Энергия белых карликов
Когда мы имеем некоторые представления о строении белого карлика, возникает вопрос: почему он светится ? Очевидно одно: термоядерные реакции исключаются. Внутри белого карлика отсутствует водород, который поддерживал бы этот механизм генерации энергии.
Единственный вид энергии, которым располагает белый карлик, -это тепловая энергия. Ядра атомов находятся в беспорядочном движении, так как они рассеиваются вырожденным электронным газом. Со временем движение ядер замедляется, что эквивалентно процессу охлаждения. Электронный газ, который не похож не на один из известных на Земле газов, отличается исключительной теплопроводностью, и электроны проводят тепловую энергию к поверхности, где через атмосферу эта энергия излучается в космическое пространство.
Астрономы сравнивают процесс остывания горячего белого карлика с остыванием железного прута, вынутого из огня. Сначала белый карлик охлаждается быстро, но по мере падения температуры внутри него охлаждение замедляется. Согласно оценкам, за первые сотни миллионов лет светимость белого карлика падает на 1% от светимости Солнца. В конце концов белый карлик должен исчезнуть и стать чёрным карликом, однако на это могут понадобиться триллионы лет, и, по мнению многих учёных, представляется весьма сомнительным, чтобы возраст Вселенной был достаточно велик для появления в ней чёрных карликов.
Другие астрономы считают, что и в начальной фазе, когда белый карлик ещё довольно горяч, скорость охлаждения невелика. А когда температура его поверхности падает до величины порядка температуры Солнца, скорость охлаждения увеличивается и угасание происходит очень быстро. Когда недра белого карлика достаточно остынут, они затвердеют.
Так или иначе, если принять, что возраст Вселенной превышает 10 млрд. лет, красных карликов в ней должно быть намного больше, чем белых. Зная это, астрономы предпринимают поиски красных карликов. Пока они безуспешны. Массы белых карликов определены недостаточно точно. Надёжно их можно установить для компонентов двойных систем, как в случае Сириуса. Но лишь немногие белые карлики входят в состав двойных звёзд. В трёх наиболее хорошо изученных случаях массы белых карликов, измеренные с точностью свыше 10% оказались меньше массы Солнца и составляли примерно половину её. Теоретически предельная масса для полностью вырожденной не вращающейся звезды должна быть в 1,2 раза больше массы Солнца. Однако если звёзды вращаются, а по всей вероятности, так оно и есть, то вполне возможны массы, в несколько раз превышающие солнечную.
Источник
Звезда — Белый карлик
Белые карлики — распространенный тип звезд с малой светимостью и огромной массой. В нашей галактике они составляют несколько процентов от общего числа звезд. Это компактные объекты, размером примерно с Землю. Температура внутри них невысока, так что ядерные реакции не протекают. Запасенная энергия постепенно уменьшается за счет излучения электромагнитных волн. Температура поверхности белых карликов колеблется в пределах от 5 000° K у старых, «холодных» звезд до 50 000° K у молодых и «горячих».
Белые карлики относятся к объектам, находящимся в последней стадии эволюции. Плотность вещества белых карликов больше плотности обычных звёзд в миллион раз, а распространённость их среди звёзд Млечного Пути – 3 – 10%. Также белые карлики от звезд отличаются тем,что в их недрах не идут термоядерные реакции.
У обычных звёзд рентгеновское излучение создаёт корона, а у белых карликов подобным источником служит фотосфера.
Когда на Солнце закончится весь гелий (через 100 – 110 млн. лет), оно превратится в белый карлик.
Молодые белые карлики имеют температуру больше 2 . 10 5 °К на поверхности. Классический пример – снимки самой яркой звезды нашего неба, Сириуса.
Их удалось получить при помощи рентгеновского телескопа «Чандра». В оптике Сириус А в 10 000 раз ярче своего напарника, Сириуса В, но в рентгеновском диапазоне белый карлик имеет большую яркость.
