7. Фізичні умови в надрах і будова зір

Якщо для зорі відома маса і радіус, то температура в центрі зорі визначається за формулою

Т₀ = К · М / R

де К – коефіцієнт пропорційності.

Для зір подібних на Сонце

К ≈ 1,5 · 10 ⁷ М/R

Для зір головної послідовності відношення М/R можна знайти із формули

L_вос = R^5,2 L_вос = M^3,9

M^3,9 / R^5,2 = 1 => М / R = R^1\3 Тоді для таких зір

В надрах зір головної послідовності пізніх спектральних класів G, К, М, як і в Сонці виділення ядерної енергії в основному відбувається внаслідок протон-протонної реакції.

Зорі, які розташовані на різних ділянках спектр-світність відрізняються своєю будовою. Зорі верхньої частини головної послідовності

Це гарячі зорі, маса яких більша за масу Сонця. Тиск в надрах більший, ніж в надрах Сонця. Виділення термоядерної енергії відбувається через вуглецевий цикл прискореними темпами. Світимість їх більша за світимість зір пізніших класів, а тому вони повинні швидше розвиватися. Це означає, що гарячі зорі, які знаходяться на головній послідовності повинні бути молодими.

Виділення енергії при вуглецевому циклі пропорційне ~Т²⁰, а випромінювання ~Т⁴ (за законом Стефана-Больцмана). Це означає, що випромінювання не може винести з надр зорі енергію, яка там виділяється. Тому що енергія повинна виносити речовина, яка починає переміщуватися. Внаслідок цього в надрах масивних зір виникають центральні конвективні зорі.

Шари , які оточують конвективне ядро знаходяться в стані променевої рівноваги. Зорі нижньої частини головної послідовності

За своєю будовою ці зорі подібні до Сонця. При протон-протонних реакціях потужність енерговиділення ~Т⁴ так як потік випромінювання. В центрі зорі конвективні потоки не виникають і ядро – променисте. Проте через сильну непрозорість більш холодних шарів у цієї групи зір виникає досить протяжні зовнішні конвективні оболонки. Чим холодніша зоря, тим на більшу глибину відбуваються переміщення. В Сонця тільки 2 % зовнішніх підфотоефектних шарів охоплене конвекцією, а в карлика KV з масою 0,6 М_Θ в переміщуванні бере участь 10 % маси. Субкарлики

В цих зорях низький вміст важких елементів. Непрозорість зоряної речовини пропорційне наявності важких елементів. Це обумовлено тим, що легкі елементи повністю іонізовані і не можуть поглинати кванти. В основному поглинають іонізовані атоми важких елементів, які зберігають частину своїх електронів.

Субкарлики – старі зорі, які виникли на ранніх стадіях еволюції галактики із речовини, яка не побувала ще в надрах зір і тому бідна на важкі елементи. Речовина Субкарликів прозоріша за речовину зір головної послідовності, що полегшує променистий перенос енергії із надр зір. В цих зорях не виникає конвективних зон.

Червоні гіганти – неоднорідна структура. Внаслідок вигоряння водню в центральних шарах зорі область енерговиділення зміщається в периферичні шари і утворюється тонкий шар енерговиділення , в якому може відбуватися реакція. Цей шар поділяє зорю на дві частини: внутрішню – “Гелієве” ядро , в якому не протікають реакції через відсутність водню і зовнішню, в якій хоч і є Н₂, але температура і тиск недостатні для протікання реакції. На перших порах тиск в шарі енерговиділення більший, ніж в ядрі.

Білі карлики. R ~ (10^-2 – 10^-3)R_Θ .

Білі карлики – надгусті зорі. Густина в центрі білих зір може досягати сотень тон на см ³. Повільно остигаючи вони поступово випромінюють величезний запас енергії виродженого газу. Більш масивні білі карлики стиснуті сильніше і для них чітко простежується залежність радіуса від маси. Але починаючи з деякого значення маси, тиск виродженого газу не може зрівноважити силу гравітації. Така зоря може необмежено стискуватись.

Коланс неминучий при масі = (2-3) М_Θ . При масі > 1,2 М_Θ зоря може перетворитися в нейтральну зорю і силам гравітації протидіє тиск нейтронного “газу”, але перед цим на зорі відбудеться ядерний вибух, який ми спостерігаємо як спалах наднової зорі. Внаслідок вибуху виділяється вся можлива ядерна енергія і речовина перейде в форму нейтронів. Але при масі зорі > (2-3) М_Θ навіть тиск вироджених нейтронів не може протидіяти гравітації.

