Сверхновые звезды
Nov. 3rd, 2017 09:27 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeЕсли в астрономии Новыми называются уже умершие звезды в двойных системах, на поверхности которых периодически происходят взрывы аккрецирующего на них вещества, то Сверхновыми называются звезды погибающие...
Температура и давление внутри звезды зависит от ее массы. Гиганты и сверхгиганты имеют такую массу, что в их центре понемногу начинают идти ядерные реакции, дающие большой энергетический выход, но и требующие колоссальных температур, в звездах меньшего размера не достигающихся. Со временем термоядерный синтез приводит к обогащению внутренних областей звезды тяжёлыми элементами ( в самых больших звездах, сверхгигантах и гипергигантах - железом и никелем. Образование более тяжелых элементов энергию уже не выделяет, а потребляет, поэтому они при ядерном синтезе а недрах звезд практически не образуются).
В процессе термоядерного синтеза и образования тяжёлых элементов звезда сжимается, а температура в её центре растёт. После образования такого обогащенного тяжелыми элементами ядра его сжатие продолжается, и термоядерные реакции начинают происходить в более высоком слое звезды вокруг центрального ядра, там, где ещё осталось невыгоревшее термоядерное топливо. В результате у самых массивных звезд образуется слоистая структура - обогащенное железом ядро, в котором нет реакций,над ним - слои реакций кислорода и углерода, а еще выше - слои реакций менее тяжелых элементов. Постепенно ядро все растет, давление в нем все увеличивается, температура - повышается.
Все это время ядро звезды успешно противостоит сжатию, потому что при сжатии возрастает температура и давление, этому сжатию противостоящие.
Однако в в некоторый момент из-за высокого давления и температуры в ядре звезды протоны начинают поглощать электроны, превращаясь в нейтроны. В этом процессе образуются нейтрино - и это очень печально, ибо они свободно покидают ядро, нося с собой энергию. Этот процесс нейтринного охлаждения ядра звезды и есть знаменитый URСA-процесс - и в его результате нейтрино же спокойно улетают, ни с кем не взаимодействуя и унося энергию. Теперь ядро начинает сжиматься, больше не нагреваясь, при попытке нагреться нейтрино образуется еще больше, они уносят больше энергии, не давая сжатому веществу нагреваться, давление не растет и сжатию больше ничто не противодействует. В какой-то момент, когда внутренние слои звезды сжимаются до высокого давления и температуры, происходит мощная нейтринная вспышка, и ядро с огромной скоростью сжимается, коллапсируя в нейтронную звезду (а то и в черную дыру), потому что его сжатие уже не компенсируется ростом температуры и давления.
В результате, как только начинается нейтринное охлаждение, сжатию уже ничто не противостоит, и ядро звезды стремительно коллапсирует, образуя волну разрежения вокруг себя. Внешние слои звезды стремительно обрушиваются вслед за сжимающимся с околосветовыми скоростями ядром, после удара отбрасываются от него, и формируется мощнейшая ударная волна с температурой в десятки и сотни миллиарды градусов, несущаяся наружу и буквально раскидывающая остатки внешних частей звезды в пространство. Во фронте ударной волны из-за колоссальных температур идут термоядерные реакции, в ходе которых образуются все элементы таблицы Менделеева. Со стороны виден взрыв колоссальной мощности со светимостью, равной светимости небольшой галактики. Дальше к нему добавлется еще и распад образовавшихся нестабильных элементов...
Таким образом заканчивают жизнь звезды гиганты с массой, превышающей массу Солнца в несколько раз.
Это - далеко не единственный вид Сверхновых. При этом, как ни парадоксально, описанный стандартный взрыв сверхновой звезды получил название сверхновых II типа.
Еще есть менее часто описываемый в популярной литературе, но не менее часто встречающийся случай сверхновых I типа (вернее, типа Ia). Он происходит в двойной системе, аналогичной системе Новой звезды. Если мы имеем двойную звезду, одним из компонентов которой является белый карлик, размер которого достаточно велик, то может произойти интересное явление. На поверхность карлика от оболочки его компаньона попадает вещество. Масса карлика постепенно растет.Растет давление и температура в его центре. Практически весь карлик представляет собой выгоревшее ядерное топливо, но если температура в его центре растет, она может достичь предела, после которого в этом веществе опять начнутся ядерные реакции. Например, если карлик остался после гиганта массой в две-три солнечных, то ядерное горение в нем остановилось на образовании углерода и кислорода, после чего оболочка звезды улетучилась, а ядро сжалось. Теперь же температура в центре карлика из-за роста его массы может подняться настолько, что в какой-то момент углерод и кислород начинают вступать в термоядерную реакцию, образуя элементы группы железа. Как только эта реакция начинается, она оказывается неустойчивой и начинает быстро распространяться к поверхности, вызывая сверхмощный термоядерный взрыв, вдребезги разносящий поверхностные слои карлика. Мощность такого взрыва сравнима с мощностью ранее описанного взрыва сверхновой, несколько превосходя ее, да и вообще они кое в чем похожи.
Собственно, главное отличие описанных типов взрывов сверхновых со стороны - в спектре взрыва типа Ia практически нет водорода, потому что его уже не оставалось в белом карлике.
Еще одним механизмом таких взрывов является самое простое слияние двух белых карликов в старых тесных двойных системах. См. также https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/167669.html.
Это еще не все. Существуют также типы сверхновых Ib и Ic, по механизму взрыва совсем не похожие на тип Ia, а сходные именно с типом II - они тоже появляются из-за гравитационного коллапса звезды. Разница со "стандартным" взрывом сверхновой типа II заключается только в том, что при этом взрываются массивные звезды в двойных системах, потерявшие водород в оболочке, в результате чего в спектре взрыва водорода нет, и именно по этому признаку их вначале путали со взрывами типа Ia.
Кстати, если сверхновые типа Iа встречаются везде, где есть звезды, потому что от возникновения звезды до ее смерти как белого карлика и последующего взрыва по описанному механизму проходят сотни миллионов и миллиарды лет, то сверхновые остальных типов - только в областях интенсивного звездообразования, потому что время жизни звезд, взрывающихся как сверхновые, составляет лишь несколько миллионов или десятков миллионов лет, и они не успевают покинуть эти области.
И, неконец, отдельный разговор - о самых грандиозных взрывах звезд - гиперновых.
Их очень немного. Как и гипергигантов - звезд массами от ста солнечных и выше. Зато их взрывы грандиознее взрывов сверхновых.
Взрывы гиперновых тоже бывают различными. Так, жутким явлением может являться так называемый коллапсар. Он возникает, если гипергигант перед гибелью имел большой момент импульса (быстро вращался). До начала коллапса ядра гипергиганта и в первые доли секунды после его начала картина вполне сходна со стандартным развитием взрыва сверхновой типа II. А вот потом сжимающееся ядро формирует черную дыру, которая захватывает падающее на нее вещество, часть которого со скоростью, почти равной скорости света выстреливается, не успев попасть внутрь горизонта событий, вдоль полюсов вновь образованной дыры. Я уже писал об этом - при этом формируется мощнейший выброс гамма-лучей вдоль очи вращения, который заметен на расстояниях, намного больших дальности наблюдения самого породившего его взрыва сверхновой. Процесс длится несколько секунд, и гамма-всплеск, порождаемый им, виден за миллиарды световых лет.
Наконец, при коллапсе ядра гиперновой может возникнуть интересное явление - оно просто не успеет сколлапсировать, потому что при столь быстром сжатии его энергия оказывается столь большой, что в нем начинают рождаться электрон-позитронные пары. Они быстро уносят энергию из ядра (как нейтрино в URCA-процессе), оно рождает их еще и еще - и, в конце концов, полностью разрушается во взрыве.
А позитроны захватываются вышележащими слоями оболочки, нагревая ее до совершенно колоссальных температур, в результате чего такой взрыв гиперновой оказывается во много раз мощнее любого другого взрыва сверхновой звезды. После такого чудовищного взрыва от звезды не остается ничего, ни черной дыры, ни нейтронной звезды - только облако газа и пыли, расширяющееся в пространство. По расчетам, одного лишь железа в нем может быть до десяти солнечных масс.
Подробнее о гиперновых - следующий пост.
А ниже приводятся типичные графики светимости (абсолютной звездной величины, см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3650.html) сверхновых разных типов в зависимости от времени (нуль по оси времени - момент пика светимости)
Температура и давление внутри звезды зависит от ее массы. Гиганты и сверхгиганты имеют такую массу, что в их центре понемногу начинают идти ядерные реакции, дающие большой энергетический выход, но и требующие колоссальных температур, в звездах меньшего размера не достигающихся. Со временем термоядерный синтез приводит к обогащению внутренних областей звезды тяжёлыми элементами ( в самых больших звездах, сверхгигантах и гипергигантах - железом и никелем. Образование более тяжелых элементов энергию уже не выделяет, а потребляет, поэтому они при ядерном синтезе а недрах звезд практически не образуются).
В процессе термоядерного синтеза и образования тяжёлых элементов звезда сжимается, а температура в её центре растёт. После образования такого обогащенного тяжелыми элементами ядра его сжатие продолжается, и термоядерные реакции начинают происходить в более высоком слое звезды вокруг центрального ядра, там, где ещё осталось невыгоревшее термоядерное топливо. В результате у самых массивных звезд образуется слоистая структура - обогащенное железом ядро, в котором нет реакций,над ним - слои реакций кислорода и углерода, а еще выше - слои реакций менее тяжелых элементов. Постепенно ядро все растет, давление в нем все увеличивается, температура - повышается.
Все это время ядро звезды успешно противостоит сжатию, потому что при сжатии возрастает температура и давление, этому сжатию противостоящие.
Однако в в некоторый момент из-за высокого давления и температуры в ядре звезды протоны начинают поглощать электроны, превращаясь в нейтроны. В этом процессе образуются нейтрино - и это очень печально, ибо они свободно покидают ядро, нося с собой энергию. Этот процесс нейтринного охлаждения ядра звезды и есть знаменитый URСA-процесс - и в его результате нейтрино же спокойно улетают, ни с кем не взаимодействуя и унося энергию. Теперь ядро начинает сжиматься, больше не нагреваясь, при попытке нагреться нейтрино образуется еще больше, они уносят больше энергии, не давая сжатому веществу нагреваться, давление не растет и сжатию больше ничто не противодействует. В какой-то момент, когда внутренние слои звезды сжимаются до высокого давления и температуры, происходит мощная нейтринная вспышка, и ядро с огромной скоростью сжимается, коллапсируя в нейтронную звезду (а то и в черную дыру), потому что его сжатие уже не компенсируется ростом температуры и давления.
В результате, как только начинается нейтринное охлаждение, сжатию уже ничто не противостоит, и ядро звезды стремительно коллапсирует, образуя волну разрежения вокруг себя. Внешние слои звезды стремительно обрушиваются вслед за сжимающимся с околосветовыми скоростями ядром, после удара отбрасываются от него, и формируется мощнейшая ударная волна с температурой в десятки и сотни миллиарды градусов, несущаяся наружу и буквально раскидывающая остатки внешних частей звезды в пространство. Во фронте ударной волны из-за колоссальных температур идут термоядерные реакции, в ходе которых образуются все элементы таблицы Менделеева. Со стороны виден взрыв колоссальной мощности со светимостью, равной светимости небольшой галактики. Дальше к нему добавлется еще и распад образовавшихся нестабильных элементов...
Таким образом заканчивают жизнь звезды гиганты с массой, превышающей массу Солнца в несколько раз.
Это - далеко не единственный вид Сверхновых. При этом, как ни парадоксально, описанный стандартный взрыв сверхновой звезды получил название сверхновых II типа.
Еще есть менее часто описываемый в популярной литературе, но не менее часто встречающийся случай сверхновых I типа (вернее, типа Ia). Он происходит в двойной системе, аналогичной системе Новой звезды. Если мы имеем двойную звезду, одним из компонентов которой является белый карлик, размер которого достаточно велик, то может произойти интересное явление. На поверхность карлика от оболочки его компаньона попадает вещество. Масса карлика постепенно растет.Растет давление и температура в его центре. Практически весь карлик представляет собой выгоревшее ядерное топливо, но если температура в его центре растет, она может достичь предела, после которого в этом веществе опять начнутся ядерные реакции. Например, если карлик остался после гиганта массой в две-три солнечных, то ядерное горение в нем остановилось на образовании углерода и кислорода, после чего оболочка звезды улетучилась, а ядро сжалось. Теперь же температура в центре карлика из-за роста его массы может подняться настолько, что в какой-то момент углерод и кислород начинают вступать в термоядерную реакцию, образуя элементы группы железа. Как только эта реакция начинается, она оказывается неустойчивой и начинает быстро распространяться к поверхности, вызывая сверхмощный термоядерный взрыв, вдребезги разносящий поверхностные слои карлика. Мощность такого взрыва сравнима с мощностью ранее описанного взрыва сверхновой, несколько превосходя ее, да и вообще они кое в чем похожи.
