Новая гипотеза о внутреннем строение звезд
реклама
НОВАЯ ГИПОТЕЗА О ВНУТРЕННЕМ СТРОЕНИИ ЗВЕЗД Юровицкий В.М. Российский государственный социальный университет, Москва Е-mail: [email protected] Предложена новая гипотеза о внутреннем строении звезд. Вместо нынешней теории с активным центром предложена структура звезд с активным промежуточным слоем, холодным центром и с зоной нуклеосинтеза между активным слоем и центром звезды. Выдвинута гипотеза о возможности существования сверхпроводящего ядра звезды с незатухающими токами, ответственными за магнитное поле звезды, предложены концепции новых и сверхновых звезд и цефеид. Подвергнуто критике калорическое уравнение Больцмана, использованное им при решении задачи о равновесном состоянии идеального газа в гравитационном поле. Распространенной гипотезой строения звезд есть гипотеза о гомогенной структуре звезд в равновесном состоянии. Бесспорно, это есть хорошее начальное приближение, имеющее право на существование. Согласно этой гипотезы звезды состоят из активного ядра в котором происходят главные энергетические процессы и сравнительно пассивной периферии, через которую только происходит выход энергии за ее пределы1. Данная работа посвящена попытке доказательству того, что эта концепция возможно не всегда является правильной. 1 ллллл 1 Уравнения состояния Рассматривается невращающаяся или медленно вращающаяся звезда гомогенного химического состава в состоянии механического и термодинамического равновесия. Уравнение гравитационного поля. Уравнение гравитационного поля V имеет вид: div V 4, rot V 0. Отметим существенный факт. В небесной механики для описания гравитации используется силовое представление, описываемое законом всемирного тяготения. Но в гравиметрии при описании гравитации в среде используется понятие гравитационного поля. Являются эти два подхода равнозначными? Да, в некоторых случая. Но в общем случае это может быть и не так. Поэтому в качестве наиболее плодотворного подхода мы используем именно концепцию гравитационного поля, т.е. концепцию. изменения свойства пространства аналогично изменению свойств такового же в неинерциальной системе отсчета (принцип эквивалентности Эйнштейна). Уравнение движения в гравитационном поле. Уравнение движения элемента в гравитационном поле в невращающейся системе отсчета есть: w V W. Здесь W – весомость, характеристика механического состояния элемента среды. Для механически равновесной (недвижущейся) среды W V. Уравнение механического состояния. Описывает связь между воздействием на элемент среды со стороны других элементов, описываемое понятием силы F, с его механическим состоянием: F W . Уравнение механического равновесия для механически неподвижной среды, которое определяет давление в среде: grad p F . 2 Уравнение термодинамического состояния. Мы полагаем для звездного вещества простейшее термодинамическое состояние идеального газа, определяющее температуру T элемента вещества : T p . R Здесь μ – средняя молекулярная (атомарная) масса звездного вещества, R – универсальная газовая константа. Калорическое уравнение. Мы получили незамкнутую систему ─ шесть уравнений для 7 неизвестных. Для замыкания необходимо еще одно уравнение. Таким уравнение должно быть так называемое калорическое уравнение, определяющее условие распространения тепла и теплового равновесия. Как известно из теплотехники калорическое уравнение ─ уравнение потока тепла Q ─ имеет вид: Q Tds. Здесь s – удельная энтропия. Для термодинамически равновесного состояния тепловые потоки отсутствуют и калорическое уравнение дает s Сonst . Таким образом, звезда в равновесном состоянии находится в изэнтропном или адиабатном состоянии. Отметим, что таково же условие теплового равновесия и в газодинамике, в которой также термодинамически равновесные адиабатные движения описываются как изэнтропные. Таким образом здесь вроде нет никаких сомнений. Увы, в полном противоречии с этими, казалось бы, бесспорными утверждениями в физике до сих пор в качестве калорического уравнения для термодинамически равновесной среды в гравитационном поле используется больцмановское калорическое уравнение T Const . Оно использовано Больцманом при исследовании равновесного состояния земной атмосферы. И до сих пор оно используется в физике, метеорологии, теории массобмена и т.д. Но это просто удивительно. Нигде, ни в каких случая, ни в электрическом (термоэлектричество), ни в магнитном (термомагнетизм), ни в гравитационном поле (термогравитация) мы не видим постоянства температуры в качестве характеристики термодинамического (теплового) равновесия. Это особенно наглядно видно для 3 гравитационного поля. Ни в атмосфере, ни в океане, ни в литосфере, ни в звездах нет НИЧЕГО похожего на постоянство температуры. И это невозможно объяснить тепловой нестационарностью в этих средах, так как в природе практически все находится чрезвычайно близко к состоянию равновесия. Неравновесные эффекты, как правило, есть эффекты первого или второго уровня малости. Самое тут смешное, что даже для земной атмосферы метеорологи давно установили, что так называемая стандартная атмосфера (усредненное распределение температур и давлений) почти совпадает с адиабатной (изэнтропной) атмосферой. Тут важно выяснить истоки этой ошибки Больцмана. Он опирался на распределение Гиббса. Но это микроканоническое распределение, оно касается лишь газа в объеме взаимодействия, т.е. длины свободного пробега. Но считать что из микрораспределения следует и макрораспределение то же самое, что из линейности любой функции в малом делать вывод, что все функции линейные. Из распределения Гиббса следует только непрерывность температуры в однородной равновесной макросреде. Вот почему мы отказываемся использовать для звезд калорическое уравнение Больцмана как абсолютно не отвечающее ни теоретическим, ни наблюдательным представлениям и будем использовать изэнтропное распределение. Для идеального газа уравнение изэнтропы (адиабаты) есть: p Const ; C p. Cv Итак, окончательно собирая все уравнения, получаем замкнутую систему равновесной гомогенной звезды: div V 4; rot V 0; W V; F W ; grad p F p T ; R p (1) Cp Cv Const . 4 Опишем начальные условия. Введем сферическую систему координат с центром в центре звезды. Пусть rk – радиус звезды. Тогда V(r=0)=0. Напряженность гравитационного поля в центре звезды равно нулю. Плотность на поверхности звезды (rk)=k. Для давления и температуры на границе звезды принимаем нулевые значения. Решение модельных уравнений Точное решение этой системы вряд ли возможно. Поэтому предлагается другой путь анализа системы. Для этого мы найдем некоторые модельные решения системы без использования калорического уравнения, но такие, что истинное решение должно размещаться внутри области, ограниченной этими решениями. В качестве первого модельного решения мы примем решение с постоянной плотностью =0. Тогда решение для V(r) хорошо известно: 1 V 0 r. 3 Отсюда для температуры получаем уравнение: T 0 3R r. При граничном условии Tk=0 получаем распределение температуры по радиусу: T 0rk2 r 1 6 R rk 2 T (1 2 ). m Давление описывается выражением p p0 (1 2 ); 1 p0 0 rk2 . 6 Температура и давление по радиусу распределяется квадратично с максимальными значениями в центре звезды, причем к центру рост и температуры, и давления замедляется и в окрестности самого центра почти исчезает. Второе модельное решение будет соответствовать постоянной напряженности гравитационного поля вдоль радиуса: kM . при r 0; V0 4 rk2 0 при r 0. 5 где M – масса звезды. Для плотности получаем: 1 2 2V div V 2 r V0 0 . r r r Плотность распределяется гиперболически с бесконечно большим значением в центре звезды. После преобразований получаем уравнение для температуры: 1 T T V0 . r R Решение T Tm ln ; Tm V0 rk R . Температура достигает максимума T=Tm при =e-1, а затем понижается до нуля в центре звезды. Для давления имеем p 2V0 ln . Оно монотонно увеличивается с глубиной и достигает бесконечного значения в центре звезды. Обсуждаем значение этих двух модельных решений. Легко видеть, что они служат рамкой для истинного решения. Опыт говорит, что с глубиной плотность возрастает, а не является постоянной как в первом модельном решении. С другой стороны опыт говорит, что с глубиной напряженность гравитационного поля убывает до нуля, а плотность не растет в центре до бесконечности. Поэтому все параметры истинного решения будут находиться в промежутке между этими двумя решениями. На рисунке приведено распределение силы тяжести, плотности, давления температуры и плотности электромагнитной энергии (wT4), а также параметр электронного вырождения (AT-3/2) вдоль радиуса для трех звездных сред: изоплотностной, изовесомостной и термодинамически равновесной, изэнтропной. Характеристики изэнтропной среды лежат в промежутке между двумя рассмотренными моделями. На рис.1 приведены распределения различных характеристик для всех трех моделей. 6 Из этих графиков уже с очевидностью вытекает недопустимость использования в моделях равновесной гомогенной среды в гравитационном поле больцмановского калорического условия изотермизма, И потому мы приходим к окончательному выводу о ложности больцмановского распределения характеристик равновесной гомогенной среды в гравитационном поле. Новая модель строения звезды Итак, в данной модели не центр звезды является активной частью, а некоторый промежуточный слой, в котором достигается наибольшая температура и в котором идут главные энергетические реакции. К центру звезды температура падает при одновременном росте давления, что ведет к резкому росту параметра электронного вырождения. Это означает, что в центре звезды может наблюдаться безразмерная температура близкая к нулю. При этих условиях металлы могут находиться в сверхпроводящем состоянии. Отсюда отнюдь не выглядит нелепым предположение о металлическом сверхпроводящем ядре звезды. Но внутри сверхпроводников могут существовать незатухающие сверхпроводящие токи, которые могут создавать магнитное поле дипольной структуры. Итак, в данной модели магнитные поля звезд находят свое объяснение как поле незатухающих токов в холодном сверхпроводящем центре звезды. На рис.2 изображена структура звезд новой модели. Неоднородные звезды Итак, в данной модели активным являет некоторый промежуточный слой. В этом слое температура максимальна, и в