Как сообщил другой ответчик, нейтронные звезды уже делают это.

Итак, я собираюсь несколько изменить свой ответ, чтобы выяснить, существуют ли другие способы существования звездоподобного объекта, кроме того, о котором мы уже знаем. В связи с этим, я боюсь, что мой окончательный ответ на это будет «Нет» или, по крайней мере, «Не с нашими текущими законами и/или пониманием физики».

Однако давайте начнем с определения дополнительных параметров, которые необходимы

Размер

Чтобы быть похожими на звезду, мы должны быть примерно такого же размера, как звезда. Что-то, что имеет заметную гравитацию. В своих комментариях вы также исключили черные дыры, поэтому они исключены, поскольку они не так стабильны, и для «производства» света потребуется постоянная подача вещества на их аккреционный диск. И даже в этом случае этот свет частично возникает в результате синтеза.

Самоподдерживающийся и регулирующий

Нам нужна реакция, которая может продолжаться, но не слишком быстро. Fusion отлично подходит для этого ... основное требование к Fusion - «высокая плотность, высокая температура». Гравитация создает эту среду сама по себе, а реакция синтеза в звезде стабилизирует ее. Гравитация сталкивает весь водород вместе, увеличивая давление и температуру, пока не начнется синтез. Если скорость синтеза становится слишком низкой, давление гравитации ускоряет синтез. Если скорость синтеза становится слишком высокой, внешнее давление реакции снижает плотность и, в конечном итоге, замедляет синтез. Это реакция, которая идеально подходит для очень долгого протекания... особенно потому, что большая часть запаса водорода в звезде НЕ удерживается при горючем давлении в любой момент времени.

Должен производить достаточно энергии, чтобы предотвратить Fusion

При достаточной температуре и давлении начнется синтез. С достаточно массивными элементами (железом или более тяжелыми) это эндотермическая реакция, которая приводит к гибели звезды. Наша «псевдозвезда» должна производить достаточно энергии, чтобы сопротивляться гравитации, сокрушающей ее и зажигающей термоядерный синтез, иначе она либо превратится в звезду, либо уничтожит себя, поскольку термоядерный синтез большой массы высосет всю энергию из псевдозвезды ( в зависимости от массы материалов, из которых он изготовлен). Чтобы производить столько энергии, но при этом продолжать жить... нам нужна чрезвычайно высокоэнергетическая реакция, сравнимая с синтезом, но достаточно эффективная, чтобы поддерживать темп. Так что, действительно, нам нужно что-то с такой же плотностью энергии, как у водорода, при использовании для термоядерного синтеза.

Итак, учитывая эти дополнительные ограничения, давайте рассмотрим некоторые варианты производства такого рода энергии.

1: Химические реакции: их нет. Полностью. Синтез и деление производят в миллионы раз больше энергии на кг реагента, чем любая химическая реакция. Чтобы поддерживать реакцию, которая могла бы идти в ногу с синтезом или делением, мы бы очень быстро сожгли наш запас топлива ref ref2 ref3

2: Деление. Поначалу обратное слияние кажется хорошей идеей, но есть несколько проблем. Во-первых, Fission — это безудержная реакция. Вам нужна критическая масса соединения, а затем несколько нейтронов должны выстрелить в соединение с очень высокой скоростью. С этого момента, если не контролироваться внешними источниками, деление будет экспоненциально распространяться по топливу и продолжать распространяться и увеличиваться в скорости до тех пор, пока не будет израсходовано все количество топлива. Реакция деления размером со звезду была бы больше похожа на сверхновую, чем на звезду. Вторая проблема заключается в том, что для деления нужен источник воспламенения, поэтому оно, вероятно, не может происходить в природе. ссылка ссылка2

3: Антиматерия: единственная известная нам реакция, более мощная, чем синтез. Но, опять же, антивещество — это безудержная реакция. Если материя и антиматерия смешаны, они будут аннигилировать каждый раз, когда эти две части вступят в контакт. Есть только один способ регулировать реакцию антиматерии: намеренно разделять материю и антиматерию до тех пор, пока вы не захотите, чтобы они реагировали. Это не то, что могло бы произойти в природе. ссылка

В настоящее время мы не знаем, как Антиматерия взаимодействует с гравитацией, но есть две основные возможности: она либо подчиняется гравитации в обычном режиме, либо отталкивается гравитацией.

В первом случае антиматерия и материя будут стягиваться под действием гравитации и либо полностью аннигилировать, либо, если одновременно соберется достаточное их количество (даже за счет конвекции), высвободится достаточно энергии, чтобы разорвать нашу «псевдозвезду» на куски. Даже если бы он каким-то образом смог восстановиться, у нас НЕТ стабильной системы.

В последнем случае материя и антиматерия отталкивались бы друг от друга на гравитационном уровне, и, если бы кто-то намеренно не бросал их друг в друга, они не взаимодействовали бы естественным образом и уж точно не образовывали бы звездоподобный объект.

4: Белая дыра. Забавный кусок теоретической физики, который в значительной степени был развенчан. Первоначально идея заключалась в том, что черные дыры — это дыры в пространстве-времени, а белые дыры — место, куда выбрасывается все, что они всасывают. Весь этот свет, который он извергал, был бы очень похож на звезду. Однако это согласуется только с моделью «вечной черной дыры» для черных дыр, а черная дыра, созданная гравитационным коллапсом и уравновешенная излучением Хокинга (читай: каждая черная дыра, которую мы когда-либо находили), не допускает существования Белой Отверстие. Кроме того, белые дыры нарушают второй закон термодинамики, поскольку фактически уменьшают энтропию. Единственная оставшаяся теория, поддерживающая белые дыры, заключается в том, что они на самом деле являются «большим взрывом», а не звездоподобным объектом. ссылка

Вывод

Если я не пропустил какую-то форму энергичной, но саморегулирующейся реакции, это не выглядит возможным даже с чисто логической точки зрения. С нашим нынешним пониманием Вселенной кажется, что звездоподобный объект, отвечающий всем необходимым требованиям долговечности, невозможен.

Ближайший механизм, который я могу найти, это звезда-пульсар.

Я не астрофизик, поэтому мои объяснения могут быть не самыми лучшими, но:

1. Пульсар — нейтронная звезда, которая держится вместе без использования синтеза ¹

2. Они могут производить столько же или больше энергии ² , чем солнце

3. Они на самом деле существуют (это не научная фантастика)

---

Заметки

¹

Нейтронные звезды очень горячие и защищены от дальнейшего коллапса давлением квантового вырождения из-за явления, описываемого принципом запрета Паули, который гласит, что никакие два нейтрона (или любые другие фермионные частицы) не могут одновременно занимать одно и то же место и квантовое состояние.

Источник: Википедия: Нейтронная звезда

² Расчет (стр . 118) пульсара-краба показывает, что его потеря энергии составляет 4,5*10^31 Дж/с. Но он излучает только 1% (4,5 * 10 ^ 29 Дж / с) через рентгеновские лучи и гамма-лучи. Суммарная выходная энергия Солнца в секунду оценивается в 3,8*10^26 Дж/с . Чтобы представить эти расчеты в перспективе:

Крошечный Крабовидный пульсар, диаметр которого немногим превышает 10 километров, питает огромную энергию Крабовидной туманности, диаметр которой составляет 10 световых лет. Чтобы представить вещи в перспективе с точки зрения относительных размеров, это похоже на то, как если бы объем пространства шириной в 1 километр сильно излучал на различных длинах волн, и большая часть энергии исходила бы от одного атома водорода в центре этого объема!

Источник: Пульсары на сайте csep10.phys.utk.edu.

Используйте квазизвезду.

Решение, которое, я думаю, наконец сработает, состоит в том, чтобы использовать квазизвезду , теоретический объект из ранней Вселенной, состоящий из черной дыры, возможно,$10M_{\odot}\text{-}100M_{\odot}$окружен газовой оболочкой до$1000\text{-}10000M_{\odot}$. Эти объекты генерировали энергию из гравитационной потенциальной энергии, когда вещество с внутренней границы оболочки попадало в центральную черную дыру. Слияние не происходило в оболочке, а это означало, что молодые маленькие квазизвезды могли казаться наивному наблюдателю простыми очень массивными звездами.

