Краткая теория сверхновых

Если на конечной стадии эволюции звезды её масса окажется больше предельной, то нерелятивистскими формулами пользоваться нельзя. В этом случае рассмотрение всех вопросов возможно только в рамках общей теории относительности.

Общая теория относительности приводит к тому выводу, что в рассматриваемом случае квантовомеханическое внутреннее давление вещества уже не в состоянии противостоять гравитационному давлению. Произойдёт беспредельное катастрофическое сжатие звезды (гравитационный коллапс) до размера, определяемого гравитационным радиусом (радиус Шварцшильда)

. (9.24)

Гравитационный радиус Солнца равен R_{g_Q} =2,95 км,

а гравитационный радиус Земли равен R_{g_земли} =0,886 см

Во время гравитационного сжатия, когда плотность вещества в центре звезды становится выше ядерной, по звезде наружу начинает распространяться волна сжатия. В результате на определённом расстоянии от центра звезды зарождается ударная волна. При этом разреженное вещество из внешних слоёв проходит через эту волну, сильно нагревается и его плотность возрастает в 4-7 раз.

Перед взрывом в ядре звезды догорает ²⁸Si с образованием ⁵⁶Ni (см. рис 9.8), который, в свою очередь, в результате электронного захвата превращается в совокупность обогащённых нейтронами атомных ядер с массовым числами вблизи 50¸60.

, Т_с»7*10⁹К; r_с»4*10⁹г/см³ (9.25)

Когда горение ²⁸Si прекращается, то начинается сжатие центрального ядра.

Полная переданная ударной волне энергия E_in»3,8×10⁵¹эрг и слабо зависит от первичной массы звезды. Вследствие этого, сверхновые звёзды являются идеальными эталонами для определения расстояний до далёких галактик.

10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰ 10¹¹

Рис. 9.8. Эволюция массивной звезды (М > 25M_Q)

В последнем случае в качестве эталонной сверхновой берутся лишь сверхновые Ia типа.

Определение: Под сверхновой Ia типа понимается такая сверхновая звезда, в спектре которой отсутствует линия водорода.

Механизм вспышек сверхновых звёзд типа (SN Ia) следующий. Это так называемая термоядерная сверхновая, в основе механизма взрыва которой лежит процесс термоядерного синтеза в плотном углеродно-кислородном ядре звезды. Предшественниками SN Ia являются белые карлики с массой, близкой к пределу Чандрасекхара. Принято считать, что такие звезды могут образовываться при перетекании вещества от второй компоненты двойной звёздной системы. При увеличении массы белого карлика постепенно увеличивается его плотность и температура. Наконец, при достижении температуры порядка 3×10⁸ K, возникают условия для термоядерного поджигания углеродно-кислородной смеси. От центра к внешним слоям начинает распространяться фронт горения, оставляя за собой продукты горения — ядра группы железа. Начинаются интенсивные крупномасштабные конвективные процессы, приводящие к ещё большему усилению термоядерных реакций и выделению необходимой для сброса оболочки сверхновой энергии (~10⁵¹ эрг).

9.3. Космические лучи.

Космические лучи (космическое излучение) - частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они были открыты в 1912 г. австрийским физиком В.Гессом с помощью ионизационной камеры на воздушном шаре. На высоте более 1000 м им было отмечено заметное увеличение эффекта ионизации, величина которой практически удвоилась на высоте ~4000 м. Максимальные энергии космических лучей ~3^.10²⁰эВ, т.е. на несколько порядков превосходят энергии, доступные современным ускорителям на встречных пучках (максимальная эквивалентная энергия Теватрона ~2^.10¹⁵эВ, LHC - около 10¹⁷эВ). Поэтому изучение космических лучей играет важную роль не только в физике космоса, но также и в физике элементарных частиц. Ряд элементарных частиц впервые был обнаружен именно в космических лучах (позитрон - К.Д. Андерсон, 1932 г.; мюон () – К.Д. Андерсон и С. Неддермейер, 1937 г.; пион () - С. Ф. Пауэлл, 1947 г.). Хотя в состав космических лучей входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.
Различают следующие типы космических лучей (рис. 9.9):

1. Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.

1. Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.

Кроме этих двух основных типов космических лучей рассматривают также метагалактические космические лучи - космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.

Рис. 9.9. Галактические и солнечные космические лучи.

Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными. Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, примерно изотропен и постоянен во времени и составляет ~1 частица/см^2. с (до входа в земную атмосферу). Плотность энергии галактических космических лучей ~1 эВ/см³, что сравнимо с суммарной энергией электромагнитного излучения звёзд, теплового движения межзвёздного газа и галактического магнитного поля. Таким образом, космические лучи – важный компонент Галактики.

Состав космических лучей приведен в таблице.

Характеристики первичных космических лучей (галактических и солнечных)
	Галактические космические лучи	Солнечные космические лучи
Поток	~ 1 см^-2·с^-1	Во время солнечных вспышек может достигать ~10^6 см^-2·с^-1
Состав	Ядерная компонента - ~95% протонов, ~4-5% ядер гелия, <1% более тяжелых ядер Электроны (~1% от числа ядер) Позитроны (~10% от числа электронов) Антиадроны <1%	98-99% протоны, ~1.5% ядра гелия
Диапазон энергий	10^6 - 3^.10^20 эВ	10^5 - 10^11 эВ

На рис.9.10 слева показаны энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. На рис 9.10 справа показаны вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ в атмосфере Земли. Кроме протонов и электронов все частицы возникли в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы.

В результате взаимодействия с ядрами атмосферы первичные космические лучи (в основном протоны) создают большое число вторичных частиц - пионов, протонов, нейтронов, мюонов, электронов, позитронов и фотонов. Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делятся на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. Такой каскад покрывает большую территорию и называется широким атмосферным ливнем.

Рис. 9.10. Состав и характеристики космических лучей. Слева - энергетические спектры главных компонент первичных космических лучей. Справа - вертикальные потоки главных компонент космических лучей с энергией > 1 ГэВ на разных глубинах атмосферы Земли

В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят преимущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.

Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино и -кванты в результате распадов.

⁰ 2,
⁺(или K⁺) ⁺ + ,
^-(или K^-) ^- + ,
K^+,-,02,
⁺ e⁺ + _e + ,
^- e^- + _e + .

Образующиеся при распаде нейтральных пионов -кванты рождают электрон-позитронные пары и -кванты последующих поколений. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.

Один протон с энергией >10¹⁴эВ может создать 10⁶-10⁹ вторичных частиц. На поверхности Земли адроны ливня концентрируются в области порядка нескольких метров, электронно-фотонная компонента — в области ~100м, мюонная — нескольких сотен метров.

Поток космических лучей на уровне моря (~0.01см^-2·с^-1) примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей.

Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд (галактические космические лучи) и Солнце. Большие энергии (до 10¹⁶эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся при взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации.

Попадающее в земную атмосферу излучение состоит из ядер, электронов и позитронов, фотонов и нейтрино. Космическими лучами принято называть только заряженные частицы. Проследим сначала за судьбой протона, который содержится в космических лучах, обладает большой энергией и попадает в верхние слои атмосферы. Он будет взаимодействовать с ядрами азота или кислорода и вызовет каскадный процесс, упрощенная схема которого показана на рис. 9.11.

Рис. 9.11. Попадающий в верхние слои атмосферы протон с высокой энергией создаёт каскадный ливень.

Состав ядерной компоненты первичных космических лучей в основном повторяет кривую распространённости элементов во вселенной. Но есть и значимые отличия.

a. Космические лучи содержат ядер элементов Li, Be, B примерно в 10⁵ раз больше, чем их содержится во Вселенной. Отсюда основная гипотеза их возникновения как результат реакции скалывания в межзвёздной пыли и газе.

b. В космических лучах отношение ³Не/⁴Не примерно в 300 раз выше чем в естественной компоненте

c. В космических лучах содержится значительно больше тяжёлых ядер.

d. В первичных космических лучах до сих пор не было обнаружено антиадронов.

e. Содержание электронов составляет около 1% от содержания ядер; в одном и том же интервале энергий количество позитронов составляет около 10% от количества электронов.

