23.E: Смерть зірок (вправи)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78383

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Для подальшого пояснення

Статті

Смерть зірок

Хіллебрандт, W., та ін. «Як підірвати зірку». Американський науковий (жовтень 2006): 42. Про механізми наднових.

Іріон, Р. «Переслідуючи найбільш екстремальних зірок». Астрономія (січень 1999): 48. На пульсарах.

Калірай, Дж. «Нове світло на долю нашого Сонця». Астрономія (лютий 2014 року): 44. Що буде з зірками, як наше Сонце між основною послідовністю і білими карликовими стадіями.

Кіршнер, Р. «Супернова 1987A: Перші десять років». Небо і Телескоп (лютий 1997): 35.

Маурер, С. «Прийняття імпульсу нейтронних зірок». Небо і Телескоп (серпень 2001): 32. Огляд останніх ідей і спостережень пульсарів.

Циммерман, Р. «У вир». Астрономія (листопад 1998): 44. Про Крабової Туманності.

Гамма-сплески

Фокс, Д. & Ракусін, Дж. «Найяскравіший вибух». Небо і Телескоп (січень 2009): 34. Приємний підсумок найяскравішого сплеску спостерігається досі, і те, що ми з нього дізналися.

Надіс, С. «Чи розкривають космічні спалахи таємниці Всесвіту немовляти?» Астрономія (червень 2008): 34. Про різні типи гамма-сплесків і про те, що ми можемо дізнатися з них.

Найе, Р. «Розсікаючи сплески приреченості». Небо і Телескоп (серпень 2006): 30. Відмінний огляд гамма-сплесків - як ми їх виявили, якими вони можуть бути і для чого вони можуть бути використані при дослідженні Всесвіту.

Циммерман, Р. «Швидкість має значення». Астрономія (травень 2000): 36. Про мережі швидкого оповіщення про пошук післясвітіння.

Циммерман, Р. «Свідок космічних зіткнень». Астрономія (липень 2006): 44. Про місію Swift і про те, що вона навчає астрономів про гамма-сплески.

Веб-сайти

Смерть зірок

Крабова туманність: http://chandra.harvard.edu/xray_sources/crab/crab.html. Короткий, барвисто написаний вступ до історії та науки за участю найвідомішого залишку наднової.

Вступ до нейтронних зірок: https://www.astro.umd.edu/~miller/nstar.html. Коулман Міллер з Університету штату Меріленд підтримує цей сайт, який переходить від легкого до важкого, коли ви потрапляєте в нього, але він має багато хорошої інформації про трупи масивних зірок.

Вступ до пульсарів (Марьям Хоббс на Національному об'єкті телескопів Австралії): http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html.

Магнітари, м'які гамма-ретранслятори та дуже сильні магнітні поля: http://solomon.as.utexas.edu/magnetar.html. Роберт Дункан, один з винуватців ідеї магнітарів, зібрав цей сайт кілька років тому.

Гамма-сплески

Короткий вступ до гамма-сплесків (від ПБС «Побачення в темряві»): http://www.pbs.org/seeinginthedark/astronomy-topics/gamma-ray-bursts.html.

Відкриття гамма-сплеску: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1997/ast19sep97_2/.

Гамма-сплески: Вступ до таємниці (на сайті NASA «Уявіть Всесвіт»): http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/bursts.html.

Вступ із супутникового сайту Swift: swift.sonoma.edu/about_swift/grbs.html.

Місії для виявлення та отримання додаткової інформації про гамма-сплески:

Космічний телескоп Фермі: http://fermi.gsfc.nasa.gov/public/.
ІНТЕГРАЛ космічних апаратів: www.esa.int/наука/інтеграл.
Свіфт космічний корабель: swift.sonoma.edu/.

Відео

Смерть зірок

Інтерв'ю BBC з Антонієм Х'ювішем: http://www.bbc.co.uk/archive/scientists/10608.shtml. (40:54).

Пульсари Чорної Вдови: Мстиві трупи зірок: https://www.youtube.com/watch?v=Fn-3G_N0hy4. Публічна бесіда в Серії лекцій з астрономії Силіконової долини доктора Роджера Романі (Стенфордський університет) (1:01:47).

Hubblecast 64: Все закінчується на ура! : http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast64a/. Програма HubbleCast, що представляє Наднові з доктором Джо Ліске (9:48).

Космічний фільм розкриває шокуючі секрети крабового пульсара: http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2002/24/video/c/. Послідовність зображень космічного телескопа Хаббла та Чандра центральних областей Крабової туманності зібрана в дуже короткий фільм, що супроводжується анімацією, яка показує, як пульсар впливає на навколишнє середовище; він поставляється з корисним довідковим матеріалом (40:06).

Гамма-сплески

гамма-сплески: найбільші вибухи з моменту Великого вибуху! : https://www.youtube.com/watch?v=ePo_EdgV764. Едо Берге в лекції популярного рівня в Гарварді (58:50).

Гамма-сплески: спалахи в небі: https://www.youtube.com/watch?v=23EhcAP3O8Q. Американський музей природничої історії Науковий бюлетень на супутнику Swift (5:59).

Огляд Анімація гамма-вибуху: http://news.psu.edu/video/296729/2013/11/27/overview-animation-gamma-ray-burst. Коротка анімація того, що викликає довготривалу гамма-сплеск (0:55).

Спільна групова діяльність

Хтось із вашої групи використовує великий телескоп, щоб спостерігати за розширюється оболонкою газу. Обговоріть, які вимірювання ви могли б зробити, щоб визначити, чи виявили ви планетарну туманність або залишок вибуху наднової.
Зірка Сіріус (найяскравіша зірка в нашому північному небі) має біло-карликового компаньйона. Сіріус має масу близько 2\(M_{\text{Sun}}\) і все ще знаходиться на головній послідовності, в той час як його супутник - вже зоряний труп. Пам'ятайте, що білий карлик не може мати масу більше 1,4\ (M_ {\ text {Sun}} |). Припускаючи, що дві зірки утворилися одночасно, ваша група повинна обговорити, як у Сіріуса може бути супутник білого карлика. Підказка: Чи була початкова маса біло-карликової зірки більшою або меншою, ніж у Сіріуса?
Обговоріть зі своєю групою, що б робили люди сьогодні, якби блискуча зірка раптом стала помітною вдень? Який страх і забобони можуть виникнути в результаті наднової, яка була справді яскравою в нашому небі? Нехай ваша група винайде деякі заголовки, які будуть представлені газети таблоїдів та менш відповідальні веб-новинні видання.
Припустимо, наднова вибухнула лише в 40 світлових роках від Землі. Попросіть вашу групу обговорити, які наслідки можуть бути на Землі, коли випромінювання досягає нас, а пізніше, коли частинки досягають нас. Чи був би спосіб захистити людей від ефектів наднових?
Коли були виявлені пульсари, астрономи, які займалися відкриттям, говорили про пошук «маленьких зелених чоловічків». Якби ви були у їхньому взутті, які тести ви б провели, щоб побачити, чи є таке пульсуюче джерело радіохвиль природним чи результатом чужорідного інтелекту? Сьогодні кілька груп по всьому світу активно шукають можливі радіосигнали від розумних цивілізацій. Чим ви можете очікувати, що такі сигнали будуть відрізнятися від пульсарних сигналів?
Ваш маленький брат, який не мав користі від курсу астрономії, читає про білих карликів та нейтронних зірок у журналі і вирішує, що було б цікаво підійти до них або навіть спробувати приземлитися на них. Це гарна ідея для майбутнього туризму? Попросіть вашу групу скласти список причин, чому дітям (або дорослим) було б небезпечно наближатися до білого карлика та нейтронної зірки.
Багато часу астрономів і багато інструментів було присвячено з'ясуванню природи гамма-сплесків. Чи поділяє ваша група хвилювання, яке астрономи відчувають щодо цих загадкових високоенергетичних подій? Які причини, що люди за межами астрономії можуть піклуватися про вивчення гамма-сплески?

