физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
10.2.1. Инфракрасное излучение Вселенной Инфракрасное излучение Вселенной является пределом общего количества энергии, излучаемой всеми звездами во Вселенной. Открытие инфракрасного излучения Вселенной в 1998 г. знаменует собой завершение нескольких лет работы, связанной с анализом данных, полученных с орбитального телескопа СОВЕ, запущенного НАСА в 1989 г. Обнаружение инфракрасного излучения Вселенной сильно затруднено. Так как он сливается с инфракрасным светом космической пыли нашей солнечной системы, межзвездным газом нашей Галактики, а также атмосферой Земли, да и самими приборами. Запуск телескопа СОВЕ сразу решил две последние проблемы. В течение 10 месяцев орбитальный телескоп сканировал звездное небо в инфракрасном диапазоне, составляя тщательную карту расположения всех светящихся объектов Вселенной. После моделирования удалось исключить инфракрасное излучение пыли солнечной системы, которое создает постоянное изменение яркости, по мере того как Земля вращается по орбите вокруг Солнца. Межзвездная пыль в нашей Галактике поддалась идентификации, поскольку, как выяснилось, обладает своей собственной структурой.Затем было исключено инфракрасное излучение пылевых облаков вокруг звезд. После этого астрономы начали прослушивать "окна, расположенные около полюсов нашей Галактики "Млечный Путь. Они представляют собой достаточно пустые пространства, протянувшиеся на расстояние в миллиарды световых лет. В результате был обнаружен постоянный инфракрасный фон Вселенной в диапазоне между 240 и 140 мкм. Наличие этого фона показало, что мы можем наблюдать только одну треть общего количества звезд Вселенной, а где же недостающие две трети звезд. Возникла новая проблема. Теперь ученым предстоит выяснить, куда же девались остальные звезды. 10.3. Классификация звезд В ясную безлунную ночь наблюдатель с нормальным зрением увидит на небосводе до 3000 звезд. В зависимости от их массы, температуры и светимости они распределены по классам голубые и красные сверхгиганты, звезды главной последовательности, белые и черные карлики, нейтронные, кварковые, гиперонные звезды и черные дыры. Звезды характеризуются спектральными классами О, В - голубые звезды А - белые F - желтоватые G - желтые К - оранжевые М - красные. Если все звезды характеризовать температурой и светимостью, то их можно разместить на диаграмме Герцшпрунга Рассела. Волновая оптика 201 Большинство нормальных звезд располагается вдоль наклонной линии, называемой главной последовательностью, на которой они могут находиться в течение от миллионов до десятков миллиардов лет. Например, наше Солнце, являющееся обычной, желтой (G) звездой, находится на этой последовательности уже в течение 5 млрд. лети проведет на ней еще примерно столько же времени. Звезды рождаются с различными массами и разнообразным химическим составом. Оба эти фактора оказывают влияние на дальнейшую эволюцию звезды. До недавнего времени считалось, что на образование звезды из космического вещества требуются миллионы лет. Однако в последние годы получены фотографии Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звезд. Ранее (в 1947 г) в этом месте была обнаружена группа из трех звездоподобных объектов. Кг. некоторые из них стали продолговатыми, а кг. они распались на отдельные звезды. Следовательно, звезды могут рождаться за относительно короткий промежуток времени и обычно возникают группами, ассоциациями или в виде звездных скоплений. В результате изучения фотографий туманностей нашей Галактики Млечного Пути) удалось обнаружить маленькие черные пятна неправильной формы (глобулы, представляющие собой массивные скопления газа и пыли. Они выглядят черными, т.к. не испускают собственного излучения и находятся между Землей и яркими звездами, свет от которых они заслоняют. Размеры глобул достигают нескольких световых лет. В глобуле под действием внешнего давления излучения окружающих звезд происходит сжатие и уплотнение вещества, несмотря на существование в них турбулентных движений пыли и газа. Гравитационные силы стремятся сжать глобулу, заставляя вещество падать к центру. За счет кинетической энергии падающих частиц происходит их столкновение и нагревание в целом газопылевого облака. Температура облака возрастает, и оно становится протозвездой и начинает светиться, излучая темнокрасный свет. Начальный период эволюции протозвезды длится от тысяч до миллионов лет. За счет гравитации при дальнейшем сжатии протозвезды температура внутри ее повышается до 10 6 К и начинают протекать термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Излучение уравновешивает силу тяготения и на небе появляется нормальная звезда, которая будет находиться на главной последовательности многие миллиарды лет. 10.4. Фазовые состояния ядер и термоядерные реакции Учитывая кварковую структуру нуклонов в ядрах атомов, можно рассматривать барионную материю на двух уровнях, в каждом из которых есть свои фазовые состояния. Первый уровень - ядерное вещество, состоящее из нуклонов и обладающее только нуклонными степенями свободы. Второй уровень - барионное вещество (кварк-глюонная плазма) с кварковыми степенями свободы, которые высвобождаются при высоких температурах и плотностях. Между этими уровнями существует множество фазовых состояний. Волновая оптика 202 На основании экспериментально изученных сил взаимодействия между нуклонами при учете нуклон-нуклонных потенциалов, полученных из опыта по рассеянию нуклонов, оказалось возможным получить уравнение состояния ядерного вещества. В определенных областях давлений и температур ядерное вещество ведет себя подобно реальному газу Ван-дер-Ваальса. 10.4.1. Синтез элементов Квантовая физика и ядерная астрофизика разработали теорию синтеза тяжелых элементов. Рассмотрим основы этой теории на примере Солнца. Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, следовательно, уменьшится давление излучения, которое уравновешивало гравитационное сжатие Солнца под действием сил тяготения. В результате гравитационного сжатия Солнце уменьшится в объеме. Плотность вещества в его центре достигнет величины 10 8 кг/м 3 , а температура возрастет до Т 10 8 КВ этот момент начнет гореть гелий изотоп гелия 2 4 He ). Ядерная реакция горения гелия - тройной альфа процесс (3 - процесс. Однако простая реакция слияния двух ядер изотопа гелия 2 4 He в ядро бериллия 4 8 Be невозможна, поскольку в природе такого изотопа бериллия нет. Однако в сечении этой реакции при энергии 0,1 МэВ наблюдается резонанс, те. возникает нестабильное ядро 4 8 Be * , которое живет 10 16 с (по ядерным масштабам это не так мало. За это время при столкновении -частиц они, прежде чем разлететься, успевают совершить около миллиона колебаний в составе нестабильного ядра 4 8 Be * . В этот момент к ним может приблизиться третья - частица и образовать сними ядро изотопа углерода 6 12 C . Такая возможность была бы нереализованной, если бы у изотопа углерода 6 12 C отсутствовало возбужденное состояние 6 с энергией W 7,66 МэВ. Дело в том, что прямой процесс образования ядер углерода из трех -частиц крайне маловероятен, т.к. масса трех -частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра изотопа углерода 6 12 C Массаже возбужденного ядра 6 12 C * превышает массу трех -частиц на 0,38 МэВ. Возбужденное ядро 6 12 C * живет 10 12 си, испуская электронно- позитронную пару или -кванты, переходит в основное состояние. Этого времени оказывается достаточно, чтобы успело произойти необратимое объединение трех частиц. При температурах Т 10 6 К кинетическая энергия -частиц (W k 0,02 МэВ) в гелиевой звезде значительно меньше энергии W 0,38 МэВ, при которой выполняется условие резонанса для реакции Волновая оптика 203 4 8 2 4 Однако в недрах такой звезды всегда существует незначительная примесь очень быстрых частиц (10 9 , примерно одна частица на миллиард, для которых это условие выполнено, и этого оказывается достаточно, чтобы осуществилась последовательность реакций 3 -процесса 2 4 2 4 4 8 He He Be * , 4 8 2 4 6 12 Скорость протекания таких реакций враз большей, чем горение водорода. Углерод - основа всех живых организмов и одно из самых привычных и необходимых веществ на Земле. После образования углерода в гелиевом ядре звезды происходит образование других элементов кислорода в реакции 6 12 2 4 неона в реакции 8 16 2 4 10 магния в реакции 10 20 2 4 12 К моменту образования магния весь гелий в звезде истощается и для протекания других ядерных реакций необходимы более высокие температуры, которые можно достичь путем дальнейшего сжатия звезды. Однако это возможно не для всех звезда лишь для тех, масса которых превышает некоторый предел Чандрасекара (М 1,2 МС, где МС - масса Солнца. Звезды с массами ММ С заканчивают свою эволюцию на стадии образовании магния и превращаются в белые карлики - звезды с массой М 0,6 МС, размерами с нашу Землю и плотностью 10 9 кг/м 3 . В них электроны отделены от ядер, так что вся звезда представляет собой единый кристалл. В более массивных звездах при температурах Т 5 10 8 -10 9 К происходит синтез кремния в реакциях 12 24 2 4 14 28 Mg He Si , 8 16 8 16 14 28 После гравитационного сжатия температура в центре звезды повышается до 2 10 9 К и средняя энергия излучаемых гамма-квантов достигает 0,2 МэВ, при которой они способны разрушить ядра кремния на -частицы 14 28 2 4 Возникшие -частицы затем последовательно вдавливаются в ядра кремния, образуя более тяжелые элементы вплоть до железа, т.к. ядра железа имеют максимальную энергию связи. На этом этапе источники ядерной энергии внутри звезды истощаются, поскольку образование более тяжелых элементов идет нес выделением, ас поглощением энергии эволюция звездного вещества вступает в новую фазу.Теперь ядерные реакции протекают на поверхности железной сердцевины звезды, где еще сохранились несгоревшие ядра 2 4 6 12 10 20 He C Ne , , , а также небольшое количество водорода. В некоторых из этих реакций возникают свободные нейтроны, которые поглощаются ядрами железа, в результате образуется ядро кобальта Волновая оптика 204 26 58 0 1 26 59 27 59 Fe n Fe Co Таким же образом кобальт превращается в никель, из никеля - медь и т.д., вплоть до изотопа висмута 83 Такой медленный процесс захвата ядрами нейтронов (процесс) требует потоки нейтронов 10 15 частиц в секунду (время между двумя последовательными захватами нейтронов ядром больше, чем время жизни образующихся изотопов по отношению к -распаду. Все химические элементы тяжелее висмута образуются при протекании процесса, при взрывах сверхновых звезд. Для осуществления r- процесса требуются потоки нейтронов 10 40 частиц в секунду. За время, меньшее времени жизни возникающих при каждом захвате нейтрона происходит последовательное рождение новых изотопов химических элементов тяжелее висмута.Взрыв сверхновой звезды становится возможным, если масса ее достаточно велика для того, чтобы силы тяготения смогли сжать и нагреть железную сердцевину до 4 10 9 К и выше. В этих условиях каждое ядро железа 26 56 Fe распадается на 13 частиц и 4 нейтрона поглощая 124 МэВ энергии. Сердцевина звезды охлаждается и начинается катастрофическое сжатие звезды под действием сил тяготения, которые теперь не сдерживаются давлением излучения. Происходит взрыв внутрь (имплозия. Вначале -частицы распадаются на протоны и нейтроны, а затем электроны вдавливаются в протоны, образуя нейтроны с испусканием нейтрино. Весь коллапс заканчивается примерно за 200 мс, падение вещества к центру звезды прекращается и за время 0,4 мс формируется мощная ударная волна со скоростью около 5 10 7 м. Этот взрыв разогревает и уплотняет внешние оболочки звезды, что вызывает целую цепь ядерных реакций, в которых рождаются нуклиды тяжелее висмута, в широком диапазоне масс. Звезда взрывается, сбрасывая оболочку. На небе в этот момент наблюдается очень яркая сверхновая звезда. Например, при взрыве сверхновой СНА в соседней галактике Большое Магелланово Облако (взорвался голубой сверхгигант) наблюдалось нейтринное излучение, унесшее энергию 3 10 46 Дж, которая враз больше энергии взрыва. После рассеивания оболочки в центре сверхновой возникает нейтронная или кварковая звезда с массой ММ Си размером до 12 км. Плотность материала звезды достигает 10 18 кг/м 3 10.5. Сверхновые звезды В отдаленном уголке Вселенной внезапно взорвалась звезда, сбросив с себя наружный слой вещества. Свет от этой звезды из созвездия Тельца (вблизи яркой звезды ) мчался по космическим просторам 6 тыс. лети достиг Земли 4. 