Классификация звезд. Солнце, его характеристики и эволюция

Классификация звезд осуществляется с помощью Диаграммы Герцшпрунга –Ресселла. (ДГР) –графического изображения зависимости светимости звезды от эффективной температуры.см рис 2.24. Звездные классы.: O, B, M, A, F, G, K, T, N. (Для запоминания: «О Б оже М ой АФГ анистан К уда Т ы Н есёшься».)

Логарифм светимости звезды относительно светимости Солнца

Lg (L/L_O) O B A F G K M

Логарифм температуры (Lg T)

Рис.2.24. Схематизированная диаграмма Герцшпрунга-Ресселла. L - светимость звезды, Т –эффективная температура. L_О –светимость Солнца.

Солнце ( желтый карлик класса G4 находится на главной последовательности) – звезда представляет собой газовый шар в состоянии плазмы («горячий огонь»). Под действием тяготения Солнце стремиться сжаться. Сжатию препятствует давление газа, возникающее из-за высокой температуры. Источником энергии Солнца является термоядерная реакция горения ядер водорода и превращения четырех протонов в одно ядро гелия в центральной области Солнца.

Характеристики Солнца: радиус 7 10⁸ м, масса 2 10³⁰ кг, плотность 1,4 г/см ³, температура поверхности 5800 ^оК, излучаемая мощность (светимость) 4 10¹⁸ Мвт. Химический состав: водород 74%, гелий 24%, углерод, азот, кислород, неон 3%, Возраст 5 10⁹ лет.

Теоретические значения в центре Солнца: температура 13 10⁶ К, плотность 98 г / см ³, давление 2 10¹¹ атмосфер.

Эволюция Солнца. Наша звезда Солнце – звезда третьего поколения Галактики образовалась в результате вспышки Сверхновой на краю спирального рукава Ориона Галактики, вдоль которого располагаются скопления молодых звезд и облака межзвездного газа и пыли.

Когда Солнце достигнет возраста 9 млрд. лет термоядерная реакция горения водорода в центре Солнца прекращается. Водород в центре Солнца превратится в гелий, и образуется гелиевого ядро. Водород горит только в тонкой оболочке. Ядро сжимается, оболочка расширяется, желтая звезда Солнце превращается в красного гиганта размером с орбиту Марса за время 0,5 млрд лет. Затем начинает гореть гелий, превращаясь в углерод в течении 5 10⁷ лет. Вся оболочка сбрасывается, и красный гигант превращается в медленно остывающего белого карлика - конечную стадию эволюции звезд данного класса. Со временем светимость Солнца возрастает на 1 % на каждые 100 млн. лет.

Ближайшей к Солнцу звездой класса G4 является ( Центавра А) находящаяся на расстоянии 1,32 парсека = 4,307 световых года = 4,0735 10¹⁶ км.

Красные гиганты – относительно холодные звезды высокой светимости с протяженными оболочками. Красные гиганты имеют большие радиусы и огромные излучающие поверхности. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную области спектра электромагнитного излучения. Красные гиганты имеют гелиевое ядро, окруженное тонким слоевым источником энерговыделения, где горит водород, или углеродно-кислородное ядро, окруженное двумя слоями горения водородным и гелиевым. Плотность вещества в ядрах красных гигантов достигает 10⁸-10⁹ г/см³, температура 10⁸-10⁹ К.

Белые карлики – компактные звезды с массой порядка массы Солнца и радиусами около 1% радиуса Солнца. Белые карлики существуют благодаря устойчивому равновесию между силами тяготения, которые стремятся сжать звезду и давлением вырожденного электронного газа препятствующего этому. Плотность вещества белого карлика 10⁵-10⁶ г/см³, температура поверхности около 10⁴ К. Основной источник светимости белого карлика – энергия теплового движения ионов вещества звезды. Электроны имеют квантовомеханический импульс ~ , Давление электронного газа пропорционально концентрации частиц и энергии Ферми ~ , Для релятивисткого электронного газа , концентрация пропорциональна плотности ~ , Следовательно давление электронного газа ~ ~ . Eсли гравитационное давление ~ > больше давления электронного газа, то происходит гравитационный коллапс звезды.

Зависимость давления от плотности вещества , где . Существует верхний предел массы холодного невращающегося белого карлика (предел Чандрасекара): Предельная масса белого карлика .

где М_О- масса Солнца, -молекулярная масса приходящаяся на один электрон. Если масса звезды М больше начинается процесс нейтронизации вещества звезды. Ядра начинают захватывать электроны в реакции обратного бета-распада , когда энергия Ферми электронов превышает порог нейтронизации. Ядра перегружаются нейтронами, и с некоторого момента начинают выбрасывать нейтроны, плотность звезды возрастает и приближается к ядерной. Размер звезду уменьшается. Белый карлик, пройдя предел Чандрасекара, превращается в нейтронную звезду.

Нейтронные звезды – сверхплотные звезды, состоящие из нейтронов с малой примесью электронов, сверхтяжелых атомных ядер и протонов. Нейтронные звезды были предсказаны в 30 гг. 20 века и открыты в виде пульсаров в 1967 г.. Пульсары испускают периодическое радиоизлучение с периодом 0,01-1 сек, которое вызвано быстрым вращением нейтронной звезды. Нейтронные звезды могут проявлять себя в виде рентгенеровских пульсаров. Плотность нейтронной звезды огромна ~10¹⁴ г/см³. Температура 10⁹ К.

Нейтронные звезды возникают в процессе нейтронизации вещества, т.е. реакции слияния электронов и протонов с образованием нейтронов в ядрах и в свободном состоянии и испусканием нейтрино:

. (2.164)

Порог нейтронизации:

E_с , (2.165)

Мэв – энергия бета-распада нейтрона.

При выполнении условия нейтронизации E_F > E_c реакция (2.164) становится энергетически выгодной.

Пример: Реакции нейтронизации и далее лишают звезду «электронной опоры». Давление электронного газа падает, и против силы тяготения действует только давление вырожденного газа нейтронов, обеспечивая гидростатическое равновесие нейтронной звезды. Масса нейтронной звезды с массой 1,5 массы Солнца имеет радиус около 10 км.