331

Вскрываем трупы звёзд

Сегодня будем вскрывать трупы звёзд. Слабонервным просьба не читать.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Внутри звёзд идёт постоянная борьба бобра с ослом фундаментальных сил природы, поэтому для правильной постановки диагноза, надо понять, что происходит.


Ггггравитация! Одна из фундаментальных сил. Она давит, она тянет, она хочет слепить всю материю в один комок. Причём, чем ближе две массы друг к другу, тем сильнее она тянет. Уменьшите расстояние между объектами в два раза, сила притяжения возрастёт в четыре. Что же не даёт всей материи схлопнуться в одну точку под действием гравитации? На первой линии обороны стоят электроны, формирующие «щит» вокруг атомного ядра. Это вступает в борьбу электромагнитное взаимодействие.


Мы знаем, что почти вся масса атомов сосредоточена в их ядрах, которые в десятки тысяч раз меньше диаметра атомов. Для сравнения, у самого лёгкого элемента – водорода радиус ядра составляет 0,875 фм (8,751 × 10⁻¹⁶ м) в ~60 тыс раз меньше радиуса всего атома 52,92 пм или 52,92 × 10⁻¹² м), у самого тяжёлого, встречающегося в природе – Урана радиус ядра 5,85× 10⁻¹⁵ м, что в ~26 тыс. раз меньше радиуса атома (156 пм или 156× 10⁻¹² м).


Чтобы лучше понять, насколько ядро атома маленькое, возьмите для масштаба горошину диаметром 5 мм, это будет как бы ядро, затем увеличьте её в 60 тыс. раз – получите шар диаметром в 300 метров – это будет атом. Электроны атома не дают сблизиться ядрам достаточно близко, чтобы ядра слиплись, так как отталкиваются друг от друга.


Но звёзды, звёзды они большие. Очень большие, и у них много массы. Огромное количество материи сдавливается до такой степени, что атомам остаётся становится всё меньше и меньше места, чтобы двигаться, они всё чаще соударяются друг с другом, давление растёт, а доступный объём уменьшается... то есть растёт температура. Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы говорим о кинетической энергии частиц вещества. Рано или поздно, атомы начнут раздеваться терять свои электроны, если по-научному, то ионизироваться. Аналогия очень грубая и неправильная, но всё равно приведу пример – возьмите груз и привяжите к нему нитку. Теперь раскручивайте груз на нитке быстрее и быстрее (в данной аналогии – вы будете атомным ядром, а груз – электроном). Чем быстрее вы будете раскручивать, тем больше будет энергия груза. Рано или поздно нитка разорвётся и груз улетит – значит, вы ионизировались.


Много быстрых и голых атомных ядер без электронов называются плазмой. Ядра всё равно будут расталкиваться, так как они все положительно заряженные и требуется большая сила, чтобы можно было преодолеть этот барьер (кстати, он называется Кулоновский барьер). Но если хорошенько разогнать одно ядро в направлении другого, у него будет достаточно кинетической энергии, чтобы победить отталкивание и пасть в крепкие лапки сильного фундаментального взаимодейтствия (как оно работает, можно почитать в отдельном посте). Два (а бывает, и три) лёгких ядра сольются в экстазе, образуя более тяжёлое. Это называется термоядерный синтез, священный грааль человечества. Образовавшееся ядро будет легче, чем сумма масс врезавшихся друг в друга лёгких ядер, а разница вылетит в виде энергии (фотонов, электронов и нейтрино).


Так «горит» водород, превращаясь в гелий. Его запасы огромны, и большинству звёзд требуются многие миллиарды и даже десятки триллионов лет, чтобы сжечь его полностью, причём, вопреки интуиции, чем массивнее звезда, тем короче (но ярче!) окажется её жизненный путь. Малые звёзды, наоборот, живут очень и очень долго. Настолько долго, что мы до сих пор не знаем, что происходит со звёздами малого размера (с массой где-то в половину Солнца или меньше), так как ещё ни одна из них не умирала естественным образом.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Звёзды покрупнее (масса 0,4 – 3,4 Солнца) по мере израсходования запасов водорода имеют достаточную массу, чтобы гравитация сжала их ядро до такой степени, чтобы «поджечь» гелий, когда начнёт образовываться более тяжёлые элементы, вплоть до углерода. Этот процесс сопровождается выделением ещё большей температуры, и поток энергии от ядра становится настолько сильным, что, переборов гравитацию, начнёт раздувать внешние слои звезды. Звезда «пухнет» в размерах и превращается в красного гиганта. Давление на ядро уменьшается, реакции синтеза замедляются, тогда гравитация снова начинает сдавливать ядро, и они разгораются снова. Звезду «лихорадит», она постоянно меняет размеры, температуру, всё это сопровождается нарастающей потерей массы, которая превращается в звёздный ветер, богатый кислородом и углеродом.


«Горение» гелия продолжается около миллиарда лет. Если у звезды ещё остаётся масса, то «поджигаются» углерод и кислород, образовавшиеся на предыдущем этапе. Звезда ещё больше распухает, а потоки звёздного ветра усиливаются. Если масса всё ещё есть, «зажигается» неон, затем кремний, причём каждый следующий этап в разы короче предыдущего. Если «горение» водорода продолжается миллиарды лет, то когда «горит» кремний, счёт идёт даже не на дни, а на часы. Это последние часы перед смертью звезды, её последний вздох. Последними химическими элементами, которые синтезируются непосредственно в ходе термоядерных реакций является железо, никель и цинк, но до этой стадии могут дожить лишь тяжёлые звёзды, у более лёгких звёзд этот процесс может заканчиваться уже фтором.


Никель и цинк образуются, можно сказать, уже по инерции, ускоряя угасание звезды. Дело в том, что если при синтезе элементов легче железа энергии выделяется больше, чем тратится, то на синтез более тяжелых элементов энергии уже потратится больше, чем выделится. так что «гореть» внутри звезды становится уже нечему.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Всё время, пока в ядре звезды идут термоядерные реакции, давление исходящего от них излучения противостоит силе гравитации, старающейся сжать вещество как можно сильнее. Звезда находится в состоянии гидростатического равновесия. На последней стадии процесс становится очень интенсивным и быстрым. Что происходит дальше, целиком зависит от того, насколько тяжёлой была звезда.


Белый карлик

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Гравитация сжимает оставшиеся атомы в ядре звезды настолько сильно, что электроны перестают «принадлежать» отдельным атомам. Сначала электроны заполняют все нижние орбитали, поскольку места на них больше нет – мы знаем (см. пост), что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии из за принципа запрета Паули, электроны вынуждены занимать всё более и более высокие уровни.


Из-за того, что электроны не могут отдавать энергию путём перехода на забитые битком нижние этажи, материя, уже не представляет собой набор атомов, скорее, это набор положительно заряженных ядер, «плавающих» в море электронов. Такое состояние материи называется «вырожденный электронный газ».

