Лекция 1

Download Report

Transcript Лекция 1

Строение и эволюция звезд I

История звездообразования во Вселенной

Формирование звезд из пыли Неустойчивость Джинса

t ff R

~

v ff

~

R GM

/

R

~ 1

G

t s R

~

c s

При массе больше некоторой вещество сколлапсирует

~

быстрее, чем тепловое давление помешает это сделать

R

3

kT

/ 2

m p M J

  6

G

3 / 3

c

2

s

 1 / 2 ~ 3

M Sun

  

c s

0 .

2

км

/

сек

   3   

n

10 3

см

 3     1 / 2

Светимость Солнца 2 х 10 33 эрг/сек Масса Солнца ~2 х 10 33 грамм Размер Солнца 7х10 10 см

Источник энергии – сжатие?

Время Кельвина-Гельмгольца

Время, за которое излучится гравитационная энергия Солнца

E

~

GM

2

R t KH

GM

2

LR

 30

млн

.

лет

Возраст Земли миллиарды лет (>700 млн.лет уже в 1904 г., Резерфорд)

Уравнения гидростатического равновесия

dP

F dx dP

(

r

)

dr

 

GM

(

r

)  (

r

)

r

2 

V

 4 

r

2 

r

 

M

 

V

 (

r

)  4 

r

2 

r

 (

r

) 

dM

(

r

)  4 

r

2  (

r

)

dr



Минимальное давление в центре Солнца

dP

(

r

)

dr

 

GM

(

r

)  (

r

)

r

2

dM

(

r

)  4 

r

2  (

r

)

dr

Поделим эти два уравнения: 

dP

(

r

)

dr dM

(

r

)

dr

dP dM

 

GM

4 

r

4

P c

P s

  0

M s GM

4 

r

4

dM

 на радиус (размер Солнца):  0

M s GM

4 

r

4

dM

  0

M s GM

4 

r s

4

dM

GM S

2 8 

r s

4 

Давление в центре Солнца

P c

 P c  >4.5 x 10 8 2

GM s

8 

r

4

s

атмосфер Мин. температура в центре Солнца

T c

GM s

m p

6

kr s

 2 .

3  10 6

K



Теорема вириала для звезд

dP

(

r

)

dr dM

(

r

)

dr

dP dM

 

GM

4 

r

4 Интеграл по всей звезде: 4 

r

3

dP

3 

P c P s

 

GM r V dP dM

   0

M s GM dM r P

 

U

(  3  

c s

 1 )  3 

V s V c P dV

   0

M s GM dM r

2

U

   

Для Г=5.3

- гравитационная энергия

Отрицательная теплоемкость

E

U

Полная энергия    

U

, 

E

  

U

Добавление энергии звезде приводит к ее остыванию (и наоборот) Аналогичный эффект в любой стационарной системе в поле тяготения – пример?

Производство энергии

V

(

r

)  4 

r

2 

r

m

(

r

)  4 

r

2  (

r

) 

r

 -производство энергии на единицу массы и объема В слое 4 

r

2  (

r

) 

r

dL

(

r

)  4 

r

2  (

r

) 

dr

Термоядерные реакции и …

Кулоновский барьер (r~10 -13 см)

U C

~

z

1

z

4  2

r e

2 ~ 1

МэВ

Температура в центре Солнца

T c

~

GM

6

s

m kr s p

 10 7

K

~ 1

кэВ

Максвелловское распределение электронов

f

(

E

)

dE

~ 2

E

 (

kT

) 3

e

E

/

kT dE E

U C e

 ( 1

кэВ

/ 1

МэВ

) ~

e

 1000 ~ 10  430 ?

… туннелирование

x

p

~  , 

x

~ 10  13

см

E

 

p

2

m p

2   2 2 

x

2

m p

~ 20

МэВ

Вероятность туннелирования 

e

2

P

~

e h

v

P

(

реакции

) 

e

e

2

h

v

e

m

v 2 2

kT Пик Гамова

Перенос излучения, рассеяние

Потери потока при рассеянии

dF

  

Fdr

-непрозрачность Изменение импульса (изменение давления) при рассеянии

dp

  

Fdr

/

c

Давление чернотельного излучения

p

 

T

4 / 3

dp dT

 4 3 

T

3

F

  

dp dr

4

dr

dT cT

3 3 

dT dr L

 4 

R

2

F

Простое упражнение Происхождение главной последовательности

Зависимость светимости от ее поверхностной температуры

Предположим выделение энергии и перенос излучения в виде  ~  

T

  ~ 

T

L

~ 

R

3 ~

M

2

T

R

3

производство энергии

L

~

RT

 4 ~

T

4  

R

4  3 

M

1  

перенос излучения

R

~

M

a

,

a

 3 1            3 

Зависимости производства энергии при термояд. реакциях от температуры

  4

Для Солнца

   3 .

5   1

R

~

M

1 / 13

T c

~

M

12 / 13

T эфф

~   

L R

2    1 4

L

~

M

71 / 13 ~ 

M

71 / 13

M

 2 / 13  1 / 4 ~

M

69 / 52

L

~ 284 /

T эфф

69 ~ 4 .

1

T эфф

Зависимость светимости от массы звезд

Переменные звезды

Двойные переменные звезды – следующая лекция

Звезды периодически меняют свою яркость, Цефеиды, RR Лиры…

L

~

RT

 4

Цефеиды

перенос излучения, непрозрачность слоев,

радиус-температура

Зона вторичной ионизации гелия

Звездные спектры Balmer break Поглощение на мол.линиях

Конвекция

Время выхода фотонов из области энерговыделения

t

~

R Sun

c R Sun

  -длина свободного пробега фотонов  ~ 1

n

 ,

где

 

сечение рассеяния

Для Солнца   1

см t

 10 10

лет

Условие возникновения конвекции

          

d

dr

r

(

наст

.) 

P

 

P

  (

адиаб

.) Приравниваем. Получаем  

P

  

dP d

   1 Для идеального газа:

dP P

d

  

dT T

Условие возникновения

P

конвекции

dT

 

T dP

  1 

Внутренняя структура звезд.

Конвективные и радиационные оболочки.

Конвекция на поверхности Солнца

Разрешение изображения ~100км Размеры гранул~1000км

Конвекция на поверхности Солнца

Основные типы термоядерных реакций в звездах

Цикл p-p Цикл CNO

Зависимости производства энергии при термояд. реакциях от температуры

Время жизни звезд на главной последовательности

(потребление 10% массы звезды)

t

(

ГП

) ~

E L L

~

M x

~ 0 .

007 ( 0 .

1

M

)

c

2

L t

~ 10 10  

M M Sun

   (

x

 1 )

лет

Фаза красных гигантов После исчерпания топлива в центре звезды образуется инертное ядро и раздувается оболочка - звезда становится красным гигантом Горение продолжается только в небольшом слое. Оболочка раздувается

Известнейший красный гигант Бетельгейзе

Типичные расчеты звездной эволюции Красные гиганты Главная последовательность

Основные этапы эволюции 1 M

Фаза t (лет)

ГП 9 x10 9 Субгигант 3 x10 9 Красный гигант 1 x10 9 Гигант кр.пятна 1 x 10 8 Гигант ассимпт.ветви ~5x10 6 Планетарная тумм. ~1x10 5 Белый карлик >8x10 9 38

Молодые звездные Скопления (t<100Myr)

Шаровое скопление 47 Tuc (t~10Gyr)

Эволюция звезды 1 M 