CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 'ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
им. С. М. КИРОВА
Том 278 : 1975
СТЯГИВАЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ ГИПЕРОНОВ И ЭВОЛЮЦИЯ
ЗВЕЗД
В. А. ФЙЛИМОНОВ
(Представлена научно-техническим семинаром лаборатории высоких энергий НИИ ЯФ)
Несмотря на значительные усилия, пака что не удалось выяснить до конца причины, предотвращающие стягивание ядерного вещества в область размера радиуса действия нуклон-нуклонных сил. Трудности установления определенного механизма для объяснения насыщения в ядерном веществе позволяют считать это свойство случайным, присущим только нуклонам и не обязательным для других б ар ионов. Например, нельзя быть уверенным в том, что системы гиперонов будут вести себя подобно обычным ядрам. Поэтому следует учитывать возможность того, что такие системы не обладают свойством насыщения [1, 2].
При отсутствии насыщения система гиперонов будет образовывать компактный объект размером порядка комптоновской длины волны л;-мезона, напоминающий сильновзаимодействующую частицу. Такие объекты были названы коллапсонами [3].
В работе [4] рассматривались некоторые свойства стянутых систем гиперонов. Было получено, что при определенных предположениях относительно сил, действующих внутри коллапсона, он будет стабильным, если его барионное число А>Ау^бО. В этом случае ядра с А>АУ приобретают возможность коллапса посредством слабого взаимодействия с превращением нуклонов в гипероны. Это процесс Ау-то порядка по слабому взаимодействию. Оцененное время жизни ядер по отношению к такому процессу т~1012Ау-33 лет. Это время жизни столь велико, что подобное превращение ядер следует считать невозможным.
В настоящее время из-за отсутствия теории сильных взаимодействий нельзя предсказать свойства коллашсонов. Но можно предугадать некоторые особенности их поведения. Прежде всего следует отметить их способность к поглощению в сильном взаимодействии нуклонов с образованием К-мезонов для баланса гиперзаряда:
СА + N СА+1 + К + тг. (1)
В (1) С обозначает коллапсон, А — его барионный заряд. Мы будем предполагать, что в процессе (1) масса покоя нуклона преобразуется в массу К-мезона, пионов и кинетическую энергию конечных продуктов.
Условия, необходимые для протекания реакции (1), зависят от заряда коллапсона. Для данного А существует заряд 2, при котором коллапсон имеет наименьшую массу и, следовательно, является стабильным. В плоскости (А, 2) стабильным коллаосонам будет соответ/ство-
вать некоторая линия. Эта линия условно изображена на рис. 1 сплошной кривой. В вакууме коллапсоны будут распадаться, приближаясь в плоскости (А, 2) к линии стабильности по вертикальным прямым. В веществе отрицательно заряженный юоллагосон будет захватываться ядрами и поглощать нуклоны. Барионное число его при этом увеличивается, и в плоскости (А, 2) он движется вправо по некоторой траектории, которая на рис. 1 условно обозначена пунктирной линией. Процесс поглощения нуклонов коллапооном будет продолжаться до тех пор, пока его заряд не станет положительным. Затем, претерпев распады, коллапсон достигнет линии стабильности и будет оставаться в этом положении практически бесконечно долго, так как взаимодействие его с ядрами будет подавлено кулоновским барьером. Положительный кол-лансон ведет себя в веществе подобно обычным ядрам. (При некоторых условиях в веществе, состоящем из двух компонент — коллапсон-ной и ядерной, может возникнуть самоподдерживающийся процесс поглощения нейтронов. Эта возможность будет рассмотрена ниже).
Энергия, генерируемая отрицательным колла|псоном в веществе., определяется средним временем между двумя последовательными актами реакции (1). Бели принять в качестве этого времени 10~10 с, то генерируемая энергия составит ~107 эрг/с. Положительно заряженные коллапсоны будут активными в нейтронной среде. В нейтронном веществе при ядерной плотности время протекания процессов под действием сильных взаимодействий ~ Ш~22 с. Генерация энергии единичным коллапс о ном в такой среде может происходить со скоростью 1019 эрг/с.
Ко л л ап со н ы не могут возн икнуть вел едств и е р аюп адов обычн ы х ядер. Но они могут образоваться на определенной стадии эволюции звезд в процессе нейтронизации вещества. Как показывают расчеты [5], при достижении нейтронным веществом плотности ^З-Ю14 г/см5 в нем начинает возникать гиперонная компонента. Обычно принимается — без достаточных на то оснований, — что она ведет себя подобно нуклонному веществу, в частности, обладает таким же свойством насыщения. В случае отсутствия насыщения гипероны будут стягиваться в коллапсоны, а последние энергично взаимодействовать с нейтронами. Нейтронизация вещества происходит в результате гравитационного сжатия. Достижение плотностей, при которых начинают образовываться коллапсоны, приведет к включению мощного механизма генерации энергии за счет процесса (1). Так как скорость и размер выделения энергии велики, подобный процесс может не только приостановить дальнейший гравитационный коллапс, но и рассеять вещество, сжатое гравитационными силами.
А
Рис. 1. Траектория коллапсона (пунктирная кривая) в плоскости (А, 2) при поглощении нуклонов и распадах.
(В свете сказанного нельзя считать достаточно обоснованными заключения, что конечной стадией эволюции звезд большой массы является образование самозамкнувшегося объекта ■— «черной дыры». Это лишь одна из многих возможностей, допускаемых существующими неясностями в понимании сильных взаимодействий элементарных частиц.