Собственно, главное отличие описанных типов взрывов сверхновых со стороны - в спектре взрыва типа Ia практически нет водорода, потому что его уже не оставалось в белом карлике.
Еще одним механизмом таких взрывов является самое простое слияние двух белых карликов в старых тесных двойных системах. См. также https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/167669.html.
Это еще не все. Существуют также типы сверхновых Ib и Ic, по механизму взрыва совсем не похожие на тип Ia, а сходные именно с типом II - они тоже появляются из-за гравитационного коллапса звезды. Разница со "стандартным" взрывом сверхновой типа II заключается только в том, что при этом взрываются массивные звезды в двойных системах, потерявшие водород в оболочке, в результате чего в спектре взрыва водорода нет, и именно по этому признаку их вначале путали со взрывами типа Ia.
Кстати, если сверхновые типа Iа встречаются везде, где есть звезды, потому что от возникновения звезды до ее смерти как белого карлика и последующего взрыва по описанному механизму проходят сотни миллионов и миллиарды лет, то сверхновые остальных типов - только в областях интенсивного звездообразования, потому что время жизни звезд, взрывающихся как сверхновые, составляет лишь несколько миллионов или десятков миллионов лет, и они не успевают покинуть эти области.
И, неконец, отдельный разговор - о самых грандиозных взрывах звезд - гиперновых.
Их очень немного. Как и гипергигантов - звезд массами от ста солнечных и выше. Зато их взрывы грандиознее взрывов сверхновых.
Взрывы гиперновых тоже бывают различными. Так, жутким явлением может являться так называемый коллапсар. Он возникает, если гипергигант перед гибелью имел большой момент импульса (быстро вращался). До начала коллапса ядра гипергиганта и в первые доли секунды после его начала картина вполне сходна со стандартным развитием взрыва сверхновой типа II. А вот потом сжимающееся ядро формирует черную дыру, которая захватывает падающее на нее вещество, часть которого со скоростью, почти равной скорости света выстреливается, не успев попасть внутрь горизонта событий, вдоль полюсов вновь образованной дыры. Я уже писал об этом - при этом формируется мощнейший выброс гамма-лучей вдоль очи вращения, который заметен на расстояниях, намного больших дальности наблюдения самого породившего его взрыва сверхновой. Процесс длится несколько секунд, и гамма-всплеск, порождаемый им, виден за миллиарды световых лет.
Наконец, при коллапсе ядра гиперновой может возникнуть интересное явление - оно просто не успеет сколлапсировать, потому что при столь быстром сжатии его энергия оказывается столь большой, что в нем начинают рождаться электрон-позитронные пары. Они быстро уносят энергию из ядра (как нейтрино в URCA-процессе), оно рождает их еще и еще - и, в конце концов, полностью разрушается во взрыве.
А позитроны захватываются вышележащими слоями оболочки, нагревая ее до совершенно колоссальных температур, в результате чего такой взрыв гиперновой оказывается во много раз мощнее любого другого взрыва сверхновой звезды. После такого чудовищного взрыва от звезды не остается ничего, ни черной дыры, ни нейтронной звезды - только облако газа и пыли, расширяющееся в пространство. По расчетам, одного лишь железа в нем может быть до десяти солнечных масс.
Подробнее о гиперновых - следующий пост.