По сути, квазизвезда — это черная дыра, окруженная большим облаком газа вокруг черной дыры. Он необычайно массивен и очень похож на гигантскую звезду. Большая разница, однако, заключается в том, что квазизвезда вырабатывает энергию за счет изменений потенциальной энергии, вызванных всасыванием газа черной дырой — никакого существенного синтеза не происходит. (Сводное предложение любезно предоставлено AndyD273 .)

Цель этого ответа — определить некоторые свойства квазизвезды, которые могли бы соответствовать нашим спецификациям. Большая часть ответа — это математика, графики и код; приведенное выше резюме, вероятно, является наиболее качественным объяснением, которое у меня есть. Я создам приблизительную политропную модель с помощью численного интегрирования после определения некоторых термодинамических величин в ядре объекта. Политропы, как правило, являются очень хорошим приближением к звездам и звездоподобным объектам в большинстве мест внутри них, и я обнаружил, что мои результаты соответствуют более подробным моделям.

Моими основными ссылками здесь являются Ball et al. (2011) и Фиаккони и Росси (2016) . Есть некоторые различия в уравнениях, на которые я укажу, но оказывается, что они на самом деле незначительны для правильных параметров.

Политропы

Я собираюсь начать этот ответ с обзора политроп и некоторых простых методов, используемых для создания разумных моделей квазизвезд. Фиаккони и Росси обосновывают выбор политропической модели (с$n=3$) написав

оболочка представляет собой большую часть массы и объема квазизвезды, а конвективные области могут быть точно описаны адиабатическим градиентом температуры

Короче говоря, условия в большинстве частей оболочки нерелятивистские и подобны условиям внутри большой звезды. Политропические модели звезд достаточно хорошо представлены с помощью$n=3$.

Политропа - это объект, который подчиняется уравнению состояния

$$P=K\rho^{(n+1)/n}\tag{1}$$ куда $P$а также $\rho$плотность и давление, $K$является константой, и $n$– индекс политропы . Можно предположить, что квазизвезда находится в гидростатическом равновесии , что означает, что давление (в котором преобладает излучение, идущее наружу) уравновешивает силу гравитации: $$\frac{dP}{dr}=\frac{\rho GM}{r^2}$$ куда $G$гравитационная постоянная, $M$масса, содержащаяся внутри $r$, а также $r$- радиальная координата.

Подставляя политропное уравнение состояния в уравнение гидростатического равновесия, мы в конечном итоге приходим к уравнению Лейна-Эмдена :

$$\frac{1}{\xi^2}\frac{d}{d\xi}\left(\xi^2\frac{d\theta}{d\xi}\right)=-\theta^n\tag{2}$$ куда $\theta$представляет собой специфическую функцию, относящуюся к основным термодинамическим переменным (плотность, давление и температура) и $\xi$является безразмерным радиусом. Аналитические решения существуют только для трех значений $n$: $n=0$, $n=1$, а также $n=5$. К сожалению, интересующий нас случай относится к $n=3$, применимый к большинству звезд главной последовательности, а также к квазизвездным оболочкам. Поэтому приходится использовать численные методы.

Мы можем упростить решение уравнения Лейна-Эмдена, представив его в виде пары связанных дифференциальных уравнений:

$$\frac{d\theta}{d\xi}=\phi,\quad\frac{d\phi}{d\xi}=-\theta^n-\frac{2}{\xi}\phi\tag{3}$$ Обычная практика состоит в том, чтобы решать их с помощью метода Рунге-Кутты , обычно четвертого порядка (обозначается RK4). В целом, RK4 превосходит большинство методов более низкого порядка. Однако для некоторых случаев в этом нет необходимости. Я обнаружил, что для достаточно малых размеров шага для каждого метода метод Эйлера работает почти так же хорошо, его проще писать, а в вычислительном отношении он немного дешевле. Я в конечном итоге использовать его здесь. Надеюсь, чтобы убедить вас в этом, я реализовал оба метода в Python для $n=3$политропа. Я использовал размер шага $h=\Delta\xi=10^{-4}$, и я получил отличные результаты:

Верхний график$\theta_{\text{RK}4}(\xi)$а также$\theta_{\text{E}}(\xi)$за$0\leq\xi\leq10$, куда$\theta_{\text{RK}4}$а также$\theta_{\text{E}}$являются решениями уравнения Лейна-Эмдена с использованием методов RK4 и Эйлера соответственно. Некоторые значения (где$\theta<0$нефизичны, но я все равно нанес их на график, чтобы показать долгосрочное поведение. Нижний график$\theta_{\text{RK}4}(\xi)-\theta_{\text{E}}(\xi)$. Значения для этого довольно малы, менее$\sim10^{-5}$для большинства$\xi$.

Ключевые свойства квазизвезд

В большинстве трактовок квазизвезд используются несколько иные формы уравнения Лейна-Эмдена с решениями, называемыми нагруженными политропами , которые имеют точки возврата около центра. У всех другие граничные условия, чем у нас. Наши условия были

$$\theta(\xi_0)=1,\quad\phi(\xi_0)=0,\quad\xi_0=0\tag{Ordinary b.c.’s}$$ Однако при моделировании квазизвезды мы не интегрируем из $\xi_0=0$, а из радиуса $r_0$относительно радиуса Бонди $r_B$центрального объекта. В терминах немасштабированных расстояний это дается Фиаккони и Росси как $$r_0=br_B=b\frac{GM_{\bullet}}{c_{s,0}^2}\tag{4a}$$ куда $M_{\bullet}$масса черной дыры и $c_{s,0}$скорость звука в этой области. Их замена на $r_B$кажется меньше в четыре раза; однако это несоответствие исчезает при правильном выборе $b$. Авторы используют несколько других важных величин и соотношений: $$\xi_0=\frac{3b}{2}\phi_0\tag{4b}$$ $$\phi_0\approx2q,\quad q\equiv M_{\bullet}/M_*\tag{4c}$$ $$\rho_0=\left[\frac{(n+1)^3}{4\pi G^3}\right]^{\frac{1}{4}}\frac{\phi_0^{1/2}P_0^{3/4}}{M_{\bullet}^{1/2}}\tag{4d}$$ куда $M_*$- масса конверта. Следует отметить, что $\phi_0$в этих уравнениях не совсем то же самое, что $\phi_0$используется в классическом уравнении Лейна-Эмдена; Я вернусь к этому позже. Болл и др. дать нам еще одно релевантное отношение между $\xi_0$а также $\phi_0$: $$\phi_0=\frac{1}{2n}\xi_0+\frac{2}{3}\xi_0^3\tag{4e}$$ Казалось бы, это несовместимо с $(\text{4a})$для большинства $\phi_0$а также $\xi_0$. Однако, похоже, все это получается. Во-первых, Фиаккони и Росси описывают $b$как «порядка нескольких». Это должно указывать на то, что $1\leq b\leq10$, дай или возьми. Если мы выберем $b=4$, то их $\xi_0$- $\phi_0$уравнения дает $\xi_0=6\phi_0$. Теперь мы также знаем, что $q\simeq10^{-4}$к $10^{-2}$. Если мы возьмем $q=10^{-3}$и использовать $\phi_0\approx2q$, мы получаем $\phi_0\simeq2\times10^{-3}$. Подключить это к $(\text{4e})$дает нам $$\phi_0=\frac{1}{2n}\xi_0+\frac{2}{3}\xi_0^3=2\times10^{-3}$$ через Wolfram Alpha или $\xi\simeq0.012=6\phi_0$. Оба уравнения почти совпадают.