Первые два факта можно объяснить, если предположить, что космические лучи на пути от их источника до верхних слоёв атмосферы встречают несколько граммов вещества на 1см² их поперечного сечения. При таком количестве вещества в результате протекания ядерных реакций может возникнуть наблюдаемое распределение. Так как плотность межзвёздного вещества равна примерно 10^-25г/см³, космические лучи должны путешествовать в течение 10⁷-10⁸ лет.

Для обоснования этого заключения рассмотрим движение в галактическом пространстве однородного параллельного пучка тяжёлых космических частиц (m>>m_Li). Из-за столкновения с ядрами галактического газа образуются лёгкие ядра (Li, Be, B), благодаря чему интенсивность пучка тяжёлых частиц будет убывать. Пусть s- среднее эффективное сечение столкновениятяжёлой частицы с частицей газа, при котором образуются интересующие нас лёгкие ядра. Тогда процесс ослабления интенсивности потока тяжёлых ядер будет описываться уравнением

, где N- число атомных ядер галактического газа в единице объёма. Считая для простоты это число постоянным, получаем

. Будем считать, что при каждом исчезновении тяжёлой частицы рождается лёгкая из интересующей нас группы (Li, Be, B).

Тогда . Отсюда

. Как следует из эксперимента

Тогда х»2×10²³см. Откуда t ³ x/c=7×10¹³сек»2×10⁶ лет.

Имеющиеся экспериментальные факты говорят о том, что источник космических лучей должен обладать следующими свойствами. Он должен испускать космические лучи с энергиями вплоть до 10²² эВ и с энергетическим спектром типа I(E)~E^2,6, где I(E) –интенсивность ядерной компоненты с энергией Е.

Кроме того, полная энергия, испускаемая источником космических лучей, должна быть порядка 10⁴⁹ эрг/год, если считать, что он находится в пределах нашей Галактики. Распределение космических лучей должно быть изотропно, а их интенсивность постоянной в течение, по крайней мере, 10⁹ лет. Первичный спектр должен включать тяжёлые элементы вплоть до Z=100, но должен содержать менее 1% антиадронов.

При создании модели источника космических лучей следует ответить, по крайней мере, на три вопроса:

1) откуда приходят космические лучи?

2) как они создаются?

3) как они ускоряются?

Сделаем несколько замечаний по поводу каждой из этих проблем.

· В настоящее время считается, что сверхновые и нейтронные звёзды могут давать космические лучи с нужными свойствами. В нашей Галактике сверхновая появляется примерно каждые 30 лет, и по оценке (расчёту) выделяет при взрыве энергию порядка 10⁵¹ эрг. Таким образом, сверхновые могут обеспечить требуемую интенсивность космических лучей (~10⁴⁹ эрг/год).

· Первый вопрос можно сформулировать более конкретно, если нарисовать поперечное сечение нашей Галактики (см. рис. 9.12). Космические лучи могут создаваться во внутреннем радиационном диске и в галактическом гало, либо они могут попадать в Галактику извне. Большинство специалистов склоняется к выводу в пользу Галактики.

Рис. 9.12. Поперечное сечение Галактики «Млечный путь»

· Вполне возможно, что наши гипотетические источники излучают космические лучи с энергетическим спектром, описанным выше. Однако возможно также, что в процессе распространения космических лучей природа «использует» ту же идею, что применяется в современных ускорителях - ускорение в переменных магнитных полях.

9.4. Тёмная материя и тёмная энергия.

Сто лет назад Альберту Эйнштейну показалось мало созданной им в 1905 г. теории фотоэффекта (нобелевская премия 1922 г.). В период с 1905 по 1916 гг. Эйнштейн опубликовал ряд знаменитых работ по общей теории относительности (за что нобелевской премии не получил). Тогдашняя наука была совершенно уверена в незыблемости и стабильности Вселенной. И сам Эйнштейн в ту пору придерживался того же мнения. Однако из его уравнений следовало, что Вселенная устойчивой «замороженной быть не может, и это вызывало у автора беспокойство.

Дата добавления: 2014-01-14