Инфракрасное излучение Вселенной
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Инфракрасное излучение Вселенной





Лекция 17

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Возникновение Вселенной

 

Вселенная (Метагалактика), в которой мы живем, возникла из космологического сингулярного состояния (гипотеза “Большого Взрыва”) в далеком прошлом ~15 млрд. лет (по последним данным ~12 - 13 млрд. лет).

Космологическая сингулярность представляется как квантовый объект с планковскими характеристиками: размером кванта порядка 10-33 см, плотностью 1094 , массой 10-5 г, характерным временем протекания процессов 10-44 с.

О Вселенной можно говорить, начиная с момента времени 10-44 с, после “Большого Взрыва”. С этого момента “работает “ земная физика.

 

Эволюция Вселенной

 

В начале своей эволюции Вселенная проходит, согласно современным космологическим представлениям, инфляционную эпоху стремительного “раздувания”, затем Вселенная вступает в период непрерывно продолжающегося до настоящего времени расширения, которое сдерживается силами тяготения вещества Вселенной (табл. 10.1). После инфляционного раздувания, длившегося ~10-34 с, вакуумно-подобное состояние первичной материи исчезло, уступив место горячей плазме, состоящей из всех фундаментальных частиц и античастиц, среди которых присутствовали кварки и антикварки. Эта кратковременная эпоха, когда существовала сверхгорячая (Т»1027 К) и сверхплотная плазма (r»1088 ), имела определяющее значение для дальнейшей судьбы Вселенной. Именно в эту эпоху возникло незначительное превышение кварков над антикварками, что сделало возможным существование нашей барионной Вселенной. Состояние ранней Вселенной стремительно трансформировалось за счет распада тяжелых частиц и вследствие взаимодействия кварков и лептонов, а не сохранение барионного числа при этом и породило тот незначительный избыток кварков над антикварками (~10+9), который в последующем и определил барионное число Вселенной, равное ~1078. При дальнейшем расширении и охлаждении Вселенной кварковая плазма испытывает фазовый переход в адронную фазу, состоящую из кварков. По истечении 0,3 с после начала расширения все вещество Вселенной становится прозрачным для нейтрино, они перестают взаимодействовать с остальным веществом. Число таких нейтрино не меняется. Только в процессе расширения Вселенной их энергия из-за красного смещения должна упасть, как энергия и температура квантов электромагнитного излучения - фотонов реликтового излучения.



Еще раньше при t»0,01 с после расширения Вселенной она стала прозрачной для мюонных-, тау-нейтрино и их античастиц. А еще много раньше при t»10-43 с Вселенная стала прозрачной для гравитонов.

Таблица 10.1

 

Стадия эволюции Время Состояние вещества
Квантовая эпоха Инфляционная эпоха Эпоха кварковой плазмы Распад вакуумноподобного состояния. Возникновение барионной асимметрии Кварковая плазма   Кварковый синтез   Эпоха радиационно-доминированной плазмы Нейтроно-протонная плазма. Первичный нуклеосинтез. Высокотемпературная ионизированная плазма Эпоха вещества-эпоха прозрачной Вселенной   Рекомбинация плазмы. Атомарная Вселенная.   Звездная Вселенная 3×10-44 с   10-35 с   10-34 с   10-32 с   10-32 -10-6 с   10-32 -10-6 с   10-4 -10-1 с   1 -103 с     103 с -105 лет   3×105 -106 лет     106 -109 лет   109 -2×1010лет Космологическая сингулярность, сверхплотный “кипящий вакуум”. Экспотенциальное раздувание вакуумноподобного состояния. Фазовый переход к горячей плотной Вселенной, рождение барионной материи. Плазма всех фундаментальных частиц и античастиц. Распад Х-,Y-бозонов, образование избытка кварков над антикварками. Плазма из всех поколений кварков, тяжелые кварки распадаются, остаются легкие кварки. Кварк-адронный фазовый переход, образование барионов и мезонов. Исчезают свободные кварки. Нуклоны в море лептонов и фотонов, нейтроны постепенно распадаются. Образование легких ядер водорода, гелия, лития. Плазма из ионов водорода (75%) и гелия (25%), электронов и фотонов. Превращение плазмы в нейтральную среду. Барионное вещество в составе атомов. Вселенная прозрачна для фотонов. Формирование галактик и звезд. Нуклеосинтез в звездах. Образование Солнечной системы

