Teoriškai bet koks kosminis kūnas gali virsti juodąja skyle. Pavyzdžiui, tokiai planetai kaip Žemė turėtų susitraukti iki kelių milimetrų spindulio, o tai, žinoma, praktiškai mažai tikėtina. Naujame „Apšvietos“ apdovanojimo numeryje T&P publikuoja ištrauką iš fiziko Emilio Akhmedovo knygos „Apie juodųjų skylių gimimą ir mirtį“, kurioje paaiškinama, kaip dangaus kūnai virsta juodosiomis skylėmis ir ar juos galima pamatyti Žvaigždėtas dangus.
Kaip susidaro juodosios skylės?
*Jei kokia nors jėga dangaus kūną suspaus iki jo masę atitinkančio Schwarzschildo spindulio, tai jis taip išlenks erdvėlaikį, kad net šviesa negalės iš jo išeiti. Tai reiškia, kad kūnas taps juodąja skyle.
Pavyzdžiui, žvaigždės, turinčios Saulės masę, Schwarzschildo spindulys yra maždaug trys kilometrai. Palyginkite šią vertę su tikruoju Saulės dydžiu – 700 000 kilometrų. Tuo pačiu metu planetos, kurios masė yra Žemės, Schwarzschildo spindulys yra lygus keliems milimetrams.
[…]Tik gravitacinė jėga gali suspausti dangaus kūną iki tokių mažų dydžių, kaip jo Schwarzschildo spindulys*, nes tik gravitacinė sąveika sukelia išskirtinai trauką ir iš tikrųjų neribotai didėja didėjant masei. Elektromagnetinė sąveika tarp elementariųjų dalelių yra daug kartų stipresnė už gravitacinę sąveiką. Tačiau bet koks elektros krūvis, kaip taisyklė, kompensuojamas priešingo ženklo krūviu. Niekas negali apsaugoti gravitacinio krūvio – masės.
Tokia planeta kaip Žemė nuo savo svorio nesusitraukia iki atitinkamų Schwarzschildo matmenų, nes jos masės nepakanka, kad įveiktų ją sudarančių branduolių, atomų ir molekulių elektromagnetinį atstūmimą. O tokia žvaigždė kaip Saulė, būdama daug masyvesnis objektas, nesusitraukia dėl stipraus dujų dinaminio slėgio dėl aukštos temperatūros jos gelmėse.
Atkreipkite dėmesį, kad labai masyvioms žvaigždėms, kurių masė didesnė nei šimtas Saulių, suspaudimas nevyksta daugiausia dėl stipraus šviesos slėgio. Žvaigždėms, masyvesnėms nei du šimtai Saulių, nei dujų dinaminio, nei šviesos slėgio nepakanka, kad tokia žvaigždė katastrofiškai nesusispaustų (sugriūtų) į juodąją skylę. Tačiau toliau aptarsime lengvesnių žvaigždžių evoliuciją.
Žvaigždžių šviesa ir šiluma yra termobranduolinių reakcijų produktai. Ši reakcija vyksta todėl, kad žvaigždžių viduje yra pakankamai vandenilio ir medžiaga yra labai suspausta veikiant visos žvaigždės masės slėgiui. Stiprus suspaudimas leidžia įveikti identiškų vandenilio branduolių krūvių elektromagnetinį atstūmimą, nes termobranduolinė reakcija yra vandenilio branduolių susiliejimas į helio branduolį, lydimas didelio energijos išsiskyrimo.
Anksčiau ar vėliau labai sumažės termobranduolinio kuro (vandenilio) kiekis, susilpnės lengvas slėgis, nukris temperatūra. Jei žvaigždės masė yra pakankamai maža, kaip ir Saulė, tada ji pereis raudonojo milžino fazei ir taps balta nykštuke.
Jei jos masė yra didelė, žvaigždė pradės trauktis nuo savo svorio. Įvyks griūtis, kurią galime vertinti kaip supernovos sprogimą. Tai labai sudėtingas procesas, susidedantis iš daugelio etapų, o mokslininkams dar ne visos jo detalės yra aiškios, tačiau daug kas jau aišku. Pavyzdžiui, žinoma, kad tolimesnis žvaigždės likimas priklauso nuo jos masės prieš žlugimą. Tokio suspaudimo rezultatas gali būti arba neutroninė žvaigždė, arba juodoji skylė, arba kelių tokių objektų ir baltųjų nykštukų derinys.
„Juodosios skylės yra sunkiausių žvaigždžių žlugimo rezultatas“
Neutroninės žvaigždės ir baltosios nykštukės nesuyra į juodąsias skyles, nes neturi pakankamai masės, kad įveiktų atitinkamai neutronų arba elektronų dujų slėgį. Šie slėgiai atsiranda dėl kvantinių efektų, kurie įsigali po labai stipraus suspaudimo. Pastarųjų aptarimas nėra tiesiogiai susijęs su juodųjų skylių fizika ir nepatenka į šios knygos taikymo sritį.
Tačiau jei, pavyzdžiui, neutroninė žvaigždė yra dvinarėje žvaigždžių sistemoje, ji gali pritraukti materiją iš žvaigždės kompanionės. Tokiu atveju jo masė augs ir, viršijus tam tikrą kritinę vertę, vėl įvyks kolapsas, šį kartą susiformavus juodajai skylei. Kritinė masė nustatoma pagal sąlygą, kad neutroninės dujos sukuria nepakankamą slėgį, kad jos toliau nesuspaustų.
*Tai yra sąmata. Tiksli limito vertė dar nėra žinoma. - Maždaug autorius.
