Giáo trình tổng hợp những hướng dẫn cơ bản về ngành thiên văn học phần 3 doc

Vậy làm sao có thể phát hiện được lỗ đen? Nếu nó là thành viên của hệ sao đôi thì nó sẽ hút vật chất của sao thành viên, tạo thành bụi khí chuyển động theo quỹ đạo xoáy trôn ốc, nóng hàng chục triệu độ, tức tạo ra nguồn bức xạ tia Rơnghen rất mạnh. Một trong những ứng cử viên của lỗ đen là sao HDE 226868 thuộc chòm thiên nga (Cygnus) X -1, có lỗ đen với khối lượng M =10M . VII. GIẢ THUYẾT VỀ SỰ TIẾN HÓA CỦA CÁC SAO. Thiên văn cổ điển coi các sao trên trời không có tiến hóa, nó đã tồn tại như vậy và mãi mãi vẫn vậy. Ngày nay, nhìn vào biểu đồ H - R người ta có thể nghĩ rằng đó là biểu đồ mô tả những giai đoạn phát triển khác nhau của sao. Tuy nhiên, tuổi đời của con người, thậm chí của loài người, thật quá ngắn ngủi so với một đời sao. Không ai có thể chứng kiến các sao đã sinh ra, lớn lên, già đi rồi ch ết như thế nào hết. Vì vậy chỉ có thể đưa ra giả thuyết về sự tiến hóa của chúng mà thôi. 1. Giai đoạn tiền sao. Các nhà khoa học đều cho rằng các sao được hình thành từ các đám mây bụi và khí (có được sau vụ nổ Big - Bang hoăc sau các vụ nổ của các sao trước đó). Thành phần chủ yếu của các đám mây khí là Hydro. Dưới tác dụng của lực hấp dẫn chúng tích tụ lại, co lại. Phần trung tâm co nhanh và chúng trở thành các phôi sao (Proto star). Các phôi này nóng dần lên do va chạm và sức nén của lực hấp dẫn.Tuy nhiên, lúc này nhiệt độ bề mặt của chúng chỉ cở vài trăm độ K và sao b ức xạ tia hồng ngoại nên gọi là sao lùn đỏ (Red Dwarfs). Đồng thời xung quanh sao vẫn bị bao bọc bởi lớp khí bụi bình thường nên rất khó quan sát. Phôi sao tiếp tục co và các nguyên tử khí bị cọ sát làm nhiệt độ tăng lên, cho đến khi đạt cỡ 10 7 o K thì phản ứng hạt nhân bắt đầu. Tùy theo khối lượng mà sao tích tụ được chúng sẽ trở thành sao loại nào trên của biểu đồ. Có những sao có khối lượng nhỏ (chỉ Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m bằng 1/12 M ) thì nhiệt độ có được khơng lớn lắm, khơng đủ để có thể phản ứng tổng hợp H thành He, nhưng có thể đủ nhiệt độ để châm ngòi cho phản ứng với deuteri (đồng vị của H, viết tắt là 1 D 2 ). 1 D 2 + 1 H 1 = 2 He 3 + Q Đó là sao lùn nâu (Brown-Dwarfs). Do lượng 1D2 ít nên chúng chỉ tồn tại cỡ mấy triệu năm, cạn kiệt nhiên liệu, khơng phát sáng và trở thành lùn đen (Black Dwarfs). Các sao khác có q trình tiến hóa theo sơ đồ sau: 1) Sao nhẹ 2) Sao nặng Hình 104. Sơ đồ tóm tắt sự tiến hóa của các sao 2. Giai đoạn sao ổn định. - Nếu sao đạt khối lượng cỡ >1/12M thì nhiệt độ có thể lên đến 0 7 10 0 K, đủ để xảy ra phản ứng nhiệt hạch tổng hợp Hydro (như của mặt trời). Một sao đã hình thành. Nó còn tồn tại khi bảo đảm các điều kiện cân bằng thủy động học giữa lực phát sinh bởi khối khí tham gia phản ứng hạt nhân và lực hấp dẫn. Đây là những phương trình rất phức tạp, ta chỉ cần biết qua: - Phương trình cân bằng thủ y động học: (Hydrostatic equilibrium) dr dP = − 2 r )r()r(GM ρ - Khối lượng liên tục (Mass continuity) dr dM = 4 πr 2 ρ (r) - Năng lượng truyền dẫn (Energy transport - radiative and convective: truyền dẫn bằng bằng đối lưu hay bức xạ) dr dP )r(P )r(T dr dT )r(L )r(Tr )r()r(K dr dT ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ γ −= ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ πσ ρ− = 1 1 64 3 32 - Cân bằng nhiệt động: (Energy generation - Thermal equilibrium). Kềnh đỏ Lùn trắng sao siêu mơ ù i ⇒ Bụi và khí Sao trên dải chính (10 10 năm nếu M = 1M ) Kềnh đỏ Tinhvân hành tinh Lùn trắng Lùn đen Bụi và khí Sao trên dải chính (10 6 năm nếu M = 15M ) Siêu kềnh Mất khối lượng Nổ sao siêu