По мере дальнейшего остывания вещества происходит аннигиляция частиц и античастиц, нестабильные частицы распадаются, в результате чего из всех адронов выживает лишь тот относительный избыток протонов и нейтронов, который обязан первоначальному превышению кварков над антикварками. Это произошло примерно через 1 с после “Большого Взрыва”.

Относительное содержание нейтронов “застывает” на значении » 0,15. После этого создаются условия для начала первичного термоядерного нуклеосинтеза.

В течение последующих »100 с в протон-нейтронной плазме оказывается возможным образование ядер водорода, гелия, лития. Однако из-за дальнейшего понижения температуры и плотности вещества становится невозможным синтез более тяжелых элементов. Это происходит примерно через 300 с после начала расширения Вселенной. В этот момент вещество ранней Вселенной состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%).

Через миллион лет после начала расширения образуются нейтральные атомы, и Вселенная стала прозрачной для фотонов. Эпоха фотонной эры длилась »109 лет. После этого стали возникать зародыши первых будущих космических структур. Теория “горячей Вселенной” дает предсказание, что в нашу эпоху существует реликтовое электромагнитное излучение во Вселенной с температурой 3-5 К, оставшееся от той эпохи, когда вещество в прошлом было плотным и горячим. Оно было открыто в 1965 г. Отношение числа квантов электромагнитных волн (фотонов) к числу тяжелых частиц характеризует энтропию Вселенной S = 109, и при дальнейшей эволюции Вселенной эта величина практически не меняется.

Если масса нейтрино отлична от нуля (mn » 5×10-32 г), то в сумме они являются главной составной частью массы материи во Вселенной. В этом случае плотность только электронных нейтрино примерно равна критической плотности вещества во всей Вселенной (r » 10-29 »rкр). Это имеет чрезвычайно важное значение для дальнейшей эволюции Вселенной - она начнет сжиматься в далеком будущем.

Масса возникших нейтринных облаков составляет Mn »1015 Мсс » 1033 г), масса видимого вещества в галактиках много меньше (Mг »1013 Мс). Согласно теории “блинов” крупномасштабная структура Вселенной представляет собой ячеистую структуру невидимых нейтринных облаков

Обычное же вещество в виде холодного нейтрального газа состоящего из нейтральных молекул водорода и гелия, начинает сгущаться в поле тяготения нейтринных облаков, из которых впоследствии стали рождаться протозвезды и протогалактики. Таким образом, возникла крупномасштабная структура Вселенной, в которой распределение скоплений галактик носит ячеистый характер. В месте пересечения стенок ячеек возникают скопления и сверхскопления галактик, в стенках ячеек - галактики, а между стенками - космическая пустота. Размеры ячеек »100 Мпк, толщина стенок »3 - 4 Мпк. В масштабах более 200 Мпк Вселенная однородна. Гравитационное сжатие и разогревание вещества в звездах приводят к сложной цепочке термоядерных реакций, а конец эволюции массивных звезд знаменуется новым фазовым состоянием вещества - нейтронными, кварковыми звездами и черными дырами.

К настоящему моменту Вселенная успела расшириться до 6×109 Мпк или 15 млрд. световых лет и продолжает расширяться. Радиус Вселенной (расстояние до горизонта видимости) определяетсятем расстоянием, на которое распространился свет от момента возникновения Вселенной до настоящего времени.

Доплеровское красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект лежит вблизи горизонта видимости, и на самом горизонте видимости оно бесконечно. Следовательно, мы можем видеть конечное число звезд и галактик. В бесконечной Вселенной, заполненной звездами, луч зрения рано или поздно встретит светящуюся поверхность звезды. В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или другой звезды.

В действительности из-за наличия горизонта мы видим конечное число звезд, редко разбросанных в пространстве, и ночное небо видится темным.

