Вырожденный газ – все о космосе

Основные типы населения звездного мира – Все о космосе

Звезды, изучение их спектров показывает, что природа этих небесных тел сходна с природой Солнца. Звезды отличаются друг от друга по размеру, плотности, цвету, температуре. Химический состав звезд примерно одинаков, хотя процентное содержание тех или иных веществ в разных звездах

может быть различным. В звездах преобладают водород и гелий.

Спектры звезд отличаются большим разнообразием, причина которого, однако, служит не различие в химическом составе звезд, а главным образом существенная разница в их  температуре.

Наблюдая звезды, можно заметить, что они имеют разные оттенки цвета: одни белы или голубоваты, другие желтоваты и даже красноваты. Разница в цветах звезд связана с их  температурой. Наиболее горячими являются белые и голубые  звезды.

Температура их поверхности заключена в пределах от 10000 до

30000 °   виде исключения встречаются даже еще более горячие звезды, с температурой поверхности порядка 100000°.

Желтые звезды, к числу которых относится и ваше Солнце, холоднее — температура их поверхности близка к 6000°.

Самыми холодными являются красные звезды — у некоторых из них температура  поверхности не превосходит 2000°. В глубоких же недрах звезд температуры измеряются многими миллионами градусов.

Одна из важнейших физических характеристик звезд — это их светимость. Светимостью называется число, которое  характеризует силу света звезды по отношению к Солнцу. Например, если светимость звезды равна 1000, это значит, что данная  звезда излучает в тысячу раз больше света, чем Солнце. Светимость звезд зависит как от размеров поверхности звезды (при

одинаковых температурах звезды больших размеров излучают света

больше), так и от ее температуры (при одинаковых размерах звезды с более высокими температурами интенсивнее излучают свет). Светимости звезд весьма различны. Есть звезды,  излучающие в сотни тысяч раз больше света, чем Солнце. Но, с другой стороны, открыты звезды, светимость которых в сотни тысяч раз меньше светимости Солнца.

Звезды большой» светимости называются звездами-гигантами, а звезды малой светимости — звездами-карликами. По размерам звезды очень сильно отличаются друг от друга.

Современная астрофизика объяснила причины столь высокой плотности звездного вещества. В недрах белых карликов  господствуют чудовищные по величине температуры и давления.

  Благодаря этому атомы веществ полностью ионизованы, то есть их ядра лишены обращающихся вокруг них электронов.  Покинувшие «свои» ядра электроны вместе с оголенными ядрами атомов образуют сверхплотную смесь — вырожденный газ.

В вырожденном газе ядра атомов, несущие в себе основную массу вещества,

находятся друг к другу гораздо ближе, чем в обычных земных условиях.

Источник: Ф. Ю. ЗИГЕЛЬ СОКРОВИЩА ЗВЕЗДНОГО НЕБА

Источник: https://www.vseocosmose.ru/?p=10

Вырожденный газ

Вырожденный газ в недрах звезды

В отличие от идеального газа, представляющего собой математическую модель, на свойства вырожденного газа существенно влияют квантовомеханические эффекты. В большей мере эти эффекты вызваны тождественностью частиц согласно квантовой механике.

Температура вырождения

Газ начинает вырождаться при понижении температуры до так называемой температуры вырождения. Полное вырождение соответствует температуре равной абсолютному нулю.

Квантовомеханические эффекты проявляются тем существеннее, чем меньше расстояние между частицами.

Дело в том, что классическая механика работает при условии, что расстояние между частицами значительно превышает длину волны де Бройля, с уменьшением же расстояния начинает проявляться волновая природа частицы.

Известно, что чем больше скорость частиц в газе, тем выше температура. Из этого следует, что температура вырождения тем выше, чем больше плотность газа (меньшее расстояние между частицами) и чем меньше масса его частиц.

Например, так как масса электрона относительно мала (около 10-27 г), а плотность электронов в металле высока (1022 на 1 см3), то вырожденный электронный газ в металлах можно наблюдать при температуре не меньше 10 000 кельвин.

Электронный газ в металле

В отличие от электронного газа, температуры вырождения обычных молекулярных и атомных газов близки к температуре абсолютного нуля. Потому такой газ обычно подчиняется классической механике. Газ с высокой степенью вырождения является квантовым газом.

Принцип тождественности

Говоря о принципе тождественности частиц – это одно из основных различий между квантовой и классической механикой.

Его суть состоит в том, что в классической механике всегда можно проследить за траекторией тела, а потому и явно отличить одно тело от другого с течением времени.

В случае же с квантовым миром, наблюдение одной частицы невозможно, так как она не имеет определенной траектории, а распространяется в соответствии с волнами де Бройля. Это волны вероятности, которые определяют вероятность обнаружения частицы в заданной точке пространства.

Таким образом, если нельзя отследить траекторию некоторой частицы, то нельзя и утверждать, что с течением времени мы наблюдаем одну и ту же частицу, а не другую частицу того же сорта.

Область возможного обнаружения электрона вокруг ядра

Плотность вероятности обнаружения частицы в том или ином месте описывается при помощи волновой функции (а вернее квадрату ее модуля).

Так как природа бозонов и фермионов отличается, то и их волновые функции ведут себя по-разному.

