Лучистое равновесие в звёздах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лучистое равновесие в звёздах - термин, широко используемый в теории строения звёзд для обозначения механич. равновесия всей звезды (или отдельных её частей) в условиях, когда энергия переносится только излучением (см. Перенос излучения).

Распространение излучения в звёздном веществе описывается ур-нием переноса, к-рое устанавливает баланс между изменением интенсивности излучения во времени и пространстве и процессами испускания, поглощения и рассеяния фотонов. В самом общем виде уравнение переноса, учитывающее все особенности этих процессов, приходится решать лишь для самых внеш. разреженных слоев звезды (для звёздных атмосфер), где формируется спектральный состав покидающего звезду излучения. В глубоких внутр. слоях звезды, где сосредоточена осн. часть её массы, с огромной точностью применимо более простое (асимптотич.) решение ур-ния переноса в приближении лучистой теплопроводности.

Во внеш. слоях полностью равновесной звезды обычно отсутствуют к--л. источники энергии и поэтому Л. р. любого элементарного объёма звёздного вещества означает равенство между значениями поглощённой и излучённой в единицу времени лучистой энергии. В противном случае происходило бы нагревание или охлаждение звёздного вещества и характеристики звезды изменялись бы со временем. Для самых внешних слоев звезды, к-рые в первом приближении можно считать плоскопараллельными, из равенства между поглощаемой и излучаемой энергиями следует постоянство абс. величины вектора потока лучистой энергии Н в пространстве, поскольку вещество звезды лишь передаёт энергию от внутр. слоев к наружным, переизлучая её и оставаясь при этом в стационарном состоянии. Для сферически-симметрич. звезды постоянство Н при заданном его значении и дополнит. заданных значениях полной массы и радиуса звезды, а также хим. состава её внеш. слоев позволяет с помощью ур-ния гидростатич. равновесия рассчитать строение атмосферы звезды и спектр испускаемого ею излучения. Конкретные значения Н и радиуса звезды (с заданными полной массой и хим. составом) находятся из решения задачи о строении всей звезды (т. е. путём построения модели звезды; см. Моделирование звёзд).

Внутри звёзд происходит интенсивное освобождение энергии в термоядерных реакциях. При Л. р. звёздных недр поглощаемая лучистая энергия уже не равна в точности испускаемой: излучённая энергия немного превышает поглощённую - ровно настолько, чтобы отвести излишек энергии, выделенной в термоядерных реакциях. В результате абс. величина Н уже не постоянна, как во внеш. слоях звезды, а изменяется с расстоянием от центра звезды: дивергенция Н (div H)в точности равна энергии, выделяемой посредством термоядерных реакций в единицу времени в единице объёма. При этом звезда находится одновременно как в механич. равновесии (баланс между силами давления и силами гравитации), так и в тепловом равновесии (точное равенство между скоростями выделения и отвода энергии).

На определ. стадиях эволюции звёзд (относительно коротких по времени) термоядерные реакции оказываются неэффективными, но звёзды всё же светят за счёт запасов тепловой и гравитационной энергий. В таких условиях звезда находится лишь в механическом, но не в тепловом равновесии. Поток лучистой энергии оказывается непостоянным, вообще говоря, не только в недрах звезды, но и в её поверхностных слоях.

Матем. формулировка Л. р. основывается на общем ур-нии сохранения энергии, вытекающем пз первого начала термодинамики:

где

и р - суммарные уд. энергия и давление вещества и излучения соответственно,

- уд. объём,

- плотность вещества, F - полный поток энергии,

- уд. энерговыделепие (

- энерговыделение единицы объёма),

- полная (субстанциональная) производная по времени. Состояние Л. р. соответствует тому случаю, когда вместо F в (1) можно подставить поток лучистой энергии Н. Связь между Н и физ. параметрами среды (температурой, плотностью и др.) устанавливается ур-нием переноса излучения. Напр., в широко используемом в теории внутр. строения звёзд приближении лучистой теплопроводности

где

- Стефана - Больцмана постоянная х, - непрозрачность звёздного вещества, зависящая, вообще говоря, от Т и

(непрозрачность определяет ср. длину пробега фотонов

). Случаю полного (теплового и механич.) равновесия звезды соответствует равенство нулю производных по времени в левой части (1). При отсутствии теплового равновесия эти производные уже не равны нулю и левая часть (1) фактически определяет закон выделения тепловой и гравитационной энергий. Особенно большое значение такой источник энергии приобретает на стадиях эволюции, предшествующих включению термоядерных реакций горения водорода (перед выходом звезды на гл. последовательность Герцшпрунга - Ресселла диаграммы), когда он действует по всему объёму звезды. Его роль очень велика также во внеш. слоях звёзд в случае аккреции на них вещества (напр., в тесных двойных звёздах).

Лучистое равновесие нарушается, когда становятся эффективными способы передачи энергии, отличные от переноса излучения, либо когда отсутствует механич. равновесие звезды. Осн. конкурирующим с излучением механизмом переноса энергии является конвекция .Если градиент температуры достаточно большой, то Л. р. оказывается конвективно неустойчивым и в звезде возникают области, в к-рых энергия переносится конвективными токами. Такие области наз. зонами конвективного равновесия. У массивных звёзд гл. последовательности с массой

имеются конвективные ядра, а у звёзд с массой

(

кг - масса Солнца) конвективные ядра отсутствуют и внутр. слои находятся в Л. р., но возникают конвективные оболочки. Имеются также звёзды с конвективными ядром и оболочкой, разделёнными промежуточной зоной Л. р. (примером могут служить красные гиганты).

В плотном веществе белых карликов осн. механизмом передачи энергии оказывается не перенос излучения, а теплопроводность вырожденного газа электронов. При этом, в отличие от случая конвекции, ур-ния, описывающие строение звезды, не претерпевают принципиальных изменений по сравнению со случаем Л. р., поскольку полный поток энергии F в (1), равный сумме потоков лучистой энергии и энергии, переносимой электронной теплопроводностью, можно формально записать в виде (2), подобрав соответствующим образом выражение для

При отсутствии механич. равновесия (что имеет место в нестационарных звёздах: новых, сверхновых, вспыхивающих и др.) энергия в основном переносится в результате макроскопич. движения звёздного вещества, в частности посредством распространения звуковых и ударных волн.

Понятие лучистого равновесия часто применяется и к вращающимся звёздам [ур-ния (1) и (2) справедливы и в этом случае]. Однако следует учитывать, что, согласно теореме фон Цейпеля (1924), ур-ния Л. р. (1), (2) с F=H, вообще говоря, не совместны с ур-нием гидростатич. равновесия вращающейся звезды (если только не подобран спец. образом закон изменения угл. скорости с расстоянием от оси вращения). Поэтому в общем случае во вращающейся звезде должны возникать макроскопич. потоки вещества, вносящие дополнит. вклад в полный поток энергии F (меридиональная циркуляция).

Литература по лучистому равновесию в звёздах

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.