Рассмотрим теперь упомянутый выше самоподдерживающийся процесс поглощения нейтронов коллапсонами в веществе. Пусть имеется вещество, состоящее из двух компонент. Одна компонента имеет в качестве ядер атомов положительно заряженные коллапсоны, вторая —* обычные нуклонные ядра. При поглощении коллаосоном случайного нейтрона происходит реакция «аннигиляции» нейтрона (1) с образованием К4"- или К0-мезона и нескольких л;-мезонов. Дополнительные л-мезоны возникают при раюпаде К-^мезонов. В среднем на один акт «аннигиляции» нейтрона следует ожидать образования примерно одного лнмезона с отрицательным зарядом. Если плотность вещества достаточно велика (>1 г/см3), лг~-мезоны будут захватываться ядрами. Поглощение я~мезонов ядрами происходит в основном посредством ква-зидейтро,иного механизма по схеме л_+с1->п-[-п с образованием по крайней мере двух нейтронов. Испущенные нейтроны в свою очередь имеют определенную вероятность быть захваченными коллапоонами и т. д. В результате может возникнуть самоподдерживающийся процесс поглощения нейтронов.
Этот процесс приведет к появлению нейтронных и я~-мезонных потоков с некоторыми плотностями токов }п и ]п соответственно. Введем обоз н а ч ен и я: Оня» 0нк> » — средние сечения поглощения нейтронов и я~-мезонов на ядрах и коллансонах; ря, рк — число ядер и колла/шхшов в единице объема соответственно; V* , ун — средний выход яг-мезонов и нейтронов на один акт поглощения нейтрона ^оллап-ооном и л~ ядром соответственно. Тогда при установившемся режиме будем иметь
]н (Зня Ря + анк Рк) - и ^н Ря = 0 .
(2)
1н анк Рк ^ - и Ря + Рк) = 0 .
Из условия разрешимости этой системы следует условие, при кото- , ром возможно существование самоподдерживающегося процесса:
V« > 1 + Х -Ь2]/х, .
(3)
X = СлК•
Бели принять хяхк ~2, то для максимально возможного значения х получим оценку хтл*0,17. Минимально возможное значение плотности коллапсонов при этом будет
Ркппп = (аня/анк)Ря/хш1/2 • ("4)
Поглощение нейтронов ядрами происходит посредством радиационного захвата, в то время как поглощение нейтронов коллапсонами осуществляется за счет сильного взаимодействия (1). Поэтому можно предположить, что аня/(Унк~0,01. Тогда для минимальной концентрации коллапсонов, при которой возможно установление самоподдерживающегося процесса, будем иметь оценку
Рк гпш ~ 0,02 ря. (5)
При построении моделей квазаров и ядер галактик основной трудностью, с которой приходится сталкиваться, является отсутствие достаточно долго действующих источников энергии, способных поддерживать наблюдающееся излучение этих объектов. В рассмотренных здесь
процессах генерируется энергия в масштабах, превосходящих энерговыделение при всех других известных явлениях, происходящих в обычном веществе. Можно предположить, что разновидности коллапсанных процессов имеют место внутри квазаров и ядер галактик.
По существующим оценкам масса квазара М~ 1043 г, а мощность его излучения ~ 1047 эрг/с [6, 7]. Чтобы обеспечить такое излучение за счет поглощения коллапсонами нейтронов в нейтронном веществе, необходимо допустить существование в нем — Ю28 коллапсонов, что составляет Ю~39 к числу нуклонов. Считается, что время жизни квазара ~ Ю14 с. За это время барионный заряд каждого коллапсона в среднем увеличится на Ю36 единиц..
Если в качестве источника энергии квазаров принять рассмотренный выше самоподдерживающийся процесс поглощения нейтронов, то в этом случае не требуется большая плотность вещества, но необходима высокая концентрация коллапсонов (5), Выделяющаяся энергия определяется выражением
^=к*няМс'/АяХЧ (6)
где Ая — среднее массовое число ядер. Для поддержания наблюдающегося излучения квазара необходимы потоки нейтронов
]н~ Ю9 С"1 СМ"2.
Все, о чем здесь говорилось, основывается на предположении о специфическом характере взаимодействия гиперонов. Это предположение на современной^ уровне не может быть ни доказано, ни опровергнуто. Но точно такой же характер носят и все другие обсуждающиеся в литературе предположения относительно поведения вещества при плотностях выше ядерной. Рассмотренная здесь возможность не противоречит никаким фундаментальньш законам физики и ее реализация в природе вполне допустима.
ЛИТЕРАТУРА >
1. В. А. Филимонов. ЖЭТФ, 36, 1941, 1959.
2. В. А. Филимонов. Изв. вузов, «Физика», № 1, 60, 1960.
3. В. А. Филимонов. IV международная конференция по физике высоких энергий и структуре ядра. D 1-5988, 32,Дубна, 1971.
4. В. А. Филимонов. Изв. вузов, «Физика», № 12, 119, 1972.
5. W. D. Langer, L. С. Rosen. Astrophys. Scaee Sei., 6, 211, 1970.
6. G. R. Burbidge, M. В u г b i d g e, F. Hovle, C. L у n d s. Nature, 210, 774, 1966.
7. J. L. Greenstein, Т. A. Mattews. Nature, 197, 1041, 1963.