07.1054 г. китайские астрономы обнаружили яркую звезду много ярче Венеры. В течение 23 дней, до 27 июля 1054 г. свет от звезды был виден даже днем. Звезда оставалась видимой для невооруженного глаза 627 дней и 17 апреля 1056 г. исчезла. Японские астрономы также наблюдали эту звезду, сверкавшую как 500 млн. Солнц. Волновая оптика 205 В 1955 г. американские астрономы обнаружили доисторические пиктограммы на стене одной пещеры в скале каньона Навахо в Аризоне. В каньоне изображение было высечено на камне, а в пещере нарисовано куском гематита (красный железняк, -Fe 2 0 3 - окись железа. На обоих рисунках изображены кружок и полумесяц, которые представляли изображение лунного серпа и звезды (рис. 10.2). По мнению ученых в 1054 г, когда вспыхнула сверхновая из созвездия Тельца, фаза Луны и ее расположение относительно сверхновой звезды было именно таким, как изображено на рисунках в Аризоне. В 1054 г. в этой местности обитали индейцы, что подтверждается по найденным в тех местах глиняным черепкам. В 1758 г. на месте сверхновой звезды была обнаружена "Крабовидная туманность"-"Телец А" - самый мощный источник космического радиоизлучения. Газы, образующие волокнистую структуру туманности разлетаются от центральной нейтронной звезды-пульсара с температурой 6 - 7 млн. К, со скоростью до 1000 км. При взрывах сверхновых звезд резко меняется химический состав межзвездной среды космического пространства. Сверхновые звезды - редкие, но яркие и необычные объекты - горячие точки Вселенной. История засвидетельствовала лишь несколько случаев появления сверхновых звезд. В 1572 г. обнаружена сверхновая звезда Тихо Браге, в 1604 г. - сверхновая звезда Кеплера. Недавно стало известно о сверхновой звезде в созвездии Волка, которая вспыхнула в 1006 г, обнаружена в 1965 г. В 1885 г. вблизи ядра галактики Андромеда обнаружена сверхновая звезда - "S Андромеда. До настоящего времени обнаружено более 150 сверхновых звезд. Только три из них оказались в нашей Галактике. Например, сверхновая звезда "Петля Лебедя" взорвалась 60 тыс. лет назад, сверхновая звезда "Кассиопея А" - в 1700 г. Дог. были известны три разновидности сверхновых Ia, Ib и II. У сверхновых звезд типа Ia и Ib водорода - самого распространенного химического элемента во Вселенной - нет, встречаются в эллиптических галактиках и принадлежат к более старым поколениям звезд. В максимуме своей светимости сверхновая по мощности излучения сравнима с галактикой, содержащей сотни миллиардов звезд. Суммарная энергия взрыва сверхновой звезды 10 60 Дж. У сверхновых звезд типа II его содержание практически нормально, встречаются в спиральных галактиках, которые состоят из звезд молодого поколения с возрастом до 100 млн. лет. В нашей Галактике сверхновые звезды взрываются каждые 300 - 400 летно из-за присутствия пыли и газа удается наблюдать лишь некоторые из них. Сверхновая звезда, вспыхнувшая в соседней снами галактике Большое Магелланово Облако 23 февраля 1987 г. (СНА, находится на расстоянии 180 тысяч световых лет, относится к типу II, ноне совсем обычна. Вместо того, чтобы достичь уровня максимальной светимости, как случалось всегда, дней за десять, она шлак нему 86 суток. На месте сверхновой находился голубой сверхгигант, Рис. 10.2 Волновая оптика 206 имевший размер до 50 радиусов Солнца. Наблюдения показали, что на протяжении года после вспышки ультрафиолетовое излучение было слабым. Практически вся энергия приходится на оптическую и инфракрасную области спектра. На длительном интервале времени падение светимости описывается законом радиоактивного распада с периодом полураспада Т дней. Этот факт подтверждает гипотезу, согласно которой свечение сверхновых типа II на поздней стадии поддерживается распадом радиоактивного изотопа кобальта, превращающегося в железо (Т дней. Сам же кобальт, в свою очередь, образуется при распаде радиоактивного никеля (Т дней. Исследования СНА показали, что при взрыве было синтезировано 0,1 МС радиоактивного изотопа никеля 28 56 Ni , распад которого в изотоп кобальта 27 56 Co , а затем в изотоп железа 26 56 Fe обеспечил электромагнитное излучение разлетающейся оболочки СНА в течение сотен дней. Компьютерные расчеты для сверхновой звезды СНА показали, что взорвавшаяся звезда (голубой сверхгигант) возникла около 11 млн. лет назад и имела массу около 18 М С Динамика ее горения приведена в таблице. 