Well met!
Звёзды, подобно людям, рождаются, живут и умирают. Светят они по-разному. Кто-то – рок-звезда: горит ярко, но недолго. А есть и долгожители, которые пережили не одно поколение и находятся здесь бОльшую часть времени существования Вселенной. У людей на продолжительность жизни, правда, влияет большое число факторов. У звёзд же весь их процесс эволюции можно предсказать лишь по одному параметру – массе.
«Хорошего человека должно быть много», применим ли этот же принцип и к небесным телам, освещающих ночное небо над головой? Какие массы могут быть у звёзд и как это влияет на их «наследство», которое они оставляют своим потомкам?
Продолжение thread'а…
Эта публикация – продолжение обзорной статьи о звёздном нуклеосинтезе, где мы рассматривали механизм образования ядер до элементов группы железа. В прошлый раз охватить всё не удалось и в ближайшее время, что-то мне подсказывает, не удастся. Чтобы добраться до нуклеосинтеза тяжёлых элементов, образующихся в различных астрофизических сценариях с участием нейтронных звёзд, необходимо ввести в рассмотрение объект нейтронная звезда в принципе. Что это за зверь такой, откуда взялась и почему она нейтронная? Полезна она нам хоть чем-нибудь или это ещё одно очередное громкое словосочетание, придуманное астрономами (не путать с астрологами)?
Сегодня речь пойдёт о звёздной эволюции. Т.е. мы посмотрим, чем звёзды могут отличаться друг от друга и к чему это приводит. Но чтобы никого не обманывать или обманывать, но не чересчур много и нагло, разберёмся с опросом, оставшимся от прошлой обзорной статьи.
Большинство ответило на опрос правильно. Уран – самый редкий из перечисленных элементов в нашей солнечной системе. За ним идут торий → висмут → золото → иридий → платина. Относительное распределение элементов в нашей системе было исследовано [A. G. W. Cameron, «Abundances of the elements in the solar system», Space Science Reviews, V. 15, pp. 121-146 (1973)] на основе анализа метеоритов и химического состава солнца, масса которого составляет более 99% массы всей нашей системы. Нормированное на кремний распределение в солнечной системе приведено ниже, см. рис. 1.
А во Вселенной тогда какое? А вот вопрос! По Вселенной распределение должно быть чем-то средним по ансамблю всевозможных систем, галактик, туманностей. Одно можно сказать почти точно: поведение должно быть схоже с распределением солнечной системы. Почему? Водород и гелий – исходное топливо Вселенной. Горение водорода занимает большую часть жизни светил. Также в распределении должны быть локальные минимумы в нечётных Z (атомное зарядовое число/количество протонов в составе ядра). Это связано с меньшей энергией связи нечётных ядер. Такие элементы менее стабильны и в меньшей мере распространены.
Главная последовательность и кто сделал её тут главной
В период с 1908-1914 года, независимо друг от друга, датский астроном Эйнар Герцшпрунг (1873-1967) и американский астрофизик Генри Норрис Расселл (1877-1957) наблюдали за звёздными скоплениями и посвятили серию работ связи спектрального класса звёзд и их абсолютной звёздной величины. Диаграмма с нанесёнными на неё звёздами получила имя собственное – диаграмма Герцшпрунга-Расселла, см. рис. 2.
И чем же примечательна эта диаграмма? Всю жизнь звёзд можно изобразить в виде движения по этой диаграмме. Главная последовательность (main sequence) – самый длинный период жизни звезды (около 90%), на ней звезда находится большую часть времени. Горения водорода хватает для поддержания светимости объекта из-за чего он не сжимается, стабилен. Приблизительно 9/10 звёзд, которые вы возьмёте наугад из каких-нибудь каталогов или ночного неба, окажутся на этой самой последовательности. Теперь, по крайней мере, интуитивно понятно, почему она главная.
Под продолжительностью жизни звёзд будем понимать их «ядерный метаболизм». Звезда жива, пока она «переваривает» свои источники энергии.
Динамика звёздной эволюции: общие сведения
Основной параметр, по которому предсказывается вся эволюция любой звезды – её начальная масса. Отсюда можно получить все значения термодинамических величин в её слоях, определяя условия среды, при которых находится вещество. В прошлый раз мы говорили о том, что чтобы преодолеть кулоновскую силу отталкивания положительно заряженных ядер, частицы должны иметь какие-то запасы кинетической энергии, расходуя которые можно, замедляясь, сближаться. Замедляясь, но сближаться! А на маленьких расстояниях инициативу перехватит сильное ядерное взаимодействие, которое «перебьёт» кулоновское отталкивание и удержит ядра вместе. Ответственность за разгон частиц в среде берёт на себя температура. Больше масса звезды → больше плотность и температура в её недрах → больше каналов различных ядерных реакций доступны. По мере синтеза всё более тяжёлых ядер их заряд и масса растут, кулоновская сила отталкивания увеличивается. Нужно всё больше усилий, чтобы сблизить ядра, т.е. образование более тяжёлых элементов становится всё требовательнее и требовательнее. Так продолжается до элементов группы железа, имеющих наибольшую энергию связи ядер. Находиться в них энергетически «выгоднее» всего, но и параметры среды для их образования должны быть «жёстче».
Массы и вещества в единице объёма внутренних слоёв больше, чем во внешних. Плотность недр больше, чем плотность поверхности. К ядру стремится стянуться всё окружающее вещество. Такое вот «самопритяжение» звезды.
— «Да глупость это всё! Солнце – звезда, сколько не появлялось на небе, один и тот же размер примерно, ничего там не схлопывается.»
Всему виной давление, которое увеличивается с ростом плотности. Частиц много, температурой разогнаны, ударяются о «стенку сосуда», передавая ей импульс и создавая тем самым силу, препятствующую сжатию. Если добавить массы звезде, то притяжение станет сильнее, звезда подожмётся, плотность и температура в недрах повысятся. Как следствие, давление увеличится тоже. Сжатие прекратится.
Если в звезде где-то и начинают идти первые ядерные реакции, то в первую очередь это ядро – область с самой высокой температурой и плотностью. Т.е. в оболочке температуры может не хватить на горение водорода, в то время как в ядре из него вовсю будет синтезироваться гелий. Если слои не перемешиваются, то внутри находится гелий, снаружи – водород. Ядро становится плотнее (ядра гелия тяжелее водорода). Притяжение к нему увеличивается. Звезда чуточку поджимается. Температура внешних слоёв, как и ядра, становится больше. Давление повышается тоже. Сжатие прекращается. В какой-то момент водород начинает гореть всё в более внешних слоях. При постепенном сжатии повышается центральная концентрация гелия и температура. В какой-то момент может стать доступна реакция слияний ядер гелия в углерод. Синтезируется элемент тяжелее. Плотность ядра продолжает расти, понемногу притягивая внешние слои. Опять-таки, если при сжатии достигнется температура для горения углерода, то процесс циклически продолжится либо до нехватки температуры для открытия нового канала нуклеосинтеза, либо до формирования железа (до упора).
У звёзд больших масс условия в недрах солиднее. С увеличением температуры скорости реакций ядерного слияния возрастают (частицам легче преодолевать кулоновскую силу отталкивания, происходит это быстрее). Появившиеся в ядре тяжёлые элементы будут увеличивать центральную плотность, подтягивая внешние слои и повышая температуру. Куда уж больше! Очевидно, что по сравнению с маломассивной звездой ядерные реакции будут идти быстрее, сама эволюция будет идти быстрее. Время жизни массивных звёзд небольшое. Они очень быстро расходуют своё ядерное топливо. Но и светят такие объекты гораздо ярче братьев своих меньших (светимость L – количество энергии, излучаемое астрономическим объектом в единицу времени, она пропорциональная температуре и площади поверхности как ~ T 4 и R 2; если, например, температура уменьшится в 2 раза, а радиус увеличится в 4 раза, то суммарная светимость не изменится). Оно и понятно. Реакции идут интенсивнее. Энергии выделяется много, она излучается. Отсюда и сравнение с рок-звёздами: живут ярко, но недолго. Вообще, интересно, что всё большое в этом мире живёт недолго: большие звёзды быстро сгорают, тяжёлые ядра делятся/распадаются, тяжёлые калибровочные W±- и Z-бозоны имеют время жизни порядка 10−25 с.
