули не позволяет. В соответствии с принципом неопределенности это одновременно означает, что энергия частиц предельно неопределенна, то есть хотя газ абсолютно холодный, скорости частиц варьируются от нуля до скорости света, а для поддержания его в таком сжатом состоянии мы должны приложить гигантскую силу. Давление классического газа при нулевой температуре, как мы помним, равно нулю, давление вырожденного газа огромно. Что еще интереснее, по той же причине повышение температуры вырожденного газа практически не влияет на его давление, оно меняет лишь распределение скоростей частиц.

Another fun fact: вырожденность материи не обязательно относится ко всей материи в заданном объеме. У белых карликов слэш пережатых ядер вырожденным является именно электронный газ, ионы же остаются в обычном состоянии. Та же история относится и к металлам. Если быть до конца скрупулезными, вырожденное давление проявляется в любой материи, но в нормальных условиях оно ничтожно на фоне термального давления.

В реальности состояние вырожденности начинается намного раньше, чем достигается планковская точность позиции, поэтому у вырожденного газа еще есть возможность дальнейшего сжатия. Это приводит к очень интересному эффекту: добавление массы не увеличивает температуру, но увеличивает силу гравитационного сжатия, поэтому ядро, перешедшее в вырожденное состояние, при поглощении дополнительной материи не увеличивается в размерах, а наоборот сжимается. Одновременно поглощение дополнительной энергии идет исключительно на повышение температуры, но не давления, а релятивистские скорости частиц превращают вырожденный газ в идеальный теплопроводник. Именно поэтому Ia взрываются целиком и сразу, и именно поэтому в ядрах гигантов столь быстро выгорают тяжелые элементы, процесс теплового разгона ядра с момента перехода в вырожденное состояние идет исключительно по нарастающей.

Поскольку ионы остаются в нормальном состоянии, термальное давление также вносит свой вклад в поддержание объема ядра, однако на этом этапе оно уже не является существенным. Мне лень считать точный вклад, но прекращение синтеза по достижению железа лишь слегка ускоряет наступление коллапса, а не является его причиной. Железо само по себе слишком тяжелое, так что даже если бы экзотермический синтез мог идти вплоть до урана, коллапс происходил бы где-то в районе никеля.

Fun! Предел Чандрасекара зависит как от химического состава звезды, поскольку соотношение электронов к массе различно для разных элементов, так и от термического давления. Обычно к определению добавляется “для невращающихся ядер”, однако типичная скорость вращения звезд недостаточна для заметного влияния на предел. Наиболее известное значение 1.44 солнечных масс относится к углеродно-кислородным изотермическим белым карликам. Для сверхмассивных звезд с железным ядром значение может опускаться ниже 1.4.

Энивэй, как только масса вырожденной части ядра достигает предела Чандрасекара с поправкой на термальное давление, принцип Паули сдает позиции. Поскольку мы имеем дело с гигантской квантово-механической системой, процесс происходит мгновенно во всем ее объеме, который к тому времени уже очень невелик, примерно с Землю размером. Ядро в буквальном смысле обрушивается к центру, со скоростью до четверти световой. Очень важно еще раз подчеркнуть: коллапс происходит не из-за превращения протонов в нейтроны, а наоборот, формирование нейтронов становится следствием коллапса. Гигантское количество выделяемой при коллапсе энергии сначала конвертируется в гамма-всплеск, в буквальном смысле разрывающий ионы на куски до альфа-частиц и свободных нейтронов, а затем вызывает процесс, который за неимением лучших идей назвали “обратный бета-распад”, хотя его фейнмановская диаграмма с прямым бета-распадом не дружит: электрон с размаху впечатывается в протон, протон от неожиданности испускает электронное нейтрино и становится нейтроном. За несколько миллисекунд внутри обычной звезды формируется нейтронная, со средней плотностью атомного ядра, давление которой поддерживается сочетанием вырожденной нейтронной материи и сильного взаимодействия.

И нет, нейтронная звезда состоит не из одних нейтронов, иначе как бы она могла генерировать свои суперсильные магнитные поля? Чем ближе к поверхности, тем больше ее вещество представлено альфа-частицами, протонами, электронами и выжившими ионами; кора нейтронной звезды состоит почти исключительно из обычной вырожденной материи.

