Непрозрачность звёздного вещества. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Непрозрачность звёздного вещества - рассчитанный на единицу массы и усреднённый по частотам коэффициент поглощения излучения. В звёздах энергия переносится либо конвекцией (в конвективных зонах), либо излучением (в зонах лучистого равновесия). Лишь в сверхплотном веществе нейтронных звёзд и белых карликов перенос энергии обязан теплопроводности вырожденного электронного газа. Внутри звёзд интенсивность излучения почти изотропна, т. е. почти не зависит от направления его распространения. В результате плотность потока энергии излучения H_v на частоте v подчиняется закону диффузии:

где u_v - спектральная плотность лучистой энергии, l_v - эфф. длина свободного пробега фотонов с частотой v. Значение l_v для звёздного вещества ничтожно мало по сравнению с радиусом звезды R, и поэтому характерное время диффузии излучения в звёздах t_D очень велико по сравнению с временем t_C = R/c прохождения светом расстояния, равного R: время t_C измеряется секундами и минутами, a t_D - миллионами и десятками миллионов лет.

В недрах звёзд, от центра и практически до фотосферы, справедливо приближение лучистой теплопроводности, в соответствии с к-рым для u_v в (1) используется термодинамически равновесное, определяемое законом Планка, значение u_v = (4p/c)B_v(T), где B_v(T) - равновесная интенсивность излучения (см. Планка закон излучения). В результате

Рассчитанный на единицу массы коэф. поглощения

, наз. также Н. на частоте v, связан с l_v и плотностью вещества r простым соотношением

Интегрируя (2) по частоте, получаем выражение для полного потока лучистой энергии Н:

Здесь

- полная равновесная плотность энергии излучения, а = 4s/с - постоянная плотности излучения (s - Стефана-Больцмана постоянная). В (4) введён средний коэф. поглощения

, называемый Н. и определяемый в соответствии с (2)-(4) из соотношения:

где х = hv/kT. Соответствующая ср. длина свободного пробега фотонов l = 1/(

r). Такой способ усреднения

был указан норвежским астрономом С. Росселан-дом (Росссланн, S. Rosseland, 1924), и поэтому определяемое ф-лой (5) значение

наз. р о с с е л а н д о в ы м с р е д н и м.

Величина

определяется разл. элементарными процессами взаимодействия излучения с веществом и может быть представлена в виде:

Здесь s_аi - зависящие от частоты полные сечения истинного поглощения излучения атомами или ионами типа i, n_i - плотности чисел этих атомов или ионов, s_ts-т. н. транспортное сечение рассеяния (см. ниже), n_е - плотность числа свободных электронов. Множитель [1 - ехр(-hv/kT)], одинаковый для всех процессов поглощения, учитывает в условиях локального термодинамического равновесия эффект индуцированного испускания.

К осн. типам элементарных процессов, определяющих Н. звёздного вещества, относятся следующие.

а)Фотопоглощение (связанно-свободные переходы) - пороговый процесс, в к-ром участвуют только фотоны с энергией, достаточной для перехода связанного электрона в одно из свободных (несвязанных) состояний.

б)Тормозное поглощение (свободно-свободные переходы) - беспороговый процесс поглощения фотона с переходом свободного электрона в более высокое энер-гетич. состояние в кулоновском поле иона.

в)Поглощение в спектральных линиях (связанно-связанные переходы) - резонансный процесс поглощения фотона при переходе атома из основного или возбуждённого состояния в др. возбуждённое состояние с более высокой энергией. Сечение поглощения в центре спектральной линии обычно очень велико, но на Н. влияет не интенсивность линии, а её ширина. Если бы линии были очень узкими, то их вклад в Н. был бы незначителен, поскольку усредняется не

, а его обратная величина. Присутствие интенсивных, но узких линий поглощения привело бы к "вырезанию" в интеграле (5) узких участков спектра, что практически не повлияло бы на величину интеграла. Однако в далёких "крыльях" многочисл. спектральных линий (уширенных столкновениями и эффектом Штарка), принадлежащих ионам тяжёлых элементов в звёздном веществе, сечение поглощения оказывается не пренебрежимо малым по сравнению с сечением фотоэффекта и тормозного поглощения. Расчёты показывают, что в области температур 10⁴К

2^.10⁶К суммарное поглощение во всех линиях может (в зависимости от величины плотности) вносить преобладающий вклад в Н. (рис.). При этом для каждой конкретной пары значений T и r приходится учитывать до неск. тысяч разл. линий поглощения.

Зависимость непрозрачности от температуры при различных значениях плотности - от 10^-10 г/см³ ( lgr = -10) до 10² г/см³(lgr=2) по расчётам А. Н. Кокса (А. N. Сох) и Дж. Н. Стюарта (J. N. Stewart) для вещества с химическим составом, близким к солнечному.

Процессы а, б, в наз. процессами истинного поглощения. Каждое a_ai в (6) включает все эти три вида процессов с участием атомов или ионов типа i.