Crash test
Ну, давайте брать массы начальных звёзд и смотреть, что происходит. Измерять массы будем в единицах массы Солнца. Несистемности мы не боимся:
Маленькие объекты с массами от 0.01 M⊙ до 0.08 M⊙ пренебрежительно обзывают коричневыми карликами, они же бурые карлики. Карлики, потому что маленькие. Коричневые (бурые), потому что имеют относительно низкую поверхностную температуру и тёмно-красный цвет поверхности. Их, кстати, даже к полноценным звёздам не относят. Они проявляют свойства как звёзд, так и планет. Например, самые большие из коричневых карликов имеют светимости самых тусклых звёзд, в их недрах может даже водород гореть!
— «Так все критерии для того, чтобы быть звездой выполнены! Зачем плодить эти бесчисленные названия для одних и тех же объектов?!»
Проблема заключается в том, что горит этот водород очень незначительно, ну не хватает мощности. Собственная светимость этих объектов больше того, что они подчерпывают от ядерного топлива. Суммарно энергия расходуется, происходит постепенное гравитационное сжатие карлика. Продолжается это до тех пор, пока не вмешается давление вырожденного вещества/кулоновского отталкивания (про это мы, кстати, ещё поговорим, и про вырождение, и про принцип Паули). Сжавшийся вырожденный коричневый карлик!
Коричневые карлики и маломассивные звёзды (M < 0.2 M⊙) полностью конвективны. Это означает, что более горячие, прогретые недра всплывают во внешние слои, подобно поднимающемуся вверх дыму от костра. Происходит перемешивание химического состава. То, что образовалось в недрах, равномерно «размазывается» по всему объёму объекта. Пропадает стратификация, присущая звёздам, в которых тяжёлые элементы сидят в ядре, а всё более лёгкие встречаются по мере продвижения во внешние слои.
На диаграмме Г-Р (см. рис. 2) коричневые карлики располагаются рядом с хвостом главной последовательности, внизу-справа, но на ней самой не располагаются. А их эволюция – это то, как выглядит астрономическая безнадёжность. Сжатия не хватает для разжигания топлива недр, хоть сжатие и приводит к повышению плотности и температуры. Когда давление вырожденного газа/кулоновского отталкивания скомпенсирует сжатие и оно прекратится, в ядре всё ещё не будет энерговыделения, необходимого для того, чтобы скомпенсировать затраты на светимость. И без того коричневый объект начнёт тускнеть, превращаясь в чёрного карлика (когда я гуглил чёрный карлик, чтобы прикрепить ссылку – было немного не по себе). Всё – финал! Бесконечно тускнеющий комок материи. Не так я себе представлял бессмертие. Кому-то такой финал может и по душе. А будь я звездой, то предпочёл бы иметь массу побольше.
Играем на повышение. Рассмотрим массы 0.08 M⊙ < M < 0.2 M⊙. Красные карлики. Всё ещё маленькие, чтобы перестать быть карликами. Однако, в отличии от коричневых карликов, горение водорода в них способно вывести эти звёзды на главную последовательность и удержать их там долгое время. Они несколько горячее и ярче коричневых карликов, отсюда и сдвиг в названии. Это уже полноправные звёзды. Располагаются они, кстати, недалеко от коричневых карликов на Г-Р диаграмме (рис. 2), но уже сидят на хвосте главной последовательности. Горят такие объекты очень долго. Их исследование затруднено из-за того, что время жизни таких ламп (триллионы лет) превышает время жизни Вселенной (13.8 миллиардов лет). Т.е. самые первые звёзды таких масс из начала времён доживают до сегодняшних дней и продолжают жить. Теоретически можно предсказать, что с ними должно произойти, однако пронаблюдать это нам пока ещё рано.
Звёзды таких масс, как мы оговорили выше, конвективны. Существенной разницы химического состава в различных слоях на начальных этапах нет. Для горения доступен весь водород, который доставляется к недрам благодаря конвекции (см. рис. 3). По мере генерации гелия в ядре конвекция в центральных областях прекращается. Светимость небольшая, поддерживается медленным горением водорода. Со временем повышается энерговыделение, светимость, температура, концентрация гелия. Объект начнёт отклоняться от главной последовательности с большим уклоном в горизонтальном направлении. Необходимых условий для горения образовавшегося гелия не возникнет. Ядерные реакции рано или поздно прекратятся. Сжатие будет удерживаться вырожденным веществом. Догорит последний водород и всё – постепенное охлаждение и тускнение. Где-то мы уже это видели.
Следующий диапазон – 0.2 M⊙ < M < 8 M⊙. Солнце, кстати, тоже зацепили. Обычные средние звёзды. Не карлики, не гиганты. Золотая середина. Водород горит, гелий синтезируется. Конвекции между ядром и внешними слоями нет. Гелий остаётся в ядре, однако условий для его горения пока нет. В таком состоянии звезда существует бОльшую часть времени, расположившись на диаграмме Г-Р (рис. 2) в центральных областях главной последовательности.
Накапливаемый гелий в ядре звезды пока ещё не может участвовать в горении. Водород начинает гореть в слоях, прилегающих к ядру (слоевой источник), поставляя ему больше гелия. Если условий для горения водорода в оболочке хватать не будет – не страшно, подожмёмся, прогреемся. Температура и светимость увеличатся, что соответствует почти движению вверх-вправо по диаграмме Г-Р. После запуска водородного горения в слоевом источнике более внешние за ним, напротив, расширятся и охладятся. Звезда станет больше и краснее. Такая динамика соответствует сходу с главной последовательности с последующим почти горизонтальным движением вправо (см. рис. 2). Светимость почти не изменится при охлаждении, поскольку звезда сильно раздуется. Звезда становится субгигантом. Эта стадия длится миллионы лет. По сравнению с миллиардами лет на главной последовательности – мгновение.
Если масса ядра 2 M⊙ < M < 8 M⊙ , то горение гелия в ядре начнёт вырабатывать углерод и кислород. С ростом плотности и началом сжатия повысится температура. Подобно водородному, зажжётся гелиевый слоевой источник. Внешняя оболочка вновь раздуется и охладится. Водородный слоевой источник потухнет. Тут возможны тепловые пульсации (см. рис. 7). Когда догорит гелий в источнике, звезда начнёт вновь сжиматься, температура и плотность повысятся. Потухший водород опять загорится, ровно как когда решаешь съесть что-то вкусное не за раз, а растянуть удовольствие. Горящий водород воссоздаст гелий, который недавно закончился. При последующим сжатии вновь загорится гелий. Расширение. Водород снова откладывается до «лучших времён». В результате таких осцилляций генерируется сильный звёздный ветер, выбрасывающий часть вещества наружу. Такие тепловые пульсации могут длиться сотни тысяч лет. Красота! Красота, однако, не вечна. Рано или поздно ресурс внешнего водорода израсходуется, ровно как и те «вкусняшки», которые вы откладываете на будущее. Дальше при сжатии ничего не загорится. Температура повысится. Новых источников энергии нет. Перспективы – остывание и тускнение с образованием белого карлика (о них будет сказано позднее), окружённого выброшенным веществом.
