 0.5 . K

Энергия звёзд
Ключевые слова: энергия, теорема
вириала, нуклеосинтез, нейтрино
Теорема вириала, Р. Клаузиус, 1870 г
K  0.5  ri Fi  .
время Кельвина-Гельмгольца
Rudolf Julius Emmanuel Clausius
1822 - 1888


First paper on the
mechanical theory of
heat was published in
1850
The First Law of
Thermodynamics
states the equivalence
of heat and work.
William Thomson (Lord Kelvin)




Born: 26 June 1824
in Belfast, Ireland
Died: 17 Dec 1907
Absolute scale of
temperature in 1848
Thomson published
more than 600 papers
2
GM
.
R
Q
2
2
dQ GM dR
R



L
.
2
2
dt
R dt
R
R L
1 dx


4
2
x dt
GM
R L 

x  1  3
t
2
GM


10
15
R
c ,x
;
R
1
1/ 3
(1  3 10
15
t)
1/ 3
.
История звёздного термоядерного
синтеза




А. Эддингтон в 1926 г
«Внутреннее строение
звезд», T~4·107K
Eddington, Arthur
Stanley
(1882–1944),



Г. Гамов
- тунельный эффект.
Р. Аткинсон и Ф. Хоутерманс
«К вопросу о возможности
образования элементов в недрах
звёзд» (1929 г.)
Г. Бете (США) и Карл-Фридрих фон
Вайцзекер 1938 г. CNO - циклы
Как превращается водород в гелий в недрах
звезд? Первый ответ на этот вопрос нашли
независимо друг от друга Ганс Бете в США и
Карл-Фридрих фон Вайцзеккер в Германии. 11
июля 1938 г. в редакцию журнала "Zeitschrift fur
Physik" поступила рукопись Вайцзеккера, а 7
сентября того же года рукопись Бёте поступила в
редакцию журнала "Physical Review". В обеих
работах излагалось открытие углеродного цикла.
Бёте и Кричфилд уже 23 июня послали работу,
содержащую важнейшую часть протонпротонного цикла.Этот процесс довольно сложен.
Для его протекания необходимо, чтобы в звездах
кроме водорода присутствовали и атомы других
элементов, например углерода. Ядра атомов
углерода играют роль катализаторов.
Ядерная астрофизика
William A. Fowler, 1911-1995
Задачи ядерной астрофизики:
1.
Энергия звёзд?
2.
Содержание химических
элементов в космосе.
Element Abundances
William A. Fowler at breakfast with Donald Clayton
on 19 October 1983, just two hours after learning
of his selection for the 1983 Nobel Prize in physics
John Bahcall and W. A. Fowler at the
"Caltech Centennial Nuclear Astrophysics
Symposium in honor of Fowler's 80th
Birthday", August 11-13, 1991
Протон-протонная цепочка
H+H→D + + n + 1.19 Мэв
3
 D+H → He + g + 5.49 Мэв
 3He+3He→4He+2H+12.85Мэв

+
e



4H →4He+Q=26.2 Мэв 69%
→7Be+g+1.58 МэВ
a) 7Be+e-→7Li+g+n+0.05 МэВ
7Li+H→4He+17.34 МэВ
Q=25.7 МэВ 99.7%
|
3He+4He
b) |7Be+H→8B+g+0.14
8B→8Be+e++n +7.7 МэВ
!!!
8Be → 4He + 4He + 3.0 МэВ
Q=19.1 МэВ, 0.3%.
31%
Нейтрино
Вольфганг Паули, 1930
Закон сохранения импульса.
Б. Понтекорво, 1946, реакция
37Cl+n→37Ar+e
К. Коуэн и Ф. Рейнес в 1956г.
Зарегистрировали
антинейтрино
в обратном бета-распаде
Б. Понтекорво 1957;
три поколения нейтрино:
 ne, nm, nt.
Наблюдение солнечных нейтрино