Вблизи самого горизонта видимости в принципе должно наблюдаться вещество, сохранившееся с того далекого прошлого.

Процессы распада радиоактивных ядер, образующихся в звездных процессах нуклеосинтеза, дают огромное энерговыделение, которое можно наблюдать при вспышках сверхновых звезд.

По теории Зельдовича считается что первоначальные сгущения вещества превращаются со временем в огромные слои газа, которые сравнимы по массе со скоплениями и сверхскоплениями галактик.

По мнению Амбарцумяна ядра галактик состоят из трех компонент: звезд, газа и небольших по размерам сверхмассивных тел.

Масса их равна »109 МС. Это сверхплотные тела представляют собой новую форму существования материи неизвестную современной физике.

Активность галактик - результат деятельности этих тел. Они способны разделяться на части, удаляющиеся друг от друга с большими скоростями, а также выбрасывать массивные сгустки вещества, струи, кольца и т.д.

На рис. 10.1 приведен снимок радиогалактики "Геркулес А", полученный с помощью радиотелескопа, где отчетливо видно, что эта галактика испускает кольца, предположительно состоящие из субатомных частиц и по размерам, превосходящие нашу Галактику ("Млечный Путь"), а в противоположную сторону испускает мощную струю до расстояний в 5×105 световых лет, состоящую из неизвестного вещества и голубых сгустков материи размерами с небольшие галактики.

  Рис. 10.1

Генератором гигантских вихревых колец перемещающихся в противоположную сторону от направления истечения струи являются какие-то сверхмощные процессы активности ядра галактики "Геркулес А".

Для этого в ядре галактики должны быть заключены громадные количества энергии.

Кроме пыли и газа межзвездное пространство заполнено космическими лучами, в состав которых входят быстро летящие электроны, ядра различных химических элементов и другие частицы.

Без синтеза ядер химических элементов тяжелее водорода и гелия (оставшихся после “Большого Взрыва”) не могла возникнуть жизнь.

Известно пять видов фундаментальных взаимодействий: информационные, сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные. Они проявляются раздельно при малых энергиях, а при больших энергиях - объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях W »102 Гэв, что соответствует температуре T »1015 К, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия (такое взаимодействие удалось осуществить).

При энергиях W»1015 Гэв (T»1028 К) должно произойти “Великое объединение”, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

При энергиях W»1019 Гэв (T»1032 К) к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие -“Суперобъединение”.

Согласно теории “Великого Объединения” возможно нарушение закона сохранения барионного числа.

К тому же наблюдается отсутствие симметрии между частицами и античастицами.

Это означает, что темпы реакций с частицами и античастицами протекают по-разному.

Из-за чего появляется небольшой избыток частиц над античастицами.

Частицы и античастицы проаннигилируют в ходе эволюции Вселенной, превращаясь в фотоны, а избыток барионов останется, который является обычным веществом наблюдаемой Вселенной в наши дни.

Это положение объясняет существование большой энтропии Вселенной (S»109).

Однородность и изотропность Вселенной в больших масштабах устанавливается по наблюдениям реликтового излучения.

Это излучение приходит на Землю с разных областей космического пространства и имеющего одинаковую интенсивность.

Следовательно, в прошлом, в момент рекомбинации, когда из плазмы, ставшей прозрачной для фотонов, вышли реликтовые фотоны.

Наблюдаемые нами сегодня, далеко разнесенные в пространстве точки имели одинаковые температуру и другие физические свойства.

Каждая точка тогда лежала вне горизонта видимости, т.е. они причинно не связаны друг с другом и не могли во время расширения Вселенной обменяться сигналами.

Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не могла знать, какая температура у другой?

Эта проблема получила название “проблемы горизонта”.

Стадия “раздувающейся Вселенной” решает “проблему горизонта”.

Действительно, точки, которые до стадии раздувания Вселенной, лежали близко друг к другу внутри общего горизонта видимости, благодаря чему обмен сигналами между ними был возможен.