Если масса в подпромежутке 0.5 M⊙ < M < 2 M⊙ , то ядро находится в вырожденном состоянии (об этом чуть позже в пункте с белыми карликами). Горение гелия произойдёт взрывообразным образом с помощью гелиевой вспышки. Ядро начнёт нагреваться, но будет отсутствовать механизм его эффективного охлаждения, в результате чего повысится интенсивность горения гелия, что лавинообразно приведёт к ещё большему повышению температуры и ещё большему ускорению реакций. Светимость, однако, при таком сценарии практически не изменяется. Выделяемая энергия не доходит до поверхности звезды и поглощается внешними слоями и ядром, разогревая их до такой степени, что вырождение снимается, а вещество расширяется и охлаждается. Тепловые пульсации. Образование белого карлика, окружённого выброшенным веществом. На рис. 8 изображена одна из ближайших к нам (650 световых лет) туманностей «Улитка», которая есть не что иное, как это выброшенное вещество с белым карликом в остатке. Ещё её называют «Око Бога» или «Глаз Бога». У нас с вами (атомов, из которых мы состоим), кстати, есть все шансы войти в состав чего-то такого прекрасного в далёком будущем. Расширяющееся в будущем Солнце может поглотить Землю, а тепловые пульсации – симметрично разбросать вещество вокруг.
Если масса звезды 0.2 M⊙ < M < 0.5 M⊙ , то накопленный в ядре гелий так и не загорается. Недожали. Останется гелиевый белый карлик, сжатие которого сдерживает давление вырожденного электронного газа.
Если масса превышает M > 8 M⊙, то такие звёзды именуют сверхгигантами. В них гелий загорается ещё до стадии красных гигантов, а на конечных этапах эволюции в ядре производятся более тяжёлые элементы, вплоть до железа. Каким образом?
Если вещество ядра было вырождено, то механизм, препятствующий сжатию, имеет квантовую природу. При начале выделения большого количества энергии за счёт горения, например, углерода, у ядра звезды нет возможности эффективно охлаждаться. Давление остаётся таким, каким и было, объём не меняется. Повышение температуры приводит к ещё бОльшему ускорению реакций горения и, как следствие, ещё большему разогреву (как и с гелиевой вспышкой). Отсутствует механизм поддержания равновесного состояния. Энергия выделяется взрывным образом. Такие взрывы ещё называются сверхновыми. В результате такого взрыва могут синтезироваться ещё более тяжёлые элементы, чем железо, а главное, они могут выноситься наружу! Если ядро невырожденное, то горение всё более тяжёлых элементов до железа, имеющего наибольшую энергию связи, происходит постепенно. Звезда приобретает слоистую структуру (см. рис. 9). Рано или поздно в ядре начнут скапливаться элементы, которые не горят (железо Fe не горит), а масса ядра будет расти. Начнётся сжатие. И тут уже вопрос: что сдержит это сжатие и сдержит ли вообще?
Если в вырожденном ядре больше не идут реакции горения и сжатие удерживается давлением вырожденных электронов, то при горении слоевого источника во внешних слоях звезда сбросит оболочку в межзвёздное пространство с остатком в виде белого карлика, окружённым туманностью. Если давления за счёт вырожденного состояния не хватит, начнётся коллапс ядра, сопровождающийся высвобождением большого количества энергии с образованием нейтронной звезды или чёрной дыры (в зависимости от массы).
Белые карлики
Белый карлик – самое простое, что только может произойти со звездой в конце её жизненного цикла. По сути, это оставшееся вырожденное ядро звезды, которая сбросила свою оболочку и образовала планетарную туманность. От дальнейшего гравитационного сжатия его останавливает давление вырожденных электронов. Вырождение – состояние, при котором вещество приобретает новые экзотические свойства. При высоких плотностях, когда расстояния между частицами малы, в веществе начинают значительную роль играть квантовые эффекты. Да-да, те самые. В чём это проявляется? Электроны стараются занять состояния с минимально возможной энергией. Также существует так называемый принцип запрета Паули, который запрещает фермионам (частицам с полуцелым спином) находиться в одном квантовом состоянии. Уже догадались? Да, электроны являются фермионами. Сел, например, электрон в состояние с нулевой энергией. Всё! Место занято, ищите другое. Все сидячие места в транспорте рано или поздно заканчиваются, если людей много. Так и здесь. Электронов в веществе очень много. В итоге мы получим, что невообразимо большое количество электронов будут иметь очень большие импульсы (просто потому, что состояния с меньшей энергией уже заняты). Даже если температура вещества будет равно абсолютному нулю! А теперь эти высокоэнергетические электроны ударяются о стенку оболочки, создавая колоссальное давление, помогающее сдерживать обрушение объекта самого на себя. Повторюсь, такие свойства приобретает только вырожденное вещество. Таким оно становится либо при очень больших плотностях, либо при очень низкой температуре.
Звезды с массами M < 0.2 M⊙ приходят к такому состоянию без сброса внешней оболочки. Они химически однородны благодаря повсеместной конвекции и слоевой источник в них не загорается. Звёзды с массами M < 0.5 M⊙ оставляют после себя гелиевый белый карлик. Если масса звёзды находятся в диапазоне
0.5 M⊙ < M < 8 M⊙ , то температуры в ядре хватает, чтобы зажечь гелий с синтезом углерода и кислорода. На выходе получаем углеродно-кислородный белый карлик.
При увеличении массы давления вырожденных электронов уже хватать не будет, сжатие продолжится. До каких пор? Пока не проявится какой-либо новый эффект, возникающий только при экстремальных состояниях вещества. Про это уже в пункте нейтронные звёзды.
Какие типичные характеристики такой штуки? При массе порядка солнечной 1 M⊙ этот объект имеет радиус в сотни раз меньше Солнца. Белые карлики – потребители. Они не производят энергии, лишь излучают наработанное. Участь у них такая же, как и всех объектов, в названии которых фигурирует слово карлик. Постепенное остывание и тускнение. Чёрный карлик. Длиться, правда, такой переход может миллиарды лет. Новорождённые белые карлики могут иметь температуру поверхности в несколько десятков тысяч кельвинов! На диаграмме Г-Р (см. рис. 2) она располагаются внизу-слева. Светимость маленькая, потому что поверхность маленькая. Температуры большие.
Нейтронные звёзды
До каких пор вырожденные электроны сдерживают ядро оставшейся звезды, белый карлик, от дальнейшего сжатия? Предельный случай носит имя собственное – предел Чандрасекара, который равен примерно 1.4 M⊙. При массах ядра больше происходит дальнейшее сжатие.
— «Ну, и какие костыли вы теперь придумаете, чтобы объяснить, почему сжатие остановится?»
При дальнейшем повышении плотности будет происходить нейтронизация вещества. Плотности и температуры растут. При высоких температурах фотоны просто выбивают нуклоны из состава ядер. Много энергии у фотонов, могут себе позволить. Электроны будут захватываться выбитыми протонами, образуя много свободных нейтронов. Взрывным образом выделится огромное количество энергии. Такие события получили общее название взрыв сверхновой. В процессе взрыва внешняя оболочка сбрасывается, обогащая межзвёздную среду химическими элементами, в том числе тяжёлыми.
Нейтроны, кстати, тоже фермионы, только помассивнее электронов (примерно в 2000 раз тяжелее). Как и в случае с вырожденными электронами, свободные вырожденные нейтроны начнут рассаживаться по состояниям, начиная с наименьшей энергии. В итоге последние из них, как и электроны, будут иметь большие энергии и импульсы. Давление, создаваемое вырожденными нейтронами, превышает давление вырожденных электронов. Мы получаем новый источник сдерживающего сжатие давления.
