Глава 6. Звезды

6.5. Эволюция массивных звезд

6.5.2.1. Процессы в массивных звездах

Основными элементами Вселенной являются водород и гелий. Нуклеосинтез в ранней Вселенной остановился на H, ⁴He, ³He, D, T, ⁷Li и ничтожной примеси более тяжелых элементов. Поэтому все элементы, начиная с углерода, образуются при термоядерном горении вещества в звездах и при взрывах сверхновых путем захватов протонов и ядер, ⁶Li, ⁹Be, ¹⁰B, ¹¹B.

При вспышках сверхновых температуры столь высоки, что устанавливается термодинамическое равновесие и протоны и нейтроны захватываются все более тяжелыми ядрами, образуя элементы вплоть до ⁵⁶Fe. Эти тяжелые элементы опять поступают в межзвездную среду, из них образуются звезды, обогащенные тяжелыми элементами. Наше Солнце – типичный представитель таких звезд, богатых железом и другими элементами.

В процессе эволюции плотность и температура в центре звезды растут. При плотности ρ = 10¹⁰ кг/м³ физические свойства вещества внутри звезды существенно меняются. Газ внутри звезды перестает быть идеальным. Квантово-механическим взаимодействием частиц уже нельзя пренебрегать, так как характерные расстояния между ними меньше дебройлевской длины волны λ = h/p.

Модель 6.7. Реакции в горячих звездах

Если масса звезды меньше 2,5 M, то в процессе эволюции происходит реакция превращения протонов в нейтроны:

p + e– → n + νe.

При этом сжатие звезды останавливается на стадии нейтронной звезды.

Ядерная эволюция в недрах звезд постоянно сопровождается увеличением относительного содержания нейтронов: если в начале эволюции в веществе, состоящем на 75 % из водорода и 25 % из гелия, на 6 протонов приходится 1 нейтрон, то уже после образования гелия у звезд главной последовательности это соотношение уменьшается до 1:1. С ростом плотности и началом вырождения электроны приобретают из-за принципа Паули релятивистские скорости.

Начинаются ядерные реакции:

• ³He + e^– → ³H + ν_e при плотности ρ > 10⁶ кг/м³ (энергия выхода 18 кэВ),
• ⁴He + e^– → ⁴H + ν_e при плотности ρ > 10¹¹ кг/м³ (энергия выхода 20 МэВ),
• и так далее вплоть до ⁵⁶Fe + e^– → ⁵⁶Mn + ν_e (энергия выхода 4 МэВ).

Распад образующихся радиоактивных ядер запрещен принципом Паули, т.к. электроны вырождены и все возможные состояния заняты.

При нейтронизации упругость вещества уменьшается, так как уменьшается концентрация электронов при сохранении плотности барионов. Поэтому нейтронизация вещества является одним из основных физических процессов, приводящих к коллапсу звездных ядер на поздних стадиях эволюции звезд.

Другая причина потери устойчивости звезды – эффекты общей теории относительности. В ОТО давление вещества дает вклад в силу притяжения (образно говоря, давление «весит»), поэтому при больших плотностях и давлениях вырожденного газа эффекты ОТО приводят к дополнительным градиентам давления, стремящимся сжать звездное вещество.

При нейтронизации вещества звезда очень быстро теряет устойчивость: потеря упругости приводит к сжатию и нагреву, но отрицательная теплоемкость обычных звезд здесь перестает срабатывать, так как давление газа, противодействующее сжатию, не зависит от температуры. Большая часть энергии сжатия уносится нейтрино, образующимися при нейтронизации, и даже если рост температуры при коллапсе снимает вырождение электронов, то энергия продолжает уноситься антинейтрино в ходе процессов бета-распадов перегруженных нейтронами ядер.

Необратимые потери энергии при прямых и обратных бета-распадах получили название УРКА-процессов (впервые рассмотрены Гамовым и Шенбергом). Объемные потери энергии при УРКА-процессах сильно зависят от температуры. Таким образом, на финальных стадиях эволюции нейтринная светимость звезд, составляющая на главной последовательности всего несколько процентов от фотонной светимости, значительно возрастает и становится преобладающей.