этом слое и происходят термоядерные реакции синтеза гелия. Но синтез приводит к изменению гомогенного состава звезды. В активной области появляется более тяжелая элементарная компонента. И возникает вопрос, как будет вести себя неоднородная физическая среда в звезде. В современной статистической физике принято считать, что в условиях температурного равновесия в малых объемах имеет место равенство средней энергии частиц вне зависимости от их массы и иных свойств. Но в рамках максвелловского или гиббсовского механизмов установления микроравновесия элементы среды рассматриваются как материальные точки, не имеющие внутренней структуры, энергия их имеет сугубо кинетический характер. Но в звездах мы имеем элементы сложнейшей внутренней структуры, в которых имеются ядерные, атомные, вращательные, 7 колебательные и поступательные энергетические уровни При взаимодействиях происходят слияния и распады элементов. И простейшая максвелло-гиббсовская модель здесь уже, возможно, не совсем адекватна. Думается, что во внутризвездных процессах существенную роль при столкновениях играет импульс частиц. Но между импульсом и кинетической энергией имеется связь: E p2 . 2m Это означает, что при данном импульсе энергия будет тем больше, чем меньше масса. Отсюда следует, что при наличии смеси частиц с разными массами при установлении микроравновесия частицы с большей массой забирают на себя большую энергию. Но одновременно возникает и сегрегация вещества по массе элементов. Более легкие частицы всплывают вверх, а более тяжелые ─ опускаются вниз. При этом легкие частицы уносят вверх более высокую энергию, и имеет место стратификация по температуре, имеющая обратный знак, чем стратификация по температуре в гомогенной среде. Этот эффект можно назвать «эффектом парной бани». Когда в баньке «поддают пару», вода вскипает и образует пар, газообразные молекулы которого Н2О имеют меньшую молекулярную массу, чем элементы воздуха О2 и N2. В результате более легкий пар берет на себя большую энергию, т.е. температуру и поднимается вверх. А внизу у пола образуется холодный воздух. Именно благодаря этому же эффекту имеет место обратное распределение температуры в ионосфере Земли (рост температуры с высотой), так как в ней благодаря ионизации ультрафиолетом происходит разделение молекул воздуха на элементарные частицы сугубо различной массы. В то же время в стратосфере имеются также два типа частиц ─ озон и кислород+азот ─ и процессы противоположной температурной стратификации взаимно уравновешиваются, благодаря чему мы и имеем постоянство температур в этом слое. Можно предположить, что и в звездах имеет место такой же механизм сегрегации. Продукты реакции синтеза охлаждаются и опускаются вглубь звезды. Эти продукты по мере своего продвижения в глубь звезды вступают во все в новые и новые реакции синтеза и становятся еще более тяжелыми и более холодными и опускаются вниз. Так постепенно происходит нуклеосинтез все более и более тяжелых элементов, которые погружаются в глубь звезды и одновременно охлаждаются. Таким образом, мы приходим к гипотезе о нуклеосинтезе в зоне ниже зоны максимальной активности. А 8 само ядро является холодным, состоящим из тяжелых элементов ─ металлов, в которых и возникает сверхпроводимость, следствием каковой в ядре появляются циркулирующие сверхпроводящие токи, создающее магнитное поле звезды. Однако, процесс нуклеосинтеза может продолжаться до урана или других элементов, в которых в условиях звездного ядра могут уже идти реакции распада. И при критических условиях может возникнуть ядерно-ядерный взрыв (взрыв атомноядерного вещества в ядре звезды). Этот взрыв в ядре может вызвать разбухание звезды (новые звезды) или вырваться наружу и разметать всю звезду (сверхновые). Таким образом, в рамках новой концепции строения звезд находит себе место новая гипотеза о причинах взрыва новых и сверхновых звезд. Наконец, сделаем предположение о механизме переменного блеска цефеид. В цефеидах на поверхности звезды гравитационное поле близко к полю центробежных сил. Другими словами, на поверхности этих звезд линейная скорость вращения вещества близка или равна первой космической скорости. В этих условиях могут возникнуть вращательно-гравитационные осцилляции в системе сил гравитационного притяжения и сил центробежного расширения. В результате происходит периодическое изменение внешних размеров звезды, что вызывает соответствующее изменение ее светимости. Заключение Предложена новая гипотеза о внутреннем строении звезд. В этой гипотезе вместо активного ядра центром звездной активности является некоторый промежуточный слой, а ядро является холодным и, возможно, даже сверхпроводящим. Нуклеосинтез происходит в области звезды между активным слоем и ядром, причем он происходит по мере прохождения вещества звезды от этого активного слоя до центра звезды. Для возможности обоснования данной гипотезы внутреннего строения оказалось необходимым отвергнуть калорическое уравнение, использованное Больцманом в его теории равновесного газа в гравитационном поле. Выдвинуты гипотезы о магнитном поле звезд, о механизмах новых и сверхновых звезд и цефеид. 9 10 . () . 11