Курс теоретической астрофизики

Формулами (36.37) — (36.39) определяются средние коэффициенты поглощения в зависимости от химического состава, плотности и температуры. Из этих формул можно заключить, что наибольшую роль в поглощении лучистой энергии внутри звёзд играет фотоионизация. Свободно-свободные переходы вносят заметный вклад в поглощение лишь при большом относительном содержании водорода и гелия. Рассеяние света на свободных электронах имеет существенное значение при малых плотностях и высоких температурах.

Кроме лучеиспускания, некоторую роль в переносе энергии внутри звёзд играет теплопроводность. Количество тепловой энергии внутри звезды даже превосходит количество лучистой энергии. Однако лучеиспускание играет все же большую роль по сравнению с теплопроводностью, так как скорость и длина свободного пробега для фотонов гораздо больше, чем для электронов. В каждом месте звезды происходят переходы тепловой энергии в лучистую и обратно (при поглощении и излучении фотонов) и перенос энергии в основном совершается тогда, когда она находится в форме лучистой энергии. В некоторых же случаях необходимо принимать во внимание и перенос энергии электронной теплопроводностью. Относительная роль электронной теплопроводности растёт с увеличением плотности. Особенно велика эта роль в случае белых карликов вследствие вырождения в них электронного газа. Объясняется это тем, что в вырожденном газе заняты все нижние состояния и длина свободного пробега электрона оказывается очень большой.

Когда мы занимались фотосферой Солнца, то был рассмотрен (в § 15) ещё один механизм переноса энергии — конвекция. В поверхностных слоях звёзд конвективный перенос энергии может играть значительную роль. Применение критерия (15.10) гл. III показало, что и в некоторых частях внутри звезды лучистое равновесие может оказаться неустойчивым и должна возникнуть конвекция. Если мощность источников энергии сильно возрастает при приближении к центру звезды, то в звезде должно существовать конвективное ядро. В этом случае уравнение (35.46), выражающее условие энергетического равновесия звезды, должно быть соответствующим образом изменено.

4. Ядерные реакции как источник звёздной энергии.

При поисках источников звёздной энергии давно была высказана мысль о возможности выделения больших количеств энергии в ходе ядерных реакций. Допустим, что при некоторой реакции образуется ядро, масса которого на величину M меньше суммы масс ядер, вступающих в реакцию. Тогда на основании принципа Эйнштейна, утверждающего эквивалентность массы и энергии, при такой реакции выделяется энергия

E

=

c^2

M

,

(36.40)

где c — скорость света.

Основную роль в выделении энергии внутри звёзд играют ядерные реакции, преобразующие водород в гелий. Как известно, атомная масса водорода равна 1,008, а атомная масса гелия равна 4,003 (в кислородных единицах). Поэтому при образовании из четырёх атомов водорода одного атома гелия выделяется энергия, соответствующая приблизительно 0,7% массы. Следовательно, звезда, состоящая первоначально из водорода, должна при превращении водорода в гелий выделить энергию, равную

E

=

6·10^1

M

,

(36.41)

где M — масса звезды. В частности, для Солнца получаем E10^2 эрг. Эта энергия может обеспечить излучение Солнца при нынешней его светимости в течение 10^1^1 лет, т.е. достаточно долго с точки зрения современных представлений о сроках существования звёзд.

Превращение водорода в гелий внутри звёзд происходит при двух циклах реакций: протон-протонном и углеродном.

Основная ветвь протон-протонного цикла (который называют также водородным) состоит из трёх реакций:

1)

^1H+^1H

->

^2H+e+ (0,42 МэВ),

2)

^1H+^2H

->

^3He+,

3)

^3He+^3He

->

He+^1H+^1H.

Мы видим, что сначала при встрече двух протонов образуются дейтрон (ядро тяжёлого водорода), позитрон и нейтрино. Позитрон сразу же соединяется с каким-либо электроном и вместе с ним исчезает, испуская два -кванта. Нейтрино беспрепятственно выходит из звезды, унося с собой некоторую часть выделившейся энергии. Затем образовавшийся дейтрон соединяется с каким-нибудь протоном, в результате чего возникает ядро ^3He и излучается -квант. Наконец, при столкновении двух частиц ^3He образуются ядро гелия He (-частица) и два протона.

Как показывают оценки, из всех ядер гелия, возникающих в водородном цикле, примерно 80% приходится на его основную ветвь. Остальные же 20% дают две боковые ветви, в которых сначала вместо последней из указанных выше реакций происходит реакция с образованием бериллия

^3He+He

->

Be+

Затем в первой боковой ветви (сильно преобладающей над второй) идут реакции

Be+e

->

Li+

(E

=0,86 МэВ),

Li+^1H

->

He+He,

а во второй ветви

Be+^1H

->

B+,

B

->

Be+e+

(E

_max

=14 МэВ),

Be

->

He+He.

Углеродный цикл (называемый также «циклом Бете») состоит из шести реакций:

1)

^1^2C+^1H

->

^1^3N+,

2)

^1^3N

->

^1^3C+e+

(E

_max

=1,2 МэВ),

3)

^1^3C+^1H

->

^1N+,

4)

^1N+^1H

->

^1O+,

5)

^1O

->

^1N+e+

(E

_max

=1,7 МэВ),

6)

^1N+^1H

->

^1^2C+He.

В этом цикле углерод выступает как катализатор.