Большая Советская Энциклопедия (ЗВ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (читать книги бесплатно полностью без регистрации .txt) 📗
Диаграмма Герцшпрунга — Ресселла нашла своё объяснение в теории внутреннего строения З.
Внутреннее строение звёзд. Поскольку недра З. недоступны непосредственным наблюдениям, внутреннее строение З. изучается путём построения теоретических звёздных моделей, которым соответствуют значения масс, радиусов и светимостей, наблюдаемые у реальных З. В основе теории внутреннего строения обычных З. лежит представление о З. как о газовом шаре, находящемся в механическом и тепловом равновесии, в течение длительного времени не расширяющемся и не сжимающемся. Механическое равновесие поддерживается силами гравитации, направленными к центру З., и газовым давлением в недрах З., действующим наружу и уравновешивающим силы гравитации. Давление растет с глубиной, а вместе с ним увеличиваются и плотность и температура. Тепловое равновесие заключается в том, что температура З. — во всех её элементарных объёмах — практически не меняется со временем, т. е. что количество энергии, уходящей из каждого такого объёма, компенсируется приходящей в него энергией, а также энергией, вырабатываемой там ядерными или др. источниками.
Температуры обычных З. меняются от нескольких тыс. градусов на поверхности до десяти млн. градусов и более в центре. При таких температурах вещество состоит из почти полностью ионизованных атомов, благодаря чему оказывается возможным в расчётах звёздных моделей применять уравнения состояния идеального газа. При исследованиях внутреннего строения З. существенное значение имеют предпосылки об источниках энергии, химическом составе З. и о механизме переноса энергии.
Основным механизмом переноса энергии в З. является лучистая теплопроводность. При этом диффузия тепла из более горячих внутренних областей З. наружу происходит посредством квантов ультрафиолетового излучения, испускаемого горячим газом. Эти кванты поглощаются в др. частях З. и снова излучаются; по мере перехода во внешние, более холодные слои частота излучения уменьшается. Скорость диффузии определяется средней величиной пробега кванта, которая зависит от прозрачности звёздного вещества, характеризуемой коэффициент поглощения. Основными механизмами поглощения в З. являются фотоэлектрическое поглощение и рассеяние свободными электронами.
Лучистая теплопроводность является основным видом переноса энергии для большинства З. Однако в некоторых частях З., а в З. с малой массой — почти во всём объёме, существенную роль играет конвективный перенос энергии, т. е. перенос тепла массами газа, поднимающимися и спускающимися под влиянием различия температуры. Конвективный перенос, если он действует, гораздо эффективнее лучистого, но конвекция возникает только там, где водород или гелий ионизованы частично: в этом случае энергия их рекомбинации поддерживает движение газовых масс. У Солнца зона конвекции занимает слой от поверхности до глубины, равной около 0,1 его радиуса: ниже этого слоя водород и гелий ионизованы уже полностью. У холодных З. полная ионизация наступает на большей глубине, так что конвективная зона у них толще и охватывает большую часть объёма. Наоборот, у горячих З. водород и гелий полностью ионизованы, начиная почти от самой поверхности, поэтому у них нет внешней конвективной зоны. Однако они имеют конвективное ядро, где движения поддерживаются теплом, выделяющимся при ядерных реакциях.
Звёзды-гиганты и сверхгиганты устроены иначе, чем З. главной последовательности. Маленькое плотное ядро их (1% радиуса) содержит 20—30% массы, а остальная часть представляет собой протяжённую разреженную оболочку, простирающуюся на расстояния, составляющие десятки и сотни солнечных радиусов. температуры ядер достигают 100 млн. градусов и более. Белые карлики по существу представляют собой те же ядра гигантов, но лишённые оболочки и остывшие до 8—10 тыс. градусов. Плотный газ ядер и белых карликов обладает особыми свойствами, отличными от свойств идеального газа. В нём энергия передаётся не излучением, а электронной теплопроводностью, как в металлах. Давление такого газа зависит не от температуры, а только от плотности, поэтому равновесие сохраняется даже при остывании З., не имеющей источников энергии.
Химический состав вещества недр З. на ранних стадиях их развития сходен с химическим составом звёздных атмосфер (см. Атмосферы звёзд), который определяется из спектроскопических наблюдений (диффузионное разделение может произойти лишь за время, значительно превосходящее время жизни З.). С течением времени ядерные реакции изменяют химический состав звёздных недр и внутреннее строение З. меняется.
Источники звёздной энергии и эволюция звёзд. Основным источником энергии З. являются термоядерные реакции, при которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые; чаще всего это — превращение водорода в гелий. В З. с массой, меньшей двух солнечных, оно происходит главным образом путём соединения двух протонов в ядро дейтерия (лишний заряд уносится рождающимся позитроном), затем превращением дейтерия в изотоп He3 путём захвата протона и, наконец, превращением двух ядер He3 в He4 и два протона. В более массивных З. преобладает углеродно-азотная циклическая реакция: углерод захватывает последовательно 4 протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в азот, затем распадается на гелий и углерод. Окончательным результатом обеих реакций является синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода с выделением энергии: ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль катализатора. Для сближения ядер на такое расстояние, когда может произойти захват, нужно преодолеть электростатическое отталкивание, поэтому реакции могут идти только при температурах, превышающих 107 градусов. Такие температуры встречаются в самых центральных частях З. В З. малых масс, где температура в центре недостаточна для термоядерных реакций, источником энергии служит гравитационное сжатие З.
Зная процессы передачи и выделения тепла, можно решить систему уравнений механического и теплового равновесия и рассчитать внутреннее строение З., имеющей данную массу. При этом вычисляются также радиус и светимость З., которые являются функцией массы. Полученные таким путём теоретические зависимости могут быть сопоставлены с диаграммами «масса — светимость» и «масса — радиус», составленными по наблюдениям З. Для З. главной последовательности результаты наблюдений согласуются с теорией. З. др. последовательностей теоретическим зависимостям не удовлетворяют. Причина появления др. последовательностей заключается в изменении химического состава недр З. в процессе эволюции. Превращение водорода в гелий увеличивает молекулярный вес газа, вследствие чего ядро сжимается, температура его растет, а соседний с ядром газ нормального состава расширяется. З. становится гигантом, причём на диаграмме Герцшпрунга — Ресселла она перемещается по одной из линий, называемых эволюционными треками. Иногда треки имеют сложный вид; перемещаясь по ним, З. несколько раз переходит от одного края диаграммы к другому и обратно. После расширения, а затем рассеяния оболочки З. становится белым карликом.
У массивных З. ядро в конце эволюции неустойчиво, радиус его уменьшается приблизительно до 10 км, и З. превращается в нейтронную (состоит из нейтронов, а не из ядер и электронов, как обычные З.). Нейтронные З. имеют сильное магнитное поле и быстро вращаются. Это приводит к наблюдаемым всплескам радиоизлучения, а иногда к всплескам также и оптических и рентгеновского излучений. Такие объекты называются пульсарами. При ещё больших массах происходит коллапс — неограниченное падение вещества к центру со скоростью, близкой к скорости света. Часть гравитационной энергии сжатия производит выброс оболочки со скоростью до 7000км/сек. При этом З. превращается в сверхновую З., её излучение увеличивается до нескольких млрд. светимостей Солнца, а затем постепенно, в течение ряда месяцев угасает. О происхождении и эволюции З. см. также в ст. Космогония.