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Белый карлик (кстати, наше Солнце и большинство звёзд в наблюдаемой Вселенной превратятся именно в него) – это медленно остывающий остаток от небольшой звезды, состоящей из вырожденного электронного газа. Плотность его очень высока, чтобы получить такую плотность Солнце надо ужать до размеров нашей планеты. Звезда уже не производит энергию, но продолжает светиться, постепенно отдавая накопленную энергию, пока не остынет настолько, что превратится в чёрного карлика (хладный труп).


Электроны оказывают очень сильное сопротивление гравитационному сжатию из-за принципа запрета Паули, и, если масса звезды была недостаточной, то гравитация уравновешивается давлением вырожденного электронного газа... но если звезда оказывается тяжелее определённого предела (предел Чандрасекара), примерно в 1.44 масс Солнца, то гравитация пересиливает и буквально «вдавливает» электроны в протоны атомных ядер, превращая ядро в нейтронную звезду. Процесс называется обратный β-распад (англ.).


Нейтронная звезда


Но предшествует этому событию грандиознейший выброс материи в окружающее пространство.


Протоны и электроны под огромным давлением объединяются, в результате чего получается нейтрон. Нейтронная звезда, ВНЕЗАПНО, почти полностью состоит из нейтронов (за исключением внешней «шелухи» из обычного вещества). Коллапс звезды продолжается до колоссальной плотности. Высвободившаяся гравитационная потенциальная энергия выбрасывает очень горячее вещество, находящееся на внешних слоях звезды, в окружающее пространство с огромными скоростями (до 10% скорости света). В процессе звезда теряет очень много своей массы, зато в ходе данного взрывного процесса (кстати, это называется «взрывом сверхновой», не путать с «новой») происходит синтез почти всех остальных химических элементов, тяжелее железа.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Тут нужно сказать, что упомянутый всуе предел имени индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара по массе звезды касается лишь массы её ядра. Для того, чтобы белый карлик превратился в нейтронную звезду, его масса (до взрыва) должна составлять примерно около 8 Солнечных масс. Масса в восемь Солнц оставляет «труп» массой всего в 1.4 массы Солнца, масса в 20 солнечных оставит ядро массой всего в три.


Диаметр нейтронной звезды, имеющей массу Солнца, составляет всего 10-20 км.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Средняя плотность её вещества составляет 2,8 × 10¹⁷ кг/м³. Такой материал называют «нейтронием». Это, в принципе, максимальная плотность, которую вообще может иметь материя, поэтому нейтроний так любим писателями-фантастами в качестве брони для космических кораблей. К сожалению, нейтроний может существовать только при давлении порядка сотен миллионов тонн на кв. см, и нет никакой возможности для его существования в нормальных условиях. Даже если представить себе гипотетически, что можно было бы достать образец подобного вещества из ядра нейтронной звезды, как только снизится окружающее давление, нейтроний тут же начнёт превращаться в обычную материю, при этом процесс будет сопровождаться многомегатонным «фейерверком».


Поскольку нейтрон тоже является фермионом (его спин равен ½) на него так же распространяется принцип запрета Паули, гласящий, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Это значит, что хотя два нейтрона даже могут занимать физически одно и то же место, однако при этом иметь разнонаправленный спин, но больше нейтронов в эту область пространства поместить не удастся. Но и это препятствие не является непреодолимым. Если масса коллапсирующей звезды превышает определённый предел (на сей раз предел Оппенгеймера – Волкова, который на сегодняшний день определён в пределах 1,3 – 3 солнечных масс), последний барьер рушится и победившая всех гравитация в течение буквально секунд коллапсирует всю оставшуюся массу в безразмерную точку с бесконечной плотностью, называемой сингулярностью, а вокруг по радиусу Шварцшильда сформируется горизонт событий чёрной дыры.


Но такое происходит не так уж и часто, так как большинство звёзд в наблюдаемой вселенной имеют небольшую массу, и закончат свою жизнь как белые карлики.


Пульсары


Но вернёмся к нейтронной звезде. Нейтронные звёзды — один из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.


Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау. Так, в своей статье «О теории звёзд», написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».


Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Объект PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.


На Земле излучение нейтронных звезд наблюдается в форме периодических сигналов. Астрономы выяснили, что у этого излучения естественное происхождение. Его строгая периодичность обеспечена особенной траекторией распространения. Дело в том, что нейтронная звезда излучает не во все стороны, как обычные звезды, а в форме узкого луча или веера. Вращаясь, нейтронная звезда, как маяк, просвечивает этим лучом космос. Поэтому радиоизлучение нейтронных звезд и наблюдается в виде ярко выраженных периодических пульсаций, оттого такие объекты и называются Пульсары.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Быстрое вращение пульсара объяснить проще. Все звёзды вращаются и, соответственно, имеют угловой момент, который сохраняется и при сильном уменьшении радиуса звезды. Уменьшение радиуса ведёт к пропорциональному увеличению скорости вращения.


Но что же является источником радиоизлучения нейтронной звезды? Ведь она состоит из нейтронов, а нейтроны электрически нейтральны и не могут участвовать ни в каком электромагнитном взаимодействии. Совершенно точно, не могут, но, как я уже сказал, на внешнем слое нейтронной звезды (примерно 1 км толщиной) давление не настолько сильное, чтобы материя деградировала, и в этом слое сохраняются протоны и электроны. Их вращение формирует магнитное поле, из полюсов которого и испускается электромагнитное излучение. За счёт потери этой энергии, вращение пульсара замедляется, и он «выключается». Это происходит достаточно быстро (примерно за 10-100 млн. лет), и большинство (99%) пульсаров, образовавшихся за время существования нашей Вселенной уже «выключились».


Нейтронные звёзды представляют большой интерес, так как по своему состоянию они являются самыми близкими к чёрным дырам объектами. Их гравитация настолько высока, что, если бы мы смотрели на них, то из-за релятивистского отклонения света мы бы видели больше половины их поверхности:

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Многое в отношении нейтронных звёзд ещё предстоит узнать. Будем надеяться, что с появлением таких инструментов, как LIGO, и LISA мы ещё удивимся не одному открытию.

Найдены дубликаты

+15

автор, спасибо!. обожаю, когда пишут языком понятным каждому, кто учился до ЕГЭ

+7

Спасибо большое, я лично нового не узнал из поста, но всё равно очень люблю почитать про звёзды и космос. Заслуженный плюс прожал.

+4

Дык а что дальше то с белым карликом происходит? Вроде внимательно читал, а ответа не увидел. Написано, что конец жизни, но он же всё ещё светится, пусть и не сильно... Не останется же он так висеть на веки вечные.

раскрыть ветку 19
+1

Звезда уже не производит энергию, но продолжает светиться, постепенно отдавая накопленную энергию, пока не остынет настолько, что превратится в чёрного карлика (хладный труп).

Будет висеть, почему бы и нет. Станет чем-то типа газового гиганта, я полагаю.

раскрыть ветку 18
0

Но энергию то всё равно теряет раз светится, так что же дальше?

раскрыть ветку 17
+9
Кажется Ванкуверу пришел птздец
Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 3
+12

Учитывая, что этот шарик имеет массу в ~300 тыс раз больше, чем масса всей Земли, то не только Ванкуверу :)

раскрыть ветку 2
0

что будет в таком случае? Его гравитация притянет землю и расплющит? Или "вростет" в землю? Обьясните пжлст)

раскрыть ветку 1
+3
Таким образом все тяжёлые элементы в составе Земли являются результатом взрыва сверхновой. Т.е. когда то на месте Солнца была другая звезда, она взорвалась и из ее ошметков образовалась наша солнечная система?
раскрыть ветку 3
+1
Ещё до формирования Солнца, в том газопылевом облаке, из которого всё произошло, уже были, видимо, тяжёлые элементы, оставшиеся от чего-то.
раскрыть ветку 2
0
Ну если следовать логике повествования, то это "что-то" могло быть только сверхновой и ничем иным. Иначе каким образом мог образоваться тот же уран, например?
раскрыть ветку 1
+2
Более понятного и полного изложения я не встречала. Спасибо!
+1

А вот эти полностью остывшие и совершенно невидимые черные карлики, и остановившиеся и тоже невидимые нейронные звёзды. Почему они не годятся на роль темной материи? Ведь мы ни каким способом не можем определить, сколько на самом деле их в космосе.  Их не видно, и при этом том они очень маленькие и очень тяжёлые.

раскрыть ветку 3
+4

Во-первых, они видимы. Любой чёрный карлик или нейтронную звезду можно обнаружить, они участвуют в электро-магнитном взаимодействии (на них можно посветить фонариком, и свет от них отразится), его можно обнаружить гравитационно. Мы даже можем обнаружить гравитацию чёрных дыр.


Во-вторых:

Наиболее естественным кажется предположение, что тёмная материя состоит из обычного, барионного вещества, по каким-либо причинам слабо взаимодействующего электромагнитным образом и потому не обнаружимого при исследовании, к примеру, линий излучения и поглощения. В состав тёмного вещества могут входить многие уже обнаруженные космические объекты, как то: тёмные галактические гало, коричневые карлики и массивные планеты, компактные объекты на конечных стадиях эволюции: белые карлики, чёрные карлики — они же остывшие белые карлики, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Кроме того, такие гипотетические объекты, как кварковые звёзды, Q-звёзды и преонные звёзды, также могут являться частью барионной тёмной материи.


Проблемы такого подхода проявляются в космологии Большого взрыва: если вся тёмная материя представлена барионами, то соотношение концентраций лёгких элементов после первичного нуклеосинтеза, наблюдаемое в самых старых астрономических объектах, должно быть другим, резко отличающимся от наблюдаемого. Кроме того, эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

раскрыть ветку 2
+4

А можно построить мысленный эксперимент? Если на сфере в два световых года вокруг Солнца, можно сказать, у нас под носом, равномерно распределить сто тысяч таких тяжеленьких, но компактных объектов. Полностью остановленных, без собственного излучения, без живой звёзды в паре. Сможем ли мы на сегодняшнем уровне технологии, отследить их по отраженному электромагнитному излучению, или по линзированию?

Большое спасибо, кстати за статью! Написано очень доступно для обывателя.

Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 1
0
Капец, как интересно. Хоть и вряд ли запомню даже 10% отсюда. Но все равно, спасибо!
0
Написано отлично! Подписался.
0

Совершенно точно, не могут, но, как я уже сказал, на внешнем слое нейтронной звезды (примерно 1 км толщиной)

Кажется на УФН когда то читал, что слой всего в неск атомов толщиной

раскрыть ветку 4
раскрыть ветку 3
+1

да, тоже нашел у Гинсбурга, но что же было про неск атомных слоёв - интересно теперь:)

раскрыть ветку 2
Похожие посты
278

Немного про ядерный буксир

Часть 1.

Скриншот из видеопрезентации «Арсенала» для понимания

Немного про ядерный буксир Тэм, Физика, Космос, Длиннопост


На прошлой неделе разошлось видеопрезентации ядерного буксира с реактором тепловой мощностью 3.8 МВт и полезной 1 МВт на ионных двигателях.

Основная проблема данных аппаратов - это система охлаждения.

Для понимания реалистичности такого аппарата сделал грубый расчёт температурного режима систем такого аппарата.


Допущения:
1. Имеется турбина (количество ступеней не в данном случае не имеет значения), работающая по циклу Брайтона, без охлаждения лопаток («холодного» газа в цикле нет) - следовательно, предельная температура газа перед турбиной не более 1300 К.
2. Система имеет один замкнутый контур (обслуживание и опасность для людей при эксплуатации исключена, а значит нет смысла усложнять конструкции и снижать надёжность).
3. КПД цикла соответсвует опубликованным данным и составляет 26%.
4. При оценке не учитывается наличие ксенона в теплоносителе из за его малой теплоёмкости относительно теплоёмкости гелия
5. Оценка ведётся для идеального варианта (без учета потерь).

Ядерный буксир состоит из следующих принципиальных элементов:
- активная зона реактора, обеспечивающая нагрев газа;
- турбина, обеспечивающая вращение компрессора и генератора;
- компрессор, который в отношении реактора можно назвать циркуляционным насосом, обеспечивающий повышение давления газа и его циркуляцию по контуру;
- панелей охладителя.

Температуру в 1300 К теплоносителя на выходе из активной зоны, кроме физической прочности неохлаждаемой турбины, косвенно подтверждает спектр свечения внешнего корпуса реактора (см. видеопрезентацию)- темно желтый соответсвует температуре примерно в 1100 С.

Для оценки температур систем ядерного буксира надо определить примерный секундный расход газа.
Расход газа через турбину можно оценить по турбовинтовым авиационным двигателям - для 1 МВТ (двигатели на 1300 - 1400 л.с.) расход воздуха около 5 кг/с. Такой расход обеспечивает приемлемые характеристики потока, и максимальные КПД для авиационных турбин, которые в данном случае принципиально не отличается от турбины реактора.

Далее оценим повышение температуры в компрессоре (циркуляционном насосе). КПД в 26% по циклу Брайтона в случае с преимущественно гелиевой смесью требует степени повышения давления в 2.2 раза и нагрева газа в 1.35 раза (см. изоэнтропическое сжатие в цикле Брайтона) в градусах Кельвина.

Для обеспечения теплосьема 3.8 МВТ мощности реактора при расходе гелия 5 кг/с необходимо нагреть его (см. формулу внутренней энергии газа и теплоемкость гелия) примерно на 250 К.

При срабатывание на турбине газ производит 1 МВТ полезной работы и обеспечивает работу компрессора. Соответсвенно (пересчёт по внутреннее энергии газа и теплоёмкости) происходит понижение температуры, при расходе 5 кг/с, примерно на 70 К для совершения полезной работы и на 270 К для обеспечения работы компрессора, всего на 340 К.

Соответсвенно получаем следующие цифры:
960 К - газ после турбины и на входе в панели охладителя;
1300 К - газ на выходе из активной зоны реактора и на входе в турбину;
1050 К - газ на входе в активную зону реактора и на выходе из компрессора;
780 К - газ на входе в компрессор (1050/1.35) и после панелей охладителя.

Для ядерного буксира наиболее важны 2 цифры: 960 К и 780 К соответсвенно на входе и выходе панелей охладителя.
Зная эти температуры можно посчитать необходимую площадь для панелей охладителя.
Для стальных панелей (коэффициент черноты 0.6, средняя температура излучения 885 К) получается энергетическая светимость 0.021 МВТ/м^2.
Для сброса 2.8 МВТ тепловой энергии турбина и реактор работают на полной мощности, а это как раз охлаждение 5 кг гелия с 960 до 780 за секунду (всего 3.8 МВТ производит реактор, 1 МВТ срабатывается на турбине, остаётся сбросить 2.8 МВТ) необходимо всего 135 м^2 панелей (см. закон Стефана-Больцьмана).
В случае если турбина работает на холостых получается необходимо сбросить 3.8 МВТ при температуре на панели охладителя 1030 К и 780 К (средняя температура излучения 935 К, излучение 0.026 МВТ/м^2) требуется 150 м^2 панелей.

При допущении, что метеоритом/трещиной может быть выведено из строя 1/3 панелей, то требуемая площадь будет 225 м^2 (хотя вероятность попадания метеорита, наверное, сопоставима с вероятностью отказа частей реактора).

С учётом погрешностей расчета, неидеальных КПД турбин, реальную требуемую площадь панелей можно оценить как 240 м^2, а это 3 секции по 40 м^2 в плане, что в принципе по геометрии (3 панели 2 x 20 м) похоже на представленный аппарат.

Для примера, в проекте JIMO (американский буксир для полетов к лагам Юпитера) в системе охлаждения использовался второй контур с низкотемпературным носителем. Средняя температура в панелях JIMO - 520 К, что влечёт за собой необходимость 420 м^2 на реактор в 1 МВТ.


Если кто проверит допущения/укажет на ошибки - буду признателен.

Будет время посчитаю про возможности освоения космоса таким буксиром.

Показать полностью
917

Остаток сверхновой

Остаток сверхновой Астрофизика, Астрономия, Наука, Космос, Большое Магелланово облако, Сверхновая, Галактика, Физика

На снимке изображены остатки сверхновой, вспыхнувшей около 400 лет назад в карликовой галактике Большое Магелланово Облако. Диаметр сверхновой составляет около 23 световых лет. Скорость расширения оболочки 18 миллионов км/ч.

67

Спутник Сатурна Гиперион

Спутник Сатурна Гиперион Физика, Астрономия, Астрофизика, Наука, Космос, Спутник, Звезда, Сатурн

Является естественным спутником Сатурна. Открыт в 1848 году. Предположительно Гиперион на 60% состоит из водяного льда с небольшой примесью металлов и камней, а остальные 40% занимают пустоты. Поверхность этого объекта испещрена ударными кратерами.

398

Нептун

Нептун Физика, Астрономия, Астрофизика, Космос, Наука, Нептун, Звёзды

Нептун - это первая планета, открытая благодаря математическим расчётам, а не путём регулярных наблюдений в телескоп.
Лишь в 2011 году Нептун завершил первый оборот вокруг Солнца с момента открытия.

57

Зодиакальный свет

Зодиакальный свет Наука, Физика, Свет, Небо, Звёзды, Астрономия, Астрофизика, Космос

Зодиакальный свет — слабое свечение неба, простирающееся вдоль эклиптики, постоянно видимое в зодиакальных созвездиях (с чем и связано название этого явления). Наблюдается после захода или перед восходом Солнца. Зодиакальный свет возникает вследствие рассеяния солнечного света на скоплении частиц пыли.

566

Дыра в звёздном небе

Дыра в звёздном небе Физика, Астрономия, Астрофизика, Наука, Космос

Этой дырой на самом деле является тёмное молекулярное облако. Молекулярный газ вместе с пылью, имеющие в облаке высокую концентрацию, поглощают практически весь видимый свет от звёзд.

UPD уточнение: #comment_178411659

62

Звёзды и их многообразие

Звёзды удивительны не только своими свойствами, но и своим разнообразием. В этом видео мы расскажем о различных типах звёзд и о том, каким образом они повлияли на формирование самых редких металлов

P.s Этот ролик идёт в контексте предыдущего, где мы описываем процесс появления звёзд.
А в этом ролике, мы рассказываем о различных типах звёзд и о некоторых процессах связанными с ними, так что для полной картины посмотрите предыдущее видео

65

Нейтронная звезда в масштабах Москвы

Её масса составляет около 500 000 масс Земли. Эта маленькая и безобидная на первый взгляд звездочка могла бы разорвать Землю за считанные секунды, благодаря своей огромной массе и чудовищной гравитации.

Нейтронная звезда в масштабах Москвы Космос, Нейтронные звезды, Москва
359

В ядрах звезд найдена аномальная материя

В ядрах звезд найдена аномальная материя Космос, Нейтронные звезды, Ядро, Аномалия

В Хельсинском университете обнаружили аномальную материю в ядрах нейтронных звезд.

Финские астрофизики сумели доказать наличие экзотического кваркового вещества в основе массивных нейтронных звезд. Внутри этих космических объектов материя коллапсирует в невероятно плотное вещество. В нем нейтроны и протоны сливаются воедино, образуя огромное атомное ядро.

Новые исследования показали, что в недрах сверхмассивных нейтронных звезд появляется аномальная кварковая материя, создавая кварковое ядро. Согласно расчетам астрофизиков, диаметр такого ядра может превышать половину диаметра нейтронной звезды.

Доказать существования аномальной материи позволили наблюдения гравитационных волн и обнаружение сверхмассивных нейтронных звезд.

Ученые смогли составить уравнения состояния вещества нейтронной звезды, учитывая давление и плотность энергии в недрах. Решить уравнение помогло использование общей теории относительности.


https://phys.org/news/2020-06-neutron-stars.html

358

Учёные осуществили самое точное измерение нейтронных звёзд на сегодняшний день

Учёные осуществили самое точное измерение нейтронных звёзд на сегодняшний день Астрономия, Нейтронные звезды, Космос

В границах обозримой Вселенной достаточно много объектов, размеры которых во много раз превосходят размеры нашей планеты. Например, звезда, которая пульсирует только с одной стороны, или галактика “Сомбреро”, похожая на мексиканскую шляпу. Однако такие сверхплотные тела как нейтронные звёзды, образующиеся в результате вспышек сверхновых звёзд, имеют, как правило, более скромные размеры по сравнению с вышеупомянутыми объектами. Новое исследование, проведенное международной исследовательской группой, сузило диапазон радиусов типичных нейтронных звезд, что позволило астрономам получить наиболее точные на сегодняшний день измерения.

“Мы выяснили, что любая нейтронная звезда, которая примерно в 1,4 раза тяжелее нашего Солнца, имеет радиус около 11 километров”, - сказал в своем заявлении Бадри Кришнан, возглавлявший исследовательскую группу в Институте Альберта Эйнштейна (AEI) в Ганновере. “Наши результаты сужают диапазон радиусов нейтронных звёзд до диапазона между 10,4 и 11,9 километрами. Это в два раза точнее, чем в предыдущих исследованиях”.

В работе команды, опубликованной в журнале “Nature Astronomy”, использовалась комбинация знаний из общего описания первых принципов поведения материи нейтронных звёзд и первых наблюдений слияния двух нейтронных звёзд - GW170817.

“Слияние двух нейтронных звёзд - золотая жила информации!” - сказал Коллин Капано, научный сотрудник Ганноверской высшей школы экономики и ведущий автор исследования. “У нейтронных звёзд самая плотная материя в наблюдаемой Вселенной. Измеряя некоторые характеристики этих объектов, мы узнаем больше о фундаментальной физике, управляющей веществом на субатомном уровне”.

“Это поразительно!”, - добавил Капано. “GW170817 был вызван столкновением двух объектов размером с город. Произошло это столкновение около 120 миллионов лет назад, в те времена, когда динозавры ещё разгуливали по Земле! Это произошло в галактике за миллиард триллионов километров отсюда. Отсюда мы и получили представление о субатомной физике”.

Гравитационно-волновой всплеск GW170817 наблюдался в августе 2017 года во всём электромагнитном спектре. Разобравшись с ядерной физикой, лежащей в основе этого астрофизического события, исследователи смогли определить физические характеристики нейтронных звёзд - их массу и радиусы.

Рассчитанные ограничения дали команде дополнительную информацию о судьбе нейтронных звёзд, сливающихся с чёрной дырой в двойной системе. В большинстве случаев ограничения предсказывают, что нейтронная звезда, вероятнее всего, будет целиком поглощена чёрной дырой, а не разорвана на части. Этот факт может иметь значение для будущих наблюдений подобных событий, поскольку они могут рассматриваться только как гравитационно-волновые источники, будучи невидимыми в электромагнитном спектре.

“Эти результаты захватывают дух не только потому, что нам удалось значительно улучшить методику измерения радиусов нейтронных звёзд, но и потому, что это открывает нам дорогу к пониманию судьбы нейтронных звёзд на завершающем этапе их жизни - при слиянии двух объектов”, - объясняет Стефани Браун, соавтор публикации и аспирант Ганноверской высшей школы искусств (AEI).

Источник


Перевод: Григорий Чепель.

Показать полностью
589

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция

Хомяки приветствуют вас, друзья.


Сегодняшний пост будет посвящен интересному физическому явлению, которое порождает свет в обыкновенной воде. Одни называют это "нейтронной звездой", другие "сонолюминесценцией".

Если в пробирке создать определенные условия, то там родится маленький светящийся пузырек. Его физику описывают разными свойствами, которые трудно себе вообразить. В ходе узнаем, как в домашних условиях собрать установку для получения сонолюминесценции, как правильно настроить систему и рассмотрим трудности, которые могут возникнуть на пути создания такой звезды. Физика, электроника и прочая ерунда начинают свое вещание на ваших мониторах, потому присаживайтесь поудобней, мы начинаем...

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Все началось с того, что одним прекрасным днем просиживая задницу в просторах ютуба, на канале Сергея Матюшенко мне попался ролик про интересное явление в основе которого лежит свечение пузырька за счет акустического воздействия. Пересмотрев видео несколько раз, понял что повторить подобное явление как раз плюнуть. Через неделю на моем столе лежали все необходимые детали для сборки действующей установки.


Принцип устройства довольно прост. Сигнал с генератора подается на пьезокерамические излучатели, которые приклеены к пробирке с водой. Система представляет собой сферическую акустическую камеру, где образуется стоячая волна в жидкости. Амплитуда волны в системе регулируется переменной катушкой индуктивности, соединенной последовательно с пьезокерамикой, образуется резонансный LC-контур. Дальше помещаем в камеру пузырек воздуха, находим резонанс, ударные волны воздействуют на пузырь и он светится.


Но на деле все оказалось не так просто, как говорит мой батя: "все просто на бумаге, да забыли про овраги". Эксперимент подобен ящику Шредингера, решение задач которых отняло шесть месяцев. Попробуем подробно рассмотреть каждый элемент установки.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Пробирки. В данном случае нас интересуют круглодонные колбы. Они будут выполнять роль акустической камеры. Теоретически пробирка должна иметь высокую добротность, но как ее вычислить, глядя на картинку с химической посудой в интернете, одному богу известно. Решение: заказать сразу несколько видов таких емкостей разных фирм производителей, от советских вариантов до современных загранично-буржуйских.


Самый лучший результат показала круглодонная пробирка чешской фирмы Simax, объемом 100 мл. Она немного овальная с виду, но зато стекло у нее везде одинаковое по толщине. Советские пробирки проиграли этот параметр, так как визуально видно, как стекло переливается на свету. Как ни старался, в таких образцах мне не удалось зафиксировать сонолюминесценцию.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Самые первые эксперименты проводились с колбами на пол литра, они продавались у деда на рынке, потому не приходилось выбирать с объемом. Производитель завод "Дружная горка", старейшее предприятие в своей отрасли, которое существует с 1801 года. Из практики в такой посуде хорошо бабушкино молоко кипятить, да спирт добывать, чем и занимался в свободное от работы время.


Сравнивая пробирки можно наблюдать разницу в размере. С посудой для акустической камеры разобрались.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Далее рассмотрим пьезокерамику, которая подобно динамику будет раскачивать толпу атомов и молекул в объеме воды. Для справки: пьезоэлектрический эффект был открыт Джексом и Пьером Кюри в 1880 году. Эффект проявляется в деформировании материала, помещенного в электрическое поле, и наоборот. Эти явления еще называют прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом. Следовательно, с этих шайб можно добывать электричество, чем и воспользовался производитель зажигалок для газовых плит, запатентовав свое изобретение. Интересно, дети Пьера Кюри получают гонорар от этих запатентовщиков?!


На рынке пьезокерамика различается размерами и формами. Идеальным вариантом оказалась цельная шайба без всяких отверстий советского производства, диаметром 22 мм и толщиной 4 мм. В процессе экспериментов испытана большая пьезокерамика диаметром 50 мм и толщиной 6.5 мм, подобные кольца можно встретить в конструкции излучателей Ланжевена, которые применяют в производстве ультразвуковых ванн. Мощная вещь, можно до сотни ватт раскачивать.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Следующим этапом при создании акустической камеры лежит соединение пьезокерамики с пробиркой. Прежде чем это делать, к шайбам необходимо припаять провода. Контакты в советских образцах посеребренные или даже серебряные, потому они несколько потемнели от времени. Зачищаем поверхности до зеркального блеска. Немного работы с бор машиной, и результат не заставит себя долго ждать. Видны все маркировки и надписи на металле.


Провода будем припаивать с помощью кислоты и мощного паяльника, делать это нужно одним быстрым прикосновением, чтоб ничего не перегреть. Тут видны небольшие пазы под пайку, довольно удобное решение со стороны производителя. Провода обязательно должны быть гибкими. Тонкое напыление серебра очень деликатно к внешним нагрузкам. Жесткие выводы не допустимы, кроме того что металл вырвет, так еще и саму керамику можно повредить. Едем дальше...

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Для симметричного размещения пьезоизлучателей нужно разметить колбу. Инструменты для начертательной геометрии создаем из подручных средств: угольник, маркер, крутим колбу и отмечаем средину. В любом удобном месте ставим метку. Отрежем небольшой кусок провода или нитки, который равен окружности нашей колбы. Теперь измеряем длину нити и зафиксируем результат, 34 см. Делим эту длину на два и получаем 17 см. Ставим метку. Далее совмещаем ее с меткой на колбе. Теперь по одному из свободных концов провода осталось отметить место, где строго симметрично относительно друг друга будут размещаться излучатели. Этот пример показан на 500 мл колбе, так как первые эксперименты проводились именно на ней.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Теперь пора прикрепить излучатели. Делать это будем с помощью двухкомпонентного эпоксидного клея типа "Araldite", у него хорошая адгезия к различным материалам. Время полного застывания примерно сутки, несмотря на то, что на упаковке написано 90 минут. Таким эпоксидом пользуются китайцы при производстве ультразвуковых ванн, и это не спроста. Выдавливаем содержимое тюбиков в пропорциях один к одному. С помощью шпателя тщательно перемешиваем состав до образования однородной массы. Она станет похожа по цвету и консистенции на сгущенку с ближайшего супермаркета. Такая же густая и тянется как варенье.


Плюс такой массы в том, что она не растекается, минус - молочный цвет. В моем понимании эпоксид должен быть прозрачным, потому за время экспериментов было испробовано как минимум три вида подобных двухкомпонентных смол, и все они показали не плохой результат. Тут главное взбивать этот гоголь-моголь медленно, чтоб пузырей не было, они препятствуют хорошему акустическому контакту между излучателем и пробиркой.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Перед нанесением, поверхности необходимо обезжирить с помощью спирто-бензина или ацетона. Угадать количество смолы на излучателе дело не простое, у меня он зачастую растекался. С маленькими колбами ситуация обстоит проще, тут эпоксида нужно в разы меньше, а следовательно, будут меньше запачканы окрестности, руки, одежда и прочее. Напомню, что отмывать подобную гадость то еще занятие.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Итак, акустические камеры готовы. Работа над созданием каждой занимает примерно 2 дня. Теперь эти сосуды можно заполнять водой и пробовать получать нейтронные звезды. Но тут кроется еще один очень важный момент!

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Вода. Она тут нужна не простая, а специальная, заранее подготовленная с определенной температурой. Понимание только этого этапа отняло порядка 3-х месяцев моей жизни. Да и фиг с ней, жизней то все равно 9 штук, прям как у кошек, но это не точно.


В основном воду для эксперимента использовал после осмоса, вам тоже рекомендую обзавестись таким фильтром. Как говорят: "мы есть то, что мы пьем", я к примеру есть пиво, а вы?!


Если фильтра нет, можно использовать дистиллированную воду, если все совсем туго, то и вода с под крана пойдет, этот вариант тоже работать будет, но его не рекомендую!


Наливаем жидкость с запасом в чистую, заранее вымытую кастрюлю. Остатки старого супа не должны оказаться в нашей воде. Этот этап можно назвать дегазацией. В идеале тут хорошо применить вакуумную камеру, но в хозяйстве ее нет, потому кипятим жидкость в течение 30 минут, этого будет более чем достаточно.


Выливаем воду в контейнер для еды, он обязательно должен быть герметичным, важно чтоб в процессе остывания вода не насосала воздуха из вне. Закрываем крышку и видим как в первые секунды судок стремится расшириться и вообще взорваться при первой подходящей возможности. Но погоди, тебе нужно остыть! Поместим контейнер в холодную воду примерно на 10 минут. В это время тщательно вымоем акустическую камеру, она должна быть прозрачной как слеза. Шампунь, фейри, используем все моющие средства. За это время вода при остывании сплющила контейнер, то что нужно, она сейчас находится под вакуумом. Помещаем содержимое в морозильную камеру, нам необходимо получить температуру около 5-ти градусов. Если прозевать момент до появления корки льда, процедуру подготовки воды нужно повторить заново, так как в таком случае сонолюминесценцию наблюдать не получалось. С чем это связано - не знаю.


Чистая вакуумированная вода. Наполняем пробирку до горловины. Льем по касательной чтоб лишних пузырьков воздуха не захватить. Итак, вот она, правильная резонансная камера с правильной водой. Идеально прозрачная, холодная и шарообразная линза, в которой 10 из 10  попыток обвенчались успехом при создании и наблюдении однопузырьковой сонолюминесценции.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Теперь как делать не нужно и чем это обычно заканчивается. Если просто набрать воду с под крана или с под фильтра без дальнейшей дегазации, да еще и наливать ее как попало, то в результате мы будем наблюдать вот такую неудовлетворительную картину. Это недопустимо! Так как наша задача получить один единственный сбалансированный пузырек, который помещается в объем жидкости из вне. Но если в пробирке все же появилась газировка, достаем телефон и начинаем фоткать, можно получить красивые кадры с эффектом линзования пузырьков.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Первые попытки дегазировать воду проводились на заранее подготовленном стенде с участием дистиллята и сухого спирта. Чтобы в воду не попадали частицы пыли из воздуха, сверху одевался колпачок. Кипячение воды это еще то захватывающее явление, тут видны все восходящие потоки нагретого вещества...


Результат такого кипячения естественно ни к чему хорошему не привел, так как горловина пробирки не была герметично перекрыта, и в процессе остывания вода снова насосала воздуха и стала непригодной для продолжения дальнейших экспериментов. Но тогда я этого не знал, наливал воду и наблюдал подобную картину повсеместного пузыреобразования. Они были на внутренних стенках, в самом внутреннем объеме, в общем везде где ни попадя.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Итак, как подготовить воду мы уже знаем. При низкой температуре воды на стенках колбы начнет образовываться конденсат, он будет мешать, потому запасаемся салфетками и впитывающими тряпками. Нейтронную звезду из собственной практики удавалось получить при температурах от 5 до 15 градусов по Цельсию. При 10 свечение было ярче всего, при ниже 5 и выше 15 свечения практически не наблюдалось. При охлаждении воды до образования кристаллов льда свечения не было вообще на всем интервале температур. На вопрос почему, отвечаю, по кочану.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Резонансная камера установлена, акустические волны воздействуют на пузырек, выключим свет и видим редкое явление с образованием крохотной нейтронной звезды.


Для регистрации явления на камеру необходимо установить черный фон, и разжиться светосильным объективом, мой старый ультразум оказался практически слепым при съемке этого явления. Это уже молчу про фокус в одной точке пространства. По этой причине проект был заморожен примерно на полгода до появления нового съемочного оборудования.


Акустическую камеру на начальном этапе получения сонолюминесценции необходимо подсвечивать, чтоб понимать стабилизировался ли пузырек в центре колбы. На этом этапе информацию по созданию и подготовке акустической камеры можно считать исчерпывающей, потому переходим к генератору и системе управления данной экспериментальной установки.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

По началу решил взять проверенную схему с ультразвуковой ванны, тут и частоту можно настроить, и мощность получить порядка 60 ватт, то что нужно. Схему разводил под имеющиеся под руками детали. Компактность платы с таким подходом гарантирована. При работе на больших мощностях сразу возникли проблемы.


Первое включение установки на проверку работоспособности по ошибке произвел с пустой пробиркой. При перестройке частоты, стекло в какой-то момент вошло в резонанс и треснуло. Делать новую колбу было лень, нужно ремонтировать старую, вставляем кусок стекла туда, откуда он выпал, и заливаем сверху эпоксидом. Возвращаем солдата в строй, и продолжаем наблюдать.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Не владея в достаточном объеме информацией, мне казалось что акустический резонанс в колбе напрямую связан с механическим резонансом самой пьезокерамики, но дело в том, что механический резонанс у каждого вида пьезокерамики будет отличаться. Это никак не помешало в течении 5-ти ночей сидеть и пытаться найти иголку в стоге сена.


Все первоначальные расчеты были взяты с потолка, отсюда неверно подобрана катушка индуктивности, частота на генераторе и прочее. Несмотря на это каким-то образом все-таки удалось добиться стабильного пузырька в центре колбы.


Он под воздействием акустических волн сжимался до такой степени, что иногда просто исчезал с поля зрения. Иногда он начинал отражать свет как серебряная капелька металла. Амплитуды напряжения на излучателях достигали таких величин, что обыкновенный феррит внутри катушки индуктивности, начинал бить током, оставляя после себя небольшие следы ожогов на пальцах. Неоновая лампочка при этом начинает светить еще до прикосновения к излучателю. Такие сильные поля вокруг...

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

После многочисленных и неудачных попыток получить нейтронную звезду, мне стало интересно, что будет если закачать в акустическую камеру максимально возможную для данной системы мощность. Выкрутим напряжение на блоке питания на максимум, и посмотрим на результат. С первых секунд можно наблюдать сильную кавитацию в воде, которая меняет свои формы...


При перестройке частоты стеклянная колба вошла в резонанс и треснула, принеся себя в жертву ради науки... Содержимое колбы по мере опустошения мал-по-малу оставляет свой след на потолке соседей снизу. Кругом потоп, но колба еще держится. Оставляю реальные звуки данного эксперимента в видео.


Наблюдаем за правым пьезоэлементом на резонансной камере. В этот момент он вероятно треснул, и на нем появились вспышки плазмы. Дальнейшая проверка показала что элемент мертв. Судя по показаниям блока питания, мощность на выжившем пьезоэлементе составляет примерно 180 ватт. На этом этапе съемок я был точно уверен что сонолюминесценцию в домашних условиях получить невозможно и терять больше нечего. Куча потраченного времени, ресурсов и бессонных ночей, так как именно после захода солнца начинались работы в этом направлении...


Хваленый многими эпоксидный клей "Araldite" больших вибронагрузок не выдерживает, несколько раз приходилось переклеивать пьезоизлучатели, но это сейчас идет речь про большую акустическую камеру, которая так и заработала должным образом.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Дальнейшим решением было связаться с самим Сергеем Матюшенко, который как никто другой знал как устроены принципы данного эксперимента. Как оказалось, он защищал дипломную работу на эту тему, потому любезно рассказал все нюансы при получении сонолюминесценции, за что ему огромное спасибо.


Итак, для начала нам нужен точный задающий генератор, у которого частота не плавает от температуры окружающей среды, для этих целей отлично подойдет синтезатор частот на микросхеме ad9850. На его выходе получаем чистый синус с шагом регулировки в 1 Гц. В хозяйстве такое устройство просто незаменимо, с его помощью можно находить резонансы, проверять рабочий диапазон аудио систем и использовать в других разных экспериментальных направлениях. Диапазон частот варьируется от 1 Гц до 40 мГц. Но, амплитуда выходного сигнала синуса у устройства очень маленькая и ровняется всего 2 вольтам. Для усиления сигнала рационально использовать усилитель.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Так как частоты в рамках эксперимента небольшие, рационально использовать усилитель звуковой частоты. В данном случае используется одноканальный усилитель класса H на микросхеме TDA1562Q. Он довольно качественный, и потрясающе воспроизводит музыку.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Для работы пьезоэлектрических излучателей необходимо высокое напряжение, источник которого в данной в схеме отсутствует. Один из способов получения достаточно высокого напряжения – это использование колебательного контура, настроенного в резонанс.


В данной работе применяется последовательный колебательный контур в котором роль ёмкости играют пьезоэлектрические излучатели, а в роли катушки индуктивности - катушка индуктивности, которая может менять свои параметры путем введения в нее ферритового стрежня. Показания тут могут меняться от 8 до 50 мГн в зависимости от длины и проницаемости феррита. Я использовал медный 0.68 провод, намотанный в 8 слоев. Чем толще провод, тем меньше потерь.


Наличие резонанса в цепи будем определять путем включения в цепь 1-омного резистора, параллельно которому подключим цепь осциллографа. При совпадении частоты генератора и собственной частоты резонанса контура, образованного катушкой индуктивности и емкостью пьезокерамических излучателей, на резисторе наблюдается максимальная амплитуда напряжения, что соответствует максимальному току цепи, что в свою очередь говорит о наличии резонанса.


Полная схема для получения однопузырьковой сонолюминесценции выглядит примерно так. Сигнал с образцового генератора подается на усилитель звуковой частоты, на выходе которого формируется синус заданной частоты амплитудой скажем в 12 вольт. Этот сигнал подается на LC-контур состоящий из переменной катушки индуктивности и акустической камеры где в роли емкости выступают пьезокерамические излучатели. В объеме жидкости формируется стоячая волна, в средине которой образуется интересующий нас светящийся пузырек.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Запускаем установку и помещаем с помощью шприца в объем жидкости маленький пузырек воздуха. Но как узнать нужную частоту при которой формируется стоячая волна внутри акустической камеры!? Все просто.


Если считать приближённо, то резонанс достигается тогда, когда длина акустической волны равна расстоянию между пьезоэлектрическими излучателями. Если замерять диаметр нашей 100 мл пробирки, то он будет равен 65 мм, это цифра и будет ровняться длине акустической волны необходимой для наших расчетов.

Как известно, длина волны распространяется в определенной среде с некоторой скоростью, и определяется выражением:

длина волны ровна скорости деленной на частоту.

Отсюда выражаем частоту, которая равна скорости деленной на длину волны, которая так же равна скорости деленной на расстояние между пьезоизлучателями.


Скорости распространения звука в воде при t=0 равной c=1402,7 м/с. Делим эту цифру на расстояние между излучателями в 65 мм, и получаем частоту в 22.270 Гц


Также стоит учитывать изменение скорости распространения звука в жидкости с изменением температуры. С увеличением температуры скорость звука в жидкости увеличивается, поэтому частота также увеличивается. В дальнейшем, рассчитанная резонансная частота будет отличаться от фактической вследствие сложной геометрии колбы.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Итак, расчеты произведены. Начинаем подбирать частоту и наблюдаем как меняется сигнал на 1- омном резисторе включенном последовательно в цепь. Независимо от частоты, амплитуду сигнала можно менять путем введения ферритового стержня в катушку индуктивности. Очень удобно. С помощью шприца помещаем в объем жидкости пузырек. Их выдавится больше чем нужно, но за счет акустической волны они все притянутся в центр колбы.


Пьезоэлектрические излучатели приклеены на эпоксидный клей, их центры расположены на одной оси. Напряжение, приложенное к двум параллельно расположенным относительно друг друга проводящим поверхностям пьезоизлучателей, вызывает механические деформации (обратный пьезоэффект). Чем больше амплитуда напряжения, тем больше амплитуда деформации пьезоэлемента, которая передается в акустическую камеру.


Микропузырёк воздуха в колбе создаётся при помощи медицинского шприца с иглой. Затем за счёт сил Бьеркнеса, если частота ультразвука близка к резонансной или равна ей, пузырьки начнут перемещаться в центральную часть колбы. Ждем пока пузырек стабилизируется и как бы зависнет в центре акустической камеры. Если пузырек прыгает со стороны в сторону, пробуем сместить частоту в большую или меньшую сторону, добились стабильности, затем медленно поднимаем амплитуду сигнала путем введения ферритового стержня в переменную катушки индуктивности. Тут важно не перебрать, так как пузырек может дестабилизироваться, что приведёт к исчезновению свечения, или он во все может исчезнуть. Если свечения все еще нет, пробуем добавить или наоборот забрать пару миллилитров воды из акустической камеры. Так же помогает смещение положения пробирки относительно струбцины которая держит горловину.


Заметьте, что крепление тут осуществляется через резиновую прокладку для уменьшения внешнего влияния. Все эти факторы тем или иным способом влияют на проведение эксперимента

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

В одну прекрасную ночь, примерно на 20-ой попытке, создав правильные условия мне таки удалось получить то, ради чего мы тут и собрались.


Сонолюминесценция, кавитационный пузырек, зависший в центральной части колбы начал испускать видимый голубоватый свет. Это казалось чем-то недостижимым и во истине удивительным. Редкое физическое явление, которое за счет акустического воздействия порождает свет в маленьком пузырьке воздуха. Цвет свечения и яркость в дальнейшем могли несколько отличатся. Пузырек мог испускать как белое свечение, так и голубоватое. В некоторых научных работах читал про существование красного свечения, но в рамках проведения данного эксперимента зафиксировать такое свечение не удалось. Тут влияет температура воды, наличие растворенных в ней солей, частота резонанса, амплитуда воздействия на пузырек и прочие факторы, о существовании которых трудно догадываться.


Физика возникновения вспышки света тут возникает из-за того, что мощная ультразвуковая волна в воде приводит к кавитации. Ведь звуковая волна — это чередование повышенного и пониженного давления, и если давление понизится до такой степени, что станет сильно отрицательным, то звуковая волна буквально разорвет воду и создаст в этот момент газовый пузырек. Затем, через полпериода звукового колебания, когда давление, наоборот, становится большим, этот пузырек быстро схлопывается — и в процессе резкого сжатия он нагревается.


Именно в последнее мгновение своего коллапса, когда температура внутри кавитационного пузырька достигает тысяч градусов, он и испускает короткую вспышку света. В нашем случае пузырек остается на месте, сжимаясь и расширяясь в такт ультразвуковой волне, и, испуская тысячи вспышек в секунду, порождает стабильное свечение.

Нейтронная звезда в пробирке. Сонолюминесценция Сонолюминесценция, Нейтронные звезды, Эксперимент, Физика, Своими руками, Наука, Hamster Time, Видео, Длиннопост

Для справки, создание этого выпуска заняло рекордные полтора года. Многие пишут в комментариях, почему видео на канале выходят так редко, отвечаю, потому что! Если кто спросит какую пользу может принести данный эксперимент, отвечаю, никакую. Мы с вами просто набрались опыта в еще одном ремесле.


Как говорится, все гениальное просто!

Показать полностью 23 1
331

Солнечная система могла образоваться благодаря столкновению двух нейтронных звезд

Солнечная система могла образоваться благодаря столкновению двух нейтронных звезд Астрономия, Астрофизика, Наука, Солнечная система, Космос, Нейтронные звезды, Столкновение, Исследования

Астрофизики Сабольч Марка в Колумбийском университете и Имре Бартос во Флоридском университете нашли следы столкновения двух нейтронных звезд 4,6 миллиардов лет назад, которое они считают источником тяжелых элементов на Земле.


Это космическое событие, близкое к нашей Солнечной системе, является источником 0,3 процента тяжелых элементов Земли, включая золото, платину, и уран, согласно научной статье в журнале Nature.


Согласно исследованию, столкновение произошло примерно 100 миллионов лет до появления Солнечной системы, на дистанции примерно в 1000 световых лет от нее, и возможно, послужило толчком газовому облаку, из которого она создалась (а также привело в Солнечную систему тяжелые элементы, которые до этого не существовали в газовом облаке).


Это противоречит более ранней теории, что данный толчок (и тяжелые элементы) появились в Солнечной системе благодаря взрыву свехрновой звезды. Столкновения нейтронных звезд происходят намного реже сверхновых, и приводят к другому распределению тяжелых элементов, которые обнаружили исследователи.

78

Новое открытие LIGO: слияние нейтронных звёзд

Видеоролик от Science Magazine, в котором рассказывается о том, как несколько различных источников независимо друг от друга подтвердили недавнее открытие слияния нейтронных звёзд, сделанное с помощью гравитационно-волновой обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory).

Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: