Теория тяготения и эволюция звезд - Зельдович Я.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Перейдем теперь от перечисления параметров, характеризующих звезду и определяющих условия ее эволюции, к выяснению тех глубоких внутренних причин, которые могут вызвать ту или иную неустойчивость звезды. По-видимому, в целом все перечисленные факторы — вращение, магнитное поле, наличие соседней звезды — являются малым возмущением по сравнению с силой тяготения, зависящей от полной массы. Поэтому эти факторы существенно влияют на устойчивость звезды лишь в периоды, когда запас устойчивости мал. Часто (но не точно) говорят, что быстрое погло-
*) Это новообразованное слово (Бирд, 1964) происходит от названия мифологической реки Леты, отделяющей царство живых от царства мертвых. Лета —- река забвения. § з] УСТОЙЧИВОСТЬ эволюции ЗВЕЗДЫ 351
щение тепла может быть причиной катастрофического сжатия *), и рассматривают испускание нейтрино наравне с такими процессами, поглощающими энергию, как диссоциация железа Felt = = 14 He4 + 4п или рождение пар е+ + е". В действительности испускание нейтрино есть фактор, вызывающий изменение энтро-
п „ dS 1 <4 ПИИ. Скорость испускания неитрино ВХОДИТ В =--^T -Jf.
При наличии стабильных решений, зависящих от S как параметра, скорость изменения энтропии определяет скорость эволюции. Скорость сжатия всегда меньше скорости света. Пока не наступило гравитационное самозамыкание, нейтрино успевают покинуть звезду (если вещество звезды прозрачно для нейтрино). Испускание нейтрино есть существенно неравновесный процесс, и в этом его резкое отличие от рождения пар е+, е~ или диссоциации железа.
В горячем веществе время установления равновесия е+, е" пар ничтожно по всем масштабам; например, при T9 = 6 это время порядка IO"18 сек. Следовательно, в каждый момент и в каждой точке пары находятся в полном равновесии, их количество не определяется скоростью процесса. Тепло, затраченное на образование пар, не исчезло: стоит веществу расшириться, а температуре понизиться, как число пар уменьшится; следуя равновесию, затраченное тепло выделится обратно. Равновесное рождение пар не является фактором, меняющим энтропию. Рождение пар меняет вид P = P (р, ?), т. е. меняет зависимость давления от плотности при данной энтропии. То же относится и к диссоциации железа и гелия.
В результате в определенной области температуры и плотности S-4- и теряется устойчивость. Суть дела, конечно,
Г=*ЪР o In P
заключается в том, что с учетом затраты энергии покоя е+ и е" или затраты энергии на преодоление ядерных сил отношение дополнительного давления новых частиц к плотности энергии оказывается малым, меньше 1/3. Однако описание этого обстоятельства
dQ , ~
введением специальных величин (Q — плотность тепловой
энергии) представляется печальным следствием недооценки термодинамических методов, недооценки той ясности и простоты, которые достигаются при пользовании энтропией.
В плоскости р, T можно провести линию, на которой у = 4/3 (см. рис. 33а). Эта линия отделяет область устойчивости от области неустойчивости. В самых грубых предположениях о структуре звезды можно провести линии P (р, Т) = аМ2!*р4/з = const р4/», соответствующие эволюции звезды при среднем гидростатическом
*) Для этого сжатия есть особый термин — имплозия (implosion — «взрыв внутрь»), в отличие от эксплозии («взрыв вовне» с выбросом вещества). 352
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
trrt. її
равновесии. Пересечение такой линии с линией у = 4/3 означает потерю устойчивости звездой данной массы.
Например, по расчетам Имшенника и Надежина (1965) для звезды с Л/ = 20 Mq T = 4/3 достигает при р ж 6-Ю6 г/сж3, T9 a 4,8. Однако в ходе дальнейшего адиабатического сжатия после области у < 4/3 линия S = const пересекает вторую линию у = 4/3 и снова попадает в область устойчивости. Причиной является образование большого числа нерелятивистских частиц при диссоциации железа Fe-»а + п —> р + п (см. сноску на стр. 250).
Таким образом, после быстрого нестационарного сжатия могла бы наступить остановка в новом состоянии равновесия, если бы большая часть массы звезды оказалась в области у ]> 4/3, а ,эффекты ОТО были бы недостаточно сильны. В процессе остановки возникают ударные волны, которые, распространяясь к поверхности атмосферы звезды, передают энергию все меньшей массе и срывают самый наружный слой. Таков схематический механизм вспышки сверхновой, рассмотренный в работах Надежина и Франк-Каменецкого (1962; 1964а, Ь; 1965), Имшенника и Надежина (1964; 1965). Эти авторы подробно изучили гидродинамику процесса установления нового равновесия и сброса оболочки волной, не останавливаясь на причинах, вызвавших исходный срыв со старого равновесия. Внешние свойства рассчитанной ими картины, в общем, согласуются с наблюдениями.
Выход ударной волны на поверхность, сброс оболочки или даже разлет всей звезды могут быть обусловлены вторым важнейшим фактором, меняющим ход эволюции и много лет пропагандируемым Хойлом и Фаулером (1960; 1965) [см. также Фаулер и Хойл (1964)]; этот фактор связан с неравномерностью химического состава звезды. При отсутствии конвективного перемешивания в момент, когда в центре звезды достигнуто полное термодинамическое равновесие, вещество вблизи центра полностью превратилось в железо, в прилегающем слое содержится кислород и углерод, дальше — гелий и, наконец, во внешнем слое остается несгорев-ший водород.