— «Я читал про нейтроны, что они нестабильные и распадаются. Там период полураспада всего 10 минут.»
Это так. Только в таких экстремальных условиях нейтрон становится стабильной частицей. Вспоминаем, если читали, предыдущую статью. Нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. А разница масс нейтрона и продуктов распада – это та энергия, которая выделится. Распределиться она может по-разному: придать энергии как электрону, так и антинейтрино. Но что важно – электрон не может получить кинетической энергии больше, чем эта разница масс. Ну просто неоткуда её взять, закон сохранения энергии. Но ведь снаружи, в среде, у нас туча вырожденных электронов, которые не только все сидячие места заняли, но и стоячие, и лежачие, в багажнике, на крыше. Выходит электрон из нейтрона, смотрит, а заняты всевозможные состояния, негде встать. И отойти на состояние с большой энергией он не может. Откуда взять энергию на это? В итоге не распадается нейтрон при таких условиях, не может из него электрон выйти, старайся/не старайся. Вот и ответ на вопрос, почему звёзды нейтронные.
Чем нейтронные звёзды интересны? Это рубежный компактный объект перед чёрной дырой. Для дальнейшего сжатия костылей уже нет, только чёрна дыра. Радиусы нейтронных звёзд всего 10 км, как размер города! Плотности их внешних слоёв как в недрах звёзд. А центральные плотности должны превышать плотность атомного ядра! Плотность, превышающая 2⋅1014 г/см3! Строение их недр до сих пор под вопросом. Считается, что там может находиться кварковая материя (рис. 13).
Если родительская звезда как-то вращалась, то при сильном сжатии, вследствие закона сохранения момента импульса, получающаяся нейтронная звезда будет очень сильно закручена. Известны нейтронные звезды, делающие несколько сотен оборотов за 1 секунду! То же самое и с магнитным полем. За счёт сохранения магнитного потока магнитное поле таких звёзд изменяется квадратично радиусу. Если звезда сжалась и радиус её уменьшился в 1.000 раз, то магнитное поле возрастёт в 1.000.000 раз! Поля таких объектов могут достигать 1012-13 Гс (среднее магнитное поле Земли не превышает 1 Гс, т. е. в 1012-13 раз слабее). Жить нейтронные звёзды могут ещё дольше белых карликов (запасов энергии больше). Их начальная температура порядка 1011 Кельвинов. В первые минуты жизни они очень быстро остывают до температур 108-9 Кельвинов благодаря нейтринным потерям энергии. В дальнейшем темп остывания замедляется.
Вклад автора.
Прямо сейчас я работаю именно с этими объектами. В своей последней работе я изучал эволюцию химического состава во внешней оболочке только что сформировавшейся нейтронной звезды. В рассмотрение были включены множество ядерных реакций, быстрое охлаждение за счёт нейтринных потерь энергии, эффекты вырождения и принцип запрета Паули. Ввиду отсутствия экспериментальной информации по нейтронноизбыточным ядрам, для их энергий связи использовалась теоретическая массовая модель. Была показана возможность образования тяжёлых ядер во внешних оболочках этих объектов, а также сделаны оценки запасённой ядерной энергии.
Вообще, физика нейтронных звёзд полна красок: сверхпроводимость, сверхтекучесть, нуклеосинтез тяжелейших в природе элементов и ещё множество до конца неисследованных вещей. Говорить о них можно много и долго. Если людям будет нравиться, что и как я рассказываю – то им будет посвящена ещё не одна работа.
Чёрные дыры
Парад самых компактных объектов во вселенной замыкают чёрные дыры. Когда масса ядра превышает предел Оппенгеймера-Волкова (2–2.5 M⊙, но это всё неточно – чтобы посчитать такие пределы, необходимо знать уравнение состояния для материи с ядерной плотностью, а такое изучено плохо), то никакие вырожденные нейтроны уже не спасут. Всё обрушается до упора. Настолько до упора, что мы даже не совсем понимаем, что в итоге получается. Про чёрные дыры можно говорить тоже много и долго.
Почему они чёрные? Они настолько плотные, что вторая космическая скорость для них равна скорости света. Это означает, что нужно двигаться со скоростью света, начиная с некоторой области, называемой горизонтом событий, чтобы вас не засосало внутрь. С такой же скоростью всё обрушается в сами чёрные дыры. Сами фотоны не могут выйти из-под этого горизонта событий. Всё, что попадает туда – утеряно. То, что мы с вами видим своими глазами – это приходящие к нам фотоны. От чёрной дыры фотонов прийти не может, потому и не видим мы ничего, чёрные они. Имеют крайне низкую температуру, почти нулевую.
— «Так всё, получается. Рано или поздно они всё поглотят. Увеличиваются и увеличиваются. Ничто их не может остановить?»
Жить такие объекты могут намного дольше, чем уже прожила Вселенная. И не всё так безнадёжно. Излучение Хокинга. Представить себе этот процесс можно следующим образом: вакуум вблизи горизонта событий как бы одалживает у чёрной дыры энергию для рождения пары частица-античастица. Если бы они аннигилировали, то выделилась бы ровно та энергия, которая потребовалась для их рождения. Но если одну затянет под горизонт, а вторая, наоборот, улетит подальше, то получится, что чёрная дыра вернула себе лишь половину того, что она заняла вакууму. Таким образом чёрные дыры могут терять энергию, а следовательно, и массу. Здесь важно не злоупотреблять такими визуализациями. Подобные объяснения хороши для тех, кто не хочет заходить на кухню к квантовой механике, кто хочет согласовать на интуитивном уровне сложные эффекты со своим представлением о мире. В них замалчиваются многие вещи. Взять хотя бы то, что частицы не локализованы в конкретном месте пространства, а размазаны по области с размерами порядка радиуса чёрной дыры.
Т.к. это предельный объект, естественная природная граница, то здесь ограничений на массу уже нет. Милларды солнечных масс? Не вопрос. Здесь мы затрагиваем чёрные дыры только как продукт жизнедеятельности звёзд, поэтому ничего про искривление пространство-времени, спагеттификацию, линзирование, гравитационные волны и прочее здесь сказано не будет.
Заключение
— «Не верится, закончил!»
Да, действительно, вышло немало. Мы, кстати, рассматривали лишь эволюцию одиночных объектов, которые живут, никого не трогают. Попробуй прожить сегодня, ни с кем не взаимодействуя! Туда сходи, за то заплати, здесь распишись. Так и на астрономических масштабах. Звёзды могут эволюционировать, например, парами. И результаты могут получаться самыми разными. Рассмотрение кухни эволюции тесных двойных систем достаточно времязатратное и энергоёмкое занятие, поэтому пока отложим...
Для связи с потенциальным постом в будущем предлагаю пройти опрос. Спасибо за внимание.
Комментарии (62)
me21
30.07.2022 16:10А вот что значит "электроны не могут находиться в одном квантовом состоянии"? Ведь не только энергия входит в это состояние, но и, например, координаты? Получается, что в одной точке звезды электрон может иметь низкую энергию, но и в другой точке звезды другой электрон тоже может иметь низкую энергию?
Дело в том, что на все электроны всё равно места в звезде не хватит с учётом принципа неопределенности? Если мала энергия, то мал импульс, следовательно неопределенность координат велика, и электрон "занимает большое пространство", в котором не может находиться другой электрон?