Taigi juodosios skylės yra sunkiausių žvaigždžių žlugimo rezultatas. Šiuolaikiniu supratimu, išdegus termobranduoliniam kurui žvaigždės šerdies masė turėtų būti bent dvi su puse saulės*. Jokia mums žinoma materijos būsena nesugeba sukurti tokio slėgio, kad tokia didelė masė nebūtų suspausta į juodąją skylę, jei visas termobranduolinis kuras būtų sudegęs. Faktus, kurie eksperimentiškai patvirtina minėtą žvaigždės masės apribojimą juodajai skylei susidaryti, aptarsime kiek vėliau, kai kalbėsime apie tai, kaip astronomai atranda juodąsias skyles. […]
Ryžiai. 7. Klaidingas žlugimo suvokimas pašalinio stebėtojo požiūriu kaip lėtėjantis amžinas kritimas, o ne juodosios skylės horizonto susidarymas
Kalbant apie mūsų diskusiją, bus naudinga pasitelkti pavyzdį, kad prisimintume įvairių mokslo idėjų ir sąvokų sąsajas. Ši istorija gali suteikti skaitytojui pojūtį apie galimą aptariamo klausimo gylį.
Yra žinoma, kad „Galileo“, reaguodamas į Koperniko sistemos kritiką, sukūrė tai, kas dabar vadinama Niutono inercinių atskaitos sistemų dėsniu. Kritika buvo ta, kad Žemė negali suktis aplink Saulę, nes kitaip negalėtume išsilaikyti jos paviršiuje.
Atsakydamas Galilėjus teigė, kad Žemė aplink Saulę sukasi pagal inerciją. Bet mes negalime atskirti inercinio judėjimo nuo ramybės, kaip ir nejaučiame, pavyzdžiui, laivo inercinio judėjimo. Tuo pačiu metu jis netikėjo gravitacinėmis jėgomis tarp planetų ir žvaigždžių, nes netikėjo veiksmu per atstumą ir net negalėjo žinoti apie laukų egzistavimą. Ir aš tada nebūčiau priėmusi tokio abstraktaus paaiškinimo.
Galilėjus manė, kad inercinis judėjimas gali vykti tik pagal idealią kreivę, tai yra, Žemė gali judėti tik apskritimu arba apskritimu, kurio centras, savo ruožtu, sukasi ratu aplink Saulę. Tai yra, gali būti skirtingų inercinių judesių sutapimas. Pastarasis judesių tipas gali būti sudėtingesnis, į kompoziciją įtraukiant dar daugiau apskritimų. Toks sukimasis vadinamas judėjimu išilgai epiciklų. Jis buvo išrastas siekiant suderinti Ptolemėjo sistemą su stebimomis planetų padėtimis.
Beje, savo kūrimo metu Koperniko sistema pastebėtus reiškinius apibūdino daug prasčiau nei Ptolemėjo sistema. Kadangi Kopernikas taip pat tikėjo tik judėjimu tobuluose apskritimuose, paaiškėjo, kad kai kurių planetų orbitų centrai yra už Saulės. (Pastaroji buvo viena iš priežasčių, kodėl Kopernikas delsė išleisti savo kūrinius. Juk jis tikėjo savo sistema, pagrįsta estetiniais sumetimais, o keistų orbitinių centrų poslinkių buvimas už Saulės į šiuos svarstymus netilpo.)
Pamokoma, kad iš esmės Ptolemėjaus sistema galėjo aprašyti stebimus duomenis bet kokiu iš anksto nustatytu tikslumu – tereikėjo pridėti reikiamą epiciklų skaičių. Tačiau, nepaisant visų loginių prieštaravimų pradinėse jos kūrėjų idėjose, tik Koperniko sistema galėjo sukelti konceptualią mūsų požiūrio į gamtą revoliuciją – prie visuotinės gravitacijos dėsnio, apibūdinančio tiek planetų judėjimą, tiek jų kritimą. obuolys ant Niutono galvos, o vėliau – lauko samprata.
Todėl Galilėjus neigė Keplerio planetų judėjimą elipsėmis. Jis ir Kepleris apsikeitė laiškais, kurie buvo parašyti gana irzliu tonu*. Taip yra nepaisant to, kad jie visiškai palaiko tą pačią planetų sistemą.
Taigi, Galilėjus tikėjo, kad Žemė aplink Saulę juda pagal inerciją. Niutono mechanikos požiūriu tai yra aiški klaida, nes gravitacinė jėga veikia Žemę. Tačiau bendrosios reliatyvumo teorijos požiūriu Galilėjus turi būti teisus: remiantis šia teorija, kūnai gravitaciniame lauke juda pagal inerciją, bent jau tada, kai jų pačių gravitacijos galima nepaisyti. Šis judėjimas vyksta pagal vadinamąją geodezinę kreivę. Plokščioje erdvėje tai yra tiesiog tiesi pasaulio linija, tačiau Saulės sistemos planetos atveju tai yra geodezinė pasaulio linija, atitinkanti elipsinę trajektoriją, o nebūtinai apskritą. Deja, Galilėjus to negalėjo žinoti.
Tačiau iš bendrosios reliatyvumo teorijos žinoma, kad judėjimas vyksta išilgai geodezijos tik tuo atveju, jei galima nepaisyti paties judančio kūno (planetos) erdvės kreivumo ir daryti prielaidą, kad ją išlenkia tik gravitacijos centras (Saulė). . Kyla natūralus klausimas: ar Galilėjus buvo teisus dėl inercinio Žemės judėjimo aplink Saulę? Ir nors tai nėra toks svarbus klausimas, kadangi dabar žinome priežastį, kodėl žmonės neskrenda nuo Žemės, tai gali būti susiję su geometriniu gravitacijos apibūdinimu.