Мы хотим, чтобы наша квазизвезда была относительно крошечной, как квазизвезды, поэтому скажем, что$M_{\bullet}=1M_{\odot}$. С$q=10^{-3}$, что означает, что$M_*=100M_{\odot}$, что дает нам общую массу$M_{\text{tot}}=M_{\bullet}+M_*=101M_{\odot}$. Это разумно - намного массивнее Солнца, но все же может сойти за обычную звезду. Мы также должны выбрать подходящее центральное давление - возможно$P_0\simeq5*10^{10}\text{ erg cm}^{-3}=5\times10^9\text{ J/m}$. Подключить это к$(\text{4d})$дает нам$\rho_0\simeq5.426\times10^{-5}\text{ g cm}^{-3}$. Это соответствует прогрессии плотности моделей Ball et al. (Рисунок 1 и Таблица 1; их самый низкий$M_{\bullet}$является$5M_{\odot}$, с центральной плотностью$\sim8.71\times10^{-5}\text{ g cm}^{-3}$). Оба результата намного ниже, чем центральная плотность и давление Солнца .

В политропе скорость звука определяется выражением

$$c_{s,0}^2=\gamma\frac{P_0}{\rho_0}\tag{5}$$ куда $\gamma=(n+1)/n$, так и в нашем случае $\gamma=4/3$. Следовательно, мы находим, что $c_{s,0}^2=1.473\times10^11\text{ (m/s)}^2$. Подключить это к $(\text{4a})$дает нам радиус $r_0$из $1.802\times10^{9}\text{ m}\simeq2.6R_{\odot}$. Тогда радиус Бонди равен $r_B=r_0/4\simeq0.65R_{\odot}$. Это снова совпадает; модели Ball имели $r_B\simeq1.66R_{\odot}$за $M_{\bullet}=5M_{\odot}$. Прогресс, кажется, имеет смысл.

Граничные условия

Теперь мы готовы интегрировать уравнение Лейна-Эмдена для квазизвезды. Во-первых, мы настроим его как другую пару связанных дифференциальных уравнений:

$$\frac{d\theta}{d\xi}=-\frac{1}{\xi^2}\phi,\quad\frac{d\phi}{d\xi}=\xi^2\theta^n\tag{6}$$ Граничные условия здесь $$\theta(\xi_0)=1,\quad\frac{d\theta}{d\xi}|_{\xi_0}=-\frac{\beta}{\xi_0^2},\quad\xi_0=r_0/\alpha\tag{Quasi-star b.c.’s}$$ куда $$\beta\equiv\frac{M_{\bullet}}{4\pi\rho_0\alpha^3}\tag{7}$$ Коэффициент масштабирования $\alpha$можно определить из его определения. Подставляем наши значения для $r_0$а также $\xi_0$, мы получаем: $$\alpha=r_0/\xi_0=\frac{1.802\times10^9\text{ m}}{0.012}=1.502\times10^{11}\text{ m}$$ Таким образом, мы получаем $\beta=8.59\times10^{-4}$. Теперь наши граничные условия можно переписать как $$\theta(\xi_0)=1,\quad\frac{d\theta}{d\xi}|_{\xi_0}=-\frac{8.59\times10^{-4}}{\xi_0^2},\quad\xi_0=.012\tag{Quasi-star b.c.’s}$$

Метод Эйлера

Я хотел бы сначала рассмотреть метод Эйлера. Допустим, у нас есть обыкновенное дифференциальное уравнение первого порядка вида

$$\frac{dy}{dx}=g(y,x)$$ с соответствующими граничными условиями; то есть мы знаем $x_0$а также $y_0=f(x_0)$. Мы хотим найти приближенные значения для функции $y=f(x)$через некоторый интервал $x$начинается с $x=x_0$. Мы используем приближение $$\frac{dy}{dx}\approx\frac{\Delta y}{\Delta x}$$ и выбрать небольшой $\Delta x$. Затем используем первое уравнение, чтобы найти $$\Delta y\approx g(y,x)\Delta x$$ и повторяем по интервалу: $$x_{n+1}=x_n+\Delta x,\quad y_{n+1}=y_n+\Delta y_n=y_n+g(y_n,x_n)\Delta x$$ Это тип метода, который я применил вместе с RK4 для создания первых графиков обычного $n=3$политропа. Для такой системы дифференциальных уравнений расширение простое; у нас просто больше функций, таких как $g(y,x)$.

Полученные результаты

Теперь мы можем, наконец, создать наши модели. Я использовал тот же размер шага, что и в исходном примере —$\Delta \xi=10^{-4}$- и начертил$\theta(\xi)$как в нормальном, так и в логарифмическом$\xi$-оси, чтобы показать как драматический центральный выступ, так и тот факт, что для нагруженной политропы$\xi_0\neq0$. Я написал код на Python 3:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

n = 3
dxi = 10**(-4)
xi0 = .012
phi0 = 8.59*10**(-4)

def dtheta(phi,xi):
    return (-phi/(xi**2))*dxi
def dphi(theta,xi):
    return xi**2*(theta**n)*dxi

Xi = [xi0]
Theta = [1]
Phi = [phi0]

while Theta[len(Theta)-1] > 0:
    Xi.append(Xi[len(Xi)-1] + dxi)
    Theta.append(Theta[len(Theta)-1] + dtheta(Phi[len(Phi)-1],Xi[len(Xi)-1]))
    Phi.append(Phi[len(Phi)-1] + dphi(Theta[len(Theta)-1],Xi[len(Xi)-1]))

plt.figure(1)
plt.subplot(211)
plt.plot(Xi,Theta)
plt.title('Quasi-star solution to the Lane-Emden equation for $n=3$')
plt.xlabel('Scaled radius')
plt.ylabel('Solution')
plt.subplot(212)
plt.title('Quasi-star solution with logarithmic scale')
plt.xlabel('Scaled radius')
plt.ylabel('Solution')
plt.semilogx(Xi,Theta)
plt.show()

Это довольно безболезненно и быстро пишется. Вот результат:

Я также провел сравнение между нагруженной политропой и нормальной политропой для$n=3$, еще раз, чтобы подчеркнуть остроту:

Наконец, вот набор графиков, которые я сделал для нормализованной температуры, плотности и давления для$n=3$нагруженная политропа и$n=3$нормальная политропа. Хотя оба температурных профиля очень похожи, вблизи ядра наблюдается резкая разница в плотности и давлении.

Теперь помните, что это просто нормированные значения, и их следует умножать на центральные параметры, но суть остается неизменной: квазизвезды сильно отличаются от обычных звезд.

Эволюция

Остается один вопрос: останется ли наша квазизвезда стабильной в течение значительного периода времени. Несомненно, масса центральной черной дыры изменится, так как объект питается за счет аккреции от внутреннего края оболочки. В конце концов, квазизвезда станет черной дырой с небольшим количеством газа вокруг нее. В краткосрочной перспективе стабильность оболочки, например, представляет собой потенциальную проблему. Он также будет терять массу, а также накапливать ее из диска, который может сформироваться, окружая весь объект.

Болл и др. узнал, что

$$\dot{M_{\text{BH}}}\propto M_{\text{BH}}^2\rho^{(3-\gamma)/2}\tag{8}$$ С точностью до порядка это остается около $\sim10^{-4}M_{\odot}$в год для многих квазизвезд, находящихся на разных стадиях эволюции. Предполагая, что масса оболочки нашей квазизвезды равна $\sim100M_{\odot}$, то оболочка должна полностью срастаться в масштабе времени от одного миллиона до десяти миллионов лет, с точностью до нескольких раз. Это вполне разумно; массивные звезды обычно проходят через главную последовательность порядка одного миллиона до десяти миллионов лет, и поэтому, хотя квазизвезда может жить лишь короткий период времени по сравнению с Солнцем, ее время жизни разумно по сравнению с массивными звездами. .

Возможен ли слияние?

Одно из ключевых предположений квазизвездных моделей состоит в том, что любым слиянием можно пренебречь. Эта конкретная квазизвезда определенно ненормальна, поэтому я хотел бы перепроверить и посмотреть, будет ли на самом деле небольшое слияние или его не будет вовсе. Мы можем сделать это, рассчитав скорость реакции квазизвезды по сравнению с Солнцем. (Я хотел бы предположить, что любое слияние происходит через цепь pp . Цикл CNO невозможен в звезде без углерода, азота или кислорода!)

Скорость выработки энергии$q{ij}$от реакции частиц$_i$а также$_j$является

$$q_{ij}=\overbrace{C_1\left(\frac{1}{1+\delta_{ij}}\right)\frac{1}{A_iA_j}\frac{1}{AZ_iZ_j}}^{S_{ij}}X_iX_j\rho\tau^2e^{-\tau}Q\tag{9}$$ куда $C_1$некоторый набор констант, не уникальный для звездной среды, $\rho$это плотность, $X_I$а также $A_i$представляют собой массовую долю и массовое число (в то время как $A$приведенная (атомарная!) масса ), $Z_i$атомный номер, $Q$энергия, выделяющаяся при реакции, $\delta_{ij}$это дельта Кронекера , и $\tau$является своеобразной функцией температуры: $$\tau=C_2\left(Z_i^2Z_j^2AT^{-1}\right)^{1/3}=D_{ij}T^{-1/3}\tag{10}$$ куда $C_2$еще одна константа. Я собрал кучу терминов вместе, как $S_{ij}$; вы увидите, почему позже.

Найдем отношение$q_{ij,\odot}$(Солнце) к$q_{ij,*}$(квазизвезда):

$$\frac{q_{ij,\odot}}{q_{ij,*}}=\frac{S_{ij}X_{i,\odot}X_{j,\odot}\rho_{\odot}\tau_{\odot}^2e^{-\tau_{\odot}}Q}{S_{ij}X_{i,*}X_{j,*}\rho_{*}\tau_*^2e^{-\tau_*}Q}\tag{11}$$ Оба фактора $S_{ij}$отменить (как и $Q$s), оставив нам нечто гораздо более простое. Для квазизвезды мы можем посмотреть на самые высокие значения температуры и давления, центральные значения, которые мы выбрали ранее. Я возьму $\rho_{c,*}=5.426\times10^{-5}\text{ g cm}^{-3}$а также $T_{c,*}\simeq3.5\times10^{5}\text{ K}$, согласно Таблице 1 Ball et al. Я уже предполагал, что оболочка квазизвезды состоит из чистого водорода, поэтому $X_i=X_j=1$.

Для Солнца я буду использовать солнечную модель BS05 (AGS, OP) Джона Бахколла. Это дает$X_i=X_j=0.36462$,$\rho=1.505\times10^2\text{ g cm}^{-3}$, а также$T_{c,\odot}=1.548\times10^{7}\text{ K}$. Замена некоторых из них дает

$$\frac{q_{ij,\odot}}{q_{ij,*}}=\frac{(0.36462)^21.505\times10^{2}\text{ g cm}^{-3}\tau_{\odot}^2e^{-\tau_{\odot}}}{(1)^25.462\times10^{-5}\text{ g cm}^{-3}\tau_*^2e^{-\tau_*}}=3.66\times10^5\frac{D_{ij}^2T_{\odot}^{-2/3}e^{-\tau_{\odot}}}{D_{ij}^2T_*^{-2/3}e^{-\tau_*}}$$ Больше замен дают $$\frac{q_{ij,\odot}}{q_{ij,*}}=2.9\times10^4e^{\tau_*-\tau_{\odot}}$$ В нашем случае $D_{ij}$является $42.46\mu^{1/3}$, с $\mu$будучи приведенной массой (обратите внимание, что $\mu\neq A$), если $T$выражается в мега-Кельвинах (т.е. в миллионах Кельвинов). Мы можем понять, что $\tau_*>\tau_{\odot}$потому что $T_{c,*}<T_{c,\odot}$, и поэтому $$e^{\tau_*-\tau_{\odot}}>e^0=1$$ Следовательно, $\frac{q_{ij,\odot}}{q_{ij,*}}\gg1$, и кажется, что любое слияние будет незначительным.

Ссылки на уравнения скорости реакции:

• Университет Дьюка
• ТУМ
• UCSC

Вывод

Я предположил, что маломассивная квазизвезда — черная дыра, окруженная большой звездообразной газовой оболочкой, — может обладать свойствами, сходными с массивной звездой$\sim100M_{\odot}$. Я взял значения центрального давления и плотности$5\times10^9\text{ J/m}$а также$5.426\times10^{-5}\text{ g cm}^{-3}$для квазизвезды с массой оболочки$100M_{\odot}$вокруг черной дыры массы$1M_{\odot}$. Профили температуры, плотности и давления с использованием политропического приближения показывают, что синтез маловероятен даже в центре, и поэтому единственным источником энергии квазизвезды должна быть аккреция черной дырой. Объект должен оставаться стабильным от одного миллиона до десяти миллионов лет, что является разумным сроком службы.

Я начну свой ответ с признания тех ответов, которые были до меня. Каждый из них, так или иначе, проинформировал и вдохновил мой разум на создание устройства, которое, я надеюсь, удовлетворяет требованиям вопроса.

Первое и наиболее распространенное ограничение, которое все, по-видимому, предполагали (и я работаю без каких-либо предположений), заключается в том, что этот объект должен быть размером со звезду . Учитывая ограничение, согласно которому объект не должен работать на термоядерном топливе, он также не должен достигать, так сказать, «критической массы», которая примерно в 80 раз превышает массу Юпитера.

Эти ограничения представляются более разумным требованием:

• $0.087 \text{ M}_{☉}$ИЛИ о$1.73 \times 10^{29}$кг по массе
• $4.85 \times 10^{23}$Выходная мощность Вт
• Световая отдача 14,35 % или 98 люмен/Ватт

Для этих последних двух требований я сослался на наименее светящую нормальную звезду из Википедии и эффективность нашей собственной звезды, поскольку мы, вероятно, хотим, чтобы этот светоизлучающий объект был полезен для орбитального тела.

Итак, теперь к «идее» без математики, так как эта идея требует экзотических материалов, которые еще не обнаружены.

Прочитав больше, я обнаружил несколько возможных вариантов и ограничений.

Например, если я придерживаюсь своей первой идеи и использую тиксотропную жидкость и реопектическую жидкость с уникальными свойствами (изменение плотности при переходе из жидкого состояния в твердое и хрупкость в твердом состоянии), заставляющими их меняться местами в «мантии» через трещины, трещины, куски, перемещающиеся и снова ликвидирующиеся, создающие силы трения и сжатия друг на друга, проявляющие одно или несколько люминесцентных свойств , таких как пьезолюминесценция, криолюминесценция и т. д.

Я надеюсь, что массы звездных размеров и движения этих жидкостей будут генерировать достаточно энергии с помощью нескольких люминесцентных типов, чтобы генерировать свет с помощью комбинации этих средств.

Полагаться на эти люминесцентные свойства означает полагаться на полициклическое производство энергии, надеюсь, не одновременно, а, к сожалению, в геологических масштабах. Это создает потребность в какой-то структуре для хранения энергии и непрерывного ее высвобождения.

Эта структура будет своего рода геодезической структурой звездных размеров, цель которой будет заключаться в том, чтобы находиться в точке равновесия двух жидкостей и может выполнять множество функций:

• Собирать электрическую энергию, выделяемую из поляризованных жидкостей.
• Разряжать электричество непрерывным потоком
• Производить свет на уровне 400 лм/Вт?
• Сжиматься или расширяться по мере того, как граница между средами меняется приливно или иначе
• Сузить поток одной среды в другую, чтобы генерировать больше энергии?

Первоначально я предложил некоторые дополнительные улучшения, в частности, использование кристаллического ядра, которое является пьезолюминесцентным/электрическим, и/или суспензию крошечных кристаллов со схожими свойствами в двух жидкостях.

Теперь я считаю, что использование кристаллического ядра может быть очень проблематичным. Учитывая давление, которое он должен выдержать, ядро, скорее всего, треснет, если не перегреется, и расплавится, потеряв свою функцию в качестве еще одного источника люминесценции или электрического тока. Интересным способом обойти это было бы создание нескольких меньших звездных тел, вращающихся вокруг друг друга... но это могло бы слишком сильно "рассеять" свет.

Однако использование маленьких кристаллов (и «маленький» здесь может означать довольно массивный) в суспензии может оказаться весьма плодотворным. 1 см ³ кварца, например, производит 12 500 Вольт при правильно приложенной силе 2 кН. В будущем могут появиться гораздо более экзотические кристаллические структуры. Беглый просмотр в Интернете показывает отличные кандидаты, такие как ниобат магния-свинец-титанат свинца .

Я специализируюсь на философии, поэтому математика для меня действительно сложна (читай: невозможна без дополнительного времени и практики).

Однако беглый взгляд в Google показывает, что даже при идеальных уровнях рекуперации энергии только 10% гравитационной силы будет преобразовано в полезную энергию. Но это, вероятно, будет ближе к 1%. Это основано исключительно на пьезоэлектрическом эффекте .

По сути, то, что я делаю, представляет собой гигантское гравитационное электрическое устройство, которое можно использовать для питания какого-то сверхбольшого светодиода? Это космическая лампочка!

Это не могло быть вечным, но я не могу измерить, как долго это продлится. Возможно, кристаллы со временем растворятся или превратятся в пыль и улетят в космос? Возможно, две жидкости в конце концов придут к какому-то равновесию? Может быть, эти материалы никогда не могут существовать? ( Хотя я бы никогда не сказал никогда! )

Однако я не верю, что это может привести к каким-то катастрофическим событиям.

Теперь я могу дать больше двух ссылок :)

Примечание. Этот ответ еще даже не близок к завершению. Я публикую это как своего рода проверку на здравомыслие, чтобы я мог получить некоторую информацию о том, является ли моя идея полностью сумасшедшей или нет. Ссылки и другие номера будут приходить.

---

Введение

Когда я писал этот вопрос, я думал, что механизм Кельвина-Гельмгольца не будет хорошим решением проблемы. Легко видеть, что если бы солнцеподобное тело производило энергию с той же скоростью, что и Солнце, таким образом, оно исчерпало бы энергию примерно через 10 ⁷ лет. Это то, что заставило меня отказаться и от других идей, то, что я назову проблемой шкалы времени.

Я рассматривал различные способы использования некоторых форм аккреции. Я уже был знаком с объектами Торна-Житкова (TŻOs) , которые мне предложили несколько человек. TŻO — красный гигант или красный сверхгигант М-типа, ядро ​​которого заменено нейтронной звездой. В верхних слоях звезды продолжается ядерный синтез, а внутренняя оболочка аккрецируется новым ядром, производящим энергию. В ответе Деметрия говорилось о нескольких очень важных плюсах и минусах. К сожалению, недостатки (к которым я добавил) перевешивают преимущества (см. Thorne & Żytkow (1977) ):

• Ядерный синтез все еще происходит в верхних слоях.
• Оболочки хватит на время порядка ~10 ⁷ или ~10 ⁸ лет, что слишком мало.
• Существует вероятность нестабильности в различных слоях оболочки.

Другая возможность, которая пришла мне в голову, заключалась в том, чтобы использовать квазизвезду , чрезвычайно массивную протозвезду, ядро ​​которой коллапсирует в черную дыру. Недостатки заключаются в том, что время жизни оболочки будет примерно таким же, как у TŻO, а протозвезда должна быть как минимум в 1000 раз больше массы Солнца (см. Begelman et al. (2008) ).

Также упоминался последний спекулятивный вариант, который я придумал: темная звезда . Это будет смесь темной материи и нормальной материи, которая генерирует энергию за счет аннигиляции между нейтралино. Недостатки двояки: «звезда» будет иметь диаметр от 4 а.е. до 2000 а.е. и не будет излучать свет в видимой части спектра.

Это наиболее хорошо изученные типы экзотических звезд. Должно быть очевидно, что они не могут быть хорошей заменой звезды и соответствовать установленным мной требованиям по времени и светимости. Решение, которое я предлагаю здесь, гораздо более приземленное, по крайней мере, с точки зрения состава звезды.

Я предлагаю использовать механизм Кельвина-Гельмгольца для питания звезды типа Т Тельца . Проблема шкалы времени может быть решена путем периодической потери массы и пополнения, повторяющейся каждый раз Кельвина-Гельмгольца, с помощью диска, в котором и из которого колеблется смола. Ядерного синтеза не произойдет, потому что температура в ядре звезды не достигнет достаточно высокого уровня.

---

1. Звезда

Механизм Кельвина-Гельмгольца переводит потенциальную энергию гравитации в излучаемую энергию. Вывод прост. Полная излучаемая гравитационная потенциальная энергия равна

$$U_r=\frac{3M^2G}{10R}$$ или, установка $C=\frac{3}{10}$, $$U_r=\frac{CM^2G}{R}$$ я использую $C$¹ [Сноска: некоторые авторы используют $\eta$.] здесь, потому что это не совсем правильно. Пропорциональность правильная, но должен быть индикатор того, насколько хорошо объект сжимается. Это может сильно различаться; например, для Юпитера $C\approx0.03$. Однако в данном случае мы возьмем $C=\frac{3}{10}$.

Учитывая, что светимость — это энергия с течением времени, мы можем написать

$$\frac{U_r}{t}=L\to t=\frac{3M^2G}{10RL}$$ Мы могли бы наивно заменить в $L=L_{\odot}$, светимость Солнца, и сделать то же самое для массы и радиуса, и вычислить шкалу времени Кельвина-Гельмгольца. Но это не даст правильного времени для звезды такой массы и радиуса по нескольким причинам:

• Нет никаких оснований для того, чтобы данная светимость была светимостью, создаваемой такой звездой. Это только сказало бы нам, как долго просуществует тело, действующее подобно Солнцу, но производящее энергию через механизм Кельвина-Гельмгольца.
• Радиус такой звезды будет меняться со временем по мере продолжения сжатия. То же самое должно относиться и к светимости в некоторых случаях.

Чтобы точно разработать модель, мы должны рассмотреть некоторые реальные случаи такого сжатия звезд. Такие звезды являются звездами до главной последовательности, живущими либо на пути Хаяши (для звезд с меньшей массой), либо на пути Хеньи (для звезд с большей массой). Звезды на треке Хаяши со временем уменьшают светимость, сохраняя при этом постоянную температуру; звезды на треке Хеньи со временем нагреваются, сохраняя постоянную светимость. Через определенное время они присоединяются к основной последовательности, так как начинается ядерный синтез.

Кумар (1962) дает альтернативное выражение для энергии, высвобождаемой при сжатии (мы сохраняем дополнительный член, предполагая ненулевые начальный и конечный радиусы, важность которых будет объяснена позже):

$$t=\frac{GM^2}{28\pi\sigma T_{\text{eff}}^4}\left(\frac{1}{R_2^3}-\frac{1}{R_1^3}\right)$$ Обратите внимание, что есть дополнительный член для начального радиуса. Это отчасти из-за другого вывода, а отчасти потому, что нам нужно принять конечный начальный радиус, в отличие от большинства моделей.

Эффективную температуру звезды на треке Хаяши можно легко рассчитать:

$$T_{\text{eff}}=(2600\text{ K})\mu^{13/51}\left(\frac{M}{M_{\odot}}\right)^{7/51}\left(\frac{L}{L_{\odot}}\right)^{1/102}$$ куда $\mu$– средний молекулярный вес частиц газа. Этот последний фактор светимости показывает, что температура звезды на треке Хаяши очень слабо зависит от светимости. В данном случае я полностью отбрасываю этот термин, устанавливая его равным 1. Это означает, что если мы установим конечный и начальный радиусы постоянными, время, затрачиваемое на трек Хаяши, полностью зависит от массы, за исключением сочинение. Мы можем сказать $$T_{\text{eff}}^{-4}\approx(2600^{-4})\mu^{-52/51}\left(\frac{M}{M_{\odot}}\right)^{-28/51}$$ а потом $$t\approx\frac{(2600)^4G}{28\pi\sigma\mu^{52/51}}M^2\left(\frac{M}{M_{\odot}}\right)^{-28/51}\left(\frac{1}{R_2^3}-\frac{1}{R_1^3}\right)$$ Теперь я мог бы просто установить $t$до ~10 ⁹ лет, затем используйте это, чтобы найти массу звезды, выбрав два радиуса в качестве предположений. Но большая проблема заключается в том, что звезды с малой массой и низкой светимостью дольше остаются на траектории Хаяши. Следовательно, любой объект, остававшийся на треке Хаяси, большую часть этого времени был довольно тусклым. Так что это довольно бессмысленно.

Вот почему звезде необходимо проходить циклы сжатия. Чтобы звезда на треке Хаяси имела достаточно высокую светимость, она должна иметь определенную массу. Однако времени на трассе Хаяси будет недостаточно для моих нужд. Следовательно, он должен продолжать двигаться по этому пути по круговому эволюционному пути.

Каждый цикл начинается с обретения большой околозвездной оболочки радиусом$R_1$. Гравитация заставляет звезду сжиматься до конечного радиуса$R_2$. В конце этого сжатия какой-то механизм должен вызвать потерю массы, чтобы последующие оболочки не стали чрезмерно большими и не заставили звезду в конечном итоге начать синтез водорода. Эта потеря массы унесет все, кроме небольшого ядра. Затем звезда получит новую оболочку, и цикл повторится.

Механизм набора массы будет обсуждаться позже, а сейчас я расскажу о проблеме потери массы. Самый заманчивый вариант – сильный звездный ветер сдует лишний материал. На самом деле звезды типа Т Тельца часто имеют сильные звездные ветры, иногда называемые ветрами типа Т Тельца, или биполярные потоки, связанные с астрофизическими струями. Проблема здесь в том, что эти ветры начинаются только после того, как начался ядерный синтез.

Другая проблема заключается в том, что звездные ветры обычно довольно регулярны. Тип потери массы, который я ищу, будет внезапным, сильным и недолгим. Так что на данный момент я немного в затруднительном положении относительно того, что с этим делать. Я подозреваю, что взаимодействия диска со звездой могут в конечном итоге стереть оболочку и заменить ее менее плотной, но для доказательства этого мне потребуется моделирование.

2. Диск

Что касается диска, я представляю что-то вроде аккреционного диска. Она должна быть в десятки масс Солнца по массе, и она должна быть достаточно широкой. Лучшей единицей измерения могут быть световые годы, а не астрономические единицы. Он также должен быть толстым. Для профиля плотности я думаю использовать профиль модели Пламмера-Кузьмина :

$$\Phi(r,z)=-\frac{G\mathcal{M}_{\text{disk}}}{\sqrt{r^2+(a+\sqrt{z^2+b^2})^2}}$$ куда $\Phi(r,z)$гравитационный потенциал и $a$а также $b$являются константами.

Состав диска будет состоять в основном из пыли и газа в виде молекулярного водорода (возможно, неионизированного). Он не должен быть слишком горячим или плотным — опять же, мне нужно, чтобы ядерные реакции не происходили в диске или во время аккреции.

Чтобы проанализировать движение звезды по ее орбите в стиле Ситникова , я буду использовать лагранжиан:

$$\mathcal{L}=\frac{1}{2}M\dot{z}^2-M\Phi$$ Я ограничил движение, чтобы оно было линейным в $z$-ось, поэтому наше единственное релевантное уравнение Эйлера-Лагранжа $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial\dot{z}}\right)=M\ddot{z}=\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial z}$$ Затем это становится $$\ddot{z}=\frac{G\mathcal{M}_{\text{disk}}z\left(a+\sqrt{b^2+z^2}\right)}{\sqrt{b^2+z^2}\left(\left(a+\sqrt{b^2+z^2}\right)^2+r^2\right)^{3/2}}$$ Звезда начнется в $r=0$, и, учитывая, что будет радиальная симметрия и не будет радиальных сил, она останется там. Следовательно, $$\ddot{z}=\frac{G\mathcal{M}_{\text{disk}}z\left(a+\sqrt{b^2+z^2}\right)}{\sqrt{b^2+z^2}\left(a+\sqrt{b^2+z^2}\right)^3}=\frac{GMz}{\sqrt{b^2+z^2}\left(a+\sqrt{b^2+z^2}\right)^2}$$ Это нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка вида $$y''=f(y)$$ куда $y=g(x)$. Здесь, $y=z$а также $x=t$. Мы можем решить для $t$как функция $z$. Решение $$t=\pm\left(-C_2+\int\left[C_1+2\int f(z)dz\right]^{-1/2}dz\right)$$ Интеграция $f(z)$не представляется возможным аналитически, хотя я пытаюсь численно. Один (неизящный) способ сделать это — аппроксимировать ряд Тейлора $f(z)$до некоторых $O(z^N)$для достаточно больших $N$. Затем вы можете интегрировать это, а затем, возможно, взять выражение в скобках и создать для него ряд Тейлора и интегрировать.

Плюс всего этого в том, что если вы знаете скорость звезды на$z=0$, вы можете найти его максимальную высоту (используя закон сохранения энергии), а отсюда вы можете найти его период,$P$, а также$P/2$.

Меня больше всего беспокоит эта установка — стабильность. Планета Ситникова неустойчива к радиальным возмущениям. В зависимости от профиля плотности диска это может быть, а может и не быть. Теперь в случае кольцеобразного объекта, дающего возможность телу колебаться, таких неустойчивостей может и не быть. На этой странице рассматриваются некоторые свойства тороидальной планеты, в том числе возможные орбиты ее спутников.

Хотите верьте, хотите нет, но существуют стабильные (по крайней мере, в краткосрочной перспективе) орбиты, проходящие через центр тора!

Я бы сказал, что здесь возможна такая же стабильность, даже если гиперболоид «более прямой». Мы можем разложить профиль плотности диска на такой тор, на некотором стабильном расстоянии от центра, и менее плотную область, вовлеченную в активную аккрецию. Это может привести к орбитам, подобным тем, которые вычисляются для Луны и тороидальной планеты.

Я буду редактировать, очищать это и уточнять позже (и заменять ссылки на Википедию), но хотел записать то, что у меня есть на данный момент, прежде чем я забуду или потеряю все страницы.

У нас может быть искусственная звезда с алмазным ядром , нагретая реактивным двигателем на антивеществе до 3000 °C. Этого недостаточно для такой звезды, как наше Солнце, но она может нагреть окружающий водород достаточно, чтобы перейти в красно-оранжевый диапазон.

Основываясь на превосходном ответе Самуэля здесь , у нас может быть бриллиант звездных размеров в диапазоне 253 000 км и 573 000 км. Это больше, чем солнечное ядро, а это значит, что мы можем окружить его водородом и не дать ему вызвать термоядерный синтез.

Алмаз хорошо проводит тепло и может безопасно нагреваться до ~ 3000 C под давлением. Например, когда он находится в центре звезды.

3000 C — это температура поверхности красного гиганта , поэтому мы можем получить такой свет.

TODO:

• Определите, больше ли масса звездного алмаза массы ядра, и если да, то достаточно ли этого для запуска синтеза.
• Придумай, как уберечь двигатель антиматерии от разрушения под давлением, что испортит все дело.

Неа.

Вы получите объект размером со звезду, высвобождающий энергию в результате синтеза, если только он не сделан из элементов тяжелее железа . Таким образом, вы можете сделать звезду из железа , но она не будет выделять много энергии.

Что насчет деления?

К сожалению, объединение слишком большого количества продуктов деления без замедлителя нейтронов высвободит больше энергии, чем гравитационная энергия связи звезды, и она разорвется на части. Все хорошие замедлители нейтронов легче железа, поэтому их масса, равная массе звезды, просто вызовет их синтез. Есть некоторые виды самоограничивающегося ядерного топлива , такие как гидрид урана-циркония, который имеет отрицательный температурный коэффициент реактивности топлива, но я сомневаюсь, что вы могли бы создать звезду из него и сохранить эти свойства.

Любая другая реакция не предотвратит синтез или не продлится достаточно долго, чтобы прожить примерно столько же, сколько традиционная звезда.

Объекты Торна-Житкова являются примером, если они существуют (а есть свидетельства того, что они существуют).

Эти звезды могут иметь два разных источника энергии:

• Ядерный синтез, пусть и в довольно необычных условиях.
• Аккреция на ядро ​​НЗ.

Второй намного эффективнее (энергоотдача ~$0.12mc^2$против ~$0.007mc^2$). Однако основным источником энергии для фактического TZO может быть любой из них. Это связано с тем, что конвективная оболочка может обрушить новое термоядерное топливо и смыть термоядерную золу.

Поскольку аккреция на НЗ высвобождает гораздо больше энергии на единицу массы, чем синтез, она вполне способна поддерживать TZO против гравитации, пока существует TZO, даже если синтез не является основным источником энергии. Продолжительность жизни, вероятно, будет довольно короткой (< 1 миллиона лет). Однако это происходит потому, что звездные ветры выбрасывают внешнюю оболочку, а не потому, что аккреция не может обеспечить достаточную мощность.

В то время как синтез будет происходить в любом TZO, в TZO, управляемом аккрецией, количество энергии от синтеза намного ниже.

Трудно представить себе звезду, которая не питается за счет ядерного синтеза, за исключением уже существующих .

Некоторый фон

Ядерный синтез — это процесс, при котором два ядра двух атомов сливаются вместе (отсюда и ядерный синтез ). Это может произойти только при огромной температуре и давлении.

Звезда — это огромный объект. В его основе давление и температура огромны , и из-за этого начнется ядерный синтез.

Некоторые цифры

$$\begin{equation}\tag{1} T_{\text{eff}} \propto \sqrt{M} \end{equation}$$

С использованием$T_{\text{eff ☉}} = 5780\text{K}$а также$M_☉ = 1.988 \times 10^{30} \text{kg}$, из (1) получаем:

$$T_{\text{eff}} = k\sqrt{M}$$ $$k = \frac{T_{\text{eff}}}{\sqrt{M}}$$ $$\begin{equation}\tag{2} k = 4.1 \times 10^{-12} \end{equation}$$

Мы знаем, что объекты с массой в 3 массы Юпитера являются звездами , хотя слияние происходит только при массе 13 единиц Юпитера (это будет актуально через мгновение).

Таким образом, из бесчисленных триллионов звезд все, что превышает$2.47 \times 10^{28} \text{kg}$ будет происходить ядерный синтез. Используя наши числа из (2), это:

$$T_{\text{eff}} = 4.1 \times 10^{-12} \times \sqrt{2.47 \times 10^{28}}$$ $$\approx 644 \text{K} = 371 \text{°C}$$

что является крошечной температурой по звездным меркам. Конечно, их ядра горячее, поэтому и происходит синтез, но их эффективная температура крошечная. Таким образом, подавляющее большинство звезд горячее.

Вывод

Большинство звезд будут питаться за счет ядерного синтеза. Возможны ли другие методы, это немного не имеет значения, потому что существование этих методов не будет отрицать тот факт, что из-за огромного количества энергии, высвобождаемой при синтезе, происходящий ядерный синтез будет основным источником энергии звезды. За исключением, пожалуй, врожденных черных дыр.

Меньшая часть звезд — а эти звезды уже существуют — будут существовать без ядерного синтеза. Нейтронные звезды, хотя и классифицируются как звезды, не подвергаются термоядерному синтезу.

В « Палимпсесте » Стросс использует «некрозвезду», чтобы Земля оставалась пригодной для жизни на несколько порядков дольше, чем просуществовало бы Солнце.

Это была черная дыра, окруженная газом, а гравитация была основным источником энергии, дающим почти 100% массы энергии.

Единственная причина замены солнца заключалась в том, чтобы сделать его более длительным (намного).

Теоретически возможно, я думаю. Используя нашего друга тория.

Здесь, на земле, Th по сути 100% Th-232, так что давайте считать его чистым.

Th не делящийся (хорошо для наших целей), и у него действительно хороший длительный период полураспада в 14,05 миллиардов лет.

Если вы рассматриваете всю серию тория, у вас есть выход энергии 42,6 МэВ (включая нейтрино), что также составляет 6,83e-12 джоулей. Конечно, мы теряем почти все нейтринное тепло (так же, как и наше Солнце).

Таким образом, один моль Th в конечном итоге дает 4,11e12 Дж, или один кг дает 1,77e13 Дж. Половина высвобождается в течение первых 14 миллиардов лет.

Таким образом, один кг Th-232 высвобождает около 20 мВт, поэтому вам потребуется 5 тонн для питания 100-ваттной лампочки. Поздравляем, теперь у вас есть очень маломощный, но очень долговечный РИТЭГ.

Наше Солнце имеет массу около 2e30 кг. Итак, давайте заменим его на 2e30 кг тория. Теперь у нас есть РИТЭГ 4E28 Вт. Наше солнце на самом деле производит только около 4E26 ватт, так что это в 100 раз мощнее нашего солнца, и оно должно быть значительно меньше, учитывая относительную плотность материалов.

Фактическое количество Th-232, необходимое вам для создания собственного солнца без термоядерного синтеза, будет зависеть от точных условий, которые вы хотите, но в первом приближении всего 1e28 кг Th должно быть достаточно близко, поскольку общая выходная мощность будет примерно такой же. как наше солнце.

Сделать эту звезду несложно. Шаг 1: Начните с 1e28 кг Th, Шаг 2: бросьте все это в большую кучу и отойдите подальше.

Найти столько тория будет непросто. Масса вселенной составляет около 3e52 кг, Th составляет, возможно, 1 часть в 1e13, поэтому, округляя до ближайшей степени 10, 1e39 кг Th во Вселенной. Этого достаточно, чтобы построить 1e11 ториевых звезд. Хм, может быть, не так уж и сложно, если у вас достаточно мотивации, чтобы очистить галактику от всего ее тория.

Если вы обнаружите, что со временем звезда уже не так блестит, как вам хотелось бы, подбрасывайте в огонь немного тория каждые 10 миллионов лет или около того.

Мы все? Не питается от термоядерного синтеза. Выходная мощность аналогична звезде. Продолжительность жизни похожа на звезду. Никаких бедствий в ближайшие несколько миллиардов лет.

Аккреционный диск, питаемый коричневым карликом или газовой планетой-гигантом.

• Не звезда (хотя центральное тело обычно представляет собой остаток звезды, белый карлик, нейтронную звезду или маленькую черную дыру)
• Поддерживаемый силой тяжести за счет углового момента
• Производит энергию путем преобразования гравитационной потенциальной энергии падающего вещества в излучение.

Для белого карлика и центрального тела нейтронной звезды излучение испускается, когда падающее вещество сталкивается с поверхностью; на этой стадии происходит дополнительное выделение энергии при синтезе. Если центральным телом является черная дыра, то нет поверхности, с которой можно было бы столкнуться, но горизонт событий имеет такую ​​маленькую окружность (радиус Шварцшильда черной дыры с массой Солнца составляет 2953 м), что фрикционный нагрев падающего вещества заставляет его излучаться почти всю свою гравитационную потенциальную энергию.

Если это искусственное сооружение, то можно оставить в резерве несколько газовых гигантов; такая структура может существовать триллионы лет.

Массивный объект не обязательно разрушается под действием силы тяжести. Гравитация, безусловно, стянет составные части (частицы) вместе, но не сможет удержать их там. При одной только гравитации каждая часть находилась бы на орбите ; преобразование между кинетической энергией и гравитационной потенциальной энергией навсегда.

Если мы введем другую силу, например электромагнетизм, то произойдут две вещи. Во-первых, энергию можно преобразовывать по-новому; например, частицы могут излучать электромагнитное излучение и, следовательно, уменьшать свою кинетическую + потенциальную энергию, вызывая распад их орбит. Во-вторых, могут возникнуть новые взаимодействия между частицами, т.е. столкновения, которые нарушают их орбиты. Вот почему водородные облака схлопываются в диск.

Что, если у нас нет такой силы, как электромагнетизм, действующей на наши частицы? Так обстоит дело в некоторых моделях темной материи. В этих моделях темная материя взаимодействует через гравитацию, а не через электромагнетизм, поэтому она не будет коллапсировать так, как это делает барионная материя. Совокупность постоянно вращающихся частиц темной материи называется гало темной материи . Хотя обычно такое гало обсуждается в галактических масштабах, в принципе такое гало может иметь размер и массу звезды; особенно если они так устроены.

Таким образом, гало темной материи не нуждаются в источнике энергии, чтобы избежать гравитационного коллапса; но они не очень "звездные". Есть ли способ, которым они могли бы излучать энергию, как звезда? Модели WIMP позволяют частицам темной материи взаимодействовать посредством слабого взаимодействия; в этом сценарии могут происходить коллизии, просто очень редко. Многие эксперименты пытаются обнаружить такие столкновения. Эти редкие столкновения обеспечивают механизм регуляции некоторых других реакций, напр. аннигиляция материи / антиматерии, чтобы предотвратить нормальные неуправляемые цепные реакции, упомянутые в других ответах

Коричневые карлики — это звездоподобные объекты, которые получают большую часть своей энергии от гравитационного коллапса. Если представить себе коричневого карлика без какого-либо дейтерия (а также без какого-либо лития, если коричневый карлик достаточно массивен, чтобы синтезировать литий), то вся выходная энергия исходит от гравитационного коллапса плюс радиоактивный распад любых радиоактивных элементов. Это был бы тусклый и довольно быстро остывающий объект, но все же звездообразный без какого-либо термоядерного синтеза. Чтобы увеличить срок службы, добавьте радиоактивные элементы с длительным периодом полураспада, например, торий-232 имеет период полураспада 14,05 миллиарда лет ., так что достаточное его количество должно сохранять тепло в течение некоторого времени, не вызывая цепной реакции. Если вы хотите, чтобы естественный механизм производил такую ​​«звезду», вам, вероятно, нужно проявить изобретательность, но он может быть «легко» сконструирован любой цивилизацией Кардашевского типа 3 .

Другим, более экзотическим объектом может быть нейтронная звезда или белый карлик, окруженный стабильным аккреционным диском, который будет терять вещество с постоянной скоростью. Чтобы предотвратить слияние падающего вещества, оно должно состоять из достаточно тяжелых элементов, чтобы они не подверглись слиянию при столкновении с нейтронной звездой. Такой объект, вероятно, необходимо создать, по крайней мере, если он должен быть долгоживущим и иметь относительно стабильный выход энергии. Верхний предел продолжительности жизни, вероятно, наступает до тех пор, пока нейтронная звезда не схлопнется в черную дыру, поэтому зависит от желаемого выхода энергии, определяемого массовым потоком падающего вещества. Возможно, вам придется добавить несколько дополнительных объектов, чтобы дестабилизировать диск материала, чтобы все падало с нужной скоростью.

Вы также можете представить себе черную дыру с таким аккреционным диском, но тогда не будет фактического столкновения с центральным объектом, поэтому вам придется иметь столько падающей материи, что она столкнется сама с собой и таким образом нагреется. Не занимаясь математикой, я думаю, что этот тип объекта будет довольно недолговечным, прежде чем у него закончится падающая материя. Другим экзотическим вариантом может быть черная дыра и/или нейтронная звезда в двойной системе, где вы сможете контролировать скорость падения материи и генерации энергии дольше, чем это может делать одиночная нейтронная звезда (до коллапса в черную дыру). ).

Может ли вопрос быть и ответом? Потому что у меня нет физики, чтобы ответить на этот вопрос, и я не уверен, что у кого-то есть.

Магнитное поле имеет плотность энергии. Одним из самых экзотических известных астрофизических объектов, наблюдаемых в действительности, является магнетар . Это нейтронная звезда, сформировавшаяся с магнитным полем до 10E11 Тесла. Его выходная энергия в течение десятков тысяч лет высвобождается за счет распада этого магнитного поля.

Для сравнения, самое сильное магнитное поле, создаваемое на Земле, составляет около ста Тесла. Поле вокруг магнитара будет искажать атомные ядра в нитевидные образования. Это приведет к тому, что вакуум станет двулучепреломляющим. Некоторые наблюдения за магнетарами (глюки и антиглюки) изучены недостаточно.

Энергия, запасенная данным объемом магнитного поля, пропорциональна квадрату этого поля.

Мой вопрос. Помимо гравитационного коллапса достаточно высокой плотности энергии в черную дыру, существует ли какой-либо верхний предел силы магнитного поля?

Если нет, то «супермагнетар» представляет собой физическую альтернативу ядерному синтезу в качестве источника звездных количеств энергии в течение звездных промежутков времени. Какую форму она может принять и как она может возникнуть, я не могу себе представить.

Если вы хотите отойти от точной науки к хендвавиуму, то можно ли найти новую форму материи ближе к пределу черной дыры? И может ли он быть способен к технологическим манипуляциям?

Понятия не имею о натуральном. Но я предполагаю, что есть некоторая ценность в предоставлении искусственного решения. И что тег точных наук применим к основному вопросу. (т. е. я не буду приводить цифры для побочного вопроса.)

Предположим, у вас есть беззвездная планета размера и состава Земли, которую вы хотите снабдить искусственным солнцем, которое выглядело бы убедительно похожим на солнце для доиндустриальной цивилизации, которую вы хотите посадить на планете. Далее предположим, что у планеты также есть луна, идентичная нашей. Или, по крайней мере, достаточно похожи.

По стечению обстоятельств Солнце и Луна примерно одного размера с Земли. Таким образом, если вы нагреете поверхность Луны до той же температуры, что и фотосфера Солнца. Он будет достаточно «солнцеподобным» и будет обеспечивать такое же количество света и энергии. Спектр, помимо всего прочего, будет другим, поэтому цивилизация с промышленными технологиями и какими-либо астрономическими знаниями не спутает ее с настоящей звездой.

Важно то, что Луна намного меньше любого звездного объекта. И она может быть меньше Луны, если уменьшить орбиту. Это означает, что требуется гораздо меньше энергии, и гораздо меньше энергии будет потрачено впустую на облучение пустого пространства. Например, если Луна заблокирована приливом, только поверхность обращенной к планете стороны должна быть нагрета до полной температуры.

Эти факторы снижают энергию и мощность, необходимые для того, чтобы радиоактивный распад стал жизнеспособным методом его обеспечения. ЕСЛИ мы также предполагаем, что вашему искусственному солнцу нужно проработать всего миллион лет или около того. Я сомневаюсь, что несколько миллиардов лет, необходимых для естественной эволюции, возможны. Для схемы типа ковчега вам может сойти с рук срок жизни в сто или даже десять тысяч лет. Срок службы здесь означает, что мощность заметно не уменьшилась. Здесь очень помогает только нагрев поверхности, так как остальная часть луны действует как теплоотвод, уменьшая мощность в начале.

Единственная реальная проблема заключается в сборе необходимого количества радиоактивного материала. Я не могу придумать другого решения, кроме использования ядерных взрывов для облучения (и предварительного нагрева) поверхности. И термоядерные устройства, вероятно, понадобятся, чтобы избежать нехватки делящихся материалов. Однако у цивилизации, которая на самом деле создает искусственные солнца для беззвездных планет, может быть лучшее решение. Например, ускоритель частиц, работающий на делении, может облучать поверхность, поскольку меньше энергии будет тратиться на свет и кинетику (взрывы). Хотя при подземных взрывах должной мощности отходы должны быть минимальными.