Спа́лах ге́лієвого ядра́ — вибухоподібний початок термоядерної реакції перетворення гелію на вуглець, що відбувається у вироджених ядрах зір із масою від на вершині гілки червоних гігантів. Він виникає, якщо регіон, де відбувається горіння гелію, не може швидко охолоджуватися зі зростанням температури, і тоді нагрівання підвищує швидкість ядерних реакцій, що ще більше посилює нагрів речовини. Гелієвий спалах впливає на хімічний склад зорі й у деяких випадках — на її структуру.

Зазвичай під гелієвим спалахом мають на увазі початок горіння гелію в ядрах зір гілки червоних гігантів, речовина яких перебуває у стані виродженого газу, однак спалахи іншого типу можуть відбуватися і в інших об'єктах, наприклад у шарових джерелах зір асимптотичної гілки гігантів або в білих карликах.

Передумови У процесі вигорання водню в центрі маломасивної зорі формується ядро, що складається здебільшого з гелію (водень у ньому майже повністю «вигорів»). Після припинення в ядрі термоядерних реакцій, воно стискається, доки у вузькому шарі навколо нього не почнеться горіння водню. Зовнішні шари зорі розширюються й охолоджуються, в оболонці розвивається інтенсивна конвекція. Зоря переходить на стадію червоного гіганта. Оскільки джерело енергії тепер розташоване зовні ядра, воно стає фактично ізотермічним. Ядро поступово збільшується та стискається, електронний газ у ядрі стає виродженим. Для зір із масою близько сонячної ця стадія триває приблизно півмільярда років.

У зорях, маса яких менша 0,5 M☉, умови для термоядерного горіння гелію ніколи не виникають.

У зорях, маса яких на головній послідовності перевищує 2,25 сонячної, потрійна гелієва реакція розпочинається на раннішій стадії еволюції, коли електронний газ у ядрі ще не вироджений, і вона відбувається спокійно, без спалаху.

У зір із масою від потрійна альфа-реакція розпочинається на вершині відгалуження гігантів, коли маса ядра становитиме близько 0,45 M☉, а температура в ядрі зорі сягає 100—200 млн. К. Оскільки ядро ізотермічне, гелій починає горіти одразу в усьому ядрі.

Характеристики

Гелієвий спалах — це початок горіння гелію в зорі, що відбувається вибухоподібно й супроводжується виділенням великої кількості енергії за короткий час. Це змінює хімічний склад зорі й може змінювати її структуру.

Гелієвий спалах виникає, якщо частина зорі, де починається горіння гелію, не може швидко охолодитися під час підвищення температури через розширення, оскільки нагрівання не супроводжується зростанням тиску. У такому разі енергія, що виділяється під час горіння гелію, підвищує температуру в цій області, що, своєю чергою, прискорює ядерні реакції за участю ядер гелію і збільшує потужність енерговиділення. Такі умови виконуються, наприклад, у речовині, тиск якої визначається тиском виродженого газу, де тиск майже не залежить від температури і тому газ не розширюється.

Горіння гелію характеризується дуже сильною залежністю потужності енерговиділення від температури : якщо апроксимувати цю залежність степеневим законом то для температур у діапазоні (1—2)  K показник змінюється від 19 до 40, тому під час гелієвого спалаху енерговиділення зростає дуже швидко. Загалом під час початку горіння гелію спалах виникає не завжди: якщо зростання швидкості реакцій у певній частині зорі супроводжується її розширенням і зниженням температури, то гідростатична рівновага зберігається, і швидкість реакцій перестає зростати.

Спалах відбувається за дуже короткий час (лічені хвилини), і світність ядра зорі в максимумі перевищує сонячну в десятки мільярдів разів (). Але ззовні перебіг процесу непомітний і лише через деякий час світність зорі значно зростає на 104—105 років. Найімовірніше, внаслідок спалаху зоря втрачає деяку масу. У деяких моделях передбачається ще кілька подібних спалахів, щоразу меншого масштабу.

Види гелієвих спалахів

Гелієвий спалах у ядрі

Найчастіше під гелієвим спалахом мають на увазі початок горіння гелію в ядрах зір гілки червоних гігантів із виродженим ядром, що складається з гелію, у якому вже не відбуваються термоядерні реакції, оскільки водень вичерпано, а температура для запуску потрійної гелієвої реакції недостатня. Помітне енерговиділення в потрійній гелієвій реакції починається, коли густина речовини сягає близько 106 г/см3, а температура — приблизно 8  K. Маса ядра майже не залежить від маси зорі й у цей момент становить 0,48—0,50 . Горіння гелію підвищує температуру ядра, але через вироджений стан речовини тиск у ньому не зростає, ядро не розширюється й не охолоджується. Підвищення температури збільшує швидкість енерговиділення, яке, своєю чергою, ще більше підвищує температуру. Процес розвивається лавиноподібно, тому відбувається гелієвий спалах.

Вироджені ядра виникають на певному етапі зоряної еволюції у зір із масою менше 2,3 , а сама потрійна гелієва реакція може відбуватися лише в ядрах зір масою понад 0,5  — температура в ядрах легших зір на жодному етапі їхньої еволюції недостатня для підтримання горіння гелію, тому гелієвий спалах у ядрах можливий лише для зір у діапазоні мас 0,5—2,3 . У масивніших зір може відбуватися аналогічний процес із горінням вуглецю — вуглецева детонація.