Kaip galite „pamatyti“ juodąją skylę?
[…] Dabar pereikime prie diskusijos apie tai, kaip žvaigždėtame danguje stebimos juodosios skylės. Jei juodoji skylė sunaudojo visą ją supusią medžiagą, tada ją galima pamatyti tik per tolimų žvaigždžių šviesos spindulių iškraipymus. Tai yra, jei netoli nuo mūsų būtų tokios grynos formos juodoji skylė, tada pamatytume maždaug tai, kas pavaizduota viršelyje. Tačiau net ir susidūręs su tokiu reiškiniu negali būti tikras, kad tai juodoji skylė, o ne tik masyvus, nešviečiantis kūnas. Norint atskirti vieną nuo kito, reikia šiek tiek padirbėti.
Tačiau iš tikrųjų juodąsias skyles supa debesys, kuriuose yra elementariųjų dalelių, dulkių, dujų, meteoritų, planetų ir net žvaigždžių. Todėl astronomai stebi kažką panašaus į paveikslėlį, parodytą Fig. 9. Bet kaip jie daro išvadą, kad tai juodoji skylė, o ne kokia žvaigždė?
Ryžiai. 9. Tikrovė daug proziškesnė, ir tenka stebėti juodąsias skyles, apsuptas įvairių dangaus kūnų, dujų ir dulkių debesų
Norėdami pradėti, pasirinkite tam tikro dydžio sritį žvaigždėtame danguje, dažniausiai dvinarėje žvaigždžių sistemoje arba aktyviame galaktikos branduolyje. Iš jo sklindančios spinduliuotės spektrai lemia joje esančios medžiagos masę ir elgseną. Toliau užfiksuota, kad spinduliuotė sklinda iš aptariamo objekto, kaip iš dalelių, patenkančių į gravitacinį lauką, o ne tik iš termobranduolinių reakcijų, vykstančių žvaigždžių žarnyne. Spinduliuotė, kuri visų pirma yra ant dangaus kūno krentančių medžiagų tarpusavio trinties rezultatas, turi daug daugiau energingos gama spinduliuotės nei termobranduolinės reakcijos rezultatas.
„Juodąsias skyles supa debesys, kuriuose yra elementariųjų dalelių, dulkių, dujų, meteoritų, planetų ir net žvaigždžių.
Jei stebimas regionas yra pakankamai mažas, nėra pulsaras ir jame sutelkta didelė masė, tada daroma išvada, kad tai juodoji skylė. Pirma, teoriškai prognozuojama, kad sudegus sintezės kurui, nėra materijos būsenos, kuri galėtų sukurti slėgį, kuris galėtų užkirsti kelią tiek masės žlugimui tokiame mažame regione.
Antra, kaip ką tik pabrėžta, nagrinėjami objektai neturėtų būti pulsarai. Pulsaras yra neutroninė žvaigždė, kuri, skirtingai nei juodoji skylė, turi paviršių ir elgiasi kaip didelis magnetas, o tai yra viena iš tų subtilesnių elektromagnetinio lauko charakteristikų nei krūvis. Neutroninės žvaigždės, atsiradusios dėl labai stipraus pirminių besisukančių žvaigždžių suspaudimo, sukasi dar greičiau, nes turi būti išsaugotas kampinis impulsas. Dėl to tokios žvaigždės sukuria magnetinius laukus, kurie laikui bėgant kinta. Pastarieji vaidina pagrindinį vaidmenį formuojant būdingą pulsuojančią spinduliuotę.
Visų iki šiol rastų pulsarų masė mažesnė nei dvi su puse Saulės masės. Būdingos energetinės gama spinduliuotės šaltiniai, kurių masė viršija šią ribą, nėra pulsarai. Kaip matyti, ši masės riba sutampa su teorinėmis prognozėmis, padarytomis remiantis mums žinomomis materijos būsenomis.
Visa tai, nors ir nėra tiesioginis stebėjimas, yra gana įtikinamas argumentas, patvirtinantis, kad astronomai mato būtent juodąsias skyles, o ne ką kitą. Nors ką galima laikyti tiesioginiu stebėjimu, o ką ne – didelis klausimas. Juk tu, skaitytojau, matai ne pačią knygą, o tik jos skleidžiamą šviesą. Ir tik lytėjimo ir regėjimo pojūčių derinys įtikina jo egzistavimo realumu. Lygiai taip pat mokslininkai, remdamiesi stebimų duomenų visuma, daro išvadą apie konkretaus objekto egzistavimo tikrovę.
GRAVITACINĖ GRAVITACIJA, hidrodinaminis kosminio objekto suspaudimas veikiant jo paties gravitacinėms jėgoms, dėl kurio žymiai sumažėja jo dydis. Norint vystytis gravitaciniam kolapsui, būtina, kad slėgio (atstūmimo) jėgų iš viso nebūtų arba jų bent jau nepakanka, kad atremtų gravitacijos jėgas. Gravitacinė kolapsas įvyksta dviem kraštutiniais žvaigždžių evoliucijos etapais. Pirma, žvaigždės gimimas prasideda gravitaciniu dujų ir dulkių debesies žlugimu. Antra, kai kurios žvaigždės baigia savo evoliuciją per gravitacinį kolapsą, jų centrinė dalis (šerdis) pereina į galutinę neutroninės žvaigždės arba juodosios skylės būseną. Tuo pačiu metu išretėjęs apvalkalas gali būti išmestas dėl stiprios smūgio bangos, dėl kurios atsiranda supernovos sprogimas. Gravitacinė kolapsas vyksta ir didesniais masteliais – tam tikrais galaktikos branduolių evoliucijos etapais. Astronominiai stebėjimai, naudojant orbitinius kosminius teleskopus optiniame, IR ir rentgeno spindulių diapazone, įtikinamai rodo, kad kai kurių galaktikų centruose yra didžiulės juodosios skylės, sveriančios nuo kelių milijonų iki kelių milijardų saulės masių. Mūsų galaktikos centre yra „taškinis“ nematomas objektas - juodoji skylė, kurios masė siekia 3 milijonus saulės masių, nulemta aplink ją besisukančių kaimyninių žvaigždžių orbitų. Tokios juodosios skylės iš pradžių atsiranda dėl gravitacinio žlugimo, o vėliau palaipsniui didina savo masę, sugerdamos aplinkines medžiagas.
