Термоядерные процессы в белых карликах

Белые карлики представляют собой конечную стадию эволюции звезд малой и средней массы (до ~8 M☉). Эти объекты характеризуются чрезвычайно высокой плотностью вещества — порядка 106…109 г/см3 — и сравнительно невысокими температурами на поверхности (≈10⁴–10⁵ К), хотя в ядре температура может достигать нескольких миллионов Кельвинов. В таких условиях термоядерные процессы претерпевают значительные изменения по сравнению с обычными звёздами главной последовательности.

1. Структура белого карлика и условия для синтеза

Ядро и оболочка:

  • Основная масса белого карлика состоит из углерода и кислорода (C–O белый карлик), иногда гелий (He) или кислород–неон (O–Ne).
  • Вещество находится в состоянии вырожденного электронного газа, который поддерживает устойчивость объекта против гравитационного коллапса.

Давление вырожденного газа:

$$ P_\text{deg} \sim \frac{\hbar^2}{m_e} \left(\frac{3\pi^2 n_e}{\text{V}}\right)^{5/3} $$

где ne — плотность электронов. Вырожденное давление почти не зависит от температуры, что резко ограничивает роль термодинамического нагрева в противодействии гравитации.

Температурные условия: Для традиционного термоядерного синтеза необходимы температуры в несколько миллионов К. В ядре белого карлика такие температуры могут существовать в начальных этапах его охлаждения, но для большинства белых карликов термоядерные реакции практически остановлены.

2. Основные виды термоядерных реакций

В белых карликах возможны следующие реакции:

  1. Гелиевый синтез (3α процесс):

3 4He→12C + γ

Для активации необходима температура порядка T ∼ 108 К, что возможно лишь при частичном нагреве или при аккреции вещества с внешних источников (например, от соседней звезды).

  1. Углеродно-углеродные реакции:

12C+12C→20Ne+4He + γ

или

12C+12C→23Na + p

Требуемая температура выше 5 × 108 К, обычно недостижимая в обычном белом карлике без внешней аккреции.

  1. Неон-неон и кислород-углеродные реакции возможны при ещё более высоких температурах, характерных для массивных белых карликов, близких к пределу Чандрасекара (~1,44 M☉).

3. Аккреционные процессы и взрывоопасные реакции

Белые карлики в двойных системах могут накапливать вещество с компаньона. В зависимости от скорости аккреции возникают разные сценарии:

  • Медленная аккреция: Вещество накапливается и постепенно нагревается. В определенный момент может инициироваться стабильный гелиевый синтез, формирующий оболочку углерода вокруг ядра.

  • Быстрая аккреция или масса близка к пределу Чандрасекара: Резкое повышение температуры и плотности запускает термоядерный взрыв, что проявляется как сверхновая типа Ia. Основная цепочка реакций в этом случае:

    12C+12C→56Ni + …

    При этом выделяется энергия порядка 1051 эрг, полностью разрушая белый карлик.

  • Детонация гелиевой оболочки: Локальный гелиевый взрыв может вызвать последующую детонацию углерода в ядре, что также приводит к сверхновой.

4. Влияние вырожденного состояния на синтез

Особенности вырожденного вещества:

  • Температура и давление слабо связаны: традиционный механизм термостабилизации через тепловое расширение не действует.
  • Локальные возмущения температуры не приводят к немедленному расширению вещества, что делает белые карлики крайне восприимчивыми к термоядерной детонации.
  • Сверхновые типа Ia являются прямым следствием этого эффекта: процесс неконтролируемый, взрывной.

5. Тепловое и нейтронное взаимодействие

Хотя основная термоядерная активность в стабильных белых карликах крайне мала, нейтронные реакции и радиоактивный распад (например, 22Ne(α, n)25Mg) могут запускать слабое нуклеосинтезное воздействие, влияющее на химический состав оболочки и создающее источники слабого облучения.

6. Влияние массы и состава на термоядерные процессы

  • Белые карлики с массой < 1 M☉ почти полностью стабильны, термоядерный синтез остановлен.
  • Белые карлики с массой ~1,0–1,4 M☉ при аккреции могут достигать условий для детонации.
  • Состав ядра (C–O vs O–Ne) определяет тип возможного взрыва и конечные элементы синтеза.
Оглавление