Из чего состоят
Белые карлики не так просты и скучны, как это может показаться на первый взгляд. Действительно, если ядерные реакции не идут и температура невысока, то откуда берется высокое давление, сдерживающее гравитационное сжатие вещества? Оказывается, что решающую роль играют квантовые свойства электронов. Под действием гравитации вещество сжимается настолько, что ядра атомов проникают внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны уже не принадлежат конкретным ядрам, а вольны летать по всему пространству внутри звезды. Ядра же образуют плотно связанную систему наподобие кристаллической решетки. Далее происходит самое интересное. Хотя в результате излучения в окружающее пространство белый карлик остывает, средняя скорость электронов не уменьшается. Это связано с тем, что, согласно законам квантовой механики, два электрона, имея полуцелый спин, не могут находиться в одном состоянии (принцип Паули). Значит, число различных состояний электронов белого карлика не может быть меньше числа электронов. Но понятно, что число состояний уменьшается с уменьшением скоростей электронов. В предельном случае, если бы скорость всех электронов стала равной нулю, все они оказались бы в одном состоянии (точнее — в двух, с учетом проекции спина). Поскольку электронов в белом карлике много, то и состояний должно быть много, а это обеспечивается сохранением их скоростей. Ну а большие скорости частиц создают большое давление, противодействующее гравитационному сжатию. Конечно, если масса объекта слишком велика, гравитация преодолеет и этот барьер.
Эволюция
Большинство белых карликов являются одним из последних этапов эволюции нормальных, не очень массивных звезд. Звезда, исчерпав запасы ядерного горючего, переходит в стадию красного гиганта, теряет часть вещества, превращаясь в белый карлик. При этом наружная оболочка — нагретый газ — разлетается в космическом пространстве и с Земли она наблюдается как туманность. За сотни тысяч лет такие туманности рассеиваются в пространстве, а их плотные ядра, белые карлики, постепенно остывают аналогично раскалённому куску металла, но очень медленно, поскольку его поверхность мала. Со временем они должны превратиться в коричневые (черные) карлики — сгустки материи с температурой окружающей среды. Правда, как показывают расчеты, на это может потребоваться множество миллиардов лет.
Очевидно, что открытие коричневых карликов затруднено их слабой светимостью. Один из коричневых карликов находится в созвездии Гидры. Его блеск составляет лишь 22,3. Уникальность открытия заключается в том, что ранее обнаруженные коричневые карлики входили в двойные системы, именно поэтому их и могли обнаружить, а этот — одиночный. Его нашли только благодаря близости к Земле: до него всего 33 световых года.
Предполагается, что нынешние коричневые карлики — это не остывшие белые (слишком мало времени прошло), а «недоразвившиеся» звезды. Как известно, звезды рождаются из газопылевого облака, причем одно облако порождает несколько звезд разной массы. Если сжимающийся сгусток газа имеет массу в 10-100 раз меньше солнечной, образуются коричневые карлики. Они довольно сильно разогреваются силами гравитационного сжатия и излучают в инфракрасном диапазоне. Ядерные реакции в коричневых карликах не происходят.
Открытие
К началу 30-х гг. XX в. в общих чертах сложилась теория внутреннего строения звезд. Задавая массу звезды и ее химический состав, теоретики могли рассчитать все наблюдаемые характеристики звезды — ее светимость, радиус, температуру поверхности и т. д. Однако эту стройную картину нарушала невзрачная звездочка 40 Эридана В, открытая английским астрономом Вильямом Гершелем в 1783 г. Для своей высокой температуры она имела слишком небольшую светимость, а следовательно, слишком малые размеры. С точки зрения классической физики это не поддавалось объяснению. Спустя некоторое время были найдены и другие необычные звезды. Самым знаменитым из этих открытий стало открытие Сириуса В — невидимого спутника самой яркой звезды — Сириуса. Астроном Фридрих Вильгельм Бессель (немецкий математик и астроном), наблюдая за Сириусом, обнаружил, что он движется не по прямой, а «слегка по синусоиде». Примерно десять лет наблюдений и размышлений привели Бесселя к выводу, что рядом с Сириусом находится вторая звезда, оказывающая на него гравитационное воздействие.