Gravitacinis kolapsas yra susijęs su objekto stabilumo praradimu, susijusiu su suspaudimu, veikiant gravitacinėms jėgoms. Laikui bėgant, praradęs stabilumą, objektas vis labiau nukrypsta nuo pradinės hidrostatinės pusiausvyros būsenos, o gravitacijos jėgos pradeda vyrauti prieš slėgio jėgas, o tai lemia tolesnį suspaudimo pagreitį. Gravitacinis žlugimas žvaigždžių gimimo metu ir neutroninių žvaigždžių bei juodųjų skylių susidarymas grindžiamas visiškai skirtingais fiziniais procesais. Tačiau hidrodinaminis gravitacinio kolapso vystymosi vaizdas abiem atvejais iš esmės yra vienodas.
Žvaigždžių gimimas siejamas su tarpžvaigždinės terpės gravitaciniu nestabilumu. Formuojantis neutroninėms žvaigždėms ir juodosioms skylėms gravitacinio žlugimo postūmis yra žvaigždės stabilumo praradimas dėl atomų branduolių disociacijos į juos sudarančius nukleonus ir (arba) žvaigždės materijos neutronizavimas (masinis elektronų gaudymas atomu). branduoliai), lydimas intensyvių energijos nuostolių dėl elektronų neutrinų emisijos.
Prasidėjęs gravitacinis kolapsas vystosi vis spartesniu tempu, daugiausia dėl dviejų priežasčių. Pirma, energijos sąnaudos medžiagos dalelėms (molekulių disociacija ir atomų jonizacija suspaudžiant protožvaigždinius debesis, atomų branduolių disociacija formuojantis neutroninėms žvaigždėms) sumažina slėgio didėjimo greitį, kuris neleidžia materijos suspaudimas. Antra, intensyvūs energijos nuostoliai dėl spinduliuotės gravitacinio kolapso metu dar labiau sulėtina slėgio padidėjimą.
Išsamų gravitacinio kolapso aprašymą galima gauti tik naudojant didelės spartos kompiuterius, atsižvelgiant į specifinius energijos praradimo mechanizmus (IR spinduliuotę arba neutrinus) ir kitas fizikines griūvančios medžiagos savybes. Kuo didesnis medžiagos tankis griūvančio tūrio viduje, tuo greičiau vystosi gravitacinis kolapsas. Todėl sritis, esanti šalia žvaigždės centro (centrinė šerdis), pirmiausia žlunga. Sustojus gravitaciniam šerdies griuvimui, apvalkalo medžiaga su ja susiduria viršgarsiniu greičiu, sudarydama stiprią smūginę bangą (SW). Centrinėje objekto srityje atsiranda perteklinis slėgis, kurio įtakoje smūginė banga juda išorine kryptimi. Smūgis ne tik sustabdo apvalkalo kritimą, bet ir gali suteikti išoriniams sluoksniams greitį, nukreiptą nuo centro. Šis efektas, aptiktas detaliuose gravitacinio kolapso skaičiavimuose, vadinamas hidrodinaminiu atspindžiu (atsimušimu). Jo egzistavimas yra svarbus diagnozuojant gravitacinį žlugimą stebėjimuose, ypač supernovų sprogimų teorijai.
Po pagrindinės apvalkalo masės kritimo ant šerdies ir susilpnėjimo, kurį sukelia hidrodinaminis šerdies pulsacijų atspindys, gravitacinis kolapsas iš tikrųjų baigiasi. Tačiau didelė gravitacinės kolapso metu išsiskiriančios energijos dalis nespėja išsiskirti ir šilumos pavidalu kaupiasi tankiame hidrostatinės pusiausvyros objekte (protožvaigždėje arba karštoje neutroninėje žvaigždėje). Kai energija išsiskiria, protožvaigždė ir toliau lėtai traukiasi. Remiantis virusine teorema, temperatūra protožvaigždės centre pakyla ir galiausiai pasiekia reikšmę, kurios pakanka termobranduolinėms reakcijoms įvykti – protožvaigždė virsta įprasta žvaigžde.
Paskutiniuose masyvių žvaigždžių evoliucijos etapuose gali būti sudarytos palankios sąlygos formuotis žvaigždžių branduoliams, kurie yra nestabilūs gravitaciniam kolapsui, kurių masė viršija ribinę neutroninės žvaigždės masę (2–3 saulės masės). Tokiomis aplinkybėmis gravitacinis kolapsas nebegali sustoti ties tarpine pusiausvyros neutroninės žvaigždės būsena ir tęsiasi neribotą laiką susidarius juodajai skylei. Pagrindinis vaidmuo čia tenka bendrosios reliatyvumo teorijos efektams, todėl toks gravitacinis kolapsas vadinamas reliatyvistine.