SchrodingerKitty
01.08.2022 01:01Ответ неправильный . Причем в корне противоречит квантовой механике.... В ней наблюдаемые либо координаты, либо импульсы но не обе наблюдаемые сразу. Для рассмотрения вырожденных состояний звезд, обычно пренебрегают кулоновским взаимодействием и считают вырождающиеся частицы свободными. И тогда нужно посчитать сколько в ящике определенного объема возможно импульсных состояний (спин еще учесть надо)
Lirts Автор
01.08.2022 01:52Квантовая механика, в каком-то смысле, о вероятностях и о средних. Представить это можно следующим образом. Уменьшая объём системы, вы уменьшаете локализацию электронов. Разброс в импульсах становится больше. Среднее значение импульса растёт.
В классической механике мы состояние частицы ясно себе представляем в виде точки в 6-мерном пространстве (3 координаты, 3 импульса). Решаем уравнение движения. В квантовой так точки в 6-мерном пространстве нарисовать уже не получится. За раз можем узнать либо тройку координат, либо импульсов. Частицы становятся «размазанными». Вместо квантового состояния в виде точки приходится представлять квантовое состояние в виде объёма в этом пространстве, которое ещё называют фазовым. И вот в этом кубике/элементе/объёмчике может сидеть одна частица (ну либо две в случае с электронами, спин плюс/минус). Весь объём фазового пространства, делённый на количество этих маленьких кубиков, заполняющих его, есть количество этих состояний.
Точнее об определении состояний свободных невзаимодействующих друг с другом электронов в ограниченном объёме можно посмотреть, например, здесь + здесь (caution! english). Теормин: либо знать УШ, либо иметь априорную веру в него + решение диффуров.
johnfound
30.07.2022 16:41В черную дыру ничего не может упасть в принципе, потому что для внешнего наблюдателя время вблизи горизонта событий течет все медленнее и медленнее, а на самом горизонте останавливается. То есть ЧД дырой никак не является. Поэтому можно (и как по мне нужно) говорить, что коллапс останавливается из за релятивистского замедления времени. Точки разрыва, они встречаются только в математике. В природе не наблюдаются.
vassabi
30.07.2022 16:58то есть : как только "долетаешь до центра ЧД" - то обнаруживаешь, что он уже весь кончился (ЧД испарилась) ?
johnfound
30.07.2022 17:15Ну не до центра, а только до горизонта событий.
П.С. Кстати, так как ГС появляется в результате падения звёздного вещества к центру, то вполне вероятно, что и истинный ГС не появляется из за замедления времени. Он обязательно появится, но через бесконечное время.
Tarakanator
01.08.2022 11:15Нет, речь была про внешнего наблюдателя, и то, на практике ЧД будет чёрной.
PrinceKorwin
30.07.2022 17:49+1В черную дыру ничего не может упасть в принципе, потому что для внешнего наблюдателя время вблизи горизонта событий течет все медленнее и медленнее, а на самом горизонте останавливается.
По мне так у вас явное противоречие. Сначала вы говорите, про тело падающее в ЧД, но потом переходите к внешнему наблюдателю и потому, что он видит приписываете к поведению падающему телу. Но это ведь не так.
То что видит внешний наблюдатель отличается от того, что происходит в ЧД. С точки зрения падающего тела при пересечении горизонта событий у него все пути ведут в центр ЧД.
Но я не специалист в теме. Просто мимокрокодил.
kipar
30.07.2022 18:21+1Но падающее тело и есть внешний наблюдатель — пока оно не пересекло горизонт событий. Т.е. с точки зрения космонавта приближающегося к горизонту событий, когда до горизонта событий останутся считанные микрометры, звезды окружающей Вселенной начнут стремительно эволюционировать и гаснуть, а ЧД будет испаряться прямо у него под ногами, но горизонт он так и не пересечет.
flx0
30.07.2022 21:01+1Но падающее тело и есть внешний наблюдатель — пока оно не пересекло горизонт событий.
Это не так. Грубо говоря, падающее тело падает с достаточной скоростью, чтобы бесконечное время сжалось в его перспективе до конечного. В собственном времени падающего тела, оно пересекает горизонт и даже не замечает этого (при условии, что сам горизонт является постоянным).
Чтобы для внешнего наблюдателя работали координаты Шварцшильда (а "зависание" над горизонтом появляется именно в них), он должен быть неподвижен относительно черной дыры.
kipar
31.07.2022 10:12+1С точки зрения падающего тела — да, это конечное время. Проблема в том что за это конечное время пройдет бесконечное время для остальной вселенной и соответственно ЧД успеет испариться до момента перехода через горизонт.
Tarakanator
01.08.2022 11:21+1Из того, что для внешнего наблюдателя падающее тело падает бесконечное время вы делаете неверный вывод о том, что у внешнего наблюдателя время течёт в бесконечное количество раз быстрее. Но это не так, т.к. наблюдаемый эффект в первую очередь возникает не из-за замедления времени, а из-за увеличения времени, которое нужно фотону чтобы дойти от падающего тела до наблюдателя
kipar
01.08.2022 13:11Вот астроном с Земли видит как падающее тело находится в миллиметре (условно) от горизонта событий. Проходит триллиард лет, астроном видит как ЧД от излучения Хокинга уменьшилась вдвое, а падающее тело уже в половине миллиметра. Проходит еще триллиард лет, ЧД почти иссякла, а падающее тело находится уже в микрометре от горизонта событий. С точки зрения астронома Земли я верно излагаю картину?
Tarakanator
01.08.2022 13:27нет, тут вопрос что значит видит.
По часам астронома:
тело в секунде от горизонта ЧД-астроном видит по фотону от тела каждую МИКРОсекунду.
через пол секунды-астроном видит по фотону каждую МИЛЛИсекунду.
ещё через четверть секунды-астроном видит по фотону каждую секунду.
ещё через 1/8 секунды астроном видит по фотону каждую тысячу секунд.
И возникает вопрос. Что значит астроном видит? Если следующего фотона ждать дольше, чем живёт астроном, но когда-то, вероятно, этот фотон будет. Значит ли это что астроном видит тело?
Если астроном "видит" тело, даже не получая от него фотонов, то да, вы верно излагаете.kipar
01.08.2022 13:45ну да, пусть фотоны приходят нечасто, но все-таки приходят, а наш астроном терпеливый. И вот он видит, что когда космонавт в половине миллиметра, то ЧД уже наполовину испарилась, а когда он видит что космонавт в микрометре, то ЧД уже испарилась почти до нуля (и через доли секунд от нее не останется ничего т.к. чем меньше ЧД тем сильнее излучение).
А теперь посмотрим с точки зрения космонавта. Разве когда он будет в половине миллиметра от ЧД, та не будет в два раза меньше? А когда он будет в микрометре (а по его часам это произойдет почти сразу), ЧД разве не окажется на грани испарения?
Или наш астроном видит некий призрак космонавта, пока сам космонавт давно за горизонтом? Но ведь связь можно организовать и двухстороннюю (до пересечения горизонта).
Tarakanator
01.08.2022 14:05с точки зрения космонавта не будет.
Да, астроном видит "призрак" космонавта
Связь будет подвержена такой-же призрачной проблеме.
Да мы и сами в некотором роде видим призраков. Мы же видим солнце не там, где оно сейчас, а там где оно было около 8 минут назад.
В случае с падающим космонавтом такой-же эффект, только сильнее, и время задержки не постоянно, а очень быстро растёт.kipar
01.08.2022 14:41Пусть теперь космонавт не только посылает фотоны, а еще получает фотоны от астронома. И вот через триллиард лет астроном отправляет фотон с весточкой "у нас тут галактики погасли, ЧД сократилась вдвое и излучает в 8 раз активнее, как у вас там?". Космонавт получает этот фотон за полмиллиметра до горизонта событий (для него прошли доли секунды, так что отвечать приходится быстро) и успевает послать ответ. И что же он напишет в ответном фотоне - "переписывайте теорию, ЧД какой была такой осталась?"