Предсказание Бесселя подтвердились после того, как А. Кларк в 1862 г. сконструировал телескоп с объективом диаметром 46 см, на тот момент самый большой телескоп в мире. Для проверки качества линзы его направили на Сириус — самую яркую звезду. В поле зрения телескопа появилась еще одна звезда, неяркая, которую и предсказывал Бессель.
Температура Сириуса В оказалась равной 25 000 К — в 2,5 раза выше, чем у яркого Сириуса А. С учетом размеров звезды это указывало на чрезвычайно высокую плотность ее вещества — 106г/см³. Наперсток такого вещества весил бы на Земле миллион тонн.
Как оказалось, белые карлики — это звездные «огарки», ведущие свое происхождение от обычных звезд. Равновесие обычных звезд поддерживается силой давления раскаленной плазмы, которая противостоит силе гравитации (тяготения). Чтобы равновесие сохранялось, необходимы внутренние источники энергии, иначе звезда, теряя энергию на излучение потоков света в окружающее пространство, не выдержала бы противоборства с гравитационными силами. Таким внутренним источником служат термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Как только в центральных областях звезды «выгорает» весь водород, равновесие нарушается и звезда начинает сжиматься под действием собственной тяжести. Типичная плотность окружающих нас предметов составляет несколько граммов на 1 см³ (примерно такова характерная плотность атома). Такую же среднюю плотность имеют звезды типа нашего Солнца. Однако, если обычную звезду сжать в 100 раз, атомы «вожмутся» друг в друга и звезда превратится в один гигантский атом, в котором энергетические уровни отдельных атомов «сцепятся» воедино. При таких плотностях электроны образуют так называемый вырожденный электронный газ — особое квантовое состояние, при котором все электроны белого карлика «чувствуют» друг друга и образуют единый коллектив — именно он и противостоит гравитационному сжатию. Так звезда превращается в плотное ядро — белый карлик.
Источник
Строение и выиды звезд
Описание презентации по отдельным слайдам:
Строение и виды звезд. Составитель: учитель физики Виноградова Ирина Олеговна Учебное заведение: МБОУ СОШ №37 п.Тюменский, 2018 год
План урока: Введение Строение звезд главной последовательности Красные гиганты и сверхгиганты Белые карлики Нейтронные звезды, пульсары Черные дыры Рассмотрение задачи Рефлексия, заключение
Введение:: Звёзды… Они восходили над динозаврами, над Великим Оледенением, над строящимися египетскими пирамидами. Но шло время, и люди стали всё чаще смотреть на звезды с другой, менее романтической точки зрения. Антуан де Сент-Экзюпери сказал об этом: «Вы проинтегрировали орбиту звезды, о жалкий род исследователей, и звезда перестала быть для вас живым светилом». Действительно, звёзды стали рассматриваться как физические объекты, для описания которых вполне достаточно известных законов природы.
Строение звезд главной последовательности:: У всех звезд главной последовательности источником энергии являются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Чем больше масса, тем выше температура, и выше темп выделения энергии.
Строение звезд главной последовательности::
Строение звезд главной последовательности:: 2 способа переноса энергии из ядра звезды наружу: Лучистый: Энергия переносится излучением Конвективный: Механическое движение нагретых масс вещества Встречается у звезд, подобных Солнцу или меньших по массе Встречается у звезд с большой массой (гораздо большей , чем Солнце)
Строение красных гигантов и сверхгигантов:: Отсутствие ядерных реакций в самом центре, высокие температуры в ядре: выше 16·109 К Ядерные реакции протекают в тонких слоях вокруг плотного ядра, температура падает до 15·106 К (т.е. из водорода образуется гелий) Опускаясь в слой ниже, при росте температуры из гелия образуется углерод, далее из углерода – кислород. В самых глубоких слоях у очень массивных звезд при термоядерных реакциях образуется железо.