Переглянути питання

Чим білий карлик відрізняється від нейтронної зірки? Як відбувається кожна форма? Що утримує кожного від руйнування під власною вагою?
Опишіть еволюцію зірки з масою, подібною до Сонця, від основної послідовності фази її еволюції, поки вона не стане білим карликом.
Опишіть еволюцію масивної зірки (скажімо, в 20 разів більшої маси Сонця) аж до того моменту, коли вона стає надновою. Чим еволюція масивної зірки відрізняється від еволюції Сонця? Чому?
Чим відрізняються два типи наднових, розглянуті в цьому розділі? Яка зірка народжує кожен тип?
Зірка починає своє життя з маси 5,\(M_{\text{Sun}}\) але закінчує своє життя як білий карлик з масою 0,8\(M_{\text{Sun}}\). Перерахуйте етапи в житті зірки, під час яких вона, швидше за все, втратила частину маси, з якої почалася. Як відбувалася втрата маси на кожному етапі?
Якщо утворення нейтронної зірки призводить до вибуху наднової, поясніть, чому в залишках наднових виявлено лише три з сотень відомих пульсарів.
Як може світити Крабова туманність енергією чогось на зразок 100 000 Сонця, коли зірка, що утворила туманність, вибухнула майже 1000 років тому? Хто «платить рахунки» за більшу частину випромінювання, яке ми бачимо, що виходить з туманності?
Чим нова відрізняється від наднової типу Ia? Чим вона відрізняється від наднової II типу?
Крім мас, чим відрізняються бінарні системи з нейтронною зіркою від бінарних систем з білим карликом?
Які спостереження з SN 1987A допомогли підтвердити теорії про наднові?
Опишіть еволюцію білого карлика з плином часу, зокрема, як змінюються світність, температура та радіус.
Опишіть еволюцію пульсара з плином часу, зокрема, як змінюється обертання та імпульсний сигнал з часом.
Чим би білий карлик, який утворився із зірки, яка мала початкову масу 1,\(M_{\text{Sun}}\) відрізнявся від білого карлика, який утворився із зірки, яка мала початкову масу 9\(M_{\text{Sun}}\)?
Що, на думку астрономів, є причинами триваліших гамма-сплесків та короткочасних гамма-сплесків?
Як астрономи нарешті розгадали таємницю того, що таке гамма-сплески? Які інструменти були потрібні для пошуку рішення?