В результате же стремительного раздувания за время от t » 10-34 с до t »10-32 с оказываются разнесенными на очень большие расстояния, заметно превышающие расстояние до горизонта.

В этот момент происходит фазовый переход “ложного вакуума”, с его огромной плотностью, в плотность обычной материи.

Антигравитация “ложного вакуума” заставляет возникающую из него обычную материю расширяться с точно сбалансированной скоростью.

Значит, плотность вакуума в точности соответствует критической плотности для той эпохи.

После фазового перехода плотность материи, естественно, тоже равна критической с огромной точностью (r » 10-31 » rкр, без учета плотности вещества скрытой массы).

В ходе фазового перехода во Вселенной возникают соприкасающиеся домены с разными физическими свойствами.

На границах доменов могли возникнуть магнитные монополи с массой в »1016 раз тяжелее протона и несущие магнитный заряд.

Домены рождаются в эпоху соответствующей t »10-34 с после начала расширения Вселенной.

Размер каждого домена »10-34 световой секунды или около »10-24 см. Затем, в эпоху раздувания Вселенной, его размер увеличивается в 1050 раз, т.е. до 1026 см (около 106 световых лет).

Стадия раздувающейся Вселенной заканчивается к моменту t »10-32 с.

После этого Вселенная расширяется по обычным законам, тормозясь тяготением. Размеры Вселенной к нашему времени увеличиваются еще »1025 раз.

Следовательно, окончательный размер домена 1051 см (»1033 световых лет). Размер наблюдаемой области Вселенной составляет только »1010 световых лет.

Это и есть горизонт видимости.

 

Классификация звезд

В ясную безлунную ночь наблюдатель с нормальным зрением увидит на небосводе до 3000 звезд. В зависимости от их массы, температуры и светимости они распределены по классам: голубые и красные сверхгиганты, звезды главной последовательности, белые и черные карлики, нейтронные, кварковые,

гиперонные звезды и черные дыры. Звезды характеризуются спектральными классами: О, В - голубые звезды; А - белые; F - желтоватые; G - желтые; К - оранжевые; М - красные. Если все звезды характеризовать температурой и светимостью, то их можно разместить на диаграмме Герцшпрунга - Рассела. Большинство нормальных звезд располагается вдоль наклонной линии, называемой главной последовательностью, на которой они могут находиться в течение от миллионов до десятков миллиардов лет. Например, наше Солнце, являющееся обычной, желтой (G) звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5 млрд. лет и проведет на ней еще примерно столько же времени. Звезды рождаются с различными массами и разнообразным химическим составом.

Оба эти фактора оказывают влияние на дальнейшую эволюцию звезды. До недавнего времени считалось, что на образование звезды из космического вещества требуются миллионы лет. Однако в последние годы получены фотографии Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звезд. Ранее (в 1947 г.) в этом месте была обнаружена группа из трех звездоподобных объектов. К 1954 г. некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959 г. они распались на отдельные звезды.

Следовательно, звезды могут рождаться за относительно короткий промежуток времени и обычно возникают группами, ассоциациями или в виде звездных скоплений. В результате изучения фотографий туманностей нашей Галактики (Млечного Пути) удалось обнаружить маленькие черные пятна неправильной формы (глобулы), представляющие собой массивные скопления газа и пыли. Они выглядят черными, т.к. не испускают собственного излучения и находятся между Землей и яркими звездами, свет от которых они заслоняют. Размеры глобул достигают нескольких световых лет. В глобуле под действием внешнего давления излучения окружающих звезд происходит сжатие и уплотнение вещества, несмотря на существование в них турбулентных движений пыли и газа.

Гравитационные силы стремятся сжать глобулу, заставляя вещество падать к центру. За счет кинетической энергии падающих частиц происходит их столкновение и нагревание в целом газопылевого облака.

Температура облака возрастает, и оно становится протозвездой и начинает светиться, излучая темнокрасный свет.

Начальный период эволюции протозвезды длится от тысяч до миллионов лет. За счет гравитации при дальнейшем сжатии протозвезды температура внутри ее повышается до »106 К и начинают протекать термоядерные реакции превращения водорода в гелий.