Особлива ситуація повинна виникнути тоді, коли радіус зорі стане меншим за ((2 + m) / С²). В цьому випадку параболічна швидкість стане більшою за швидкість світла

Vn = Vc √ 2

Vc = √(f (M + m) / r)

Vc – кругова швидкість;

Vn – параболічна швидкість.

Це означає, що ніщо навіть світловий квант не може залишити зорю. Такий об’єкт стане невидимим. Такий, теоретично можливий, гіпотетичний стан зорі називають чорною дірою.

В окремих випадках можна спостерігати речовину поблизу чорної діри.

В 1962 році з висотних ракет було виявлено джерело Х – випромінювання, яке і до даного часу є загадковим об’єктом. Пізніше було виявлено інші джерела Х-випромінювання, які стали називати назвою сузір’я, в якому його виявлено додаючи при цьому латинську букву Х.

На теперішній час відомо більше 200 джерел. Їх виявлено за допомогою супутника “УХУРУ”, який був обладнаний телескопом, що вловлював фотони від 2- до 20 ксв. Майже половина цих джерел була пов’язана з іншими галактиками. Біля 100 джерел Х-випромінення належить нашій галактиці. Одне із них – рентгенівський пульсар, який співпадає з радіопульсатором квабовидної туманності.

Декілька інших джерел Х-випромінювання також ототожнені з молодими радіопульсаторами. Більше 10 джерел пов’язано з туманностями-залишками спалаху зір. В цьому випадку причиною випромінювання є теплове випромінювання газу нагрітого до температури декілька мільйонів градусів.

Основна частина галактичних джерел Х-випромінювання належить особливому класу об’єктів зоряної природи, які називають Х-зорями. Їх представниками є джерело Скорпіон Х-І. Це найяскравіше джерело в діапазоні випромінювання 1-10 А°. Потік його випромінювання складає 3 · 10 ^–7 орг/с. Це стільки, скільки дає зоря 7^m у видимій області. Х-світимість такого джерела досягає 10³⁷ ерг/с, що в тисячі разів більше болометричної світимості Сонця.

Світимість Х-зір змінюється. У джерела Скорпіон Х-І зміну ототожнюють із змінною зорею 12-13^m. Варіації потоку Х-променів і оптичного випромінювання ніяк не пов’язані між собою. На протязі декількох діб в обох випромінювань можуть спостерігатися флуктуації в межах 20 % після чого наступає активна фаза – спалахи, які тривають по декілька годин. Під час спалахів потоки енергії змінюються у 2-3 рази. При цьому суттєва зміна рівня випромінювання зростає за проміжок часу 10^-3 с. Це свідчить про те, що розміри джерела не можуть перевищувати 0,001 світової секунди (300 км).

Таким чином джерела Х-випромінювання повинні бути досить компактними об’єктами, можливо , типу нейтронних зірок, як у випадку пульсарів, з якими ототожнюються деякі Х-зорі.

Цілий ряд Х-зірок (Геркулес Х-І, Центавр Х-3) виявляють строгу періодичність варіацій потоку Х-випромінювання. Це наводить на думку про те, що джерелом Х-випромінювання є компонента подвійної системи. Більше десятка джерел ототожнені із зорями змінність яких вказує на те, що вони належать до тісних подвійних систем.

Все вищесказане дозволяє зробити висновок про те, що Х-зорі найбільш ймовірно є тісними системами, в яких один із компонентів – оптична зоря, а інший – компактний об’єкт, який знаходиться на прикінцевій стадії своєї еволюції. Припускається, що це може бути нейтральна зоря, в деяких випадках білий карлик або навіть чорна діра.

Причиною виникнення потужного Х-випромінення є падіння на компактний об’єкт (наприклад, на нейтральну зорю) хмар і потоків газу, які перетікають з оптичного компонента тісної подвійної системи. У випадку найзвичайної компактності нейтральної зорі швидкість падіння газів може досягати 100000 км/год. Такий процес падіння газів називається аккреацією. Внаслідок падіння газів на нейтральну зорю кінетична енергія перетворюється в Х-випромінювання.

Важливу роль при цьому відіграють магнітні поля нейтральної зорі.

Новоподібні джерела Х-випромінювання.

Окрім постійно спостережуваних джерел Х-випромінювання щорічно виявляють до десятка джерел, які спалахують і за характером явища вони нагадують нові зорі. Світимість таких новоподібних джерел Х-випромінювання швидко зростає за декілька діб. Протягом 1 – 2 місяців вони можуть стати найяскравішими об’єктами на “Х”-небі інколи в декілька разів перевищують потік випромінювання, найяскравіше постійне джерело Скорпіон Х-І. Деякі з них під час спалахів витявляються Х-пульсарами з дуже довгими періодами (до 7 хвилин). Природа цих об’єктів, а також їх зв’язок з новими зорями поки невідомі.