Думка питання

Розставте наступні зірки в порядку їх еволюції:
1. Зірка без ядерних реакцій, що відбуваються в ядрі, яке складається в основному з вуглецю і кисню.
2. Зірка однорідного складу від центру до поверхні; вона містить водень, але не має ядерних реакцій, що відбуваються в ядрі.
3. Зірка, яка сплавляє водень, утворюючи гелій у своєму ядрі.
4. Зірка, яка сплавляє гелій до вуглецю в ядрі і водень до гелію в оболонці навколо ядра.
5. Зірка, яка не має ядерних реакцій, що відбуваються в ядрі, але сплавляє водень, утворюючи гелій в оболонці навколо ядра.
Чи очікуєте ви знайти будь-яких білих карликів у туманності Оріона? (Див. Народження зірок і відкриття планет поза Сонячною системою, щоб нагадати собі про її характеристики.) Чому чи чому ні?
Припустимо, жодна зірка масивніша, ніж приблизно 2\ (M_ {\ text {Sun}} |) ніколи не утворювалася. Чи змогли б життя, як ми його знаємо, розвинутися? Чому чи чому ні?
Чи могли б ви частіше спостерігати наднову типу II (вибух масивної зірки) у кулястому скупченні або у відкритому скупченні? Чому?
Астрономи вважають, що в Галактиці є щось на зразок 100 мільйонів нейтронних зірок, але ми знайшли лише близько 2000 пульсарів у Чумацькому Шляху. Наведіть кілька причин, що ці цифри настільки різні. Поясніть кожну причину.
Чи очікуєте ви спостерігати кожну наднову в нашій власній Галактиці? Чому чи чому ні?
Велика Магелланова хмара має приблизно одну десяту кількість зірок, знайдених у нашій власній Галактиці. Припустимо, що суміш зірок високої та малої маси абсолютно однакова в обох галактиках. Приблизно як часто наднова зустрічається у Великій Магелланової Хмарі?
Подивіться на список найближчих зірок у Додатку I. Чи очікуєте ви, що будь-яка з них стане надновими? Чому чи чому ні?
Якщо більшість зірок стають білими карликами в кінці свого життя, а утворення білих карликів супроводжується виробництвом планетарної туманності, чому в Галактиці більше білих карликів, ніж планетарних туманностей?
Якщо\(M_{\text{Sun}}\) зірка 3 і 8 утворюється разом у двійковій системі, яка зірка буде:
1. Розвиватися від основної послідовності спочатку?
2. Утворюють багатий вуглецем і киснем білий карлик?
3. Бути місцем для вибуху нової?
Ви виявили два зоряних скупчення. Перше скупчення містить в основному зірки основної послідовності, поряд з деякими червоними гігантськими зірками та кількома білими карликами. Друге скупчення також містить в основному зірки основної послідовності, а також деякі червоні гігантські зірки та кілька нейтронних зірок - але немає білих карликових зірок. Які відносні віки кластерів? Як ви визначили свою відповідь?
Залишок наднової був нещодавно виявлений і був виявлений приблизно 150 років. Надайте можливі причини того, що цей вибух наднової уникнув виявлення.
Виходячи з еволюції зірок, розмістіть наступні елементи в порядку найменш поширених в Галактиці: золото, вуглець, неон. Які аспекти зоряної еволюції лягли в основу того, як ви впорядковували елементи?
Які спостереження або типи телескопів ви б використали, щоб відрізнити бінарну систему, яка включає зірку головної послідовності та білу карликову зірку, від тієї, що містить зірку головної послідовності та нейтронну зірку?
Чим би спектри наднової типу II відрізнялися від наднової типу Ia? Підказка: Розглянемо характеристики об'єктів, які є їх джерелом.

