Все науки. №5, 2022. Международный научный журнал

Фактические параметры Солнца, примером коих является диаметр составляет 1,392 миллиардов метров или 109 диаметров Земли. На радиусе радиус составляет 695,51 миллионов метров и с этого же экватора длина окружности равняется 4,37 миллиарду метров, составляя площадь поверхности в 6,07877*1018 м2 или 11918 площадей Земли. В объёме же Солнце гораздо больше и составляет 1,40927*1027 м3 или 1 301 019 объёмов Земли при массе в 332 940 масс Земли или 1,9885*1030 кг. Соответственно, средняя плотность составляет 1,409 г/см3.

И если же ускорение свободного падения на Земном экваторе приравнивается к 9,81 м/с2, то это же значение на Солнце составит 274 м/с2, что в 27,96 раз больше. Вторая космическая скорость для Солнца равняется из этого 617,7 км/с или 55,2 земных, для поверхности, конечно же. А температура корны порядка 1,5 миллиона К, когда же температура ядра 15,7 млн К.

Солнце находится под наклоном относительно плоскости галактики на 67,23 градуса и 7,25 градуса относительно плоскости эклиптики. А длина дуги небесного экватора от точки весеннего равноденствия на Солнце до круга склонения светила, что называется прямым солнечным восхождением составляет всего 19 часов 4 минуты и 30 секунд или 286,13 градусов. Склонение северного полюса при отклонении равняется +63,87 градусов, а сидерический период для внешних видимых слоёв в среднем равняется 25,38 дней или точнее 25 дней 9 часов 7 минут и 13 секунд, на широте в 16 градусов. На экваторе же, это значение составляет 25,05 дней, на полюсах – 34,3 дня. Также на экваторе скорость вращения внешних слоёв равно 7284 км/ч.

По своему составу, если быть более точными, чем говорилось ранее, можно отметить наличие 73,46% водорода, 24,85% гелия, 0,77% кислорода, 0,29% углерода, 0,16% железа, 0,12% неона, 0,09% азота, 0,07% кремния, 0,05% магния и 0,04% серы. Одной из самых важных значений относительно Солнца является светимость или генерируемая энергия, которая составляет 3,828*1026 Вт или примерно 3,75*1028 Лм, а говоря же об энергетической яркости на поверхности Солнца, то она равняется значению в 20,07 МВт/ (м2*ср).

Звёздное население видимой вселенной имеется несколько делений и Солнце относится к первому типу этого звёздного населения. В веществе Солнечной системы по проведённым исследованиям можно наблюдать аномальное количество золота и урана, которые могли быть результатом эндотермических реакций, чтобы это объяснить, необходимо предположить возникновение Солнечной системы благодаря взрыве нескольких сверхновых звёзд.

Именно такой взрыв мог такое активное ядерное превращение элементов путём поглощения нейтронов веществом массивной звезды второго поколения. При этом важно помнить, что излучение Солнца – это основной источник энергии на Земле, планете размер коей в несколько миллионов раз меньше размеров самой звезды. При этом мощность самого Солнца характеризуется солнечной постоянной – мощностью излучения, проходящая через площадку единичной площади, перпендикулярно солнечным лучам и расположенная на расстоянии одной астрономической единице от Солнца, то есть на орбите Земли вне земной атмосферы и равняется 1,37 кВт/м2.

После прохождения атмосферы, свойства, которой будут позже подробно описаны, солнечное излучение теряет энергию до порядка 370 Вт/м2, и до земной поверхности доходит лишь 1 кВт/м2, при ясной погоде и когда Солнце находит в зените. Данная энергия может быть активно использована в различных естественных и искусственных процессах, к числу коим можно отнести фотосинтез, которые представляется как синтез органических соединений с выделением кислорода.

А также как уже можно заметить, прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии при помощи фотоэлементов, может быть использовано для добычи электрической энергии благодаря солнечных электростанций, о чём далее подробно пойдёт речь, но изначально необходимо подробнее остановится на самом Солнце. Также энергия Солнца может быть использована для выполнения иной полезной работы, которые может действовать крайне долгосрочно, яркий тому пример – образование нефти и ископаемого топлива за счёт действия фотосинтеза в последующем.

Солнце также обладает ультрафиолетовым излучением, которое на Земле способствует проведению ряда эффектов, в том числе и использование его как превосходное антисептическое средство, а также оно приводит к образованию загара и активной выработке витамина D. Но к большой радости всех живых существ озоновый слой планеты является мощным щитом на пути сильного ультрафиолетового излучения, пропуская лишь малую его часть.