По этой причине вырожденный газ разделяют на газ, состоящий из частиц с целым спином – бозонов (вырожденный Бозе-газ), и состоящий из частиц с полуцелым спином – фермионов (Ферми газ).  

Вырожденный газ в природе

Электронный вырожденный газ обычно встречается в белых карликах, образуя ядро звезды, в результате сильного давления со стороны ее верхних слоев.

Так как электроны – это фермионы, то они подчиняются принципу Паули – несколько фермионов не могут находиться в одном состоянии (в т. ч. в одной точке).

По этой причине внешние слои звезды способны сжать электронный газ лишь до определенного объема.

В случае коллапса звезды – она превращается в нейтронную. В таком случае, под давлением верхних слоев атмосферы электроны «сливаются» с протонами, вследствие чего превращаются в нейтральные частицы – нейтроны. Далее нейтроны сжимаются массой звезды до высокой степени вырождения, образуя нейтронный вырожденный газ.

Строение нейтронной звезды

by HyperComments

Источник: http://SpaceGid.com/vyirozhdennyiy-gaz.html

Нейтронная звезда, слияние и столкновение двух, образование гравитационных волн, масса и плотность, магнитное поле черной дыры

С момента зарождения Вселенной прошло уже более десятка миллиарда лет, в течение которых происходит звездная эволюция, осуществляется изменение состава космического пространства.

Одни космические объекты исчезают, а на их месте появляются другие.

Этот процесс происходит постоянно, однако из-за огромных временных промежутков, мы в состоянии наблюдать только один единственный кадр колоссальной и увлекательной мультисессии.

Живая Вселенная

Нейтронная звезда является ярким примером такой эволюции, живым памятником былого звездного могущества. В этом и заключается весь парадокс.

На месте массивной звезды, размеры и масса которой в десятки и сотни раз превышают аналогичные параметры нашего Солнца, возникает крошечное небесное тело диаметром в пару десятков километров. Такое превращение не происходит в один момент.

Образование нейтронных звезд — результат длинного эволюционного пути развития космического монстра, растянутого в пространстве и во времени.

Образование нейтронной звезды

Физика нейтронных звезд

Подобные объекты немногочисленны во Вселенной, как может показаться на первый взгляд. Как правило, нейтронная звезда может быть одна на тысячу звезд.

Секрет такого небольшого числа заключается в уникальности эволюционных процессов, которые предшествуют рождению нейтронных звезд. Все звезды по-разному проживают свою жизнь. По-разному выглядит и финал звездной драмы. Масштабы действа определяются массой звезды.

Чем больше масса космического тела, чем массивнее звезда, тем выше вероятность того что ее смерть будет быстрой и яркой.

Взрыв Сверхновой

Постоянно увеличившиеся силы гравитации приводят к трансформации звездного вещества в тепловую энергию. Этот процесс невольно сопровождается колоссальным выбросом – взрывом Сверхновой. Результатом такого катаклизма становится новый космический объект – нейтронная звезда.

Все это приводит к мгновенному высвобождению энергии, разбрасывающей внешние слои звездной материи во все стороны. На месте звезды возникает расширяющаяся туманность. Такая трансформация может произойти с любой звездой, однако при этом результаты коллапса могут быть разными.

Если масса космического объекта невелика, к примеру, мы имеем дело с желтым карликом вроде Солнца, на месте вспышки остается белый карлик. В том случае, если масса космического монстра превышает солнечную массу в десятки раз, в результате обрушения мы наблюдаем вспышку Сверхновой.

На месте былого звездного величия образуется нейтронная звезда. Сверхмассивные звезды, масса которых в сотни раз больше массы Солнца, завершают свой жизненный цикл, нейтронная звезда является промежуточным этапом.

Продолжающееся гравитационное сжатие приводит к тому, что жизнь нейтронной звезды завершается появлением черной дыры.

Варианты развития

В результате коллапса от звезды остается только ядро, продолжающееся сжиматься. В связи с этим, характерной особенностью нейтронных звезд являются высокая плотность и огромная масса при мизерных размерах.

Так масса нейтронной звезды диаметром 20 км. в 1,5-3 раза больше массы нашей звезды. Происходит уплотнение или нейтронизация электронов и протонов в нейтроны.

Соответственно, при уменьшении объема и размеров, стремительно увеличивается плотность и масса звездного вещества.

Состав нейтронных звезд

Точная информация о составе нейтронных звезд отсутствует. На сегодняшний день ученые-астрофизики при изучении подобных объектов пользуются рабочей моделью, предложенной физиками – ядерщиками.

Строение нейтронной звезды

Предположительно, звездное вещество в результате коллапса трансформируется в нейтронную, сверхтекучую жидкость. Этому способствует огромное гравитационное притяжение, оказывающее постоянное давление на вещество. Такая «ядерная жидкая субстанция» называется вырожденный газ и в 1000 раз плотнее воды.

Атомы вырожденного газа состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. При нейтронизации внутреннее пространство атомов под воздействием сил гравитации исчезает. Электроны сливаются с ядром, образуя нейтроны. Устойчивость сверхплотной субстанции придает внутренняя гравитация.

В противном случае неизбежно началась бы цепная реакция, сопровождающаяся ядерным взрывом.

Гравитационный коллапс

Чем ближе к внешнему краю звезды, тем меньше температура и давление. В результате сложных процессов происходит «остывание» нейтронной субстанции, из которой интенсивно выделяются ядра железа. Коллапс и последующий взрыв является фабрикой планетарного железа, которое распространяется в космическом пространстве, становясь строительным материалом при формировании планет.

Условно рассматривая строение нейтронной звезды в микроскоп, можно выделить в строении объекта пять слоёв:

  • атмосфера объекта;
  • внешняя кора;
  • внутренние слои;
  • внешнее ядро;
  • внутреннее ядро нейтронной звезды.

Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров и является самым тонким слоем. По своему составу – это слой плазмы, отвечающий за тепловое облучение звезды. Далее идет внешняя кора, которая имеет толщину в несколько сот метров.

Между внешней корой и внутренними слоями — царство вырожденного электронного газа. Чем глубже к центру звезды, тем быстрее этот газ становится релятивистским. Другими словами, внутри звезды происходящие процессы связаны с уменьшением доли атомных ядер.

При этом количество свободных нейтронов увеличивается. Внутренние области нейтронной звезды представляют собой внешнее ядро, где нейтроны продолжают соседствовать с электронами и протонами.

Толщина этого слоя субстанции составляет несколько километров, при этом плотность материи в десятки раз выше, чем плотность атомного ядра.

Схема вращения нейтронной звезды

Весь этот атомарный супчик существует благодаря колоссальным температурам. В момент вспышки Сверхновой, температура нейтронной звезды составляет 1011К. В этот период новый небесный объект обладает максимальной светимостью.

Читайте также:  Все астероиды обнаруженные с 1980 года - все о космосе

Сразу после взрыва наступает этап стремительного остывания, температура за несколько минут падает до отметки 109К. Впоследствии процесс остывания замедляется. Несмотря на то, что температура звезды все еще велика, светимость объекта снижается.

Звезда продолжает светиться только за счет теплового и инфракрасного излучения.

Классификация нейтронных звезд

Такой специфический состав звездно-ядерной субстанции обуславливает высокую ядерную плотность нейтронной звезды 1014-1015 г/см³, при этом средний размер образовавшегося объекта составляет не менее 10 и не более 20 км. Дальнейшее увеличение плотности стабилизируется силами взаимодействия нейтронов. Другими словами, вырожденный звездный газ находится в состоянии равновесия, удерживая звезду от очередного коллапса.

Нейтронизация ядра

Довольно сложная природа таких космических объектов, какими являются нейтронные звезды, стала причиной последующей классификации, которая объясняет их поведение и существование на просторах Вселенной.

Основными параметрами, на основании которых осуществляется классификация, являются период вращения звезды и масштабы магнитного поля. В процессе своего существования нейтронная звезда утрачивает энергию вращения, уменьшается и магнитное поле объекта.

Соответственно, небесное тело переходит из одного состояния в другое, среди которых наиболее характерными выделяются следующие типы:

  • Радиопульсары (эжекторы) представляют собой объекты, которые имеют малый период вращения, однако сила магнитного поля у них остается достаточно большой. Заряженные частицы, совершая движение вдоль силовых полей, в местах обрыва покидают оболочку звезды. Небесное тело данного типа эжектирует, периодически наполняя Вселенную радиоимпульсами, фиксируемыми в радиочастотном диапазоне;
  • Нейтронная звезда – пропеллер. В данном случае у объекта крайне малая скорость вращения, однако, магнитное поле не обладает достаточной силой, чтобы притягивать из окружающего пространства элементы материи. Звезда не излучает импульсов, не происходит в данном случае и аккреция (падение космической материи);
  • Рентгеновский пульсар (аккретор). Такие объекты имеют малую скорость вращения, но ввиду сильного магнитного поля звезда интенсивно поглощает материал из космического пространства. В результате в местах падения звездной материи на поверхности нейтронной звезды скапливается плазма, разогретая до миллионов градусов. Эти точки на поверхности небесного тела становятся источниками пульсирующего теплового, рентгеновского излучения. С появлением мощных радиотелескопов, способных заглянуть в глубину космоса в инфракрасном и рентгеновском диапазоне, стало возможным быстрее выявлять довольно много обычных рентгеновских пульсаров;
  • Георотатор – объект, который имеет малую скорость вращения, при этом на поверхности звезды в результате аккреции происходит скапливание звездной материи. Сильное магнитное поле препятствует образованию в поверхностном слое плазмы, и звезда постепенно набирает свою массу.

Радиопульсар (эжектор)

Аккреция нейтронной звезды

Парадоксы рождения нейтронных звезд

Первая версия о том, что нейтронные звезды — продукты взрыва Сверхновой, сегодня не является постулатом. Существует теория, что здесь может быть использован и другой механизм.

В двойных звездных системах пищей для новых звезд становятся белые карлики. Звездное вещество постепенно перетекает из одного космического объекта на другой, увеличивая его массу до состояния критической.

Другими словами, в будущем один из пары белый карлик – это нейтронная звезда.

Звезды-компаньоны

Нередко одиночная нейтронная звезда, пребывая в тесном окружении звездных скоплений, обращает свое внимание на ближайшую соседку. Компаньонами нейтронных звезд могут стать любые звезды. Эти пары возникают довольно часто. Последствия такой дружбы зависят от массы компаньона.

Если масса нового компаньона невелика, то украденное звездное вещество будет скапливаться вокруг в виде аккреционного диска. Этот процесс, сопровождаемый большим периодом вращения, приведет к тому, что звездный газ разогреется до температуры в миллион градусов.

Нейтронная звезда вспыхнет потоком рентгеновского излучения, становясь рентгеновским пульсаром. У этого процесса есть два пути:

  • звезда остается в космосе тусклым небесным телом;
  • тело начинает излучать короткие рентгеновские вспышки (барстеры).

Во время рентгеновских вспышек яркость звезды стремительно увеличивается, делая такой объект в 100 тысяч раз ярче Солнца.

Барстеры

История изучения нейтронных звезд

Нейтронный звезды стали открытием второй половины XX века. Ранее обнаружить подобные объекты в нашей галактике и во Вселенной было технически невозможно.

Тусклый свет и малые размеры таких небесных тел не позволяли их обнаружить с помощью оптических телескопов. Несмотря на отсутствие визуального контакта, существование подобных объектов в космосе предсказывали теоретически.

Первая версия о существовании звезд с огромной плотностью появилась с подачи советского ученого Л. Ландау в 1932 году.

Фриц Цвикки и Вальтер Бааде

Через год, в 1933 году уже за океаном было сделано серьезное заявление о существовании звезд с необычным строением. Астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули обоснованную теорию, что на месте вспышки Сверхновой обязательно остается нейтронная звезда.

В 60-е годы XX столетия обозначился прорыв в астрономических наблюдениях. Этому способствовало появление рентгеновских телескопов, способных выявлять в космосе источники мягкого рентгеновского излучения.

Используя в наблюдениях теорию о существовании в космосе источников сильного теплового излучения, астрономы пришли к выводу, что мы имеем дело с новым типом звезд. Весомым дополнением теории о существовании нейтронных звезд стало открытие в 1967 году пульсаров.

Американец Джоселин Белл с помощью своей радиоаппаратуры обнаружил поступающие из космоса радиосигналы. Источником радиоволн являлся стремительно вращающийся объект, который действовал подобно радиомаяку, посылая сигналы во все стороны.

Ближайшая нейтронная звезда

Такой объект непременно имеет большую скорость вращения, что для обычной звезды стало бы фатальным. Первым пульсаром, который был открыт астрономами, является PSR В1919+21, находящийся на расстоянии 2283,12 св. года от нашей планеты.

По мнению ученых, ближайшей нейтронной звездой к Земле является космический объект RX J1856.5-3754, расположенный в созвездии Южная Корона, который был открыт в 1992 году в обсерватории Чандра.

Расстояние от Земли до ближайшей нейтронной звезды составляет 400 световых лет.

Источник: https://MilitaryArms.ru/kosmos/nejtronnaya-zvezda/

Белый карлик, нейтронная звезда, черная дыра

Нейтронная звезда

    Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25Mостается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M. В звездах с остаточной массой M > 1.

4M, не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой.

Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы “вдавливаются” друг в друга и в результате реакции

p + e-n + e

после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 1014 – 1015 г/см3. Характерный размер нейтронной звезды 10 – 15 км. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро.

Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но – давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M.

    Нейтрино, образующиеся в момент коллапса, довольно быстро охлаждают нейтронную звезду. Согласно теоретическим оценкам температура ее падает с 1011 до 109 K за время ~ 100 с. Дальше темп остывания несколько уменьшается. Однако он достаточно высок по астрономическим масштабам. Уменьшение температуры с 109 до 108 K происходит за 100 лет и до 106 K – за миллион лет.

Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами довольно сложно из-за малого размера и низкой температуры.
    В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли космические источники периодического электромагнит-ного излучения – пульсары. Периоды повторения импульсов боль-шинства пульсаров лежат в интервале от 3.3·10-2 до 4.3 с.

Согласно современным представлениям, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды, имеющие массу 1 – 3Mи диаметр 10 – 20 км. Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять свою форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения.

Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным магнитным полем B ~ 1012 Гс.
    Считается, что нейтронная звезда имеет магнитное поле, ось которого не совпадает с осью вращения звезды. В этом случае излучение звезды (радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка.

Когда луч пересекает Землю регистрируется импульс. Само излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Этот механизма радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом, показан на рис. 39.

Рис. 39. Модель пульсара.

    Если пучок излучения попадает на земного наблюдателя, то радиотелескоп фиксирует короткие импульсы радиоизлучения с периодом, равным периоду вращения нейтронной звезды. Форма импульса может быть очень сложной, что обусловлено геометрией магнитосферы нейтронной звезды и является характерной для каждого пульсара.

Периоды вращения пульсаров строго постоянны и точности измерения этих периодов доходят до 14-значной цифры.     В настоящее время обнаружены пульсары, входящие в двойные системы. Если пульсар вращается по орбите вокруг второго компонента, то должны наблюдаться вариации периода пульсара вследствие эффекта Допплера.

Когда пульсар приближается к наблюдателю, регистрируемый период радиоимпульсов из-за допплеровского эффекта уменьшается, а когда пульсар удаляется от нас, его период увеличивается. На основе этого явления и были обнаружены пульсары, входящие в состав двойных звезд.

Для впервые обнаруженного пульсара PSR 1913 + 16, входящего в состав двойной системы, орбитальный период обращения составил 7 часов 45 мин. Собственный период обращения пульсара PSR 1913 + 16 равен 59 мс.     Излучение пульсара должно приводить к уменьшению скорости вращения нейтронной звезды. Такой эффект также был обнару-жен.

Нейтронная звезда, входящая в состав двойной системы, может быть и источником интенсивного рентгеновского излучения.

    Структура нейтронной звезды массой 1.4Mи радиусом 16 км показана на рис. 40.

Рис. 40. Сечение нейтронной звезды массой 1.4Mи радиусом R=16 км. Указана плотность ρ в г/см3 в различных частях звезды.

    I – тонкий внешний слой из плотно упакованных атомов. В областях II и III ядра расположены в виде объемно-центрированной кубической решетки. Область IV состоит в основном из нейтронов. В области V вещество может состоять из пионов и гиперонов, образуя адронную сердцевину нейтронной звезды.

Отдельные детали строения нейтронной звезды в настоящее время уточняются.     Образование нейтронных звезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах.

Перетекание вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик превращается в нейтронную звезду.

В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует так называемому “тихому” коллапсу.

    Компактные двойные звезды могут проявляться и как источники рентгеновского излучения. Оно также возникает за счет аккреции вещества, падающего с “нормальной” звезды на более компактную.

При аккреции вещества на нейтронную звезду с B > 1010 Гс вещество падает в район магнитных полюсов. Рентгеновское излучение модулируется её вращением вокруг оси.

Читайте также:  Впечатляющие масштабы юпитера - все о космосе

Такие источники называют рентгеновскими пульсарами.

    Существуют рентгеновские источники (называемые барстерами), в которых периодически с интервалом от нескольких часов до суток происходят всплески излучения. Характерное время нарастания всплеска – 1 сек. Длительность всплеска от 3 до 10 сек. Интенсивность в момент всплеска может на 2 – 3 порядка превосходить светимость в спокойном состоянии. В настоящее время известно несколько сотен таких источников. Считается, что всплески излучения происходят в результате термоядерных взрывов вещества, накопившегося на поверхности нейтронной звезды в результате аккреции.

    Хорошо известно, что на малых расстояниях между нуклонами ( < 0.3·10-13 см ) ядерные силы притяжения сменяются силами оттал-кивания, т. е. противодействие ядерного вещества на малых расстояниях сжимающей силе тяготения увеличивается.

Если плотность вещества в центре нейтронной звезды превышает ядерную плотность ρяд и достигает 1015 г/см3, то в центре звезды наряду с нуклонами и электронами образуются также мезоны, гипероны и другие более массивные частицы.

Исследования поведения вещества при плотностях, превышающих ядерную плотность, в настоящее время находятся в начальной стадии и имеется много нерешенных проблем.

Расчеты показывают, что при плотностях вещества ρ > ρяд возможны такие процессы, как появление пионного конденсата, переход нейтронизованного вещества в твердое кристаллическое состояние, образование гиперонной и кварк-глюонной плазмы. Возможно образование сверхтекучего и сверхпроводящего состояний нейтронного вещества.

    В соответствии с современными представлениями о поведении вещества при плотностях в 102 – 103 раз, превышающих ядерную (а именно о таких плотностях идет речь, когда обсуждается внутреннее строение нейтронной звезды), внутри звезды образуются атомные ядра вблизи границы устойчивости. Более глубокое понимание может быть достигнуто в результате исследования состояния вещества в зависимости от плотности, температуры, устойчивости ядерной материи при экзотических отношениях числа протонов к числу нейтронов в ядре  np/nn, учете слабых процессов с участием нейтрино. В настоящее время практически единственной возможностью исследования вещества при плотностях больших ядерной являются ядерные реакции между тяжелыми ионами. Однако, экспериментальные данные по столкновению тяжелых ионов дают пока недостаточно информации, т. к. достижимые значения np/nn как для ядра – мишени, так и для налетающего ускоренного ядра невелики (~ 1 – 0.7).     Точные измерения периодов радиопульсаров показали, что скорость вращения нейтронной звезды постепенно замедляется. Это связано с переходом кинетической энергии вращения звезды в энергию излучения пульсара и с эмиссией нейтрино. Небольшие скачкообразные изменения периодов радиопульсаров объясняются накоплением напряжений в поверхностном слое нейтронной звезды, сопровождающимся “растрескиванием” и “разломами”, что и приводит к изменению скорости вращения звезды. В наблюдаемых временных характеристиках радиопульсаров содержится информация о свойствах “коры” нейтронной звезды, физических условиях внутри неё и о сверхтекучести нейтронного вещества. В последнее время обнаружено значительное число ра-диопульсаров с периодами меньшими 10 мс. Это требует уточнения представлений о процессах, происходящих в нейтронных звездах.

    Другой проблемой является исследование нейтринных процессов в нейтронных звездах. Эмиссия нейтрино является одним из механизмов потери энергии нейтронной звездой в течении 105 – 106 лет после её образования.

Источник: http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/n10a.htm

Вездесущая плазма: четвертое состояние вещества

Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.

Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации.

Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий.

Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется.

Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть.

В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.

Плазменная электростанция В 70 км от Марселя, в Сен-Поль-ле-Дюранс, по соседству с французским исследовательским центром атомной энергии Кадараш, будет построен исследовательский термоядерный реактор ITER (от лат. iter — путь).

Основная официальная задача этого реактора — «продемонстрировать научную и технологическую возможность получения энергии термоядерного синтеза для мирных целей».

В долговременной перспективе (30−35 лет) на основе данных, полученных во время экспериментов на реакторе ITER, могут быть созданы прототипы безопасных, экологически чистых и экономически прибыльных электростанций.

Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10 000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы).

Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм.

Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва.

Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.

От Фарадея до Ленгмюра

Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках.

К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами.

После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

Как устроен Токамак Токамак — установка тороидальной формы для удержания плазмы с помощью магнитного поля.

Плазма, разогретая до очень высоких температур, не касается стенок камеры, а удерживается магнитными полями — тороидальным, созданным катушками, и полоидальным, которое образуется при протекании тока в плазме.

Сама плазма выполняет роль вторичной обмотки трансформатора (первичная — катушки для создания тороидального поля), что обеспечивает предварительный нагрев при протекании электрического тока.

Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален.

Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля.

Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, — это уже не газ, а нечто совершенно иное.

22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея.

В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter.

В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп.

Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами.

Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

Первая плазма Снимок испытательного запуска корейского токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) с получением «первой плазмы» 15 июля 2008 г. KSTAR, научно-исследовательский проект по изучению возможности термоядерного синтеза для получения энергии, использует 30 сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием.

Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов.

Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем.

По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка).

В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

Физика плазмы

Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать).

Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы.

Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Источник: https://www.PopMech.ru/science/10150-vezdesushchaya-plazma-chetvertoe-sostoyanie-veshchestva/

Вещество Шрёдингера: очень тёплое, очень плотное, очень непонятное

Экспериментаторы научились получать новое, совсем загадочное состояние материи — тёплое плотное вещество. Его нельзя причислить ни к одному из главных состояний: газ, плазма, жидкость и твёрдое тело. Тёплое плотное вещество стоит особняком. Сам термин появился лет тридцать назад, но активные исследования начались совсем недавно.

Во-первых, теперь есть установки, позволяющие создать его, пусть и на доли секунды. Во-вторых, оказалось, что это состояние помогает объяснить многие космические явления. Например, по одной из гипотез, именно в нём пребывают ядра Сатурна, Юпитера и планет в других звездных системах.

Вещество Шрёдингера. Иллюстрация: Cristales2014.

org

Однажды физик Сергей Гаранин изучал, что происходит, когда на тонкую проволочку подаётся очень сильный ток — пять миллионов ампер.

Делал он это вместе с коллегами в до сих пор секретном городе Сарове, в Российском федеральном ядерном центре — месте, где создавалась советская атомная бомба.

С проволочкой происходили странные вещи: внутри неё на доли секунды образовывалось нечто, что по параметрам подходило под описание тёплого плотного вещества — штуки ещё более секретной, чем Саров, но совсем в другом смысле.

Это вещество природа скрывает от нас вот уже десятки лет. Его предсказывали давно, но всерьез стали изучать лишь в последние годы, когда появились новые методы вроде мощных лазеров, которые могут нагревать образцы до высочайших температур за триллионные доли секунды. Гаранин применил свой способ — стал взрывать электрическим разрядом кусочек фольги.

«Исследование возможности получения тёплого плотного вещества при электровзрыве металлических фольг с помощью мегаамперных токов» — так назывался доклад группы Гаранина, подготовленный совместно с коллегами из Лос-Аламосской национальной лаборатории, где тоже делали атомную бомбу, только американскую. Докладывались же на конференции по физике плазмы в подмосковном Звенигороде в начале 2015 года. Тёплое плотное вещество находится за пределами геополитики и даже, как мы увидим, за пределами нашей планеты.
Ничейная земля

Что вы представляете, услышав словосочетание «тёплое плотное вещество»? Я провёл мини-опрос среди знакомых, и ответы были разные: джем, кисель, спрессованная овечья шерсть, песок летом на пляже.

Читайте также:  Крабовидная туманность - все о космосе

Среди девушек популярен вариант «кот». А один выпускник МФТИ, например, ответил, что это «твёрдое тело температурой выше комнатной», добавив, что где-то слышал этот термин.

А мог он слышать его на занятиях по физике плазмы.

Понятие warm dense matter (WDM) вошло в научный оборот лет тридцать назад. По меркам физики это совсем недавно: к примеру, термин «тёмная материя» вовсю использовали ещё в начале 1930-х годов.

До сих пор не существует общепризнанного перевода WDM на русский. При подготовке этой статьи мне встречались самые разные варианты: «горячая плотная материя», «тёплая плотная материя», «разогретое плотное вещество».

Мы остановились на «тёплом плотном веществе» (ТПВ), оно встречается чуть чаще.

Температура ТПВ находится в широком диапазоне — от десятков тысяч до миллиона градусов при давлении от одной до миллионов атмосфер. В нормальных условиях, то есть при комнатной температуре и атмосферном давлении, тёплое вещество существовать не может, зато внутренности крупных планет — то, что нужно для его возникновения.

Формальное определение примерно такое: «это состояние материи, достаточно плотное, чтобы не быть плазмой, и слишком горячее, чтобы не описываться методами физики конденсированного состояния». Иными словами, это то ли плазма, то ли нет, то ли твердое тело, то ли не очень.

Примерно двадцать пять веков назад философ Эмпедокл говорил, что мир состоит из четырех элементов: воздуха, воды, земли и огня. Согласно современным представлениям, этот древний грек был почти прав: традиционно выделяются четыре вида самых распространенных агрегатных состояний — твердое тело, жидкость, газ, плазма.

Твердые тела могут сохранять свою форму и объем, их атомы совершают лишь небольшие колебания относительно своих положений. В конденсированном состоянии вещества (так физики любят называть всё твердое) сила Кулона удерживает электроны в атомах, а тепловой энергией движения частиц можно пренебречь, что значительно облегчает учёным жизнь.

У жидкостей форма может меняться как угодно, зато объем почти сохраняется. Газы заполняют весь доступный объем, принимая любую форму, их частицы между собой взаимодействуют слабо.

Дальше следует плазма — частично или полностью ионизированный газ. Как и обычный газ, она не имеет определенной формы, однако может проводить электричество, взаимодействовать с электрическим и магнитным полем.

В идеальной плазме частицы движутся настолько быстро, что при их столкновениях у атомов нет никаких шансов удержать при себе электрон.

В этом случае физики говорят, что энергия теплового движения частиц значительно превосходит энергию кулоновского притяжения электронов и ядер атомов.

Наше же тёплое плотное вещество лежит аккурат между всеми главными состояниями. Чуть ли не половина публикаций о тёплом плотном веществе иллюстрируется одной и той же картинкой. Это двумерная система координат, где по вертикали температура, а по горизонтали давление. Зона ТПВ обозначена вытянутым овалом в центре.

Оно намного плотнее, чем плазма, — от 0,01 до 100 грамм на кубический сантиметр. В некоторых случаях оно может иметь удельный вес в два раза больше, чем то твёрдое вещество, из которого оно получено.

Да и холоднее оно, чем высокотемпературная плазма (кстати, поэтому лучше говорить всё-таки «тёплое», а не «горячее»).

Бывает даже такой вид тёплого плотного вещества, который обладает свойствами кристалла (это называется «структурированное ТПВ»).

Но и твёрдым телом его тоже назвать нельзя — атомы слишком активно движутся. На жидкость и газ тоже не похоже… Получается какое-то «вещество Шрёдингера», которое, как кот в ящике, одновременно находится в нескольких состояниях.

При желании можно объявить тёплое плотное вещество альтернативным состоянием материи наряду с газом, жидкостью, твердым телом и плазмой.

Физики знают ещё много других состояний: конденсат Бозе — Эйнштейна, глазма, кварк-глюонная плазма, состояния сверхтекучести, состояние сверхпроводимости, вырожденный газ, жидкие кристаллы и множество других.

Но это уже совсем другая история, которая, в отличие от случая с твёрдым плотным веществом, лежит вне простой системы координат «плотность — температура».

А всё из-за того, что существует ТПВ при давлениях и температурах, немыслимых нам, поверхностным людям — живущим на поверхности планет. Но в глубинах планет это обычное дело: силы, с которыми атомы отталкиваются или притягиваются своими электрическими зарядами, сопоставимы с силами теплового движения. Говоря научно, кулоновские силы примерно равны тепловому движению.

Зону энергий, в которой кулоновское взаимодействие и тепловое движение примерно равны, физики даже прозвали «ничьей землей» — здесь не действуют законы плазмы, но и законам твердых тел также не место. Это физический Дикий Запад.
Что в центре Юпитера?

На 29 мая 2015 года достоверно подтверждено существование 1928 планет вне Солнечной системы. Среди них около трехсот по размерам близки к нашему Юпитеру.

Оболочки таких планет обычно состоят из смеси гелия и водорода с небольшими добавками более тяжелых элементов, например металлов.

Во внешней оболочке эти элементы образуют молекулярный водород, молекулы воды, метана, аммиака — всё то, что придает Юпитеру знакомый нам по фотографиям вид.

При погружении в глубину планеты — туда, где давление около миллиона атмосфер, — молекулы ионизируются, то есть от них отрываются электроны, формируя «металлическую жидкость».

А что ещё глубже? Именно оно — тёплое плотное вещество, образующееся из этих жидкостей при температурах в несколько тысяч градусов.

Конечно, реальность может оказаться сложнее, однако на сегодня это самая адекватная модель, по мнению учёных.

— Определенную роль в эволюции этих планет и формировании их магнитного поля могут играть электропроводность, теплопроводность тёплого плотного вещества, а также его непрозрачность, которая может влиять на перенос излучения, а следовательно, и на теплопроводность.

Поэтому желательно изучить свойства тёплого плотного вещества, — объясняет Сергей Гаранин. — Имеются также гипотезы о существовании таких интересных явлений, как фазовые переходы металл-неметалл, и таких экзотических фаз, как протонные проводники, глубоко внутри таких планет, как Нептун.

Изучение свойств тёплого плотного вещества помогло бы разобраться в реальности или нереальности этих гипотез.

Металлический водород — особое состояние вещества, возникающее при очень высоких давлениях. Обладает уникальными качествами, например высокотемпературной сверхпроводимостью. Достоверных данных о получении металлического водорода в земных условиях пока не получено.

Одно из интересных явлений, которые предположительно могут иметь место в тёплом плотном веществе, — это расслоение. Что будет, если в одном помещении опорожнить баллон гелия и баллон водорода? Правильный ответ — нужно побыстрее уходить из такого помещения, пока не рвануло. Не менее правильный ответ — газы смешаются между собой и с воздухом.

Представить себе, чтобы гелий собрался в углу, водород — в другом углу, а воздух сжался между ними, не получается. Тем не менее в тёплом плотном веществе всё происходит именно так.

Изначально смешанные газы, сжатые до давления более одного миллиона атмосфер и нагретые до нескольких тысяч градусов, разделятся. Гелий отдельно, и водород отдельно.

Моделирование этого эффекта, предсказанного несколько десятков лет назад, было описано в 2009 году в авторитетном научном журнале Physical Review Letters.

Газы смешиваются между собой потому, что им это энергетически выгодно. При экстремальных условиях вроде высоких температур, давлений и плотностей может получиться так, что в какой-то момент суммарная энергия станет меньше, если вещества станут жить раздельно, словно разругавшиеся супруги, подавшие на развод.

Расчёты показали, что гелий до давлений в 2,4 миллиона атмосфер не переходит в металлическое состояние, в то время как водородная жидкость переходит.

В итоге неметаллическая фаза гелия соседствует с металлическим водородом. Условия для подобного явления существуют в недрах крупных планет.

Это расслоение объясняет, например, слишком сильный блеск Сатурна, на 50% более яркий, чем был бы при заполнении однородным веществом.

wikipedia/commons / Рентгеновский лазер на свободных электронах. С помощью такой штуки можно получать тёплое плотное вещество.

Оно должно быть синим или фиолетовым

Условия в центрах планет-гигантов очень трудно воспроизвести на Земле. Теория теорией, а без эксперимента невозможно сказать, что происходит на самом деле. Посему тайну ТПВ вскрывают в таких экзотических условиях. Взрыв фольги миллионами ампер — это успех, после которого можно начинать собственно изучение свойств этого вещества.

— Характерные показатели давлений в наших экспериментах — десятки тысяч атмосфер. В лабораториях в Сарове и Лос-Аламосе имеются мощные установки, такие как взрывомагнитные генераторы и сильноточные конденсаторные батареи, которые можно использовать для создания тёплого плотного вещества, — объясняет Сергей Гаранин.

— Существующие теоретические подходы хорошо работают либо для конденсированного — твёрдого — вещества, либо для малоплотной, так называемой идеальной, плазмы. Однако область параметров тёплого плотного вещества является промежуточной между этими двумя состояниями.

Поэтому описание свойств тёплого плотного вещества является проблемой теоретической физики, ждущей своего решения.

«Какова природа земного ядра? Почему Юпитер имеет сильное магнитное поле? Как перенести в земные лаборатории термоядерную энергетику звёзд? Красной нитью в поиске ответов на эти вопросы проходит изучение тёплого плотного вещества», — пишет сайт Lawrence Berkeley National Laboratory.

Мы все представляем себе, как выглядят вещества в привычных агрегатных состояниях. Вот журнал — твердое тело, вокруг нас смесь газов, а в стакане какая-нибудь жидкость. Даже плазму мы можем увидеть. А вот как выглядит тёплое плотное вещество?

— К сожалению, увидеть ТПВ без помощи специальных приборов вряд ли возможно. В этом состоит дополнительная экспериментальная проблема — проблема диагностики тёплого плотного вещества, — отвечает Сергей Гаранин.

— Уровень давлений и температур ТПВ таков, что, если его чем-нибудь не удерживать, оно будет разлетаться и остывать, превращаясь в вещество с другим диапазоном параметров.

В ядрах планет-гигантов оно закрыто от наблюдений слоями вещества с меньшими давлениями и температурами. Правда, в предлагаемых нами экспериментах, если ТПВ удерживать с помощью прозрачных веществ, может быть, его можно будет наблюдать в видимом диапазоне длин волн.

И оно должно иметь синий или фиолетовый цвет, поскольку его температура — десятки тысяч градусов — намного выше, чем температура поверхности Солнца.

Из вышесказанного следует, что мы, в общем-то, почти ничего не знаем о тёплом плотном веществе, кроме того, что оно есть. Поэтому отвечать на традиционный вопрос о практическом применении вроде бы и бессмысленно. Однако Сергей Гаранин утверждает:

— Тёплое плотное вещество образуется в системах, испытывающих быстрый переход от твёрдого состояния в плазму. Речь может идти, например, о быстро нагреваемом под действием лазерного излучения или сильных магнитных полей веществе.

Умение правильно описывать поведение вещества в этих системах потенциально может привести к новым возможностям. Так, если удастся быстро размыкать контур с током, переводя проводник в состояние тёплого плотного вещества, можно повысить используемую нагрузку.

С другой стороны, при изучении физических явлений в сильных магнитных полях большое сопротивление тёплого плотного вещества может оказаться вредным: сильные магнитные поля не удастся удерживать долго в необходимом объеме.

Во всех этих случаях необходимо знать физические свойства тёплого плотного вещества, что поможет правильно понимать работу технических устройств.

http://kot.sh/statya/312/veshchestvo-shryodingera

21.09.2015 в 12:40

Источник: https://cosmos.mirtesen.ru/blog/43204443970

Ссылка на основную публикацию