Макс. энергия рр-нейтрино 0,420 МэВ,
Р+e+р=2D+ ne 1,44 МэВ peр
энергия бериллиевых Н 0,861 МэВ
спектр борных Н простирается от нулевых
энергий до 14,06 МэВ.
Р. Дэвис, 1-й детектор: 3800 л C2Cl4,
глубина 5 м, затем шахта (700м) – неудача.
Дж.Н.Бакал, 1962 – сотрудничество.
Конференция по нейтринной астрофизике.
Г.Т. Зацепин, В.А. Кузьмин (ФИАН), 1968
Баксанская нейтринная обсерватория
В настоящее время действуют три подземных
нейтринных детектора: Super-Kamiokande (SK)
(Япония), Баксан (Россия) и Soudan 2 (Канада);
глубоководный HT200 (Байкал)
и подледный AMANDA (Антарктида) детекторы.
Поиски солнечных нейтрино
Супер-Камиоканде
Super Kamiokande
Детектор SuperKamiokande
представляет собой
резервуар
из нержавеющей стали
высотой 42 м
и диаметром 40 м,
заполненный 50 тыс.
тоннами специально
очищенной воды.
На стенах резервуара
размещены 11146
фотоумножителей (ФЭУ).
Антарктическим мюоннейтринный детектор
Homestake (США)
ne + 37Cl -> e- + 37Ar
энергетический порог реакции 0.814 МэВ.
Предсказанная скорость счета событий
RMC=8.00±1.1SNU (единица SNU,
Solar Neutrino Unit, составляет 10-36
захватов/атом мишени/сек).
за период 1970-1995 годы,
RDATA=2.54±0.14 SNU
с 1987 по 1995 г. черенковский
детектор Kamiokande II ,III ne+e- ->e-+ne,
Измеренный поток нейтрино составил
FDATA=2.80±0.19(stat)±0.33(syst) [x106/см2/сек]
а ожидался
FMC=6.62±1.03 [x106/см2/сек]
В начале 90-х SAGE (Баксан, Россия)
и GALLEX (Gran Sasso, Италия). Ожидалось:
130±8 SNU; оказалось:
GALLEX – 77.5±6.2±4.5SNU,
а SAGE – 75.4±7.6SNU.
Измеренный поток на SuperKamiokande
составил 0.465±0.005±0.014 от ожидаемого.
Во всех экспериментах, регистрирующих
потоки солнечных нейтрино, наблюдается
дефицит нейтрино.
Объяснение – нейтринные осцилляции.
Требуется надёжное экспериментальное
подтверждение существования осцилляций.
Abudance



В солнечной
системе:X=0.772,
Y=0.20898624
Z=0.01892572
X, Y, Z – доли по
массе водорода,
гелия и
остальных
элементов.
BBFH
Margaret Burbidge
and Donald Clayton
Sir Fred Hoyle
1915-2001
Eddington's Stars
and Atoms , 1927
The Synthesis of the Elements
from Hydrogen, 1946
The Black Cloud, fiction novel 1957
Дефект массы, время горения
 =1- mHe / 4m p
.007.
Tя   (0.1 M )c / L,
2
Lg ( L / L )  3.5Lg ( M / M ),
10
Tя ~ 10 ( M / M )
-2.5
лет.
Уильям Альфред Фаулер - известный
американский физик, лауреат
Нобелевской премии (совместно с
Субрахманьяном Чандрасекаром).
Уильям Фаулер внес большой вклад в
теоретическое и экспериментальное
исследование ядерных реакций, в теорию
образования химических элементов
Вселенной.
Подробная биография
Уильям Альфред Фаулер родился 9 августа
1911 года в Питсбурге (штат Пенсильвания,
США). В 1929 году Фаулер поступил в
университет штата Огайо. Сначала он
специализировался на керамическом производстве,
но на втором курсе Уильям Фаулер занялся
прикладной физикой.
На последнем курсе университета Уильям
Альфред Фаулер написал дипломную работу
"Фокусировка электронных пучков" ("Focusing of
Electron Beams").
После окончания университета Фаулер
поступил в аспирантуру Калифорнийского
технологического института (Калтех). Там
ученый занимался в Келлоговской радиационной
лаборатории под руководством Чарлза
Лауритсена.
В 1936 году Фаулер защитил докторскую
диссертацию на тему "Радиоактивные элементы с
малым атомным весом" ("Radioactive Elements of
Low Atomic Number").
После этого Фаулер стал сотрудником
Келлоговской лаборатории
Во время второй мировой войны Келлоговская
лаборатория занималась военными
исследованиями. Уильям Фаулер занимался
разработкой различных видов оружия, в том
числе атомным.
В конце войны Фаулер, Чарлз Лауритсен и
Томас Лауритсена (сын Чарлза Лауритсена)
продолжили ядерные исследования, в основном
ядерных реакций в звездах.
В 1948 году Уильям Альфред Фаулер за
работу во время войны получил от правительства
США медаль "За заслуги".
В 1951 году в Келлоговскую лабораторию пришел
физик Е.Е. Солпитер. Солпитер показал, что три ядра
гелия (с массой 4) могли бы образовать ядро углерода
(масса 12) в условиях гигантских красных звезд
(звезды большого размера но малой температуры).
Через два года в Келлоговскую лабораторию
пришел Уорд Вейлинг.
В результате работы с Фредом Хойлом, Маргарет
Бербридж и Джоффри Бербидж в 1954-1955 годах (в
Англии) Уильям Альфред Фаулер сформулировал
теорию, которая суммировала ядерные реакции,
ведущие к синтезу всех встречающихся в природе
элементов, и объясняла их распространенность.
В 1957 году в журнале "Обозрение
современной физики" была издана статья "Синтез
элементов в звездах". В этой работе ученые
показали, что образовавшиеся при "большом
взрыве" водород и гелий могли быть основой
синтеза в звездах всех элементов. Правда, физик
А. Камерон высказал те же идеи одновременно и
независимо.
Модель Уильяма Альфреда Фаулера выглядит
следующим образом: облако газа (водорода и
гелия) сжимается под действием собственных
гравитационных сил. Через некоторое время в
облаке начинается термоядерная реакция и оно
становится звездой.
По мере выгорания водорода в центре звезды
она сжимается еще сильнее. Если звезда
достаточно велика, то ядро вновь становится
плотным и горячим, в результате чего гелий
переходит в углерод.
После этого звезда сильно расширяется и
становится красным гигантом.
Если звезда имеет большую массу, то ее ядро
будет проходить повторяющиеся циклы
истощения ядерного топлива - сжатия ядра ядерного возгорания продуктов предыдущих
ядерных реакций. Эти циклы будут происходить
пока ядро не будет состоят из железа.
Если железное ядро достаточно велико оно
приводит к взрыву сверхновой.
Уильям Альфред Фаулер (вместе с
остальные авторами) предположил, что
элементы тяжелее железа образуются в
результате последовательного захвата нейтронов
ядрами тяжелых звезд (либо до, либо во время
образования сверхновой).
Поскольку часть синтезированных тяжелых
элементов рассеивается в пространстве, то они
могут войти в состав будущих звездных систем.
В 1969 году Уильям Фаулер получил награду в
честь успешного запуска корабля "Аполлон" от
НАСА.
В 1970 году Фаулер стал лауреатом премии Тома
Боннера Американского физического общества.
В 1970 году Фаулер стал первым институтским
профессором физики (высшее научное знание в
Калифорнийском технологическом институте).
В 1974 году Уильям Альфред Фаулер получил
национальную медаль "За научные достижения"
Национального научного фонда.
В 1978 году Фаулеру была вручена медаль
Эддингтона Королевского астрономического
общества.
В 1979 году Фаулер получил золотую
Брюсовскую медаль Тихоокеанского
астрономического общества.
В 1983 году Уильям Альфред Фаулер
получил Нобелевскую премию по физике "за
теоретическое и экспериментальное
исследование ядерных реакций, имеющих
важное значение для образования химических
элементов Вселенной" (разделив премию с
астрофизиком Субрахманьяном
Чандрасекаром).
Фаулер - член Национальной академии наук
США, почетный член Королевского общества
искусств в Лондоне, член-корреспондент
Королевского астрономического общества. Был
президентом Американского физического
общества, работал в Национальном научном
совете и в Совете по космическим наукам.
Фаулер - обладатель почетных степеней
Льежского университета, Чикагского
университета, Парижской обсерватории,
университета штата Огайо и университета
Денисона.
http://erudite.nm.ru/FowlerWiliam.htm
Тест





1. Основные объекты исследования
астрофизики.
2. Что такое парсек, и почему астрономы
измеряют расстояния парсеками?
3. Три закона излучения Кирхгофа.
4. Закон Стефана-Больцмана.
5. Формула определения видимых и
абсолютных звездных величин.