Детали дальнейших процессов до сих пор являются очень спорными. Достаточно сказать, что вскоре после появления гипотезы внутризвездного аккреционного диска как механизма образования направленных гамма-выбросов при взрыве гиперновых, разработчики моделей сверхновых очень обрадовались и теперь пытаются присобачить аккреционные диски для передачи энергии между нейтронной звездой и внешними оболочками, в обе стороны. Есть такая нерешенная проблема передачи импульса: никто не может точно сказать, как именно в ходе взрывов сверхновых нейтронную звезду с огромной скоростью выбрасывает куда-то в сторону.

Так или иначе, взрыв звезды через обрушение внешних слоев на сколлапсированное внутреннее ядро и отскок обратно уже давно признаны заблуждением: от нейтронных звезд почти ничего не отскакивает, гравитация слишком сильная, все упавшее на поверхность немедленно поглощается с громким хрустом. Ударные волны внутри внешних слоев ядра при прекращении коллапса действительно формируются, но за пределы ядра не выходят, останавливаясь у поверхности и расходуясь на разрушение ионов тяжелых элементов. За считанные десятки миллисекунд коллапс стирает предыдущую историю термоядерного синтеза, запечатывая полторы солнечных массы самых тяжелых продуктов в нейтронную звезду и диссоциируя в мелкую кашицу оставшееся снаружи.

На самом же деле в момент коллапса почти вся вытекающая из внутреннего ядра энергия выходит через релятивистские электронные нейтрино. Повторюсь, наружу вырываются ТОЛЬКО нейтрино и немного гаммы с поверхности, ядро в ходе коллапса становится настолько плотным, что все остальные частицы надежно запечатываются внутри, никаких “плотных потоков нейтронов, захватываемых атомными ядрами” нет и в помине. Но по завершении коллапса энергии внутри ядра остается слишком много, оно слишком горячее (порядка 100 миллиардов кельвинов), чтобы оставаться стабильным и не выплескивать нейтроны. Поэтому еще около десяти секунд происходит процесс формирования термальных пар нейтрино-антинейтрино всех ароматов, через которые стравливается в несколько раз больше энергии, чем при обратном бета-распаде. Суммарно ядро стравливает через нейтрино 99% всей выделенной при коллапсе энергии, 10^46 джоулей – в сто раз больше, чем при взрыве Ia.

И хотя почти все нейтрино беспрепятственно улетают наружу, около одного их процента поглощается уцелевшими внешними слоями ядра. Даже этой небольшой доли хватает, чтобы разнести на хуй всю остальную звезду, а останки разогреть и разогнать вплоть до одной десятой световой. И именно в этот момент во внешних слоях ядра создаются условия для синтеза – заново, с чистого листа! – всей таблицы Менделеева. Механизм нейтринного захвата и последующего синтеза все еще очень плохо смоделирован и проще сказать, что мы его не понимаем, но знаем, что выбрасываемое в межзвездную среду удивительным образом совпадает по составу и количеству с продуктами подрыва Ia.

Второй тип взрывается медленно и печально. Между коллапсом и разрушением фотосферы проходит несколько часов, что оказывает неоценимую услугу астрономам: сначала детекторы по всему шарику засекают всплеск нейтринной активности – засекают легко, нейтринный выхлоп сверхновой может быть ярче солнечного – затем SNEWS приводит телескопы в состояние боевой готовности, а два-три часа спустя во всей красе под прицелом телескопов зажигается звездочка.

Разумеется, не вся материя улетает в открытый космос, часть ее падает обратно на нейтронную звезду. Если масса исходной звезды была в пределах примерно 20 солнечных, нейтронная звезда скрипит и уменьшается в размерах, но держится. Больше – происходит второй коллапс с образованием черной дыры, хотя сейчас рассматриваются очень гипотетические модели так называемых экзотических звезд с плотностью выше нейтронных. Важно то, что в отличие от прямого коллапса в черную дыру (типично массы от 40-50 солнечных) при таком варианте развития событий тяжелые элементы все равно формируются и выбрасываются наружу. Прямой же коллапс в дыру лишает нас ценного нейтринного потока, а аккреционные диски и джеты – не место для дискуссий не совсем подходящие условия для синтеза химии.

Как-то так.

Еще в астрофизике вместо “тяжелые элементы” говорят просто “металлы”, но окружающие химики и биологи от такого обычно пытаются застрелиться, поэтому я вроде нигде про металлы не ляпнул.
Tags: физика
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments