пятница, 18 марта 2022 г.

Предел Чандрасекара

Вчера я грозился, что расскажу про предел Чандрасекара. Вот, рассказываю. Жил-был такой астрофизик в Индии, звали его Субраманьян Чандрасекар. Как-то раз он поплыл на пароходе в Англию, ему нечего было делать, и он рассчитал условия, при которых может существовать космический объект, известный как белый карлик.

В отличие от обычных звёзд, белые карлики не вырабатывают тепло, они просто излучают то, что у них внутри накопилось (а накопилось много), и постепенно остывают. Обычные звёзды не коллапсируют (не проваливаются внутрь себя под действием собственной силы тяжести) из-за того, что изнутри их распирает термоядерная реакция, а у белых карликов механизм, обеспечивающий их стабильность, иной.

Обычно белые карлики состоят из того вещества, на котором остановилась ядерная реакция в звезде. Для лёгких звёзд это, очевидно, гелий, для более тяжёлых (до 8 масс Солнца), способных запустить в себе ядерную реакцию горения гелия, то получается углерод и кислород, а звёзды с массой ещё больше (до 12 масс Солнца) могут внутри себя пережечь и углерод в неон и магний. Потом, когда звезда дожигает своё ядерное топливо, она обычно сбрасывает внешнюю оболочку (иногда — довольно драматичным способом, известным как «взрыв сверхновой»), и остаётся горячее ядро. Поскольку оно слишком лёгкое, чтоб запустить ядерную реакцию на основе неона и магния, то оно падает в себя, сжимаясь всё больше и больше, и в конце концов достигает очень большой плотности, до тысяч тонн на грамм. А когда вещество сжато до таких больших плотностей, то там начинают проявляться квантовые эффекты в макроскопическом масштабе.

Электроны обладают таким свойством, что почему-то (никто толком не знает, почему) не могут находиться на одном месте (или очень близко), будучи с одинаковой энергией и некоторыми другими одинаковыми квантовыми параметрами (спин, орбитальный момент, ещё что-то, не помню). Благодаря этому свойству наш мир такой, какой он есть. Спасибо электронам! Так вот, в белых карликах вещество настолько плотное, что там не остаётся свободного места, где бы не было летающих туда-сюда вокруг своих ядер или между ними электронов. Они при этом, разумеется, взаимодействуют друг с другом не только в пределах одного атома, но и «чувствуют» электроны из других атомов на большом расстоянии тоже. И свободных мест нет, везде, куда ни ткни, с некоторой ненулевой вероятностью найдётся электрон. Такое состояние называется «вырожденный электронный газ» (а если при этом температура очень большая, то электроны летают с дикими скоростями, и получается «релятивистский вырожденный электронный газ»). Чтоб запихать туда в середину ещё один электрон, взятый с внешних слоёв, надо его хорошенечко разогнать, чтоб он влез в это единое электронное мегаоблако на ещё незанятый в своей окрестности энергетический уровень. Снаружи это ощущается как очень сильное сопротивление сжатию.

И Чандрасекар рассчитал, насколько сильно этот вырожденный электронный газ может сопротивляться гравитационному коллапсу. Для невращающегося белого карлика у него получилось примерно 1.4 массы Солнца (ну, зависит и от химического состава тоже). Если оставшееся ядро звезды будет весить больше — никакой электронный вырожденный газ сжатия не остановит, и ядро будет сжиматься дальше.

Приехав в Англию, Чандрасекар показал свои расчёты Хокингу. Тот посмотрел, сказал: «круто». Вот как-то так.

Комментариев нет:

Отправить комментарий

Ублюдочный Гугл поломал форму комментариев. Извините.

Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.