Подумавши для себе

Кільце навколо SN 1987A (рис\(23.3.4\). Розділ 23.3) спочатку освітлювалося, коли енергійні фотони наднової взаємодіяли з матеріалом в кільці. Радіус кільця становить приблизно 0,75 світлового року від місця розташування наднової. Через скільки часу після наднової кільце засвітилося?
Що таке прискорення гравітації (\(g\)) на поверхні Сонця? (Див. Додаток Е для ключових характеристик Сонця.) Наскільки це більше, ніж g на поверхні Землі? Розрахуйте, що б ви зважували на поверхні Сонця. Ваша вага буде вашою вагою Землі, помноженою на відношення прискорення гравітації на Сонці до прискорення гравітації на Землі. (Гаразд, ми знаємо, що Сонце не має твердої поверхні, на якій можна було б стояти, і що ви були б випаровуватися, якби ви були на фотосфері Сонця. Гумор нам заради виконання цих розрахунків.)
Яка швидкість втечі від Сонця? Наскільки вона більша за швидкість втечі з Землі?
Яка середня щільність Сонця? Як вона порівнюється із середньою щільністю Землі?
Скажіть, що конкретний білий карлик має масу Сонця, але радіус Землі. Що таке прискорення гравітації на поверхні білого карлика? Наскільки це більше, ніж\(g\) на поверхні Землі? Що б ви зважували на поверхні білого карлика (знову надаючи нам сумнівне уявлення про те, що ви могли б там вижити)?
Яка швидкість втечі від білого карлика в попередній вправі (5)? Наскільки вона більша за швидкість втечі з Землі?
Яка середня щільність білого карлика у вправі 5? Як вона порівнюється із середньою щільністю Землі?
Тепер візьміть нейтронну зірку, яка має вдвічі більшу масу Сонця, але радіус 10 км. Що таке прискорення гравітації на поверхні нейтронної зірки? Наскільки це більше, ніж g на поверхні Землі? Що б ви зважували на поверхні нейтронної зірки (за умови, що ви могли якось не стати калюжею протоплазми)?
Яка швидкість втечі від нейтронної зірки в попередній вправі (8)? Наскільки вона більша за швидкість втечі з Землі?
Яка середня щільність нейтронної зірки у вправі 8? Як вона порівнюється із середньою щільністю Землі?
Одним із способів обчислити радіус зірки є використання її світності та температури і припустити, що зірка випромінює приблизно як чорне тіло. Астрономи виміряли характеристики центральних зірок планетарних туманностей і виявили, що типова центральна зірка в 16 разів світиться і в 20 разів гаряча (близько 110 000 К), ніж Сонце. Знайти радіус в терміні Сонця. Як цей радіус порівнюється з радіусом типового білого карлика?
Згідно з моделлю, описаної в тексті, нейтронна зірка має радіус близько 10 км. Припустимо, що імпульси відбуваються один раз за обертання. Відповідно до теорії Ейнштейна щодо, ніщо не може рухатися швидше, ніж швидкість світла. Перевірте, щоб переконатися, що ця модель пульсара не порушує відносність. Обчисліть швидкість обертання пульсара Крабової туманності на його екваторі, враховуючи його період 0,033 с. (Пам'ятайте, що відстань дорівнює швидкості × часу і що окружність кола задається\(2 \pi R\)).
Виконайте ті ж розрахунки, що і в попередній вправі, але для пульсара, який обертається 1000 разів на секунду.
Якби Сонце було замінено білим карликом з температурою поверхні 10000 К і радіусом, рівним Землі, як би його світність порівнювалася з світністю Сонця?
Наднова може викидати матеріал зі швидкістю 10 000 км/с Скільки часу знадобиться залишок наднової, щоб розширити до радіуса 1 AU? Скільки часу потрібно, щоб розширити до радіуса 1 світловий рік? Припустимо, що швидкість розширення залишається постійною і скористайтеся співвідношенням:\[\text{expansion time } = \frac{\text{distance}}{\text{expansion velocity}}. \nonumber\]
Залишок наднової спостерігався в 2007 році, щоб розширюватися зі швидкістю 14 000 км/с і мав радіус 6,5 світлових років. Припускаючи постійну швидкість розширення, в якому році відбулася ця наднова?
Кільце навколо SN 1987A (рис\(23.3.4\). Розділ 23.3) почало взаємодіяти з матеріалом, що рухається ударною хвилею від наднової починаючи з 1997 року (через 10 років після вибуху). Радіус кільця становить приблизно 0,75 світлового року від місця розташування наднової. Наскільки швидко матеріал наднової рухається, припускаючи постійну швидкість руху в км/с?
Перед тим, як вибухнула зірка, яка стала SN 1987A, вона еволюціонувала з червоного надгіганта до синього надгіганта, залишаючись при тій же світності. Як червоний надгігант, його температура поверхні становила б приблизно 4000 К, тоді як синій надгігант, його температура поверхні становила 16,000 К. Скільки змінився радіус, коли він еволюціонував від червоного до синього надгіганта?
Який радіус зірки-прародителя, яка стала SN 1987A? Його світність була в 100 000 разів більше, ніж у Сонця, а температура поверхні становила 16 000 К.
Що таке прискорення гравітації на поверхні зірки, що стала SN 1987A? Як це\(g\) порівнюється з тим, що на поверхні Землі? Маса була в 20 разів більша за Сонце, а радіус в 41 раз більше, ніж у Сонця.
Якою була швидкість втечі з поверхні зірки-прабатька SN 1987A? Наскільки вона більша за швидкість втечі з Землі? Маса була в 20 разів більша за Сонце, а радіус в 41 раз більше, ніж у Сонця.
Якою була середня щільність зірки, яка стала SN 1987A? Як вона порівнюється із середньою щільністю Землі? Маса була в 20 разів більша за Сонце, а радіус в 41 раз більше, ніж у Сонця.
Якщо пульсар, показаний на малюнку\(23.4.3\) в розділі 23.3], обертається 100 разів на секунду, скільки імпульсів буде виявлено за одну хвилину? Два променя розташовані уздовж екватора пульсара, який вирівняний з Землею.