Tarakanator
01.08.2022 14:52нет, космонавт получит этот фотон когда уже давно будет под горизонтом событий. над горизонтом будет то место где в последний раз астроном видел космонавта.
гуглоперевод первой попавшейся статьиHidden text
Сможет ли наблюдатель, упавший в черную дыру, стать свидетелем всех будущих событий во Вселенной за пределами черной дыры?
Нормальное представление этих гравитационных эффектов замедления времени может привести к ошибочному заключению. Верно, что если наблюдатель (А) неподвижен вблизи горизонта событий черной дыры, а второй наблюдатель (В) неподвижен на большом расстоянии от горизонта событий, тогда В увидит, что часы А идут медленно, и A увидит, что часы B тикают быстро. Но если А падает к горизонту событий (в конечном итоге пересекая его), а В остается неподвижным, то то, что каждый видит, не так прямолинейно, как предполагает описанная выше ситуация.
Как B видит вещи: A падает к горизонту событий, фотонам из A требуется все больше и больше времени, чтобы выбраться из «гравитационного колодца», что приводит к кажущемуся замедлению часов A, как их видит B, и когда A находится на горизонте, любому фотону, испускаемому часами А, требуется (формально) бесконечное время, чтобы добраться до Б. Представьте, что часы каждого человека излучают один фотон за каждый такт часов, чтобы было легче думать об этом. Таким образом, А кажется застывшим, как его видит Б, как вы и говорите. Однако А пересек горизонт событий! Это всего лишь иллюзия (буквально «оптическая» иллюзия), которая заставляет Б думать, что А никогда не пересекает горизонт.Как А видит вещи: А падает и пересекает горизонт (возможно, за очень короткое время). A видит часы B, излучающие фотоны, но A мчится прочь от B, и поэтому никогда не может собрать больше, чем конечное число этих фотонов, прежде чем пересечет горизонт событий. (Если хотите, вы можете думать об этом как об отмене гравитационного замедления времени эффектом Доплера --- из-за движения A от B). После пересечения горизонта событий фотоны, поступающие сверху, нелегко сортировать по происхождению, поэтому А не может понять, как продолжали идти часы В.
Конечное число фотонов было испущено А до того, как А пересекло горизонт, и конечное число фотонов было испущено В (и собрано А) до того, как А пересекло горизонт.
Вы можете спросить, что, если бы А так медленно опускалась к горизонту событий? Да, тогда эффект Доплера не вступал бы в силу, ДО ТОГО, КАК на каком-то практическом пределе, А не подошел бы слишком близко к горизонту и не смог бы удержаться от падения. Тогда А увидел бы только конечное количество фотонов из В ( но теперь большее число --- покрывающее больше времени B). Конечно, если А «продержится» достаточно долго, прежде чем действительно рухнет, то А сможет увидеть будущее развитие Вселенной.
Вывод: простое падение в черную дыру не даст вам представления обо всем будущем Вселенной. Черные дыры могут существовать, не участвуя в последнем большом сжатии, и материя может попасть в черные дыры.
kipar
01.08.2022 14:57Под горизонтом мы не можем сказать что он получит, но ведь до горизонта он вполне будет наблюдать как сообщения от астронома приходят всё чаще и чаще, т.е. время снаружи тикает быстрее. Почему бы ему не получить то которое отправлено через триллиард лет?
По ссылке http://www1.phys.vt.edu/~jhs/faq/blackholes.html#q11 от автора поста говорится "Вы можете считать что допплеровский эффект отменяет эффект замедления времени", но что если последний из еще прошедших фотонов встретился как раз за полмиллиметра до горизонта событий?
Tarakanator
01.08.2022 15:03не будет получать чаще, т.к. каждому следующему фотону придётся пролетать всё большее расстояние.
Хотя хз какой эффект переборет, не уверен что они в 0 сойдутся.
Потому, что когда он получит фотон, отправленный через триллиард лет он уже давно будет под горизонтом.
johnfound
01.08.2022 21:07Фотоны всегда, всегда в вакууме движутся с одинаковой скорости относительно произвольной системы отсчета. Те фотоны, которые вылезают из ЧД меняют только энергию – то бишь частоту. Другими словами – краснеют.
Tarakanator
01.08.2022 21:27Тут важны нюансы. Я не смогу правильно объяснить, но могу привести контрпример.
Если бы это было так, то ничего не мешало потыкать палкой под горизон ЧД(если палка достаточно прочная). Или вылететь оттуда фотону. Но нет.
Ваше утверждение верно для СТО, но не ОТО. А ЧД это ОТО.
johnfound
02.08.2022 01:37Просто приведите формулы. Как по мне, в вакууме у фотонов скорость всегда == c.
Может путаете с Disk world — там да, свет замедляется из за повышенного магического фона.
Tarakanator
02.08.2022 08:54
1)А я и не говорил что скорость света не С. Она С. Но только для часов, находящихся там-же где и фотон. Как пример гравитационное замедление времени. Если часы в грав поле идут медленнее(относительно часов вне этого поля) то и фотоны летят медленнее (в противном случае по локальным часам фотоны бы летели быстрее)
2)формул не будет, я не настолько пылаю энтузиазмом чтобы ковырять ОТО.
3)я не путаю
Tarakanator
01.08.2022 11:18+1пересечёт.
Вы приписываете замедление НАБЛЮДАЕМОГО внешним наблюдателем течения времени из-за увеличивающегося времени долёта фотонов, наблюдателю который находится в объекте наблюдения(тому что падает в ЧД).
johnfound
30.07.2022 21:27«Наблюдатель» как таковой в ЧД упасть не может, а даже если и может, вернуться и рассказать не сможет никогда. Так что рассуждать с точки зрения падающего в ЧД космонавта может и интересно, но бессмысленно. Но в ЧД может упасть просто материя. И падает – т.н. аккреционные диски – это именно материя которая как бы падает внутри ЧД.
На самом деле, эта материя только размазывается тонким слоем (а может и не совсем тонким) перед ГС и дальше пройти не может – из за замедления времени. Тем же самым образом, материя звезды вероятно тоже не успела сколапсировать до ЧД. И все те объекты которые ученые называют черными дырами, на самом деле ЧД не являются потому что коллапс не закончен и закончить не может в принципе.
Ну, это конечно если ОТО верна.
Gorthauer87
31.07.2022 12:34То есть чёрная дыра это такой вот пузырь материи на границе горизонта событий, а внутри ничто?
johnfound
31.07.2022 17:36Нет, не пузырь. Во время образования внутри материя уже была и никуда она деться не может в принципе. Плотность материи в центре коллапсара максимальная и поэтому эффекты ОТО должны начаться именно туда. Может ли так появится ГС (из за того что уже есть материя внутри нужного радиуса) я не знаю. Но совершенно ясно, что вне зависимости от того образовался ли ГС или застыл на грани образования, то внутри ничего уже упасть не может – вся материя будет застывать на поверхность ЧД и размазываться очень тонким слоем. Что там происходит с материей черт знает. Возможно например что из за замедления времени принцип Ферми не выполняется из за соотношения неопределённости – ведь пока для нас проходят миллиарды лет, для частиц на поверхности ЧД проходит например аттосекунда или даже меньше. За это время можно нарушить по сути все законы квантовой физики и ничего плохого не будет – квантовая флюктуация и все.
Tarakanator
01.08.2022 11:22Нет, аккреционный диск снаружи ЧД. И даже не впритык к ней.
johnfound
01.08.2022 11:23Если какая-то материя из аккреционного диска падает на ЧД, то он хотя бы в точку, но должен быть впритык. Иначе ну никак.
