Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
从本节课中
Нейтронные звезды: вещество в экстремальном состоянии
Данный раздел, состоит из пяти лекций. Он посвящен специфическому разделу современной астрофизики – изучению нейтронных звезд. Это очень интересные астрофизические объекты, в которых реализуются экстремальные недостижимые в лабораториях физические условия: сверхсильные магнитные, гравитационные поля, сверхядерные плотности вещества, при которых такие эффекты, как сверхпроводимость и сверхтекучесть, наблюдаются при очень высоких температурах и др.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА]
Итак, за
несколько дней до своего коллапса массивная звезда
массой 8,25 солнечных состоит из отдельных слоёв, в которых термоядерным
образом перегорают элементы легче железа: снаружи — водород, поглубже — гелий.
Далее идут всё более тяжёлые элементы: кислород, углерод, неон, магний, кремний.
Напомню, что звезде требуются миллионы лет, чтобы водородное ядро пережечь в
кремниевое, и всего несколько дней, чтобы кремний в ядре перегорел в железо.
Накануне коллапса это железное ядро...
То есть оно начинает формироваться за несколько дней до коллапса,
и это ядро очень горячее, очень плотное, компактное и инертное.
Сразу возникает вопрос: что удерживает это железное ядро от коллапса,
если в нём не выделяется тепло, почему его вещество не начинает падать на центр?
Ответ таков: удерживает железо давление вырожденного газа электронов.
Сейчас я постараюсь рассказать, что это и как оно возникает.
Итак, что мы имеем?
Мы имеем ядро массивной звезды, очень плотное,
состоящее из ядер железа в окружении электронов.
Эти электроны уже не принадлежат отдельным ядрам,
а равномерно распределены по всему объёму, образуя электронный газ.
Так вот, при плотностях, при которых находится это ядро,
при 10 в 9‐й г / см³, расстояние между отдельными электронами в газе
оказывается меньше, чем волна де Бройля отдельных электронов.
А это означает, что поведением частиц в этом газе управляют уже не законы
классической физики, а квантовые законы.
Я уверена, что с парой этих законов вы уже сталкивались.
Первый закон — это, скорее, запрет.
Запрет находиться на одной орбитали более, чем двум электронам одновременно,
что заставляет остальные электроны, прочие,
распределяться по другим электронным орбиталям с большей энергией.
Второй квантовый принцип — это частичное разрешение, разрешение электронам
в атоме находиться на строго определённых орбиталях, или уровнях энергии.
И менять свою энергию электрон может только порциями или, как говорят,
квантами, перескакивая с одной орбитали на другую,
а не произвольным непрерывным образом.
Два вот этих вот квантовых принципа — принцип запрета Паули и Гейзенберга
— управляют не только строением атома и, соответственно, вещества, включая
нас с вами, но и строением звёзд, которые удерживаются давлением такого газа.
А вот эти газы, у которых волны де Бройля отдельных частиц перекрываются и ими
управляют квантовые законы, называются вырожденными газами.
Они встречаются и в белых карликах, и в красных гигантах,
и встретятся в виде вырожденного газа в нейтронной звезде.
В более общем, чем атом, контексте принцип
Паули запрещает находиться на одном уровне энергии более,
чем двум частицам, тождественным частицам, с полуцелым спином.
А принцип неопределённости Гейзенберга диктует наличие у частицы,
запертой в ограниченном объёме пространства, дискретного спектра энергии.
Какие же частицы подпадают под запрет Паули?
Вы, наверно, знаете, что все частицы, фундаментальные частицы,
переносчики взаимодействия — фотоны, гравитоны, мезоны,
глюоны — обладают целым спином, на них запрет Паули не действует.
И газ из таких частиц, как целое, может достичь минимума своей энергии, просто
посадив каждую свою частичку на самый нижний разрешённый ей уровень энергии.
Такие частицы могут накапливаться в любом количестве на любом уровне.
Если они накапливаются на основном уровне энергии, это называется Бозе-конденсацией,
этот эффект лежит в основе сверхтекучести.
А вот все частицы, составляющие материю — это протоны, электроны, нейтроны,
кварки, нейтрино, гипероны, все эти частицы обладают полуцелым спином,
им принцип Паули запрещает собираться на одном уровне энергии.
В результате, газ из таких частиц, как целое,
достигает уровня своей минимальной энергии как может: просто рассаживая по паре
своих частичек на каждый уровень энергии, естественно,
начиная с самого нижнего и заканчивая самым верхним свободным уровнем энергии.
Все попытки сжать этот газ означают просто
увеличение числа частиц в ограниченном объёме пространства.
И вновь прибывшим частицам просто не находится места, поскольку все нижние
уровни энергии заняты, и им приходится карабкаться на верхние уровни энергии,
что означает де-факто набирать всё большую кинетическую энергию, всё больший импульс.
А это равнозначно просто повышению давления в газе, поскольку давление,
по определению, это и есть суммарный импульс частиц,
передаваемый в единичку времени либо единичной площадке, либо другим частицам.
В следующей части, где я буду рассказывать о коллапсе,
мне потребуется ещё одно свойство вырожденных газов.
Оказывается, у давления вырожденного газа, которое, которое, как вы видите,
зависит только от плотности и совершенно не зависит от температуры, поскольку
кинетическая энергия частиц определяется плотностью, а не нагревом вещества.
Так вот, у таких вырожденных газов есть ещё одно свойство: у них есть предел на
сжатие.
Он наступает тогда,
когда кинетическая энергия и импульсы частиц становятся ультрарелятивистскими.
Дальнейшее повышение, набор импульса становится очень затратным,
соответственно, повышение давления — неэффективным.
В результате, для звезды предел, соответственно,
её сжатия транслируется в предел на её массу.
И вот эту вот максимальную массу,
которую может выдержать вырожденный газ, называют массой Чандрасекара.
Для железного ядра она составляет порядка 1,4 массы Солнца.
Всё время, когда звезда набирает своё железное ядро, это железо в ней копится.
И в тот момент, когда его масса...
Оно поступает туда из ближайшего слоя звезды,
где кремний ещё перегорает в железо.
И вот когда масса железного ядра превысит свой предел Чандрасекара,
названный в честь Субраманьяна Чандрасекара,
рассчитавшего этот предел, звезда потеряет устойчивость.
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