Излучение уравновешивает силу тяготения и на небе появляется нормальная звезда, которая будет находиться на главной последовательности многие миллиарды лет.

Синтез элементов

Квантовая физика и ядерная астрофизика разработали теорию синтеза тяжелых элементов. Рассмотрим основы этой теории на примере Солнца.

Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, следовательно, уменьшится давление излучения, которое уравновешивало гравитационное сжатие Солнца под действием сил тяготения. В результате гравитационного сжатия Солнце уменьшится в объеме. Плотность вещества в его центре достигнет величины r»108 кг/м3, а температура возрастет до Т»108 К. В этот момент начнет гореть гелий (изотоп гелия ). Ядерная реакция горения гелия - тройной альфа процесс (3a-процесс). Однако простая реакция слияния двух ядер изотопа гелия в ядро бериллия невозможна, поскольку в природе такого изотопа бериллия нет. Однако в сечении этой реакции при энергии »0,1 МэВ наблюдается резонанс, т.е. возникает нестабильное ядро , которое живет »10-16 с (по ядерным масштабам это не так мало). За это время при столкновении a-частиц они, прежде чем разлететься, успевают совершить около миллиона колебаний в составе нестабильного ядра . В этот момент к ним может приблизиться третья a-частица и образовать с ними ядро изотопа углерода . Такая возможность была бы нереализованной, если бы у изотопа углерода отсутствовало возбужденное состояние с энергией W»7,66 МэВ. Дело в том, что прямой процесс образования ядер углерода из трех a-частиц крайне маловероятен, т.к. масса трех a-частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра изотопа углерода .

Масса же возбужденного ядра превышает массу трех a-частиц на 0,38 МэВ. Возбужденное ядро живет »10-12 с и, испуская электронно-позитронную пару или g-кванты, переходит в основное состояние. Этого времени оказывается достаточно, чтобы успело произойти необратимое объединение трех a-частиц.

При температурах Т>106 К кинетическая энергия a-частиц (Wk »0,02 МэВ) в гелиевой звезде значительно меньше энергии W »0,38 МэВ, при которой выполняется условие резонанса для реакции

.

Однако в недрах такой звезды всегда существует незначительная примесь очень быстрых частиц (10-9, примерно одна частица на миллиард), для которых это условие выполнено, и этого оказывается достаточно, чтобы осуществилась последовательность реакций 3a-процесса

Скорость протекания таких реакций в 103 раз большей, чем горение водорода. Углерод - основа всех живых организмов и одно из самых привычных и необходимых веществ на Земле. После образования углерода в гелиевом ядре звезды происходит образование других элементов: кислорода в реакции

неона в реакции

магния в реакции

К моменту образования магния весь гелий в звезде истощается и для протекания других ядерных реакций необходимы более высокие температуры, которые можно достичь путем дальнейшего сжатия звезды.

Однако это возможно не для всех звезд, а лишь для тех, масса которых превышает некоторый предел Чандрасекара (М » 1,2 МС, где МС - масса Солнца). Звезды с массами М<1,2 МС заканчивают свою эволюцию на стадии образовании магния и превращаются в белые карлики - звезды с массой М» 0,6 МС, размерами с нашу Землю и плотностью r»109 кг/м3. В них электроны отделены от ядер, так что вся звезда представляет собой единый кристалл.

В более массивных звездах при температурах Т »5×108-109 К происходит синтез кремния в реакциях:

После гравитационного сжатия температура в центре звезды повышается до »2×109 К и средняя энергия излучаемых гамма-квантов достигает 0,2 МэВ, при которой они способны разрушить ядра кремния на a-частицы:

.

Возникшие a-частицы затем последовательно вдавливаются в ядра кремния, образуя более тяжелые элементы вплоть до железа, т.к. ядра железа имеют максимальную энергию связи. На этом этапе источники ядерной энергии внутри звезды истощаются, поскольку образование более тяжелых элементов идет не с выделением, а с поглощением энергии: эволюция звездного вещества вступает в новую фазу.