Такая фильтрация, проводимая природой, является крайне необходимой для существования жизни на планете. Также это создаёт зависимость солнечной интенсивности и широты, сам фактор отличия от максимального излучения в полдень на территориях ближе к экватору обладает и биологическим эффектом, в том числе и изменением цвета кожи жителей.

Звезда, находясь на небосклоне в году проходит по различным путям, которые можно изобразить в качестве цифры 8, такой путь называется аналеммой и он является вытянутым относительно линии север-юг по той причине, что Земля наклоняется относительно плоскости эклиптики за все времена года к плоскости небесного экватора на 23,5 градуса, что приводит к колебаниям светила в пределах 47 градусов. Но также колебания могут возникать и относительно оси восток-запад, что происходит за счёт приближения Земли к перигелию.

Кроме того, Земля приближается и отдаляется от Солнца за счёт эллипсоидной формы орбиты планеты по законам Кеплера. Так в начале июля Земля проходит через тчку афелия, удаляясь на расстояние в 152 миллиона километров, а в начале января приближается к Солнцу на 147 миллионов километров, при этом видимый диаметр Солнца в этих промежутках изменяется на 3%. Но поскольку сама разница составляет 5 миллионов км, то в афелии, то есть в июле Земля получает на 7% меньше тепла, чем когда она находится ближе, поэтому зима в северном полушарии, при их повороте к Солнцу теплее, чем в южном, а лето прохладнее.

Поскольку Солнце – это не только источник света и излучения, но также и магнитоактивная звезда, то она обладает в отличие от своего гравитационного поля, сильный электрическим и магнитными полями. Электрическое поле изменяет направление каждый 11 лет, такой пик называется солнечным максимумом. Все эти эффекты солнечного излучения называются солнечной активностью, куда также входит изучение солнечных пятен, вспышек, вариаций солнечного ветра и прочих параметров, которые на Земле вызывают полярные сияния в высоких и средних широтах, а также весьма популярные в народе геомагнитные бури, которые отрицательно сказываются как на средствах связи, так и на самочувствии людей.

Солнце как уже не раз упоминалось является звездой и из чего можно сделать весьма справедливый вывод, что она имеет свой жизненный цикл. Так Солнце является молодой звездой третьего поколения, имея в себе большой запас металлов, это свидетельствует о том, что Солнце имеет своих предшественников, то есть звёзд после смерти которых оно и образовалось. Поскольку среди этих металлов имеются в наличии как лёгкие, так и более тяжёлые, можно рассчитать, что Солнце появилась после звёзд первого и второго поколения.

Настоящий возраст Солнца согласно общему принципу этого моделирования составляет 4,5 миллиарда лет. Предполагается, что при образовании Солнца происходило сжатие облаков водорода и возможно иных химических элементов, это уже привело к образованию в галактике первого вида звёздного населения типа Т Тельца. Так звезда с примерно равной по массе Солнцу существует порядка 10 млрд лет, то есть наше светило находится почти на половине своего жизненного пути и если описать прошедший циклы, то можно сказать, что на нулевой точке была просто часть молекулярного облака, которая после гравитационного сжатия стала протозвездой, далее на определённом моменте начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые были уже описаны ранее и этот цикл продолжается до настоящего времени существования единственной звезды системы.

Так каждую секунду в ядре Солнца порядка 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, то есть поток фотонов, в том числе и излучения, что приводит уже к генерации не только чистого излучения, но и потока солнечных нейтрино. Поскольку гравитация зависит от массы, а его уменьшение приводит к учащению термоядерных реакции, то с уменьшением запасов водорода в Солнце, оно увеличивается в размерах, а также и по своей светимости. Так к возрасту 5,6 млрд лет или через 1,1 млрд лет после настоящего времени, Солнце будет на 11% ярче чем сейчас.

Далее неизбежно следует стадия превращение в красного гиганта, при этом неизбежно имеет место предположение изменения температурного фона самой планеты Земля, а также следующие из данного утверждения аспекты в жизни органической составляющей из-за повышения температуры из-за увеличения яркости Солнца и парникового эффекта. Солнце же к этому моменту будет достигать примерно критической температуры в 5800 К.

Далее в дальнейшем температура фотосферы соответственно будет меньше, но это далеко не значит, что жизнь прекратит своё существование, отнюдь она вполне сохранится на дне морей и океанов. Если же верить дальнейшим стадиям, то к возрасту 8 миллиардов лет, то есть через 3,5 миллиарда лет от настоящего времени яркость Солнца начинает возрастать уже на целых 40%, при этом имеет место утверждение, что поверхность планеты Земля будет подобно атмосфере нынешней Венеры, то есть вода полностью улетучится с поверхности планеты и улетучится в космическое пространство, это же уже приведёт к критическому уничтожению жизни и вероятнее всего полностью всех форм жизни с поверхности планеты.