Спочатку енерговиділення зростає досить повільно — протягом кількох сотень тисяч років потужність, що її випромінює гелієве ядро, досягає приблизно 1000 . Усього за кілька років після цього потужність зростає до величин порядку 1010—1011 , порівнянних зі світністю галактик, й утримується на цьому рівні лише кілька секунд. При цьому різкого зростання світності зорі не спостерігається: енергія, що виділяється під час гелієвого спалаху в ядрі, не доходить до поверхні, а поглинається зовнішніми шарами та самим ядром, яке нагрівається настільки, що перестає бути виродженим, розширюється й охолоджується. Темп реакцій зменшується, а через розширення ядра шарове джерело ядерного горіння водню, що змістилося в холодніші області, на короткий час припиняє виробляти енергію. Горіння гелію продовжується з меншою інтенсивністю, і таким чином гелієвий спалах завершується.

Після гелієвого спалаху ядро збільшується, стає розрідженішим і холоднішим, ніж було до цього. Енерговиділення у водневому шаровому джерелі стає значно меншим, ніж до спалаху, тому загальне енерговиділення зорі зменшується. Як наслідок, світність падає приблизно на порядок, що означає зменшення тиску випромінювання, і тому зовнішні оболонки зорі стискаються. Унаслідок цього протягом приблизно 104 років зоря переходить із вершини гілки червоних гігантів на горизонтальну гілку. У ході цього процесу зоря також може втратити частину маси.

Центральні частини ядра зір гілки червоних гігантів випромінюють нейтрино у великій кількості, тому перед гелієвим спалахом максимальна температура досягається не в самому центрі, а на певній відстані від нього через нейтринне охолодження. Саме там і відбувається гелієвий спалах, тому після нього виродження знімається лише у зовнішніх шарах, але не у внутрішніх. Доти, доки рівняння стану речовини зорі не стає близьким до рівняння стану ідеального газу, а горіння гелію не починається в центрі зорі, відбувається ще кілька слабших, вторинних гелієвих спалахів — від початку першого до завершення останнього минає близько 106 років, і за цей час приблизно гелію в ядрі перетворюється на вуглець.

Шаровий гелієвий спалах

Шаровий гелієвий спалах відбувається у зір асимптотичної гілки гігантів, які мають інертне ядро, що складається з вуглецю та кисню. Ядро оточене тонким шаром гелію, а зовнішні оболонки переважно складаються з водню. Спочатку відбувається горіння гелію в шаровому джерелі, але згодом гелій вичерпується, і на межі між гелієм і воднем починається перетворення водню на гелій. Унаслідок цього маса гелієвого шару поступово зростає, і через деякий час умови в ньому стають придатними для горіння гелію. Необхідна для цього маса гелієвої оболонки залежить від маси ядра: за маси ядра 0,8 вона становить близько 10−3 і зменшується зі зростанням маси ядра.

На відміну від гелієвого спалаху в ядрі, у цьому випадку шар гелію не є виродженим, тому після початку реакцій він розширюється. Однак поки шар гелію достатньо тонкий, розширення призводить не до охолодження, а до нагрівання. Для пояснення можна розглянути шар гелію товщиною внутрішня межа якого розташована на відстані від центра зорі, а зовнішня — на відстані За умови можна записати де  — стала маса шару,  — його густина. Отже, можна пов'язати зміни цих величин, вважаючи, що лишається сталим:

Тиск у шарі гелію визначається зовнішніми оболонками, які підіймаються та опускаються разом із розширенням або стисканням цього шару. Тому зміну тиску можна виразити через розширення, а отже, і через зміну густини:

Рівняння стану для шару гелію має загальний вигляд, де  — температура, а і  — додатні сталі:

Якщо виразити зміну тиску через зміну густини, отримаємо:

Отже, якщо шар гелію достатньо тонкий і , то вираз у дужках є від'ємним. Це означає, що розширення шару гелію та зменшення його густини призводять до підвищення температури. У такому разі гелієвий спалах розвивається й досягає максимальної потужності близько 107—108 . Розширення гелієвої оболонки зміщує місце горіння водню в холодніші та менш щільні частини зорі, тому горіння водню припиняється, але після завершення шарового гелієвого спалаху триває стабільне горіння гелію. Увесь цей процес також називають тепловою пульсацією () і він триває кілька сотень років; при цьому спостерігають тимчасове зниження світності зорі.

Через деякий час гелій знову вичерпується, і в зорі починає згоряти водень, збільшуючи масу гелієвого шару. Коли вона досягає певного значення, гелієвий спалах повторюється — це може відбуватися багаторазово, доки водень повністю не вичерпається внаслідок термоядерних реакцій і сильного зоряного вітру. Після цього зоря залишає асимптотичну гілку гігантів, стискається і стає планетарною туманністю. Інтервал часу між шаровими спалахами залежить від маси ядра і може бути описаний формулою де виражено в роках, а  — у масах Сонця.

Гелієвий спалах у білих карликах і нейтронних зорях Гелієвий спалах може також відбуватися в білому карлику, на який акреціює речовина зорі-компаньйона. Наприклад, якщо утворюється гелієвий білий карлик із масою понад 0,6 , у ньому розвивається гелієвий спалах, під час якого виділяється енергія близько 1044 Дж. При цьому відбувається розліт речовини білого карлика і спостерігається вибух наднової типу I. Спалах також можливий у разі акреції гелію на вуглецево-кисневий білий карлик: коли маса гелію становить 0,1—0,3 , відбувається спалах, унаслідок якого білий карлик може як повністю зруйнуватися, так і зберегтися.

Якщо гелій акреціює на нейтронну зорю, то в її оболонці також можуть відбуватися періодичні гелієві спалахи. У такому разі нейтронну зорю спостерігають як барстер.

Примітки

Посилання