Теория тяготения и эволюция звезд - Зельдович Я.Б.
Скачать (прямая ссылка):
В большой работе Колгейта и Уайта (1966) впервые были сделаны расчеты динамики имплозии для целого ряда масс звезд (ЮМ©, 2Mq1 1,5Ж©, 2М© + оболочка красного гиганта в —8іІіе). В расчетах были приняты во внимание эффекты релятивистского вырождения электронов и нерелятивистского вырождения нуклонов. Характер принятого в работе нейтринного излучения (оно имело смысл модифицированного УРКА-процесса, хотя не учитывало его должным образом) был таков, что центральная область звезды в ходе имплозии охлаждалась до низких температур и за счет вклада в давление нерелятивистских вырожденных нейтронов останавливалась вблизи ядерной плотности вещества (рс—IO15 г!смг). Однако сама по себе остановка ядра звезды, похожего на холодную нейтронную звезду, еще не вызывала существенного выброса массы внешней оболочки. Кроме того, остановка происходила уже в той области, где эффекты ОТО. могли стать § 4]
ВСПЫШКИ СВЕРХНОВЫХ
357
существенными (динамика имплозии рассматривалась в рамках обычной нерелятивистской гидродинамики с гравитацией в ньютоновском приближении).
Важным новым достижением в работе Колгейта и Уайта является установление непрозрачности звезды для излученных в ее центре электронных нейтрино на поздних стадиях имплозии. Сечение поглощения и рассеяния нейтрино веществом зависит от энергии нейтрино как E2; следовательно, чтобы средний свободный пробег нейтрино оказался меньшим размеров звезды, энергия нейтрино должна быть велика. Колгейт и Уайт предположили, что энергичные нейтрино (Е — 50 Мэв — 5-Ю11 °К) рождаются на фронте мощной волны, которая отделяет холодное статическое нейтронное ядро звезды от свободно падающей на нее снаружи материи. Нейтрино с такой энергией поглощаются оболочкой звезды, следовательно, они переносят энергию, освобождаемую на границе ядра к внешним слоям звезды. Такую форму переноса энергии Колгейт и Уайт назвали депозицией. Депозиция приводит к нагреву оболочки и, следовательно, к возникновению в ней ударных волн, движущихся наружу. Это и есть новое решение основной проблемы теории сверхновых — переход от сжатия к взрыву. Следует, тем не менее, подчеркнуть, что численные расчеты депо-зиции, проведенные Колгейтом и Уайтом, служат лишь иллюстрацией существенной роли депозиции; они не являются твердыми доказательствами природы взрыва сверхновой, поскольку используемая математическая модель основана скорее на интуитивных предпосылках, а не на строгом исследовании. Поэтому количественные заключения о массе сброшенной оболочки звезды (а она составляет значительную часть всей массы модели), характере расходящейся ударной волны, доле космических лучей, излучении в оптическом диапазоне — требуют существенного уточнения и могут серьезно измениться при уточнении физической стороны процессов. Колгейт и Уайт оценили также кислородную детонацию на фоне имплозии звезды и заключили, что^детонация не играет важной роли в энергетическом балансе модели сверхновой. Однако последующие исследования показали, что гипотеза о важной роли детонации кислорода, выдвинутая Фаулером и Хой-лом, все же имеет право на существование (см. ниже).
В работе Колгейта и Уайта имплозия звезд малой массы (2Mq и 1,5Mq) приводит к тем же самым результатам, что и имплозия звезд большой массы (ЮМ©), хотя непосредственной причиной имплозии является не распад железа, а поглощение вырожденных электронов ядрами (при плотности р IO11 г/см9 фермиев-ская энергия электронов становится ^ 20 Мэв, что вполне достаточно для нейтронизации любых ядер, даже Не4). Эти расчеты вызывают еще большую критику, поскольку здесь не принята во внимание конечность времен обратных ?-процессов. 358
ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
trrt. її
Вскоре вслед за работой Колгейта и Уайта появились две интересные статьи Арнетта (1966; 1967), в которых основное внимание сконцентрировано на нейтринных процессах. В противоположность Колгейту и Уайту, Арнетт нашел, что ядро звезды не охлаждается, а нагревается во время взрыва до температуры порядка 3- IO11 0K (кТ = 24 Мэв). Согласно Арнетту ударная волна, отделяющая сжимающееся ядро от спадающей оболочки, не играет существенной роли в рождении энергичных нейтрино. Нейтрино рождаются и поглощаются во всем ядре. Арнетт критикует приближение депозиции нейтрино Колгейта и Уайта и использует другой метод описания переноса энергии нейтрино.
После возникновения нейтринной непрозрачности для описания переноса энергии Арнеттом было принято приближение нейтринной теплопроводности, построенное по аналогии с лучистой теплопроводностью. Следует подчеркнуть, что идеологически эти работы являются развитием концепции Колгейта и Уайта, но представляются физически более последовательными. Однако недостаточность данных в области нейтринной физики и сложность нейтринных взаимодействий не позволили Арнетту полностью реализовать все преимущества приближения нейтринной теплопроводности. При определении росселандовой средней нейтринной непрозрачности Арнетт учел только эффект рассеяния нейтрино на электронах, полагая, что таким путем оценена минимальная величина непрозрачности. Вероятно, в этих оценках содержится большой произвол, даже в утверждении об их минимальности. В частности, сомнителен способ определения концентрации электронов. К тому же в этой работе показано, что конечный результат сброса оболочки весьма чувствителен к величине нейтринной теплопроводности. Арнетт (1966) учел более полно источники нейтринного излучения, чем это было сделано раньше. С этим в основном связано получение горячего нейтронного ядра звезды после остановки имплозии, а не холодного нейтронного ядра Колгейта и Уайта. В согласии с данными Колгейта и Уайта показано, что без учета нейтринной непрозрачности сброс оболочки практически не осуществляется. В своей первой работе Арнетт приходит к выводу о хорошем согласии своих результатов с результатами Колгейта и Уайта. Для испытания структурной чувствительности им же был проведен дополнительный расчет имплозии с совершенно другой моделью пред сверхнов ой, полученной ранее в работе Чиу (1966b). В модели Чиу, полученной по классической схеме эволюции без использования приближения политропы и с включением нейтринных потерь, имеется очень плотное, почти изотермическое ядро с плотностью в центре рс — IO9 г/см3. Имплозия в этом случае обусловлена, аналогично малым массам Колгейта и Уайта, электронным захватом. Окончательные результаты, несмотря на большую разницу в структуре предсверхновых (koh- ВСПЫШКИ СЁЕРХНОВЫХ