В дальнейшем при уменьшении количества водорода в Солнце его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро будет продолжать нагреваться и сжиматься. И когда же возраст Солнца достигает 10,9 миллиарда лет, через 6,4 миллиарда лет от настоящего времени соответственно, водород полностью кончится, а образованный гелий не способен к проведению термоядерного горения, начинает уплотнятся ядро. Дальнейшее течение обстоятельств является своего рода максимально близкой стадией движения в сторону кульминации события.

Когда водород полностью выгорит, размеры солнца будут составлять 1,59 радиуса нынешнего Солнца, а светимость будет превышать настоящего показателя в 2,21 раза. Но рост будет продолжать на протяжении оставшихся 700 миллионов лет, что сравнительно не так уж много, за счёт оставшихся методов проведения ядерных реакций. Так Солнце будет расширятся до 2,3 радиуса Солнца, сохраняя постоянную максимальную светимость, но температура поверхности упадёт с 5500 К до 4900 К. И наконец, настанет кульминация этого этапа развития Солнца.

По истечению 7 миллиардов лет от настоящего времени, когда возраст Солнца станет равным 11,6 млрд лет Солнце станет перейдёт на следующий этап по делению размерностей звёзд, то есть станет субгигантом. Далее в промежутке 7,6—7,8 миллиардов лет от настоящего времени, к возрасту около 12,2 млрд лет, когда почти весь водород в ядре уже истёк и в ближайших областях также, Солнце перейдёт на крайние меры – начнёт сжигать водород на своей окружающей оболочке. Это приведёт как это привело к расширению внутренних оболочек, к расширению уже внешних оболочек, а это уже не останется без последствий.

Одной из самых основных последствий в таком случае будет то, что Солнце покинет своё местоположение, на котором оно находилось вплоть со своего рождения. Солнце уже станет красным гигантом и соответственно перейдёт на вершину ветви красных гигантов по диаграмме Герцшпрунга-Рассела. Достаточно лишь упомянуть, что такое расширение находится в том соотношение, что Солнце в виде красного гиганта по размерам (в радиусе) в 256 раз, а по светимости в 2700 раз больше и мощнее современного Солнца, но и к понижению температуры поверхности до 2650 К.

Здесь уместно предположить, что Солнце поглотит Землю, но тут есть такое допущение, что такое увеличение размеров светила приведёт к усилению солнечного ветра, о котором ранее говорилось, а они будут уносить приличное количество составляющего вещества, а именно к потере 28% от общей массы. Это уже приведёт к увеличению орбиты Земли, но вместе, как показывают исследования 2008 года, к большому сожалению, к тому моменту усилятся и способности притяжения светила, что увы является доказательством будущего прямого поглощения Земли Солнцем.

Даже если Земля сможет спастись от поглощения, то это будет не более чем твёрдая материя, ибо жидкость вся уже будет испарена, а атмосфера сдута солнечным ветром. Такая фаза будет продолжаться на протяжении 10 млн лет и за это время реакции будут продолжаться уже с гелием, до того момента, что температура ядра будет подниматься и достигнет 100 млн К и именно в этот момент произойдёт гелиевая вспышка. Откроется возможность синтеза углерода и кислорода, то есть звезда получит топливо и соответственно уменьшит свой размер вплоть до 9,5 радиуса Солнца. А когда уже и запасы гелия иссякнут, то есть через 100—110 млн лет, вновь восстановится сжигание запасов на внешних оболочках, то есть Солнца опять станет красным гигантом активно увеличивая свои размеры.

Из-за того, что в данном случае более важным станет именно гелий, при включении и нахождении любых его запасов по всему Солнцу будут происходить активные вспышки, поэтому этот этап сопровождается активными вспышками, а также ростом светимости, которая будет мощнее от настоящего в 5200 раз. Этот этап длится целых 20 млн лет. Если бы масса Солнца была чуть большей, то можно было бы утверждать, что конец жизни этой звезды будет взрывом и образованием сверхновой, но масса недостаточна, а гравитация будет продолжать ослабевать.

В результате вся внешняя оболочка просто снесётся, вырвется из звезды и превратится в планетарную туманность – космическую пыль, а на месте Солнца останется ядро, то есть белый карлик – очень горячий и плотный объект. Его размеры будут сравнимы с Землёй, сначала его светимость будет в 3500 раз больше солнечного, а температура будет порядка 120 000 К, но в результате по прошествии времени этот белый карлик, если не произойдёт иных изменений будет продолжать остывать и угасать. В целом, это типичный исход для всех звёзд средней или малой массы.