Gravitaciniam kolapsui didelę įtaką gali turėti griūvančio objekto sukimasis ir jo magnetinis laukas. Išlaikant kampinį momentą ir magnetinį srautą, suspaudimo proceso metu didėja sukimosi greitis ir magnetinis laukas, o tai gali pakeisti gravitacinio kolapso vaizdą ne tik kiekybiškai, bet ir kokybiškai. Pavyzdžiui, nesant sferinės simetrijos, energijos praradimas dėl gravitacinių bangų spinduliavimo tampa įmanomas. Pakankamai stiprus pradinis sukimasis gali lemti gravitacinio kolapso sustabdymą tarpinėje stadijoje, kai tolesnis suspaudimas bus įmanomas tik esant bet kokiems kampinio impulso praradimo mechanizmams arba kai objektas suskaidomas į mažesnes grumstas. Kiekybinė gravitacinio kolapso teorija, atsižvelgiant į sukimąsi ir (arba) magnetinį lauką, dar tik pradeda vystytis ir yra pagrįsta šiuolaikinės skaičiavimo matematikos pasiekimais. Gauti gravitacinio kolapso rezultatai, neatsižvelgiant į sukimąsi ir magnetinį lauką, vis dėlto turi svarbią taikomąją reikšmę ir daugeliu atvejų, matyt, gerai atitinka tikrovę.
Gravitacinio žlugimo tyrimas sulaukė ypatingo susidomėjimo dėl infraraudonųjų spindulių astronomijos pasiekimų, leidžiančių stebėti žvaigždžių gimimą, taip pat požeminių neutrinų observatorijų, galinčių aptikti neutrinų spinduliuotės pliūpsnį, statybą. neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių susidarymas mūsų galaktikoje.
Lit.: Zeldovich Ya B., Novikov I. D. Gravitacijos teorija ir žvaigždžių evoliucija. M., 1971; Shklovsky I. S. Žvaigždės: jų gimimas, gyvenimas ir mirtis. 3 leidimas M., 1984; Erdvės fizika: maža enciklopedija. 2-asis leidimas M., 1986: Fizinė enciklopedija. M., 1988. T. 1.
Pagrindinis užtemdančio dvejetainio komponentas turi absoliutų vizualinį dydį; jos spektrą atitinkanti bolometrinė korekcija yra apie , taigi: Saulė skleidžia daugiau energijos nei Saulė, 2,5121484 = 860 000 kartų, bet jos masė yra 19 kartų didesnė nei Saulės, todėl 1 g medžiagos ji išskiria 45 000 kartų daugiau nei Saulė. Saulė skleidžia spinduliuotę 1 g masės. Lygiai taip pat pastebime, kad vaizdinės dvigubos žvaigždės Kruger 60 komponentas B išmeta 80 kartų mažiau medžiagos 1 g nei Saulė, t.y. Baltojo nykštuko Sirijaus B specifinė spinduliuotė yra dar mažesnė: . Tuo tarpu vidutinė žvaigždės temperatūra T toms pačioms žvaigždėms (išskyrus, galbūt, baltąją nykštuką) kinta nepalyginamai mažiau (žr. p. 196). Sunku iš anksto manyti, kad energijos generavimo mechanizmas visais trimis atvejais yra tas pats, bet jei jis yra tas pats, tada, akivaizdu, jis yra labai jautrus fizinių sąlygų pokyčiams žvaigždės viduje, ypač temperatūrai. Iš įvairių galimų energijos generavimo žvaigždėse tipų yra svarbūs šie du:
a) gravitacinis suspaudimas,
b) termobranduoliniai procesai.
GRAVITACINĖ SUDĖJIMAS
Jei retas rutulys suspaudžiamas, jo potenciali energija sumažėja [žr. (15,8)]; šis sumažėjimas eina į rutulio dalelių kinetinės energijos padidėjimą, t.y. į temperatūros padidėjimą, kai rutulys yra dujinis (žr. (15.9)).
Idealių dujų, pasiekusių temperatūrą, vidinė šiluminė energija yra lygi 1 g Visai žvaigždei
Integralas lygus . Vietoj to čia pakeitę išraišką iš (15.9), kurioje , ir pridėjus potencialios energijos išraišką iš (15.8), galime lengvai gauti
Bendra energija
Monatominėms dujoms ir todėl neatsižvelgiant į žvaigždės spinduliuotės slėgį (kuriai ), turėsime
tai yra, bendra energija yra lygi pusei potencinės energijos, o jos pokytis yra tik pusė potencialios energijos pokyčio.
Politropinis modelis, kurio pritaikomumas yra gana platus, turi potencialią energiją
Čia n yra politropijos klasė (kurioje energija tampa teigiama, t. y. rutulys turi be galo didelius matmenis) ir konvekciniam modeliui
ir standartiniam modeliui
Akivaizdu, kad energijos kitimo greitis turi būti identifikuojamas su žvaigždės šviesumu suspaudimo stadijoje:
Kaip matyti iš lygybės (17.4). bendrosios energijos pokyčiai, kuriuos (17.8) prilyginame šviesumui, sudaro tik pusę žvaigždės potencialios energijos pokyčio. Kita pusė eina jo apšilimui.
