Гелиевая вспышка

10.04.2021

Гелиевая вспышка — взрывоподобное начало горения гелия в тройном альфа-процессе (см. ниже) в вырожденных ядрах маломассивных (масса до ~2,25 солнечных) красных гигантов.

При эволюции звёзд главной последовательности происходит выгорание водорода в недрах звезды. При этом образуется достаточно плотное гелиевое ядро, в котором уже не идут термоядерные реакции; равновесие, которое поддерживалось энерговыделением, нарушается и ядро звезды начинает сжиматься. При достижении достаточной плотности ядра происходит вырождение газа электронов плазмы и ядро перестаёт сжиматься.

Особенностью вырожденного газа является крайне слабая зависимость давления от температуры: в нерелятивистском случае давление P ∼ K ρ 5 / 3 {displaystyle Psim K ho ^{5/3}} [прояснить]. Ядро звезды окружено слоем водорода, в котором идёт его горение, температура ядра начинает повышаться практически без изменения плотности, пока не будут достигнуты сочетание температуры (~108 К) и плотности (~106 г/см3) для начала тройной гелиевой реакции:

4He + 4He = 8Be, 8Be + 4He = 12C + 7,3 МэВ.

Зависимость энерговыделения от температуры в тройной гелиевой реакции чрезвычайно высока, так, для диапазона температур T {displaystyle T} ~(1—2)⋅108 К энерговыделение

ε 3 α = 10 8 ρ 2 Y 3 ( T 10 8 ) 30 , {displaystyle varepsilon _{3alpha }=10^{8} ho ^{2}Y^{3}left({frac {T}{10^{8}}} ight)^{30},}

где Y {displaystyle Y} — парциальная концентрация гелия в ядре (в рассматриваемом случае «выгорания» водорода близка к единице).

При отсутствии вырождения повышение температуры привело бы к расширению ядра, снижению плотности и равновесной скорости термоядерной реакции, однако из-за вырождения температура растёт при почти постоянной плотности, что приводит к постоянному росту энерговыделения тройной гелиевой реакции в ядре — до тех пор, пока температура не возрастает до снятия вырождения при данной плотности.

Гелиевая вспышка развивается в течение единиц минут, и светимость ядра в пике вспышки достигает 1010 солнечных. После снятия вырождения ядро быстро расширяется, при этом выделившаяся тепловая энергия переходит в потенциальную энергию. В результате светимость звезды во время вспышки почти не меняется. В результате последующей эволюции происходит быстрое уменьшение радиуса внешних оболочек и падение светимости звезды.