Использованная литература

1. Мартынов Д. Я., Курс общей астрофизики, 3 изд., М., 1978.

2. Мензел Д. Г., Наше Солнце, пер. с англ., М., 1963; Солнечная и солнечно-земная физика. Иллюстрированный словарь терминов, пер. с англ., М., 1980

3. Шкловский И. С., Физика солнечной короны, 2 изд., М., 1962.

4. Северный А. Б., Магнитные поля Солнца и звезд, «УФН», 1966, т. 88, в. 1, с. 3—50 с.

5. Гибсон Э., Спокойное Солнце, пер. с англ., М., 1977.

6. Каплан С. А., Пикельнер С. Б., Цытович В. Н., Физика плазмы солнечной атмосферы, М., 1977.

7. Общий курс астрономии. Кононович Э. В., Мороз В. И. 2-е изд., испр. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 544 с.

8. Общая астрофизика. А.В.Засов, К. А. Постнов. 2006г – 496 с.

НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ КАК СВЕРХМАССИВНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Мирзажонов Махмуд Ахмедович

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры естественных наук Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий им. Мухаммада Аль-Хорезми

Абдуллаев Жамолиддин Солижонович

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры естественных наук Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий им. Мухаммада Аль-Хорезми

Базанов Ахмад Базанович

Студент 654—20 группы Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий им. Мухаммада Аль-Хорезми

Ферганский филиал Ташкентского университета информационной технологии им. Мухаммада ал-Харезми, Фергана, Узбекистан

Аннотация. В работе анализируется история открытия, образования, эволюция нейтронных звёзд. Рассматривается строение нейтронных звёзд, основные характеристики и свойств, а также основные виды данных сверхмассивных космических объектов.

Ключевые слова: Нейтронные звёзды, белые карлики, пульсары, магнитары, предел Чандрасекара.

Annotation. The paper analyzes the history of the discovery, formation, and evolution of neutron stars. The structure of neutron stars, the main characteristics and properties, as well as the main types of data of supermassive space objects are considered.

Keywords: Neutron stars, white dwarfs, pulsars, magnetars, Chandrasekhar limit.

Так называемая нейтронная звезда – это сверхмассивный астрономический объект, которая является конечным продуктом эволюции звёзд и состоящая из нейтронной сердцевины, покрытой относительно тонкой (около 1 км) корой особого вещества с преобладанием ядер железа и никеля. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и наше Солнца, но радиус её, всего порядка 10 – 20 км. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8×1017 кг/м³). Предполагается, что эти сверхмассивные нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых.

Первые предположения о существовании звёзд сверхвысокой плотности были опубликованы советским учёным Львом Ландау, до открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком 24 февраля 1932 года [1], в статье [2], написанной в январе 1931 года, но опубликованной 29 февраля 1932 года [1]. В данной статье он вычислил верхний предел массы белых карликов и получил значение 1,5 солнечных масс (так называемый «Предел Чандрасекара»), масса при которой выраженный электронный газ способен сдерживать коллапс. Известно [3], что предел Чандрасекара – верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик. Если масса звезды превышает этот предел, то она становится нейтронной звездой. Существование предела было доказано индийским астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром. В зависимости от химического состава белого карлика значение предела Чандрасекара варьируется в диапазоне от 1,38 до 1,44 солнечных масс. Субраманьян Чандрасекар – американский астрофизик и физик-теоретик индийского происхождения,, внесший значительный вклад в теоретическую физику и астрофизику, за открытие предела, названного его именем, в 1983 году удостоен Нобелевской премии по физике.

В декабре 1933 года [1] двое учёных Вальтер Бааде и Фрицем Цвикки на съезде Американского физического общества в Стэнфорде 15—16 декабря 1933, пытались объяснить колоссальное энерговыделение при взрыве сверхновых. Тем самым они также предсказали существование нейтронных звезд и предположили, что эти звезды образуются при взрыве сверхновых.

В 1937 году Г. Гамов основываясь на ранних работах Чандрасекара и Ландау в свой книге [4] писал следующее: «Массивные звёзды являются объектами, внутри которых на определённом этапе их существования образуется ядерная материя», а объяснил он это образование тем, что когда протоны превращаются в нейтроны, ядро атома захватывает электрон бета захватом. В 1938 г. Цвикки совей статье [5] написал «Если сверхновая – это переход от обычной звезды к нейтронной, то мы должны наблюдать красное смещение в центральной звезде сверхновой, что должно доказывать гипотезу.» и это подтвердилось. Германо-Американский астрофизик Рудольф Минковский, наблюдая за сверхновой в галактике IC4182 заметил красное смещение равное 100 ангстрем, исходя из предыдущей гипотезы это красное смещение ничто иное как «гравитационное красное смещение».