Tarakanator
01.08.2022 11:35Вот у вас есть чайник(акреционный диск). Из чайника вода(материя) попадает в кружку(ЧД).
При этом чайник не обязан соприкасаться с кружкой.johnfound
01.08.2022 21:10Нам интересна именно вода. А не чайник.
Tarakanator
01.08.2022 21:37В таком случае какой размер Земли? Даже за 100500км от земли можно найти молекулу её атмосферы. Значит её размер по крайней мере 100500км? Ну судя по вашей логике.
Ну или другой пример с водой, может вам больше понравится.
Висит треснувшая ёмкость с водой. Из неё вода капает в лужу.
Вопрос: где находится вода?
Любой нормальный человек скажет в луже и ёмкости. И только тот кто желает доебаться будет утверждать что вода находится ещё и в падающей капле.johnfound
02.08.2022 01:39Не знаю о чем вы. Я говорил о материи, которая падает на ЧД. Чайники приплели вы.
Tarakanator
02.08.2022 08:57Вы говорили про то, что такое аккреционный диск, и ваше определение явно неверно.
т.н. аккреционные диски – это именно материя которая как бы падает внутри ЧД.
Если я кину кирпич в сферическую ЧД в вакууме, то кирпич (материя) в ЧД упадёт, а никакого аккреционного диска не будет.
Hvorizmy
31.07.2022 17:20Для попавшего за горизонт событий тела время падения в его системе отсчёта вполне себе конечно
johnfound
31.07.2022 17:49Для фотона, все расстояния во вселенной равны нулю. В его системе отсчёта фотон рождается и сразу поглощается. Но этот факт нам никак не помогает передавать информацию мгновенно на больших расстояниях.
А насчет падающего космонавта – да, теоретически в его системе отсчёта время будет конечно, но с той разницы, что он смотря назад, должен в это конечное время увидит всю жизнь вселенной до бесконечности и только потом упасть в ЧД. А как говорили уже, эти события, которые он будет смотреть включают и испарение той ЧД в которой он падает. Так что вполне возможно в это конечное время, космонавт просто увидит и как исчезает ЧД, а он очутившись в далёком будущем просто продолжит летать по инерции в пустом пространстве.
kipar
31.07.2022 22:59тут правда прикол в том что когда ноги космонавта будут в микрометрах от черной дыры его голова продолжит падать, т.к. замедление времени для нее будет слабее на много порядков. Так что его тоже сначала размажет тонким слоем по поверхности.
Ну и второй момент. Хотя плоский космонавт будет по-прежнему думать что приближается к горизонту, на самом деле для внешней вселенной он уже оказался под горизонтом. Так как его масса оказалась достаточно близко к ЧД и соответственно радиус горизонта вырос.johnfound
01.08.2022 08:12Вот поэтому мне и не нравится рассуждать про космонавты и их СО. Правда, физики говорят, что если ЧД достаточно большая (та что в центре галактики), то градиенты будут небольшие и космонавта не размажет. Но это дело не меняет, так как согласно ОТО для нас ничего упасть в ЧД не может. Так что для нас (внешних наблюдателей) ЧД дырой не является несмотря на ее размер.
kipar
01.08.2022 08:21Если ее масса не меняется — не может. Но если к ней приблизить достаточно много вещества, то объект (ЧД+это вещество) сам по себе будет черной дырой с горизонтом событий большего радиуса и соответственно можно считать что вещество туда упало а ЧД выросла. И все это будет происходить за конечное время.
johnfound
01.08.2022 10:46Это конечно возможно, но оно работает на эффектах второго порядка и без серьезного анализа утверждать что либо нельзя. Например вопрос – падающее тело расплющиваясь образует бугорок на поверхность ЧД. ГС тоже будет с бугорком? Как долго? Будет ли возмещение распространяться волной по поверхность ЧД? Из за чего эта волна затихнет? И затихнет ли?
kipar
01.08.2022 11:12Конечно по этому поводу провели много серьезного анализа. Гравитационные волны, аккреционные диски, всякие там релятивистские джеты.
Но после излучения гравитационных волн дыра успокоится и снова станет обычной ЧД без волос.
Tarakanator
01.08.2022 11:14Насколько я понял ваша интерпретация неверна.
с точки зрения наблюдателя количество информации от падающего в ЧД постоянно уменьшается, т.е. в определённый момент наблюдатель перестанет видеть то, что падало в ЧД. Т.е. увидит черноту.johnfound
01.08.2022 21:13Да, это так. Но этот «определённый момент» находится в бесконечном будущем. По крайней мере так утверждает ОТО.
Tarakanator
01.08.2022 21:32Не так. в бесконечно далёком будущем ты получишь последний фотон.
Но получать фотоны с хоть сколько либо разумной частотоы ты перестанешь очень быстро.
Если грубо то количество получаемых фотонов за единицу времени это убывающая геометрическая прогрессия. При чём она сходится. Я натыкался когда-то на рассчёт того как быстро объект превратиться из хорошо освещённого в отсутствующий, для человеческого глаза, если НЕ учитывать красное смещение. Учитываются только количество фотонов. Речь шла о секундах.johnfound
02.08.2022 01:59Конечно, бесконечность и "сколь разумной частоты" не совсем совместимы. И что? Мы рассуждаем о испарении ЧД, жизнь белых карликов и нас не смущает, что эти процессы займут намного дольше чем жизнь реальных наблюдателей. Падение вещества в ЧД явление такого порядка.
Да, мы очень быстро не сможем увидеть глазами предмет падающий в ЧД. Но есть приборы. Которых можно и усовершенствовать. И все таки увидеть, зарегистрировать, что предмет все ещё не упал за ГС. (Или что упал – эксперимент есть эксперимент и каждый результат допустим).
К тому же, все это (надеюсь хоть это понятно) мысленные эксперименты. Реальный космонавт, падающий в реальную ЧД превратится в горстку элементарных частиц намного раньше чем даже приблизиться к горизонту событий. И никакие сообщения не сможет посылать. К тому же, доступ к черной дыре скоро не получим. Ну кроме как если она сама не долетит.
А в мысленных экспериментах, можно использовать и идеальные наблюдатели в виде точки (чтобы не размазывало от градиента гравитации) и бесконечно жаростойкие, чтобы не превращались в плазму и бесконечно живущие, чтобы хоть тот что на отдаление, смог закончит эксперимент и написать статью о нем.
Tarakanator
02.08.2022 09:04Реальный космонавт, падающий в реальную ЧД превратится в горстку элементарных частиц намного раньше чем даже приблизиться к горизонту событий.
Зависит от массы ЧД
И все таки увидеть, зарегистрировать, что предмет все ещё не упал за ГС.
Этот эксперимент бессмысленен.
Представьте себе что есть ракета ВЕЧНО ускоряющаяся при 1g и каждую секунду по локальным часам испускающая по одному фотоны пока не испустит 10^100 фотонов.
А мы прибором улавливаем фотоны, прилетающие от этой ракеты.
Первый мильён фотоном вы приняли, уже помер тот учёный что этим занимался, но мы создали супер-пупер прибор И он принял все эти 10^100 фотонов.
И выяснил что ракета не пересекла горизонт событий(скорость света) Ну и толку от этого вывода? разве кто-то в этом сомневался?
Ваша попытка замерить зависание на границе ЧД имеет ровно столько-же смысла.
И да, в этом эксперименте не учитывается расширение пространства.
TheDenis
31.07.2022 12:16+1В своей последней работе я изучал эволюцию химического состава во внешней оболочке только что сформировавшейся нейтронной звезды.
Жаль, а может, наоборот, замечательно, что такая работа не предполагает командировок с выездом на место изучения.
И снова спасибо за статью!
Lirts Автор
01.08.2022 02:13Отсутствие возможности «подойти и пощупать» часто порождает обсуждения, что «астрофизики сидят там, ничего не делают, что хотят, то придумывают. Насколько правда – без понятия, но звучит прикольно!»
Рад, что вам понравилось. Надеюсь, в будущем статьи будут становиться только интереснее и понятнее.
punhin
31.07.2022 12:29+1Говоря про разные виды звёзд, мы сравниваем их с нашим Солнцем, соизмеряя звёзды через массы Солнца. Но вот вопрос: как она меняется со временем (и, возможно, какие тенденции этих изменений могут быть), ведь Солнце теряет огромную массу вещества в виде солнечного ветра, но в то же время и получает "подарочки" из космоса (всё, что пролетало мимо него и оказалось захвачено гравитацией)?
Lirts Автор
01.08.2022 02:37Массу солнце, конечно, теряет. Порядка миллиона тонн в 1 сек! Но если оценивать по порядку величины, то для существенного уменьшения, например, на пару % от всей массы Солнцу потребуется 10^{12} лет. Много!
Это как с постоянной Хаббла. Не такая уж она и постоянная на самом деле. Но в рамках нашей временной эпохи она практически не изменяется. Так и с массой Солнца на главной последовательности.
"Подарочки" из тех же соображений существенно массу его увеличить не могут. Тепловые пульсации – уже немного другая история.
Tarakanator
01.08.2022 11:01+11)у нас есть надежда увидеть конечную стадию эволюции маломассивных звезд.
Если начинала она жизнь как более массивная, а потом часть её массы кто-то съел.
2)Если поломать нейтронную звезду, то какие элементы мы получим после того как её осколки раскукожит т.к. гравитация не сможет их скукоживать?Lirts Автор
01.08.2022 22:03Если вы собираетесь расщепить нейтронную звезду и распылить её по межзвёздному пространству, то картина получится следующей:
До расщепления оболочка нейтронной звезды состоит из нейтронноизбыточных ядер, свободных нейтронов, протонов, электронов и позитронов (их пропорции зависят от плотности и температура рассматриваемого слоя). Углубляясь в недра температуры и плотности растут. С ростом температуры гамма-кванты становятся настолько мощными, что они выбивают всевозможные нуклоны из состава ядер. Ближе к центру НЗ выживут только нейтроны, протоны, электроны и позитроны. Протоны будут активно захватывать электроны, превращаясь в нейтроны, которые при данных сверхжёстких условиях станут стабильными (из-за принципа Паули). Ещё глубже я не берусь вам сказать, что происходит, и, я так думаю, мало кто возьмётся. При превышении ядерной плотности в ядре НЗ может находиться кварковая материя.После расщепления вещество резко оказывается при низкой плотности, принцип Паули снимается, нейтроны перестают быть стабильными и распадаются в протоны. Таким образом часть преднедр превратится в обычные протоны и электроны. Нейтроноизбыточные ядра из внешних слоёв, которые раньше были стабильными, теперь тоже начнут распадаться по тем же причинам, что и нейтроны (по сути бета-распад ядра – это бета-распад нейтрона в составе ядра). Также из состава таких ядер начнут отваливаться нейтроны (раньше большое количество нейтронов в составе ядер удерживалось тем, что они отваливались и снова моментально присоединялись к ядру, т.к. ядра находились в среде с огромным количество свободных нейтронов, которым не нужно преодолевать кулоновский барьер для присоединения; нейтрон не имеет электрического заряда). В итоге мы получаем ядра с несколько большим Z, но несколько меньшим A.
Это всё сценарий ИСКУСТВЕННОЙ поломки НЗ и её последующее размазывание по округе. Вроде, вы это имели ввиду.
В природе же существуют иные возможности выбросить вещество из слоёв НЗ наружу. Взрывы сверхновых, слияния нейтронных звёзд, нейтринные ветра...
Tarakanator
01.08.2022 22:38+1Да именно это я и имел ввиду.
Т.к. взрыв сверхновой это не поломка нейтронной звезды.
Слияния: там явно вещество ломается, и выбрасывается уже не то, что было.
А нейтринные ветра... ну уже судя по названию выбрасывают не то, из чего состоит нейтронная звезда.
Т.е. Нейтронная часть превратиться в банальный водород.
А на что может разваливаться кварковая материя?
Я находил только предположение о страпельках, но я так понимаю это интересная, но не мейнстримная гепотеза, а какой вариант наиболее вероятен?
Если нейтронная звезда старая, остывшая
и ядра не будут разваливаться из-за температуры, можем ли мы получить сверхтяжёлые ядра если где-то там далеко есть остров стабильности?Lirts Автор
01.08.2022 23:42В водород превратятся только свободные нейтроны. Нейтроны в составе стабильных ядер останутся жить.
Ну, кварковая материя как раз-таки появиться может из-за превышения ядерной плотности. Обратный ход. Если вы снимите эти жесткие условия и понизите плотность, то вопрос лучше ставить как во что кварки будут группироваться и будут ли? Т.к. само пребывание кварков в недрах НЗ в таком состоянии под вопросом, то говорить о наиболее вероятном сценарии затруднительно.
Тяжелые ядра формируются при определенных условиях, которые достигаются при своего рода катаклизмах. Например, слияние НЗ. Если вы хотите НЗ просто растащить и оставить осколки распадаться, то более тяжелых ядер уже не получите (по сравнению с теми, что хранились до этого во внешних слоях НЗ). Т.е. даже если температура осколков окажется нулевой и ничто не будет выбивать нейтроны из ядер, то нарастить свою массу они не смогут. Плотности маленькие, вокруг вещества мало, захватывать нечего. Они начнут распадаться, пока не придут в какой-нибудь стабильный элемент. Либо если ядра очень тяжелые (за ураном) , то начнут делиться (и опять, пока не дойдут до чего-то стабильного).
Т.к. вводную часть я сделал (что заняло у меня 2 поста!),то теперь я могу с чистой совестью переходить к работам о чисто нейтронных звездах. Там мы это все подробно и посмотрим :)
axe_chita
02.08.2022 07:16Будем ждать статью о нейтронных звездах, хотя самыми интересными объектами были бы системы НЗ на краю своего предела Роша, где компаньоны фонтанировали бы тяжелыми элементами сорванными из коры соседки, на скорости в сотни тысяч км/с.
Tarakanator
02.08.2022 08:32по сравнению с теми, что хранились до этого во внешних слоях НЗ
А что там хранится? внутри "нейтронный атом" снаружи обычные атомы.
Вопрос: а между ними не будут ли образовываться сверхтяжёлые атомы? Тяжелее открытых.
3epka
Спасибо за отличное описание эволюции звезд! У меня вопрос - если небольшая звезда (типа коричневого карлика) в процессе своего существования пройдет сквозь облако межзвездного водорода, то теоретически сможет добрать недостающую массу и перейти в лигу более тяжелых звезд? Или это не так происходит?
Lirts Автор
Спасибо за положительный отзыв.
Гравитационный захват вещества каким-нибудь компактным объектом и последующее его поглощение называется аккрецией. Тут проще свести задачу к сколько нужно лить на коричневый карлик и как? :) Когда масса превысит некоторых порог, то должен зажечься водород = лига красных карликов. Т.е. ответ на вопрос: да, сможет. Но также описаны теоретические возможности, когда коричневый карлик, переступающий границу между коричневым и красными карликами с помощью аккреции, не загорается.
Всё как всегда. Есть правила. Есть исключения из правил.
Я, кстати, не знаю об именно наблюдении таких трансформаций на сегодня (коричневый в красный).