Номер 3, страница 256 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 69. Эволюция звёзд. Глава 9. Эволюция Вселенной - номер 3, страница 256.

3. При каком условии и в какой последовательности звезда становится нейтронной?

Решение

Нейтронная звезда — это один из возможных конечных этапов эволюции звезд, который образуется в результате коллапса ядра массивной звезды.

При каком условии

Основным условием для образования нейтронной звезды является начальная масса звезды-прародительницы. Она должна быть достаточно большой, чтобы в ее недрах поддерживался термоядерный синтез вплоть до образования железного ядра. Принято считать, что в нейтронные звезды превращаются звезды с начальной массой в диапазоне примерно от 8 до 25 масс Солнца ($M_\odot$).

Более точное условие относится к массе ядра, которое остается после окончания всех стадий термоядерного горения и последующего взрыва сверхновой. Масса этого остатка должна превышать предел Чандрасекара (около $1.4 M_\odot$), который является максимальной массой для устойчивого белого карлика, но быть меньше предела Оппенгеймера — Волкова (около $2-3 M_\odot$). Если масса ядра превысит этот верхний предел, гравитационный коллапс продолжится, и образуется черная дыра.

В какой последовательности

Последовательность событий, приводящая к рождению нейтронной звезды, следующая:

1. Эволюция массивной звезды. Звезда с массой $>8 M_\odot$ проходит стадию горения водорода на главной последовательности, а затем превращается в красного сверхгиганта. В ее ядре последовательно «сгорают» все более тяжелые элементы: гелий, углерод, неон, кислород, кремний.
2. Формирование железного ядра. Конечным продуктом ядерного синтеза в звезде является железо. Синтез более тяжелых ядер энергетически невыгоден (он требует затрат энергии, а не выделяет ее). Когда в центре звезды образуется ядро из железа, источник энергии иссякает.
3. Гравитационный коллапс. Лишившись внутреннего давления от термоядерных реакций, которое уравновешивало гравитацию, железное ядро начинает стремительно сжиматься под действием собственного веса. Этот процесс занимает доли секунды.
4. Нейтронизация. В ходе коллапса плотность и температура ядра достигают экстремальных значений. Гравитация «вдавливает» электроны ($e^-$) в протоны ($p^+$), образуя нейтроны ($n^0$) и нейтрино ($\nu_e$). Этот процесс называется нейтронизацией или обратным бета-распадом: $p^+ + e^- \to n^0 + \nu_e$.
5. Взрыв сверхновой. Коллапс ядра прекращается, когда его плотность становится сопоставимой с плотностью атомного ядра. В этот момент вступает в действие давление вырожденного нейтронного газа — мощная сила отталкивания, обусловленная квантовыми эффектами. Ядро резко останавливается и «отскакивает», создавая ударную волну. Волна, усиленная энергией от потока нейтрино, движется наружу, сбрасывая внешние оболочки звезды в космос. Это явление наблюдается как вспышка сверхновой типа II.
6. Образование нейтронной звезды. В центре взрыва остается сверхплотное ядро, состоящее в основном из нейтронов, — это и есть новорожденная нейтронная звезда. Она удерживается от дальнейшего коллапса именно давлением вырожденного нейтронного газа.

Ответ: Звезда становится нейтронной при условии, что ее начальная масса находится в диапазоне примерно от 8 до 25 масс Солнца, а масса ее ядра после взрыва сверхновой — между $1.4$ и $3$ массами Солнца. Последовательность такова: исчерпание ядерного топлива в массивной звезде, формирование железного ядра, гравитационный коллапс ядра, процесс нейтронизации вещества, взрыв сверхновой и формирование из остатка ядра нейтронной звезды, стабилизированной давлением вырожденного нейтронного газа.