Теперь ядерные реакции протекают на поверхности железной сердцевины звезды, где еще сохранились несгоревшие ядра , а также небольшое количество водорода. В некоторых из этих реакций возникают свободные нейтроны, которые поглощаются ядрами железа, в результате образуется ядро кобальта:

Таким же образом кобальт превращается в никель, из никеля - медь и т.д., вплоть до изотопа висмута .

Такой медленный процесс захвата ядрами нейтронов (s-процесс) требует потоки нейтронов »1015 частиц в секунду (время между двумя последовательными захватами нейтронов ядром больше, чем время жизни образующихся изотопов по отношению к b-распаду). Все химические элементы тяжелее висмута образуются при протекании r-процесса, при взрывах сверхновых звезд. Для осуществления r-процесса требуются потоки нейтронов »1040 частиц в секунду.

За время, меньшее времени жизни возникающих при каждом захвате нейтрона происходит последовательное рождение новых изотопов химических элементов тяжелее висмута.

Взрыв сверхновой звезды становится возможным, если масса ее достаточно велика для того, чтобы силы тяготения смогли сжать и нагреть железную сердцевину до »4×109 К и выше. В этих условиях каждое ядро железа распадается на 13 a-частиц и 4 нейтрона поглощая 124 МэВ энергии. Сердцевина звезды охлаждается и начинается катастрофическое сжатие звезды под действием сил тяготения, которые теперь не сдерживаются давлением излучения. Происходит взрыв внутрь (имплозия). Вначале a-частицы распадаются на протоны и нейтроны, а затем электроны вдавливаются в протоны, образуя нейтроны с испусканием нейтрино.

Весь коллапс заканчивается примерно за 200 мс, падение вещества к центру звезды прекращается и за время 0,4 мс формируется мощная ударная волна со скоростью около »5×107 м/c. Этот взрыв разогревает и уплотняет внешние оболочки звезды, что вызывает целую цепь ядерных реакций, в которых рождаются нуклиды тяжелее висмута, в широком диапазоне масс. Звезда взрывается, сбрасывая оболочку. На небе в этот момент наблюдается очень яркая сверхновая звезда.

Например, при взрыве сверхновой СН 1987А в соседней галактике Большое Магелланово Облако (взорвался голубой сверхгигант) наблюдалось нейтринное излучение, унесшее энергию »3×1046 Дж, которая в 300 раз больше энергии взрыва. После рассеивания оболочки в центре сверхновой возникает нейтронная или кварковая звезда с массой М »МС и размером до 12 км.

Плотность материала звезды достигает »1018 кг/м3.

Сверхновые звезды

 

В отдаленном уголке Вселенной внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружный слой вещества.

Свет от этой звезды из созвездия Тельца (вблизи яркой звезды x) мчался по космическим просторам @6 тыс. лет и достиг Земли 4. 07.1054 г. китайские астрономы обнаружили яркую звезду много ярче Венеры. В течение 23 дней, до 27 июля 1054 г. свет от звезды был виден даже днем. Звезда оставалась видимой для невооруженного глаза 627 дней и 17 апреля 1056 г. исчезла. Японские астрономы также наблюдали эту звезду, сверкавшую как 500 млн. Солнц.

В 1955 г. американские астрономы обнаружили доисторические пиктограммы на стене одной пещеры в скале каньона Навахо в Аризоне. В каньоне изображение было высечено на камне, а в пещере нарисовано куском гематита (красный железняк, a-Fe203 - окись железа). На обоих рисунках изображены кружок и полумесяц, которые представляли изображение лунного серпа и звезды (рис. 10.2).

  Рис. 10.2

По мнению ученых в 1054 г., когда вспыхнула сверхновая из созвездия Тельца, фаза Луны и ее расположение относительно сверхновой звезды было именно таким, как изображено на рисунках в Аризоне. В 1054 г. в этой местности обитали индейцы, что подтверждается по найденным в тех местах глиняным черепкам.

В 1758 г. на месте сверхновой звезды была обнаружена "Крабовидная туманность"-"Телец А" - самый мощный источник космического радиоизлучения.