Jei vietoj L saulės spinduliuotę pakeisime į dešinę (17.9), o vietoj R – į Saulės masę ir spindulį, tada turėsime
(17.10)
Formaliai vertindami paskutinį skaičiavimą, galime teigti, kad jei darysime prielaidą, kad Saulė traukiasi, tada, atsižvelgiant į dabartines Saulės charakteristikas, saulės spindulio „pakanka“ tik metams, kad kompensuotų šilumos nuostolius radiacija. Iš esmės turime pasakyti, kad esant gravitaciniam suspaudimui, Saulė žymiai pasikeičia per 25 milijonus metų. Tačiau geologinė Žemės istorija mus moko, kad Saulė daugiau ar mažiau nuolat apšvitina Žemę maždaug 3 milijardus metų, todėl nurodyta maždaug 20 milijonų metų laiko skalė, vadinamoji Kelvino-Helmholtzo susitraukimo laiko skalė, yra netinka šiuolaikinei Saulės evoliucijai paaiškinti. Jis gana tinkamas kondensuojančių žvaigždžių evoliucijai, kai jos kaitinamos gniuždymo metu, kol kaitinimas tampa toks stiprus, kad pradeda veikti termobranduolinės reakcijos.
GRAVITACINĖ GRAVITACIJA
greitas tarpžvaigždinio debesies ar žvaigždės suspaudimas ir suirimas veikiant savo gravitacijai. Gravitacinė kolapsas yra labai svarbus astrofizinis reiškinys; ji dalyvauja tiek žvaigždžių, žvaigždžių spiečių ir galaktikų susidarymo procese, tiek kai kurių jų žūtyje. Tarpžvaigždinėje erdvėje yra daug debesų, daugiausia sudarytų iš vandenilio, kurių tankis yra apytiksliai. 1000 at/cm3, dydžiai nuo 10 iki 100 St. metų. Jų struktūra ir ypač tankis nuolat kinta, veikiant tarpusavio susidūrimams, kaitinant žvaigždžių spinduliuotei, magnetinių laukų slėgiui ir kt. Kai debesies ar jo dalies tankis tampa toks didelis, kad gravitacija viršija dujų slėgį, debesis ima nevaldomai trauktis – griūva. Maži pradinio tankio nehomogeniškumas stiprėja žlugimo proceso metu; Dėl to debesis skeveldros, t.y. skyla į dalis, kurių kiekviena toliau mažėja. Paprastai tariant, kai dujos suspaudžiamos, padidėja jų temperatūra ir slėgis, o tai gali užkirsti kelią tolesniam suspaudimui. Tačiau nors debesis yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams, jis lengvai atvėsta, o suspaudimas nesibaigia. Tačiau didėjant atskirų skeveldrų tankiui, jų aušinimas tampa vis sunkesnis ir didėjantis slėgis stabdo griūtį – taip susidaro žvaigždė, o visas žvaigždėmis pavirtusių debesų fragmentų rinkinys suformuoja žvaigždžių spiečius. Debesio griūtis į žvaigždę ar žvaigždžių spiečius trunka apie milijoną metų – palyginti greitai kosminiu mastu. Po to žvaigždės žarnyne vykstančios termobranduolinės reakcijos palaiko temperatūrą ir slėgį, o tai neleidžia suspausti. Šių reakcijų metu lengvieji cheminiai elementai virsta sunkesniais, išskirdami milžinišką energiją (panašiai kaip nutinka sprogus vandenilinei bombai). Išsiskyrusi energija palieka žvaigždę spinduliuotės pavidalu. Masyvios žvaigždės skleidžia labai intensyvią spinduliuotę ir sudegina savo „kurą“ vos per kelias dešimtis milijonų metų. Mažos masės žvaigždės turi pakankamai degalų, kad galėtų ilgai degti daug milijardų metų. Anksčiau ar vėliau bet kuriai žvaigždei pritrūksta kuro, šerdyje sustoja termobranduolinės reakcijos ir, netekusi šilumos šaltinio, ji lieka priklausoma nuo savo gravitacijos, nenumaldomai vesdama žvaigždę į mirtį.
Mažos masės žvaigždžių žlugimas. Jei praradus apvalkalą žvaigždės liekanos masė yra mažesnė nei 1,2 saulės, tai jos gravitacinis žlugimas nenueina per toli: net ir besitraukianti žvaigždė, netekusi šilumos šaltinių, įgyja naują gebėjimą atsispirti gravitacijai. Esant dideliam medžiagos tankiui, elektronai pradeda vienas kitą intensyviai atstumti; taip yra ne dėl jų elektrinio krūvio, o dėl kvantinių mechaninių savybių. Gautas slėgis priklauso tik nuo medžiagos tankio ir nepriklauso nuo jos temperatūros. Fizikai šią elektronų savybę vadina degeneracija. Mažos masės žvaigždėse išsigimusios medžiagos slėgis gali atsispirti gravitacijai. Žvaigždės susitraukimas sustoja, kai ji tampa maždaug Žemės dydžio. Tokios žvaigždės vadinamos baltosiomis nykštukėmis, nes jos silpnai šviečia, tačiau iškart po suspaudimo turi gana karštą (baltą) paviršių. Tačiau baltosios nykštukės temperatūra pamažu mažėja, o po kelių milijardų metų tokią žvaigždę jau sunku pastebėti: ji tampa šaltu, nematomu kūnu.