Строение красных гигантов и сверхгигантов::
Строение красных гигантов и сверхгигантов::
Строение красных гигантов и сверхгигантов::
Белые карлики:: Размеры небольшие, сравнимы с Землей (тысячи и десятки тысяч километров) Массы близки к массе Солнца. Существует предел: 1,4 массы Солнца – предел Чандрасекара. Плотности: порядка 105—109 г/см3 Термоядерные реакции не протекают Недра состоят из ядер гелия и других тяжелых элементов.
Белые карлики:: Эти звезды существуют за счет запасов тепловой энергии, выработанной в процессе предыдущих этапов эволюции. Через миллиарды лет запасы этой энергии иссякнут и белые карлики остынут (перестанут светиться)
Нейтронные звезды, пульсары:: В 1967 г. С помощью радиотелескопов были обнаружены радиоисточники с периодическими импульсами радиоизлучения – пульсары. Известно более 1800 пульсаров со стабильным периодом повторения импульсов За явление пульсара ответственны быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем
Нейтронные звезды, пульсары:: Существование нейтронных звезд было предсказано еще в 30-х гг. ХХ века советским физиком Л.Д.Ландау. Период следования импульсов равен периоду вращения нейтронной звезды Радиусы звезд порядка 10 км Массы, сравнимые с Солнцем Плотность нейтронной звезды невероятно велика
Черные дыры:: В конце 18 века астроном и математик П.Лаплас предсказал существование черных дыр, основываясь на теории тяготения Ньютона.
Черные дыры:: Черная дыра— область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер — гравитационный радиус
Черные дыры:: Черные дыры благодаря своему гравитационному полю могут захватывать вещество, находящееся в окружающем пространстве
Черные дыры:: Рентгеновское излучение испускает не сама черная дыра, а нагретый до нескольких млн. градусов газовый диск, вращающийся вокруг черной дыры. Этот диск состоит из вещества, которое черная дыра своим тяготением вытягивает из яркой звезды.
Задача:: Найдите сумму масс компонентов двойной звезды η Кассиопеи, параллакс которой 0,17″, период обращения спутника 530 лет и угловой размер большой полуоси орбиты 12».
Рефлексия:: Как устроены звезды главной последовательности? Как устроены красные гиганты и сверхгиганты? Какова их отличительная особенность? Что представляют собой белые карлики? Как устроены и проявляют себя нейтронные звезды? Что представляют собой черные дыры?
Заключение:: … На упрёк Антуана де Сент-Экзюпери о том, что наука лишила звезд романтики и красоты, ответил американский физик Ричард Фейнман: «Поэты утверждают, что наука лишает звёзды красоты. Для неё звёзды – просто газовые шары. Совсем не просто. Я тоже любуюсь звёздами и чувствую их красоту. Вот только кто из нас видит больше?»…
Заключение:: Спасибо за внимание!
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Данная презентация рассчитана на цикл из двух уроков и содержит в себе полную информацию о строении и видах звезд.
В ней вы найдете не только всю информацию о белых карликах, красных гигантах, синих гигантах, желтых карликов, но так же узнаете пульсарах и нейтронных звездах. Кроме того в завершающей стадии презентации вы найдете и решение количественной задачи с постановкой условия.
Номер материала: ДБ-659773
Международная дистанционная олимпиада Осень 2021
Не нашли то что искали?
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
Заболеваемость ковидом среди студентов и преподавателей снизилась на 33%
Время чтения: 4 минуты
Путин попросил привлекать родителей к капремонту школ на всех этапах
Время чтения: 1 минута
Минпросвещения будет стремиться к унификации школьных учебников в России
Время чтения: 1 минута
В Осетии студенты проведут уроки вместо учителей старше 60 лет
Время чтения: 1 минута
Студентам вузов могут разрешить проходить практику у ИП
Время чтения: 1 минута
В Минпросвещения предложили организовать телемосты для школьников России и Узбекистана
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Источник