Газы, образующие волокнистую структуру туманности разлетаются от центральной нейтронной звезды-пульсара с температурой 6 - 7 млн. К, со скоростью до 1000 км/c.

При взрывах сверхновых звезд резко меняется химический состав межзвездной среды космического пространства.

Сверхновые звезды - редкие, но яркие и необычные объекты - горячие точки Вселенной. История засвидетельствовала лишь несколько случаев появления сверхновых звезд. В 1572 г. обнаружена сверхновая звезда Тихо Браге, в 1604 г. - сверхновая звезда Кеплера.

Недавно стало известно о сверхновой звезде в созвездии Волка, которая вспыхнула в 1006 г., обнаружена в 1965 г. В 1885 г. вблизи ядра галактики Андромеда обнаружена сверхновая звезда - "S Андромеда". До настоящего времени обнаружено более 150 сверхновых звезд. Только три из них оказались в нашей Галактике. Например, сверхновая звезда "Петля Лебедя" взорвалась »60 тыс. лет назад, сверхновая звезда "Кассиопея А" - » в 1700 г.

До 1987 г. были известны три разновидности сверхновых: Ia, Ib и II.

У сверхновых звезд типа Ia и Ib водорода - самого распространенного химического элемента во Вселенной - нет, встречаются в эллиптических галактиках и принадлежат к более старым поколениям звезд. В максимуме своей светимости сверхновая по мощности излучения сравнима с галактикой, содержащей сотни миллиардов звезд. Суммарная энергия взрыва сверхновой звезды »1060 Дж.

У сверхновых звезд типа II его содержание практически нормально, встречаются в спиральных галактиках, которые состоят из звезд молодого поколения с возрастом до 100 млн. лет. В нашей Галактике сверхновые звезды взрываются каждые 300 - 400 лет, но из-за присутствия пыли и газа удается наблюдать лишь некоторые из них.

Сверхновая звезда, вспыхнувшая в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако 23 февраля 1987 г. (СН 1987А), находится на расстоянии 180 тысяч световых лет, относится к типу II, но не совсем обычна. Вместо того, чтобы достичь уровня максимальной светимости, как случалось всегда, дней за десять, она шла к нему 86 суток. На месте сверхновой находился голубой сверхгигант, имевший размер до 50 радиусов Солнца. Наблюдения показали, что на протяжении года после вспышки ультрафиолетовое излучение было слабым. Практически вся энергия приходится на оптическую и инфракрасную области спектра. На длительном интервале времени падение светимости описывается законом радиоактивного распада с периодом полураспада Т1/2=77 дней.

Этот факт подтверждает гипотезу, согласно которой свечение сверхновых типа II на поздней стадии поддерживается распадом радиоактивного изотопа кобальта, превращающегося в железо (Т1/2=77 дней). Сам же кобальт, в свою очередь, образуется при распаде радиоактивного никеля (Т1/2=6 дней).

Исследования СН 1987А показали, что при взрыве было синтезировано ~0,1 МС радиоактивного изотопа никеля , распад которого в изотоп кобальта , а затем в изотоп железа обеспечил электромагнитное излучение разлетающейся оболочки СН 1987А в течение сотен дней.

Компьютерные расчеты для сверхновой звезды СН 1987А показали, что взорвавшаяся звезда (голубой сверхгигант) возникла около 11 млн. лет назад и имела массу около 18 МС.

Динамика ее горения приведена в таблице. 10.2.

 

Таблица 10.2  
Термоядерное горение Т, К Время горения
Н®Не Не®С®О С®Ne, Мg, Na Ne®Si O®S Si, S®Ni, Fe 4,0×106 1,9×108 7,0×108 1,6×109 2,1×109 3,4×109 107 лет 106 лет 1,2×104 лет 12 лет 4 года 1 неделя

Непосредственно перед взрывом (коллапсом) звезда, находящаяся в состоянии предсверхновой, имела структуру, приведенную на рис. 10.3.

Наружный радиус СН 1987А звезды »2×107 км, радиус кремниевой оболочки »103 км.