г)Рассеяние излучения. Вклад процессов рассеяния в Н. учитывается первым слагаемым в (6), к-рое выписано для случая рассеяния излучения свободными электронами. Рассеяние молекулами и атомами может играть нек-рую роль лишь в самых наружных слоях звёзд с очень холодными атмосферами (красные гиганты и сверхгиганты, красные карлики). Величина s_ts в (6) связана с обычным нолным сечением рассеяния s_s соотношением

где <cosq> - усреднённый по индикатрисе рассеяния косинус угла отклонения рассеянного фотона - определяет степень анизотропии рассеяния. При энергиях фотонов, значительно меньших энергии покоя электрона (hv << т_ес²), т. е. при достаточно низкой температуре звёздного вещества, имеет место томсоновское рассеяние без изменения энергии фотона. В этом случае поправочный множитель на индуцир. рассеяние отсутствует, поскольку эффекты индуцир. рассеяния при отклонении рассеянных фотонов от направления их движения (выход из пучка) и при повторном их рассеянии в первонач. направлении (вход в пучок) взаимно компенсируются. Кроме того, индикатриса томсоновского рассеяния симметрична относительно направлений вперёд-назад, и поэтому <cosq> = 0. Т. о., для учёта вклада в Н. томсоновского рассеяния нужно заменить s_ts в (6) на полное томсоновское сечение s_T, к-рое не зависит от частоты. Это справедливо для всех звёзд, принадлежащих главной последовательности на Герцшпрунга - Ресселла диаграмме, в недрах к-рых осуществляется синтез гелия из водорода.

Однако в горячих и плотных центр. ядрах звёзд, заканчивающих свою эволюцию, и особенно при вспышках сверхновых звёзд, температура оказывается столь высокой, что нельзя пренебречь изменением энергии фотонов при рассеянии и асимметрией индикатрисы рассеяния, к-рая уже при hv

0,1 m_ec² показывает заметную вытянутость вперёд, и поэтому <cosq> > 0. В таких условиях сечение рассеяния описывается общей Клейна - Нишины формулой, а сам процесс наз. комптоновским рассеянием. Если плотность звёздного вещества не очень велика и электронный газ невырожден, то при температуре (1-2)^.10⁹К появляется значит. число электронно-позитронных пар, и под п_е в (6) нужно понимать суммарное число электронов и позитронов в единице объёма. Кроме того, помимо рассеяния становится существенным процесс рождения электронно-позитронных пар при взаимодействии фотонов в основном с эл--магн. (кулоновским) полем атомных ядер.

В совр. расчётах Н. звёздного вещества учитываются все перечисл. процессы. Эти расчёты очень сложны: они включают не только вычисления сечений отд. процессов, но и определение населённостей многочисл. возбуждённых уровней атомов и ионов с учётом разл. поправок на отклонение от идеальности звёздной плазмы. В самых наружных слоях холодных звёзд существенный вклад в Н. может носить также тормозное поглощение и фотопоглощение отрицательными ионами (Н^-, С^-и др.), поглощение в спектральных полосах разл. молекул и поглощение частицами пыли.

На рис. показана зависимость Н. от температуры Т и плотности r для смеси с хим. составом, близким к солнечному: X = 0,7, Y = 0,28, Z = 0,02 (X, Y, Z - массовые концентрации водорода гелия и тяжёлых элементов, причём осн. вклад в Z вносят кислород, неон, углерод и азот). В большом интервале изменений T и r осн. источником Н. оказываются тормозное поглощение и фотопоглощение. При достаточно больших частотах сечения обоих этих процессов s_a ~ 1/v³ и соответствующая им Н. может быть аппроксимирована простым выражением (приближение Крамерса):

где параметр С зависит от хим. состава вещества, а слабой зависимостью С от T и r в первом приближении пренебрегают.

В случае преобладания томсоновского рассеяния (напр., в горячих массивных звёздах верхнего конца гл. последовательности):

Ф-лы (8) и (9) сыграли (и продолжают играть) большую роль в исследовании внутр. строения звёзд. В совр. наиболее точных расчётах звёздных моделей используются подробные таблицы Н. как функции Т r и хим. состава.

Для каждого фиксир. р при достаточно больших Т Н. приближается к х_T (горизонтальная штриховая линия, см. рис.), а при промежуточных значениях T и r хорошим приближением может служить ф-ла (8) (штрих-пунктирная линия). Вклад в Н. линий поглощения продемонстрирован на рис. для плотности r = 10^-4 г/см³(штриховая кривая - расчёт без учёта этого эффекта). Резкое падение непрозрачности с уменьшением Т при Т < 10⁴К связано с массовой рекомбинацией звёздной плазмы.

Осн. вклад в росселандово среднее вносят фотоны с энергией hv_m, в неск. раз превышающей энергию теплового движения частиц звёздного вещества: hv_m

4kT в случае томсоновского рассеяния и hv_m

7kT в случае тормозного и фотопоглощения.

Литература по непрозрачности звёздного вещества

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.