Номер 2, страница 388 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 104. Внутреннее строение солнца и звёзд. Глава 15. Солнце и звёзды - номер 2, страница 388.

Условие.

Как вы думаете, что произойдёт со звездой после исчерпания ею всего ядерного горючего?

Решение.

Решение 2.

После того как звезда исчерпывает всё своё ядерное горючее, её дальнейшая судьба полностью зависит от её начальной массы. Силы гравитации начинают преобладать над силами внутреннего давления, которое создавалось термоядерными реакциями. Это приводит к гравитационному коллапсу (сжатию) звезды. Существует три основных сценария дальнейшей эволюции.

Звезды малой массы (менее ~0.5 массы Солнца, $M_\odot$)

К этому типу относятся красные карлики. Они сжигают водород очень медленно и живут чрезвычайно долго. После того как водородное топливо будет исчерпано, их ядро не сможет нагреться до температур, необходимых для запуска термоядерного синтеза гелия. Поэтому такие звезды не проходят стадию красного гиганта. Они просто медленно сжимаются под действием собственной гравитации, превращаясь в вырожденный объект — гелиевый белый карлик, который затем будет очень медленно остывать в течение триллионов лет. Поскольку время жизни красных карликов больше текущего возраста Вселенной, ни одна такая звезда ещё не успела достичь этой стадии.

Ответ: Звезды малой массы после исчерпания водорода медленно сжимаются и превращаются в гелиевые белые карлики, которые затем остывают.

Звезды средней массы (от ~0.5 до ~8 $M_\odot$)

К этому типу относится и наше Солнце. Когда водород в ядре заканчивается, звезда начинает сжигать его в оболочке вокруг ядра. Внешние слои звезды при этом сильно расширяются и остывают — звезда становится красным гигантом. Температура и давление в ядре возрастают до такой степени, что запускается реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Когда и гелий в ядре исчерпывается, звезда становится нестабильной и сбрасывает свои внешние газовые оболочки. Эти оболочки образуют красивую, расширяющуюся структуру, известную как планетарная туманность. Оставшееся горячее и сверхплотное ядро, состоящее в основном из углерода и кислорода, становится белым карликом. Белый карлик — это объект размером с Землю, но с массой, сопоставимой с солнечной. В нём уже не идут термоядерные реакции, и он медленно остывает, излучая накопленное тепло, чтобы в далёком будущем стать гипотетическим холодным объектом — чёрным карликом.

Ответ: Звезды средней массы проходят стадию красного гиганта, сбрасывают внешние оболочки (образуя планетарную туманность) и оставляют после себя остывающий белый карлик.

Массивные звезды (более ~8 $M_\odot$)

Эволюция таких звёзд протекает очень бурно и быстро. После выгорания водорода они превращаются в красных или голубых сверхгигантов. В их недрах последовательно запускаются циклы термоядерного горения всё более тяжёлых элементов: из гелия образуется углерод, затем неон, кислород, кремний и, наконец, железо. Ядро, состоящее из железа, является конечной точкой термоядерного синтеза в звезде, поскольку реакции слияния ядер железа не выделяют, а поглощают энергию.

Когда ядро становится полностью железным и его масса достигает критического значения, оно теряет способность противостоять гравитации и катастрофически сжимается за доли секунды. Этот коллапс высвобождает огромное количество энергии и вызывает грандиозный взрыв, известный как вспышка сверхновой. Внешние слои звезды разлетаются с огромной скоростью, обогащая межзвёздное пространство тяжёлыми элементами, а сама звезда на короткое время становится ярче целой галактики.

Судьба звёздного остатка после взрыва зависит от массы сколлапсировавшего ядра:

• Если масса ядра составляет от 1.4 до примерно 3 $M_\odot$, оно сжимается до состояния нейтронной звезды. Это невероятно плотный объект диаметром всего 20–30 км, вещество которого состоит в основном из нейтронов.
• Если масса ядра превышает примерно 3 $M_\odot$ (так называемый предел Оппенгеймера — Волкова), то никакие силы не могут остановить гравитационный коллапс. Ядро продолжает сжиматься до тех пор, пока не превратится в чёрную дыру — объект с таким мощным гравитационным полем, что его не может покинуть даже свет.

Ответ: Массивные звезды заканчивают свою жизнь мощнейшим взрывом сверхновой. В зависимости от массы оставшегося ядра, на их месте образуется либо нейтронная звезда, либо чёрная дыра.