А ниже приводятся типичные графики светимости (абсолютной звездной величины, см. https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/3650.html) сверхновых разных типов в зависимости от времени (нуль по оси времени - момент пика светимости)
(no subject)
Date: 2018-07-28 02:51 pm (UTC)Всем постам не хватает справочника таблиц реакций. Чтобы заглянуть и увидеть сколько будет "много". Чего-нибудь вроде сетки температура-давление и в клетках таблицы какие соединения происходят. Когда водород превращается в гелий, а когда протоны поглощают нейтроны
То есть, обычные формулы с химическими (физическими) реакциями
А + Б -> С + В + m*n + x MeV
В принципе, писать можно и в HTML но это извращение или как
https://www.periodni.com/mathematical_and_chemical_equations_on_web.html
Или как в Википедии
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B0
Разные символы тоже можно дать
https://www.w3schools.com/charsets/ref_utf_greek.asp
Но тут бы хорошо просто самый-самый упрощённый вариант (можно через < a href="например, статья википедии">... тут реакция</a> дать ссылку на полную информацию)
То, что дано словами, но просто формулами с именами элементов и частиц без особых подробностей.
Таблицу можно и словами дать, но её будет сложно "прочитать", сравнивая одно с другим.
И смысловые абзацы лучше отделять пустой строкой. Можно в теге <h3>дать подзаголовок </h3>
Вот так (h2)
Или так (h3)
А вот потом сжимающееся ядро формирует черную дыру, которая захватывает падающее на нее вещество, часть которого со скоростью, почти равной скорости света выстреливается, не успев попасть внутрь горизонта событий, вдоль полюсов вновь образованной дыры
Почему? :-/
Кстати, даже iPad может прочитать текст на русском. (Занудно, но сносно) Сразу будет слышно, что вместо "оси вращения" стоят "очи".
И хорошо бы, чтобы такие посты связывались бы с примерами обнаружения объектов. Теорию интересно проверять на карте звёздного неба. (Кстати, это может быть заданием для читателей. А потом результаты попадут в следующую версию.)
Я дико извиняюсь за все эти "добрые советы", которые создают дополнительную работу. Просто это лучшее на тему астрономии, что я видел с тех пор, как изучал её в Клубе Космонавтики в восьмом классе.
(no subject)
Date: 2018-07-28 03:56 pm (UTC)URCA process не расшифровывается. Где-то в недрах я упоминал - это не аббревиатура, а имя собственное.
Числовых данных, формул и всяческой математики я умышленно пытался избегать - чтобы попробовать получить интересный качественный рассказ, а не конспект соответствующего курса. И именно поэтому избегал отдельных тонокстейи пояснений, которые бы имели большой объем или носили специальный характер (например, этим объясняется подмеченное Вами отсутствие описание механизма формирования джета. Я все лелею мысль описать его когда-нибудь отдельно и интересным образом).
Ваши илеи хороши - но тогда нужно писать не отдельные рассказы в блоге, а создавать нечто типа пропедевтического курса астрономии в методической последовательности, с его справочным и аналитическим аппаратом. А это серьезно. Особенно, если говорить о галактиках и далее.
(no subject)
Date: 2018-07-28 05:34 pm (UTC)Это не проблемы. Это чудо рождения. Не надо "методического изложения". Пускай растёт органично.
Всё правильно. Я сейчас просто смотрю, как на основе этого строить курс для детей.
URCA process не расшифровывается.
Значит, нужна история рождения названия.
чтобы попробовать получить интересный качественный рассказ, а не конспект соответствующего курса.
Та таблица - это то же, что диаграммы жизни звёзд. К приключенческому рассказу прилагается карта местности. Можно и без неё, но детям интереснее, когда за приключениями можно следить и привязывать их "к местности".
Вместо формул хорошо идут графики. (Формулу, естественно, можно дать, но главное - это как идёт кривая (или плоскость).
а создавать нечто типа пропедевтического курса астрономии в методической последовательности
Не-а. Форма классная. Всё можно использовать и так. Но я просто предлагаю немного внести ясности и добавить мосты, связав сюжетные линии.
На самом деле, работы не так много. И часть можно просто поручить детям уже пятого класса. Вместо того, чтобы искать в Интернете всякую ерунду, они могут охотится за интересной информацией.
(no subject)
Date: 2018-07-28 05:37 pm (UTC)(no subject)
Date: 2018-07-28 05:39 pm (UTC)Подождите, я ещё не закончил мой проход, просто комментирую по мере чтения. Потом я пришлю то, что у меня получилось.
(no subject)
Date: 2018-08-01 02:38 am (UTC)