Masyvių žvaigždžių žlugimas. Jei žvaigždės masė yra didesnė nei 1,2 saulės, tada išsigimusių elektronų slėgis nepajėgus atsispirti gravitacijai ir žvaigždė negali tapti balta nykštuke. Jo nevaldomas žlugimas tęsiasi tol, kol medžiaga pasiekia tankį, panašų į atomų branduolių tankį (maždaug 3 * 10 14 g/cm3). Šiuo atveju didžioji materijos dalis virsta neutronais, kurie, kaip ir elektronai baltojoje nykštukėje, išsigimsta. Išsigimusios neutroninės medžiagos slėgis gali sustabdyti žvaigždės susitraukimą, jei jos masė neviršija maždaug 2 Saulės masių. Gautos neutroninės žvaigždės skersmuo yra tik maždaug. 20 km. Kai staiga nutrūksta greitas neutroninės žvaigždės susitraukimas, visa kinetinė energija virsta šiluma ir temperatūra pakyla iki šimtų milijardų kelvinų. Dėl to įvyksta milžiniškas žvaigždės pliūpsnis, jos išoriniai sluoksniai išsviedžiami dideliu greičiu, o šviesumas padidėja kelis milijardus kartų. Astronomai tai vadina „supernovos sprogimu“. Maždaug po metų sprogimo produktų ryškumas mažėja, išmetamos dujos pamažu atvėsta, susimaišo su tarpžvaigždinėmis dujomis ir vėlesnėse epochose tampa naujos kartos žvaigždžių dalimi. Žlugimo metu atsiradusi neutroninė žvaigždė pirmuosius milijonus metų greitai sukasi ir yra stebima kaip kintama spinduliuotė – pulsaras. Jei griūvančios žvaigždės masė gerokai viršija 2 saulės, tai suspaudimas nesustoja ties neutroninės žvaigždės stadija, o tęsiasi tol, kol jos spindulys sumažėja iki kelių kilometrų. Tada gravitacinė jėga paviršiuje padidėja tiek, kad net šviesos spindulys negali palikti žvaigždės. Žvaigždė, kuri subyrėjo iki tokio masto, vadinama juodąja skyle. Tokį astronominį objektą galima tirti tik teoriškai, naudojant Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Skaičiavimai rodo, kad nematomos juodosios skylės suspaudimas tęsiasi tol, kol materija pasiekia be galo didelį tankį.
taip pat žr PULSAR; JUODOJI SKYLĖ .
LITERATŪRA
Shklovsky I.S., Žvaigždės: jų gimimas, gyvenimas ir mirtis. M., 1984 m
Collier enciklopedija. – Atvira visuomenė. 2000 .
Pažiūrėkite, kas yra „GRAVITACINĖ GRAVITACIJA“ kituose žodynuose:
Procesas yra hidrodinaminis. kūno suspaudimas veikiant jo paties. gravitacijos jėgų. Šis procesas gamtoje įmanomas tik gana masyviuose kūnuose, ypač žvaigždėse. Būtina sąlyga, kad G.K sumažėtų VA elastingumas žvaigždės viduje, spiečius sukelia ... ... Fizinė enciklopedija
Katastrofiškai greitas masyvių kūnų suspaudimas veikiant gravitacinėms jėgoms. Gravitacinė kolapsas gali užbaigti žvaigždžių, kurių masė viršija dvi Saulės mases, evoliuciją. Išsekus branduoliniam kurui tokiose žvaigždėse, jos netenka... ... enciklopedinis žodynas
Gravitacinio kolapso mechanizmo modelis Gravitacinis griūtis – tai katastrofiškai greitas masyvių kūnų susispaudimas veikiant gravitacinėms jėgoms. Gravitacija į... Vikipediją
Katastrofiškai greitas masyvių kūnų suspaudimas veikiant gravitacinėms jėgoms. Žvaigždžių, kurių masė viršija dvi Saulės mases, evoliucija gali baigtis gravitaciniu kolapsu. Išsekus branduoliniam kurui tokiose žvaigždėse, jos netenka... ... Astronomijos žodynas
Gravitacinė kolapsas- (nuo gravitacijos ir lot. colapsus fallen) (astrofizikoje, astronomijoje) katastrofiškai greitas žvaigždės suspaudimas paskutinėse evoliucijos stadijose veikiant jos pačios gravitacinėms jėgoms, viršijant įkaitintų dujų (medžiagos) silpstančias slėgio jėgas .. . Šiuolaikinio gamtos mokslo pradžia
Žiūrėkite gravitacinį kolapsą... Didžioji sovietinė enciklopedija
Katastrofiškai greitas masyvių kūnų suspaudimas veikiant gravitacijai. jėga GK gali užbaigti žvaigždžių evoliuciją su šv. dvi saulės masės. Išnaudojus branduolinį kurą tokiose žvaigždėse jos praranda savo mechanines savybes. tvarumas ir... Gamtos mokslai. enciklopedinis žodynas
Žiūrėti gravitacinį kolapsą... Didysis enciklopedinis žodynas
Pamatykite gravitacinį kolapsą. * * * GRAVITACINĖ GRAVITACINĖ SURIJIMAS GRAVITACINĖ, žr. Gravitacinė griūtis (žr. GRAVITACINĖ GRAVITACIJA) ... enciklopedinis žodynas
Knygos
- Einšteino vizija. , Wheeler J.A. , Išskirtinio amerikiečių fiziko D. A. Wheelerio knyga skirta elementariam geometrijos pristatymui – Einšteino svajonės „visą fiziką redukuoti į geometriją“ įkūnijimas. Autorius pradeda nuo... Kategorija: Matematika ir gamtos mokslai Serija: Leidėjas:
Tarpžvaigždinėje erdvėje yra daug debesų, daugiausia sudarytų iš vandenilio, kurių tankis yra apytiksliai. 1000 at/cm 3, dydžiai nuo 10 iki 100 sv. metų. Jų struktūra ir ypač tankis nuolat kinta, veikiant tarpusavio susidūrimams, kaitinant žvaigždžių spinduliuotei, magnetinių laukų slėgiui ir kt. Kai debesies ar jo dalies tankis tampa toks didelis, kad gravitacija viršija dujų slėgį, debesis ima nevaldomai trauktis – griūva. Maži pradinio tankio nehomogeniškumas stiprėja žlugimo proceso metu; Dėl to debesis skeveldros, t.y. skyla į dalis, kurių kiekviena toliau mažėja.