mới loại II (Sao Notron + tàn dư) Lỗ đen và vành khí nón g Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m )r()r(r dr dL ερπ= 2 4 - Phương trình trạng thái (Equation of State): H m)r( ) r (T) r ( k )r(P µ ρ = Trong đó : P : Áp suất T : Nhiệt độ M : Khối lượng ρ : Mật độ L : Độ trưng µ : Nguyên tử khối ε : Năng lượng tạo thành r : Bán kính sao K : Hệ số hấp thụ γ : Tỷ số nhiệt và áp suất để khí là khí lý tưởng = 3 5 Ta thấy như vậy sự cân bằng của 1 ngôi sao phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó có cả phương thức truyền nhiệt bên trong của nó (bằng đối lưu hay bức xạ). - Tùy theo khối lượng của sao mà nó có thể đốt đến nguyên liệu hạt nhân nào (bảng 7) và do đó sẽ sống lâu hay chết yểu. Sao càng nhỏ thì nhiệt độ càng thấp, nên không thể có được những phản ứng h ạt nhân đòi hỏi nhiệt độ cao. Ví dụ: Mặt trời sau khi đốt hết H chỉ có thể đốt đến He rồi chuyển sang giai đoạn già. Còn các sao nặng hơn, có khối lượng lớn hơn, có thể đốt nguyên liệu tuần tự cho đến khi tạo ra sắt (Fe). Tuy nhiên, sao càng lớn càng đốt nhiên liệu nhanh hơn. Người ta tính được thời gian tồn tại của các sao trên dải chính như sau : naêm M t 3 10 10 = (Trong đó M tính qua M ). Như vậy mặt trời có thể sống được 1010 năm (10 tỷ năm). Tuổi của nó hiện nay là khoảng 4.5 tỷ. Còn trẻ chán! Các sao lớn (15M ) chỉ sống được vài triệu năm mà thôi. - Mặt khác, quá trình đốt nhiên liệu có thể xảy ra theo từng lớp của sao. Nhiệt độ ở nhân bao giờ cũng cao hơn nhiệt độ ở lớp vỏ ngoài. Do đó hầu hết trong nhân của các sao là sắ t, niken, coban và lớp vỏ ngoài là các nguyên tố nhẹ. - Sự đốt nhiên liệu có thể xảy ra như sau: Sau chu trình đốt H thành He thì phản ứng hạt nhân này ngừng, làm cho sao không có áp suất của phản ứng hạt nhân chống đỡ với lực hấp dẫn, do đó nó sẽ co lại. Vì co lại nên nhiệt độ lại tăng lên, đủ để châm ngòi cho những phản ứng hạt nhân mới, tổng hợp nguyên tố nặng hơn. Trong quá trình tiến hóa có th ể có 60% lượng Hydro ban đầu bị sử dụng, chỉ còn 40% được giữ nguyên. 3. Sự già đi và cái chết của các sao. (xem hình 104) Tùy theo khối lượng mà các sao có tuổi già và cái chết khác nhau. Sự phân định đó là giới hạn Chandrasekhar. M gh = 1,4 M a) Với các sao có khối lượng M = 1 (1,4 M khi nhân của sao co đến cở 0,01 R (với mật độ ( = 10 6 g/cm 3 ) thì lớp vỏ nở rộng ra, chúng chuyển sang giai đoạn sao kềnh, tức lớp vỏ ở ngoài đã phồng lên gấp mấy chục lần kích thước ban đầu. Vì nhiệt độ bên ngoài giảm nên chúng có màu đỏ - kềnh đỏ (Red Giants). Quá trình này kéo dài cả chục ngàn năm. Khi đó các nguyên liệu ban đầu có thể biến thành Cacbon. Sau đó, trong khi nhân sao co lại thì nó đồng thời phun vật chất tạo thành lớp vỏ và bụi bao bọc xung quanh (Tinh vân). Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Lớp vỏ này, ví dụ đối với mặt trời, có thể “nuốt chửng” cả các hành tinh, vì vậy được gọi là tinh vân hành tinh (Planetary Nebula). Riêng cái lõi bị biến thành sao lùn trắng - một dạng sao rất đặc biệt được mô tả như một mô hình vật lý như sau: Khi các sao loại này ở giai đoạn cuối, lõi bị co lại, các hạt vật chất (chủ yếu là các e-) bị ép sát vào nhau. Nhưng theo nguyên lý loại trừ Paul thì các e- chỉ đến gần nhau được đến một mức nhất định (vì mỗi mức năng lượng trong hệ chỉ có thể có 2 e- khác nhau về spin). Vì vậy các hạt có xu hướng đẩy nhau, làm cho sao nở ra. Các e- như vậy gọi là e- tái sinh (Degenerated electron gaz). Chúng có đặc trưng là có tính siêu dẫn, do đó nhiệt độ trong lòng sao có thể lên tới 10 7o K cho hết bán kính bằng 0,98 R của nó, (trong khi đó nhiệt độ bề mặt của sao cỡ 