В 1967 году Джоселин Белл, Энтони Хьюиш была обнаружена первая нейтронная звезда (Пульсар PSR B1919+21). Открытие произошло на 81,5 – мегагерцового радиотелескопа в диапазоне -08о <σ <44о. Период сигнала был равен ~1.33 с. Это настолько сильно удивило исследователей, что первое предположение источником сигнала являлось внеземная цивилизация и по этом причине первое название дынного объекта было LGM-1 (Little Green Men – Маленький зелёный человечек). Некоторое время это открытие оставалось в тайне, но 1968 году в журнале Nature появилась статья на эту тему [6], авторами являлись Д. Белл и Э. Хьюиш. В этой статье были описаны наблюдения и предполагаемые источники. Основываясь на работе [7] Белл и Хьюиш предположили, что источниками могут являться компактные объекты (белые карлики, нейтронные звёзды), но не было достаточно веских аргументов. За этот выдающийся результат Энтони Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию. В этом же году Томас Голд смог дать точное объяснение источника. Он описал модель быстро вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем и окружённой плазменной магнитосферой, наполненной заряженными частицами, при этом генерируется когерентное, направленное радиоизлучение. При вращении данной нейтронной звезды излучение концентрируется на полюсах и при наблюдении мы видим картину аналогичную маяку. После открытия пульсаров изучение нейтронных звёзд пошло быстрым темпом. Вскоре были открыты новые типы нейтронных звёзд: 1971г рентгеновские пульсары, 1975 г источники рентгеновских всплесков, 1979г источник мягких гамма-всплесков, 1982 г миллисекундные пульсары и т. д.

Нейтронная звезда – космическое тело, являющийся одним из возможных результатов эволюции звёзд, состоящий, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (∼1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронное звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8·1017 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов. Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью вращения, – до тысячи оборотов в секунду. Массы большинства нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами составляют 1,3—1,5 массы Солнца, что близко к значению предела Чандрасекара.

Рис. 1

На Рис. 1 показано типичное строение нейтронной звезды, которое имеет традиционно пять слоев:

1. Самый верхний слой – это атмосфера в основном она состоит из водорода и гелия.

2. Кора внешняя (состоит из электронов, ионов, по толщине равняется нескольким сотням метров, в области тонкого слоя присутствует невырожденный газ электронного типа, а в более глубоких частях содержится вырожденное вещество).

3. Кора внутренняя (в составе преобладают электроны, нейтроны свободного типа, ядра атомные, по мере увеличения глубины содержание этих веществ увеличивается, а что касается атомных ядер, наоборот, происходит уменьшение).

4. Внешнее ядро. При достижении плотности равной ~1014 г/см3 ядра начинают рассыпаться, и мы переходим во внешнее ядро.

5. Дальше идем внутреннее ядро, его плотность достигает ~1015 г/см3. Данный участок все еще остается неизвестным, имеются множество гипотез о составе внутреннего ядра гиперонная материя, мезонный конденсат, деконфенированная кварковая материя и т. д.

Открытие радиопульсаров продемонстрировало наличие мощных магнитных полей у нейтронных звезд порядка 108 – 1015 Гс (внешнее поле, для сравнения – у Земли около 1 Гс), магнитное поле внутри звезды при ее рождении может достигать 1017 Гс. Именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Предполагались различные теоретические модели генерации магнитных полей дифференциальное вращение, конвекция, магнито-вращательная неустойчивость, коллапс сверхновой [8]. Имеются два основных типа нейтронных звезд: пульсары и магнитары.

Пульсары – выше мы уже говорили о пульсарах, это компактные быстро вращающееся объекты, излучающие подобно маяку (Фигура 7). Магнитное поле у пульсаров порядка ~1012—1013 Гс. Интервал периодов пульсации 1.56 мс – 8.5 с.

Магнитары – так же, как и пульсары излучают импульсами, но период между импульсами больше ~2—12c, магнитары излучают в рентгеновском от ~1030 Эрг с-1 до ~1035 Эрг с-1 в диапазоне 2—10 Кэв и гамма-диапазоне. Магнитное поле магнитара> 1013 Гс.

К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90% из них – одиночные звёзды, остальные входят в кратные звёздные системы.

Всего же в нашей Галактике по оценкам могут находиться 108—109 нейтронных звёзд, приблизительно одна нейтронная звезда на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость собственного движения (как правило, сотни км/с).