3D-моделирование звезды позволило разрешить загадку исчезновения гелия-3
Статья
Используя трехмерные модели звездного развития и мощнейшие суперкомпьютеры, специалисты из американской Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory - LLNL, Калифорния) Питер Эгглетон (Peter Eggleton) и Дэвид Дирборн (David Dearborn) при участии Джона Латтанцио (John Lattanzio) из австралийского Центра звездной и планетной астрофизики (Centre for Stellar and Planetary Astrophysics) Университета Монаш (Monash University) в Клейтоне) сумели разгадать одну из важнейших тайн, связанных с эволюцией звезд. Работа опубликована в онлайновом выпуске Science Express от 26 октября.
В течение многих лет существовала теория, согласно которой звезды небольшой массы Главной последовательности (не свыше одной-двух солнечных масс) должны в ходе своей жизни производить большое количество гелия-3 (3He). Когда запасы водорода в их недрах наконец исчерпываются (спустя миллиарды лет), такие звезды на время превращаются в красных гигантов, большая часть их оболочки при этом сбрасывается и (если верить всем этим выкладкам) происходит обогащение (за счет конвекции и звездного ветра) окружающей части Вселенной легким изотопом гелия (остаток ядра при этом становится белым карликом; наше Солнце подобная участь ожидает спустя 5 миллиардов лет).
Однако подобные процессы противоречат количественным предсказаниям (присутствие гелия-3 в окружающем нас космосе), полученным с опорой на теорию Большого взрыва. Теория Большого взрыва, как известно, описывает появление всей нашей Вселенной из чрезвычайно плотной и горячей сингулярности приблизительно 13,7 миллиарда лет назад. В ходе Большого взрыва было произведено приблизительно 10 процентов 4He, 0,001 процента 3He, ну а вся оставшаяся часть "изначальной" барионной материи приходилась на водород. Позже маломассивные звезды должны были увеличить процент этого исконного 3He до 0,01 процента. Однако фактическая средняя концентрация гелия-3 в межзвездном пространстве и в наше время составляет все те же 0,001 процента.
Для того, чтобы теория Большого взрыва все-таки устояла, ученым-теоретикам пришлось выдумывать специальные дополнительные механизмы, благодаря которым звезды загодя разрушают полученный в недрах 3He. Предполагалось, что почти все звезды должны быстро вращаться, и это вращение способствует протеканию соответствующих процессов распада гелия-3. Однако даже быстрого вращения было недостаточно, чтобы привести результаты, полученные с использованием теоретических моделей эволюции звезд, в соответствие с предсказаниями теории Большого взрыва и реально наблюдаемым составом вещества во Вселенной.
Теперь, создав полноценную гидродинамическую 3D-модель красного гиганта, ученые смогли наконец выявить тот механизм смешивания, благодаря которому маломассивные звезды могут "расправляться" с тем 3He, который они произвели на свет в ходе своей длительной эволюции (ранее, в менее совершенных моделях, эти эффекты гидродинамической неустойчивости просто игнорировались).
Выяснилось, что гелий-3, оказывающийся вполне устойчивым в условиях звездного ядра, должен неизбежно попадать в оболочку звезд и там сгорать, превращаясь в гелий-4 и водород: "пузырьки", состоящие из гелия-3, обогащенного водородом, интенсивно всплывают к поверхности звезды. Смешивание имеет место из-за так называемой неустойчивости Рэлея-Тэйлора (Rayleigh-Taylor instability), вызываемой ростом небольших отклонений давления, плотности и скорости от равновесных значений в газообразной или жидкой среде с неоднородным распределением плотности, находящейся в гравитационном поле (или двигающейся с ускорением). В ходе ядерных реакций немного снижается средний молекулярный вес вещества, что и позволяет ему "всплывать". Таким образом звезды вполне успешно избавляются от излишков 3He, и для этого не нуждаются ни в каких дополнительных условиях (вроде быстрого вращения).
Источники:
Scientists crack open stellar evolution. New code reconciles discrepancies with the Big Bang - Lawrence Livermore National Laboratory - News Release
Deep Mixing of 3He: Reconciling Big Bang and Stellar Nucleosynthesis - Science Express (Science DOI: 10.1126/science.1133065)
On the case of the "missing" helium - PhysicsWeb
Scientists reconcile discrepancy with Big Bang theory - CBC News
Ссылки:
Нуклеосинтез Большого взрыва
Физические основы строения и эволюции звезд - Я.Б.Зельдович, С.И.Блинников, Н.И.Шакура
Теорию "Большого Взрыва" пытаются реанимировать - CNews
80
комментариев
|
Обсудить
Статьи по теме
Таинственный катаклизм, потрясший несколько лет назад звезду V838 из созвездия Единорога, до сих пор остается для астрономов загадкой. Свежее исследование на эту тему выводит на передний план гипотезу, согласно которой наблюдаемые вспышки - это результат довольно редкого события - столкновения звезд...