10.000oK), nhưng độ trưng của sao lại thấp nên nó ở vào bên trái dưới của biểu đồ H-R. Bán kính R của sao phụ thuộc vào khối lượng sao:R~ 3 1 M , nghĩa là sao lùn trắng càng nặng, bán kính càng nhỏ. Ví dụ sao lùn trắng có khối lượng bằng mặt trời M = M sẽ có kích thước R = 0,007. R = 5000km (tức cỡ trái đất). Vì vậy mật độ của nó rất lớn, trung bình cỡ 4.106 g/cm3, ở nhân có thể gấp 6 lần. Sao lùn trắng có thể tồn tại như vậy hàng tỷ năm. Sau đó nó mất hết năng lượng trở thành sao lùn đen (Black Dwarf) lặng lẽ trong vũ trụ. Khi một sao lùn tr ắng ở gần một sao kềnh đỏ thì có thể sinh ra nổ sao siêu mới loại I. Khi đó lùn trắng hút vật chất của sao kềnh, đủ để xảy ra phản ứng nhiệt hạt nhân, làm sao sáng bùng lên tức nổ sao siêu mới. (Thường xuyên nhìn thấy vì nó sáng hơn nổ siêu sao loại II gấp 4 lần và phổ biến trong vũ trụ). Sao lùn trắng được phát hiện đầu tiên là bạn của sao Thiên lang, có nhiệt độ bề mặt tới 230000K. b) Các sao nặng: Sự tiến hóa của các sao nặng xảy ra nhanh chóng và quyết liệt hơn (xem hình 104) tạo thành các sao Nơtron hoặc lỗ đen (Xem mục VI). Ở đây ta cần chú ý quá trình sản sinh các nguyên tố nặng trong các vụ nổ sao siêu mới loại II. Các sao có khối lượng cỡ 10 - 20 M ở cuối đời có cấu tạo gồm lõi sắt và các lớp vỏ (C, He, H ở rất xa ở ngoài). Nhân này co lại và nhiệt độ tăng đến cỡ 0 9 10 K , đủ để phân rã hạt nhân sắt thành Heli (một hạt nhân bền vững hơn): Fe 56 + γ → 13 He 4 + 4n phản ứng này đòi hỏi 100Mev, làm cho nhiệt độ ở nhân giảm, nhân co lại nhanh hơn. Lúc này He biến thành: He 4 → 2p + 2n và p + e- → n + ν Tức dẫn tới việc sinh ra nơtron - khí (Neutron gaz) siêu dẫn. Đồng thời các lớp khí bên ngoài lõi rơi nhanh vào tâm làm nhiệt độ tăng cao, xảy ra nổ sao siêu mới, các lớp vật chất bị bắn tung ra ngoài. Trong quá trình này vật chất có thể cướp các nơ tron mới sinh ra, hoặc nơ tron sẽ tự phân rã (β - ) n → p + e - + − ν (mất 15 phút) Có thể xảy ra 2 quá trình: Quá trình r : Sự cướp nơtron nhanh hơn sự phân rã nơtron, tạo ra các hạt nhân mới giàu nơ tron. Quá trình s : Sự cướp nơtron chậm hơn sự phân rã nơtron tạo nên các hạt nhân giàu proton. Ví dụ : Quá trình r bắt đầu từ Fe56 Fe 56 + n → Fe 57 Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Fe 57 + n → Fe 58 tiếp tục → Fe61 Và Fe61 có thời gian sống ngắn hơn phân rã ( 6 phút, do đó nó phân rã: 26 Fe 61 → 27 Co 61 + e - + − ν (tức xảy ra quá trình s) Trong nổ sao siêu mới loại II thời gian rất ngắn, quá trình r xảy ra hiệu quả, tạo nên tất cả các nguyên tố nặng của bảng tuần hoàn, đến tận Uran và Thôri. Quá trình tạo nguyên tố nặng có thể xảy ra ở các sao siêu kềnh bằng quá trình s nhưng chỉ tạo được tối đa đến chì (Pb) mà thôi. Trên trái đất có tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Vì vậy có thể nói trái đất là hậu du ệ của các sao trước đó rất lâu. Tóm lại, quá trình vật lý xảy ra trong các sao là hết sức phức tạp. Hiện nay chúng ta vẫn chưa hiểu được tường tận và chính xác. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . Một trong những ứng cử viên của lỗ đen là sao HDE 226868 thuộc chòm thiên nga (Cygnus) X -1, có lỗ đen với khối lượng M =10M . VII. GIẢ THUYẾT VỀ SỰ TIẾN HÓA CỦA CÁC SAO. Thiên văn cổ điển. khối khí tham gia phản ứng hạt nhân và lực hấp dẫn. Đây là những phương trình rất phức tạp, ta chỉ cần biết qua: - Phương trình cân bằng thủ y động học: (Hydrostatic equilibrium) dr dP = − 2 r )r()r(GM ρ . châm ngòi cho những phản ứng hạt nhân mới, tổng hợp nguyên tố nặng hơn. Trong quá trình tiến hóa có th ể có 60% lượng Hydro ban đầu bị sử dụng, chỉ còn 40% được giữ nguyên. 3. Sự già đi và