Предел Эддингтона

Преде́л Э́ддингтона (эддингтоновский предел) — величина мощности электромагнитного излучения, исходящего из недр звезды, при которой его давления достаточно для компенсации веса оболочек звезды, которые окружают зону термоядерных реакций, то есть звезда находится в состоянии равновесия: не сжимается и не расширяется. При превышении предела Эддингтона звезда начинает испускать сильный звёздный ветер.

Критическая (эддингтоновская) светимость — максимальная светимость звезды или другого небесного тела, определяющаяся условием равновесия гравитационных сил и давления излучения объекта.

Названы по имени английского астрофизика Артура Стенли Эддингтона.

Критическая светимость в классическом (эддингтоновском) приближении

Критическая светимость определяется условием равновесия силы тяготения $F_g$ и давления излучения $F_r$.

Обычно рассматривается равновесие водородной плазмы — наиболее типичный случай, так как водород составляет бо́льшую часть массы Вселенной. Количество электронов и протонов в каждом элементе плазмы ввиду её нейтральности можно считать одинаковым. Сила тяжести действует главным образом на протонную компоненту плазмы (масса протона почти в 2 тыс. раз больше массы электрона), а давление излучения — на электронную компоненту, однако сколько-нибудь существенное разделение зарядов в этих условиях невозможно ввиду возникновения очень мощных кулоновских сил, возвращающих плазму к нейтральному состоянию.

Сила тяжести $F_g$, действующая со стороны изотропного излучающего тела массы $M$ на протон, находящийся на расстоянии $r$ от источника, равна

$F_g=\frac{GM{m}_p}{r^2},$

где $m_p$ — масса протона.

Поток излучения $I$ на этом расстоянии:

$I=\frac{L}{4\pi r^2},$

где $L$ — светимость источника.

Тогда сила $F_r$, действующая на электрон вследствие томсоновского рассеяния фотонов на электронах, равна

$F_r=\frac{I{\sigma }_{\text{T}}}{c},$

где ${\sigma }_{\text{T}}$ — томсоновское сечение рассеяния фотона на электроне:

${\sigma }_{\text{T}}=\frac{8\pi }{3}{\left(\frac{e^2}{m_e{c}^2}\right)}^2.$

Таким образом, исходя из условия равновесия $F_g=F_r$ и с учётом того, что электростатическое взаимодействие значительно сильнее гравитационного, то есть протон-электронные пары можно считать связанными, критическая светимость

$L_{\text{edd}}=\frac{4\pi GM{m}_{p}c}{{\sigma }_{\text{T}}},$

или, если выразить массу объекта в массах Солнца Шаблон:Mo,

$L_{\text{edd}}=10^{38}\frac{M}{M_{\odot }}$ эрг/с,

то есть критическая светимость зависит только от массы объекта и механизмов взаимодействия излучения с веществом.

Отклонения от критической светимости и сверхкритическая аккреция

Фактически условие равновесия силы тяжести $F_g$ и давления излучения $F_r$ является условием возможности аккреции вещества на излучающий объект.

Однако в случае существенной неизотропности аккреции, например, в случае аккреционных дисков таких компактных объектов, как чёрные дыры и нейтронные звёзды, возможны ситуации, когда источником энергии является гравитационная энергия аккрецирующего вещества и темпы аккреции настолько высоки, что светимость превышает критическую. Для таких объектов характерно интенсивное истечение вещества из аккреционного диска, вызванное давлением излучения. Наиболее известным из таких объектов является SS 433, а также самая интенсивно светящаяся нейтронная звезда M82 X-2.

См. также

• Предел Хаяси

Литература

• Шаблон:Публикация