Когда термоядерное горючее в центре звезды исчерпывается полностью, а огромные потери на излучение нейтрино способствуют понижению температуры и ничто не может противостоять силам тяготения, звезда испытывает коллапс.

Перед коллапсом плотность вещества в центре звезды»1010 , температура ее » 1 МэВ.

  Рис. 10.3

Из-за нарушения равновесия происходит стремительное сжатие железного кора звезды в течение долей секунды. К тому же коллапс железного кора ускоряется двумя процессами, в которых происходит поглощение энергии: реакциями фотодезинтеграции ядер железа и ядерным захватом электронов.

Одна из особенностей коллапса сверхновых - захват нейтрино веществом.

По оценкам, весь коллапс заканчивается примерно за 200 мс, падение вещества к центру звезды прекращается и за время 0,4 с формируется встречная мощная ударная волна.

Этот “взрыв наружу” при скорости »5×109 разогревает и уплотняет внешние оболочки звезды, вызывая целую цепь ядерных реакций, в которых рождаются нуклиды тяжелее висмута.

В расширяющейся оболочке звезды возникают нуклиды в широком диапазоне масс, только при взрыве сверхновых можно ожидать тех мощных потоков нейтронов, которые необходимы для r-процесса.

После взрыва СН 1987 А был зарегистрирован десятисекундный поток излучения нейтрино, унесшей энергию »5×107 3×1046 Дж, которая в 300 раз больше энергии взрыва. Такая энергия нейтринного излучения согласуется с теоретической моделью, предполагающей образование нейтронной звезды массы, равной около одной Солнечной.

Через месяц после вспышки в красной области спектра наблюдалась сильная линия поглощения, принадлежавшая барию очень редкому элементу во Вселенной, чего ранее не наблюдалось. Само излучение сверхновой СН 1987А оказалось сильно поляризованным в линиях водорода и натрия, а от сферически симметричной оболочки оно должно быть неполяризованным.

Считается, что для своего взрыва сверхновые типа II черпают из огромного запаса гравитационной энергии, которая высвобождается после сброса части оболочки при взрыве. Для сброса оболочки с массой порядка десяти солнечных масс требуется всего 0,5 % гравитационной энергии исходной звезды. которая высвобождается, и центральное ядро остатка сверхновой звезды превращается в нейтронную звезду-пульсар.

Замечание: Новые исследования сверхновых звезд учеными свидельствуют о том, что наша Вселенная будет расширяться вечно. Однако в сообщении не указывается, что ученые учли тяготение скрытой массы, существующей вокруг галактик, наличие которой может затормозить расширение Вселенной.

Тем более, что по последним данным у нейтрино обнаружено наличие массы, а нейтринные облака по массе превосходят массу всей галактики и являются первыми кандидатами, которые ответственны за скрытую массу.

Нейтринные облака имеют структуру в виде невидимых "пчелиных сот".

Из-за их большого тяготения, видимое вещество затекает в нейтринные соты, формируя галактики богатые сверкающими звездами, скопления галактик и сверхскопления галактик).

Далекие от Земли сверхновые звезды настоящие верстовые столбы, которые могут быть использованы для измерения границ космического расширения.

Подобный вывод основан на анализе 40 сверхновых звезд.

Свет от некоторых из них пришел на Землю только спустя 7 млрд. лет после того, как они взорвались. После такого долгого путешествия кванты света потеряли часть энергии и длина волны их увеличилась в результате расширения Вселенной, из-за "красного смещения".

Сравнивая спектр излучения такой звезды, взорвавшейся где-то на окраине Вселенной, со спектром излучения сверхновой звезды, взорвавшейся много ближе, можно выяснить насколько долгим было путешествие этого света.

Вычисленное расстояние в совокупности с "красным смещением" сверхновой звезды является показателем расширения Вселенной за всю ее историю эволюции.

Оказывается, что спектры излучения сверхновых звезд, которые возникли тогда, когда наша Вселенная была наполовину моложе, чем сейчас, точно такие же, как и спектры современных сверхновых звезд, что и доказывает неизменность и постоянство расширения Вселенной.

Есть сведения, что Вселенная расширяется ускоренно.









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.