10.2. Непосредственно перед взрывом коллапсом) звезда, находящаяся в состоянии предсверхновой, имела структуру, приведенную на рис. 10.3. Наружный радиус СНА звезды 2 10 7 км, радиус кремниевой оболочки 10 3 км. Когда термоядерное горючее в центре звезды исчерпывается полностью, а огромные потери на излучение нейтрино способствуют понижению температуры и ничто не может противостоять силам тяготения, звезда испытывает коллапс. Перед коллапсом плотность вещества в центре звезды 10 г см, температура ее 1 МэВ. Таблица 10.2 Термоядерное горение Т, К Время горения Н Не Не СО СМ лет 10 6 лет 1,2 10 4 лет 12 лет 4 года 1 неделя Волновая оптика 207 Из-за нарушения равновесия происходит стремительное сжатие железного кора звезды в течение долей секунды. К тому же коллапс железного кора ускоряется двумя процессами, в которых происходит поглощение энергии реакциями фотодезинтеграции ядер железа и ядерным захватом электронов. Одна из особенностей коллапса сверхновых - захват нейтрино веществом. По оценкам, весь коллапс заканчивается примерно за 200 мс, падение вещества к центру звезды прекращается и за время 0,4 сформируется встречная мощная ударная волна. Этот взрыв наружу при скорости 5 10 см с разогревает и уплотняет внешние оболочки звезды, вызывая целую цепь ядерных реакций, в которых рождаются нуклиды тяжелее висмута. В расширяющейся оболочке звезды возникают нуклиды в широком диапазоне масс, только при взрыве сверхновых можно ожидать тех мощных потоков нейтронов, которые необходимы для процесса. После взрыва СНА был зарегистрирован десятисекундный поток излучения нейтрино, унесшей энергию 5 10 7 3 10 46 Дж, которая враз больше энергии взрыва. Такая энергия нейтринного излучения согласуется с теоретической моделью, предполагающей образование нейтронной звезды массы, равной около одной Солнечной. Через месяц после вспышки в красной области спектра наблюдалась сильная линия поглощения, принадлежавшая барию очень редкому элементу во Вселенной, чего ранее не наблюдалось. Само излучение сверхновой СНА оказалось сильно поляризованным в линиях водорода и натрия, а от сферически симметричной оболочки оно должно быть неполяризованным. Считается, что для своего взрыва сверхновые типа II черпают из огромного запаса гравитационной энергии, которая высвобождается после сброса части оболочки при взрыве. Для сброса оболочки с массой порядка десяти солнечных масс требуется всего 0,5 % гравитационной энергии исходной звезды. которая высвобождается, и центральное ядро остатка сверхновой звезды превращается в нейтронную звезду-пульсар. Замечание Новые исследования сверхновых звезд учеными свидельствуют о том, что наша Вселенная будет расширяться вечно. Однако в сообщении не указывается, что ученые учли тяготение скрытой массы, существующей вокруг галактик, наличие которой может затормозить расширение Вселенной. Тем более, что по последним данным у нейтрино обнаружено наличие массы, а нейтринные облака по массе превосходят массу всей галактики и являются первыми кандидатами, которые ответственны за скрытую массу. Рис. 10.3 Волновая оптика 208 Нейтринные облака имеют структуру в виде невидимых "пчелиных сот. Из-за их большого тяготения, видимое вещество затекает в нейтринные соты, формируя галактики богатые сверкающими звездами, скопления галактики сверхскопления галактик. Далекие от Земли сверхновые звезды настоящие верстовые столбы, которые могут быть использованы для измерения границ космического расширения. Подобный вывод основан на анализе 40 сверхновых звезд. Свет от некоторых из них пришел на Землю только спустя 7 млрд. лет после того, как они взорвались. После такого долгого путешествия кванты света потеряли часть энергии и длина волны их увеличилась в результате расширения Вселенной, из-за "красного смещения. Сравнивая спектр излучения такой звезды, взорвавшейся где-то на окраине Вселенной, со спектром излучения сверхновой звезды, взорвавшейся много ближе, можно выяснить насколько долгим было путешествие этого света. Вычисленное расстояние в совокупности с "красным смещением" сверхновой звезды является показателем расширения Вселенной за всю ее историю эволюции. Оказывается, что спектры излучения сверхновых звезд, которые возникли тогда, когда наша Вселенная была наполовину моложе, чем сейчас, точно такие же, как и спектры современных сверхновых звезд, что и доказывает неизменность и постоянство расширения Вселенной. Есть сведения, что Вселенная расширяется ускоренно. Особенно точными являются измерения, основанные на предсказуемости возникновения одного из видов сверхновых звезд под названием "типа. Их образование происходит вследствие того, что умирающий белый карлик вбирает в себя слишком много газа от соседнего красного гиганта, вызывая тем самым термоядерный взрыв, который разрывает белого карлика на части. Сверхновые звезды "типа а" могут сиять, в течение месяца, ярче, чем целая галактика, содержащая миллиарды звезд. |