Получены первые надежные наблюдательные свидетельства в пользу теории, согласно которой в шаровых скоплениях протекают процессы так называемой "сегрегации по массам". Более массивные звезды постепенно замедляют свое движение и оказываются ближе к центру скопления, ну а более легкие набирают скорость и сдвигаются к периферии.
Астрономы разгадали одну важную загадку полуторавековой давности, связанную с поведением относительно активных и горячих Be-звезд. Удалось показать, что типичная представительница этого класса звезд - Альфа Жертвенника - очень быстро крутится (практически на грани разрушения) и обладает пылевым диском, вращающимся вокруг звезды подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца.
Используя сразу несколько крупных радиотелескопов, расположенных на разных материках, удалось прояснить некоторые удивительные подробности, связанные с "жизнедеятельностью" уникального объекта, открытого в 2003 году и получившего обозначение XTE J1810-197.
Нейтронная звезда, движущаяся со скоростью свыше 1500 километров в секунду, обострила и без того непростую ситуацию с поиском объяснений, как могут такие объекты разгоняться до столь высоких скоростей.
Процессы, благодаря которым черные дыры могут захватывать и поглощать большие количества материи из окружающего пространства, на самом деле базируются не только на гравитационных, но также и на электромагнитных взаимодействиях.
Новая теория может объяснить, почему столь много экзопланет обнаруживается на самых близких подступах к родительским звездам, и дарит надежду на обнаружение в будущем множества подобных Земле планет, выживших в тех условиях, которые раньше считались безусловно смертельными для сравнительно небольших объектов.
Группа европейских астрономов провела изучение внутреннего устройства так называемых "горячих юпитеров" - гигантских газовых экзопланет, расположенных очень близко к своему светилу. Найдена корреляция между количеством тяжелых элементов внутри них и степенью "металличности" родительских звезд.
Описание движения звездных потоков от разорванных Млечным путем карликовых галактик позволило заключить, что ореол из темной материи вокруг нашей Галактики имеет сферическую форму, а вовсе не вытянут наподобие мяча для регби, как считалось ранее.
Предложена новая теория, объясняющая современные наклоны осей вращения к плоскости орбит гигантских газовых планет Солнечной системы - Юпитера, Сатурна и Урана. Ее автор обещает решить одну из самых больших загадок планетной космогонии.
Пригодные для жизни планеты, подобные Земле, могут формироваться даже после того, как гигантские планеты "пройдутся бульдозером" сквозь всю планетную систему - от удаленного места своего рождения на периферии - к центральному светилу.
Международная группа астрономов смогла выявить происхождение очень необычного и редкого типа звезд - так называемых "экстремальных гелиевых звезд". Выяснилось, что такие объекты формируются в ходе слияния двух белых карликов.
Новая теория претендует на объяснение того странного факта, что межпланетной станции "Вояджер-1", ставшей сравнительно недавно межзвездной, не удалось обнаружить предсказанного ранее "разогрева" аномальных космических лучей при проходе того участка, где солнечный ветер окончательно "гасится" взаимодействием с межзвездным веществом.
Новое исследование заставляет признать, что полной ясности с гамма-всплесками все еще нет, и механизмы, породившие на свет большую часть исследованных коротких GRBs, могут быть более изощренными - с предварительным обменом звездными компаньонами в пределах шаровых скоплений.
С помощью компьютерных программ удалось показать, что протопланетные эмбрионы, формирующиеся в пределах газовых дисков, окружающих молодые нестационарные звезды-фуоры, на самом деле то и дело поглощаются своей родительской звездой.
В районе экватора Веги удалось зарегистрировать довольно существенное потемнение, соответствующее гигантской разности температур (свыше двух тысяч градусов) между более "прохладной" экваториальной областью и раскаленными полюсами.
С помощью космического телескопа "Хаббл" британским астрономам удалось получить качественно новую информацию о самом близком и самом ярком белом карлике - то есть звезде, массой сравнимой с массой Солнца, а по размерам уступающей нашей Земле.
Обнаружено небывалое явление - 25-миллионолетний протопланетный диск, который не выказывает ни малейших признаков формирования хотя бы одной планеты. Находка подобного объекта кажется столь же неожиданной, как и встреча с 200-летним юношей.
При изучении диска, окружающего звезду TW Hydrae из созвездия Гидры, удалось отыскать недостающее звено между появляющимися у юных звезд протопланетными облаками и образованием первых протопланет.
Международная группа астрономов впервые для определения формы звезды использовала явление, называемое гравитационным линзированием. Эта техника требует очень специфической (и редкой) геометрической конфигурации.
Американские исследователи считают, что случаи массовой гибели живых существ на Земле можно объяснить, если использовать информацию о мощнейших звездных взрывах, получивших наименование гамма-всплесков. Удалось составить возможный сценарий подобного армагеддона.
