Номер 8, страница 50, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Строение и эволюция вселенной. Глава VIII. Звёзды и галактики. Параграф 29. Звёзды - номер 8, страница 50.

Условие.

8. В чём состоит отличие нейтронной звезды от белого карлика?

Решение.

Нейтронные звезды и белые карлики — это два типа компактных звездных остатков, являющихся конечными стадиями эволюции звезд, однако они кардинально различаются по своим свойствам, происхождению и структуре.

Происхождение и масса звезды-прародителя
Белые карлики образуются в результате гравитационного коллапса звезд с относительно небольшой массой, как правило, до 8 масс Солнца ($M_{\odot}$). После того как в ядре такой звезды прекращаются термоядерные реакции, она сбрасывает свои внешние оболочки, образуя планетарную туманность, а оставшееся ядро сжимается и становится белым карликом.
Нейтронные звезды, напротив, являются результатом эволюции гораздо более массивных звезд — с массой от 8 до 25-30 $M_{\odot}$. Такие звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом сверхновой. Во время этого взрыва внешние слои звезды разлетаются, а ее ядро под действием огромной гравитации коллапсирует до сверхвысоких плотностей, образуя нейтронную звезду.

Ответ: Белые карлики — это остатки звезд малой и средней массы (до 8 $M_{\odot}$), а нейтронные звезды — остатки массивных звезд (8–30 $M_{\odot}$), прошедших через взрыв сверхновой.

Состав и внутреннее строение
Вещество белого карлика состоит в основном из ионов углерода и кислорода, погруженных в "море" вырожденного электронного газа. Это означает, что атомы лишены своих электронных оболочек, и электроны образуют особую квантовую систему.
Нейтронная звезда состоит преимущественно из нейтронов, находящихся в состоянии вырожденного нейтронного газа. При колоссальном давлении во время коллапса ядра электроны "вдавливаются" в протоны, образуя нейтроны по реакции $p^+ + e^- \rightarrow n + \nu_e$. Плотность вещества здесь на много порядков выше, чем в белом карлике.

Ответ: Белые карлики состоят из углеродно-кислородного ядра и вырожденного электронного газа, а нейтронные звезды — из вырожденного нейтронного газа.

Физические характеристики (масса, радиус, плотность)
Ключевые параметры этих объектов разительно отличаются.
Масса: Масса белого карлика не может превышать предел Чандрасекара, равный примерно $1.44 M_{\odot}$. Масса нейтронной звезды находится в диапазоне от 1.4 до примерно 2-3 $M_{\odot}$ (предел Оппенгеймера — Волкова).
Радиус: Радиус белого карлика сопоставим с радиусом Земли (около 5–10 тыс. км). Нейтронная звезда намного компактнее: ее радиус составляет всего 10–20 км.
Плотность: Плотность белого карлика огромна — около $10^9$ кг/м³. Однако плотность нейтронной звезды достигает астрономических величин, сравнимых с плотностью атомного ядра, — $10^{17}–10^{18}$ кг/м³. Чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы миллиарды тонн.

Ответ: Нейтронная звезда значительно массивнее (в среднем), компактнее (радиус ~15 км против ~6000 км у белого карлика) и неизмеримо плотнее ($10^{17}$ кг/м³ против $10^9$ кг/м³).

Сила, противодействующая гравитационному коллапсу
Стабильность обоих объектов поддерживается за счет эффектов квантовой механики, но природа этих сил разная.
В белом карлике гравитационному сжатию противостоит давление вырожденного электронного газа. Согласно принципу Паули, два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, что создает эффективное "отталкивание", препятствующее коллапсу.
В нейтронной звезде гравитация настолько сильна, что давление электронного газа не способно ее сдержать. Стабильность поддерживается давлением вырожденного нейтронного газа, которое аналогично электронному, но действует между нейтронами и является значительно более мощным.

Ответ: Стабильность белого карлика обеспечивается давлением вырожденного электронного газа, а стабильность нейтронной звезды — давлением вырожденного нейтронного газа.

Таким образом, хотя оба объекта являются конечными стадиями жизни звезд, нейтронная звезда представляет собой гораздо более экстремальное состояние материи, чем белый карлик, из-за большей массы звезды-прародителя и, как следствие, более сильного гравитационного коллапса.