Paprastai tariant, kai dujos suspaudžiamos, padidėja jų temperatūra ir slėgis, o tai gali užkirsti kelią tolesniam suspaudimui. Tačiau nors debesis yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams, jis lengvai atvėsta, o suspaudimas nesibaigia. Tačiau didėjant atskirų skeveldrų tankiui, jų aušinimas tampa vis sunkesnis ir didėjantis slėgis stabdo griūtį – taip susidaro žvaigždė, o visas žvaigždėmis pavirtusių debesų fragmentų rinkinys suformuoja žvaigždžių spiečius.
Debesis griūva į žvaigždę ar žvaigždžių spiečius trunka apie milijoną metų – palyginti greitai kosminiu mastu. Po to žvaigždės žarnyne vykstančios termobranduolinės reakcijos palaiko temperatūrą ir slėgį, o tai neleidžia suspausti. Šių reakcijų metu lengvieji cheminiai elementai virsta sunkesniais, išskirdami milžinišką energiją (panašiai kaip nutinka sprogus vandenilinei bombai). Išsiskyrusi energija palieka žvaigždę spinduliuotės pavidalu. Masyvios žvaigždės skleidžia labai intensyvią spinduliuotę ir sudegina savo „kurą“ vos per kelias dešimtis milijonų metų. Mažos masės žvaigždės turi pakankamai degalų, kad galėtų ilgai degti daug milijardų metų. Anksčiau ar vėliau bet kuriai žvaigždei baigsis kuras, šerdyje sustoja termobranduolinės reakcijos ir, netekusi šilumos šaltinio, ji lieka pavaldi savo gravitacijai, nenumaldomai vesdama žvaigždę į mirtį.
Mažos masės žvaigždžių žlugimas.
Jei praradus apvalkalą žvaigždės liekanos masė yra mažesnė nei 1,2 saulės, tai jos gravitacinis žlugimas nenueina per toli: net ir besitraukianti žvaigždė, netekusi šilumos šaltinių, įgyja naują gebėjimą atsispirti gravitacijai. Esant dideliam medžiagos tankiui, elektronai pradeda vienas kitą intensyviai atstumti; taip yra ne dėl jų elektrinio krūvio, o dėl kvantinių mechaninių savybių. Gautas slėgis priklauso tik nuo medžiagos tankio ir nepriklauso nuo jos temperatūros. Fizikai šią elektronų savybę vadina degeneracija. Mažos masės žvaigždėse išsigimusios medžiagos slėgis gali atsispirti gravitacijai. Žvaigždės susitraukimas sustoja, kai ji tampa maždaug Žemės dydžio. Tokios žvaigždės vadinamos baltosiomis nykštukėmis, nes jos silpnai šviečia, tačiau iškart po suspaudimo turi gana karštą (baltą) paviršių. Tačiau baltosios nykštukės temperatūra pamažu mažėja, o po kelių milijardų metų tokią žvaigždę jau sunku pastebėti: ji tampa šaltu, nematomu kūnu.
Masyvių žvaigždžių žlugimas.
Jei žvaigždės masė yra didesnė nei 1,2 saulės, tada išsigimusių elektronų slėgis nepajėgus atsispirti gravitacijai ir žvaigždė negali tapti balta nykštuke. Jo nevaldomas žlugimas tęsiasi tol, kol medžiaga pasiekia tankį, panašų į atomų branduolių tankį (apie 3H 10 14 g/cm 3). Šiuo atveju didžioji materijos dalis virsta neutronais, kurie, kaip ir elektronai baltojoje nykštukėje, išsigimsta. Išsigimusios neutroninės medžiagos slėgis gali sustabdyti žvaigždės susitraukimą, jei jos masė neviršija maždaug 2 Saulės masių. Susidariusios neutroninės žvaigždės skersmuo yra tik maždaug. 20 km. Staiga nutrūkus greitam neutroninės žvaigždės susitraukimui, visa kinetinė energija virsta šiluma ir temperatūra pakyla iki šimtų milijardų kelvinų. Dėl to įvyksta milžiniškas žvaigždės pliūpsnis, jos išoriniai sluoksniai išsviedžiami dideliu greičiu, o šviesumas padidėja kelis milijardus kartų. Astronomai tai vadina „supernovos sprogimu“. Maždaug po metų sprogimo produktų ryškumas mažėja, išmetamos dujos pamažu atvėsta, susimaišo su tarpžvaigždinėmis dujomis ir vėlesnėse epochose tampa naujos kartos žvaigždžių dalimi. Žlugimo metu atsiradusi neutroninė žvaigždė pirmuosius milijonus metų greitai sukasi ir yra stebima kaip kintama spinduliuotė – pulsaras.
Jei griūvančios žvaigždės masė gerokai viršija 2 saulės, tai suspaudimas nesustoja ties neutroninės žvaigždės stadija, o tęsiasi tol, kol jos spindulys sumažėja iki kelių kilometrų. Tada gravitacinė jėga paviršiuje padidėja tiek, kad net šviesos spindulys negali palikti žvaigždės. Žvaigždė, kuri subyrėjo iki tokio masto, vadinama juodąja skyle. Tokį astronominį objektą galima tirti tik teoriškai, naudojant Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Skaičiavimai rodo, kad nematomos juodosios skylės suspaudimas tęsiasi tol, kol materija pasiekia be galo didelį tankį.