Периферия нашей планетной системы сформировалась под влиянием молодой звезды, прошедшей неподалеку от Солнца более четырех миллиардов лет тому назад. Компьютерная модель подтверждает, что в ходе подобного сближения наше светило вполне могло захватить и удержать своим тяготением множество твердых тел из окружения этой звезды.
Воспользовавшись новейшими интерферометрическими методами для непосредственных наблюдений близких окрестностей пяти звезд типа Миры ученые с удивлением обнаружили, что эти звезды на самом деле окружены вводившей до сих пор астрономов в заблуждение почти прозрачной оболочкой из водяного пара, а также, возможно, угарным газом и другими молекулами. Эта оболочка придает звездам этого класса обманчиво большой внешний размер.
Приблизительно в 20 тысячах световых лет от Земли найдены две сверхмассивные звезды, которые схватились друг с другом в длительном спарринге, подобно двум тяжеловесным борцам сумо. Они обращаются вокруг общего центра масс с периодом в 3,7 дня, почти касаясь друг друга, поэтому ни о каком спокойствии в этом районе Вселенной и речи быть не может - постоянно высвобождаемая при их взаимодействии энергия дает начало горячим и мощным звездным ветрам.
Пик звездообразования в нашей Вселенной случился гораздо позже, чем до сих пор считали астрономы. Ученые пока не знают точно, как и когда были запущены эти процессы, но знают, что в какой-то момент темп рождения звезд стал попросту лихорадочным. Кроме того, согласно новейшим исследованиям, весь окружающий нас космос постепенно погружается во тьму.
Во времена одного из самых ранних периодов своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута" туманом из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками". Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Возможно даже, что переионизация протекала в ходе двух различных фаз, связанных с первым и вторым поколениями звезд.
Группа американских астрономов сообщила о проводимых с помощью космического телескопа "Хаббл" наблюдениях процессов, протекающих в атмосфере близкой к нам гигантской звезды Бетельгейзе. Удалось непосредственно разглядеть раскаленный газ, исторгаемый из бурлящей звездной атмосферы на расстояния гораздо большие, чем в случае любой другой известной астрофизикам звезды. С этим исторгнутым из звезды и остывающим горячим газом связаны довольно сложные процессы, протекающие во вздутых верхних слоях атмосферы Бетельгейзе.
Новые исследования показали, что первые звезды солнечного типа были всего лишь одинокими плазменными шарами, двигающимися по Вселенной, лишенной планет и уж тем более жизни. Эти звезды рождались, развивались и погибали в условиях бесплодной, безжизненной изоляции, однако со временем они помогли Вселенной измениться, они ответственны за синтез тяжелых элементов вроде углерода и кислорода, которые в конечном счете и привели к появлению первых планет, подобных нашей Земле.
Астрономы из эдинбургской Королевской обсерватории доказали, что Вега, одна из самых ярких и известных звезд на нашем небе, имеет планетную систему. При этом утверждается, что система Веги очень похожа на нашу собственную Солнечную систему - во всяком случае больше, чем какая-либо другая из всех, обнаруженных до сих пор. Правда наши "родные" планеты старше на несколько миллиардов лет...
Казалось бы, в одной-единственной цифре не может быть ничего выдающегося, однако это позволило не только разрешить споры о месте рождения пульсара и определить размер его нейтронной звезды (а стало быть, уточнить физическую модель этого объекта), но и, возможно, открыть одну из важнейших тайн космических лучей.
Взрывные волны от сверхновых имеют форму яйца, они вовсе не строго сферичны, как считалось ранее. Этот факт - то есть обнаружение такой небольшой асимметрии в процессах звездных взрывов - может сделать сверхновые еще более точным инструментом для измерений расстояний в космосе и для уточнения параметров таинственной антигравитации - темной энергии, заполняющей Вселенную.
Первая детальная 3D-карта области космического пространства, окружающего нашу Солнечную систему (размером примерно в 1 тыс световых лет), показывает, что мы находимся посреди большой "норы" или полости, вырезанной в диске Галактики. Скорее всего, эта полость была "пробита" некой взорвавшейся 1-2 млн лет назад звездой.
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Всем известно, что черные дыры несут с собой смерть, однако американские астрономы обнаружили, что эти зловещие монстры способны также давать и начало новой жизни, способствуя образованию новых звезд. Более того, индуцированное релятивистскими "джетами" (струями) формирование звезд, возможно, играло важнейшую роль при появлении первых галактик в ранней Вселенной.
В российской лаборатории были получены ядра двух новых сверхтяжелых химических элементов. Каждое из них содержит гораздо большее число протонов и нейтронов, чем ядра любых элементов, встречающихся в естественных условиях на Земле. Это открытие дарит новую надежду исследователям, собирающимся заполнить некоторые очевидные "лакуны" в периодической таблице, в которой теперь находят "острова стабильности" - необычайно устойчивые ядра среди сверхмассивных элементов, с которыми связаны новые необычные химические свойства и атомные формы.
Новости по теме
