Это -- энергия, израсходованная Солнцем за время сжатия от стадии I к стадии II. Какова продолжительность сжатия? Чтобы вычислить этот промежуток времени, нужно знать скорость, с которой Солнце расходовало энергию за счет излучения. По количеству излучения, падающего на Землю, астрономы рассчитали, что темп расхода энергии примерно 1,2.1041 эрг/год. Если по сравнению с прошлым этот темп существенно не изменился, то благодаря гравитационной энергии Солнце светит уже около 30 миллионов лет.
По человеческим меркам, 30 миллионов лет - срок огромный, поэтому на первый взгляд гипотеза Кельвина--Гельмгольца удовлетворительно объясняет, почему светит Солнце. Однако, когда геологи оценили возраст Земли, который оказался значительно больше, возникли сомнения в ее правильности. По принятым оценкам, возраст Земли составляет почти 4,5 миллиарда лет, а некоторые геофизики доводят эту цифру до 10 миллиардов лет. Если верны современные представления о происхождении Солнечной системы, то Солнце и Земля образовались примерно одновременно. Если же Солнце гораздо старше 30 миллионов лет, то для объяснения его энергетических запасов нужно искать какой-то другой источник помимо гравитации.
Тайна источника солнечной энергии оставалась неразгаданной до 30-х годов нашего столетия. К этому времени астрономы стали лучше представлять себе внутреннее строение Солнца и других звезд. Английскому астроному Артуру Эддингтону (1882-1944) удалось выразить эти представления в виде четырех уравнений внутреннего строения звезд. В них содержится следующая информация.
Первое уравнение называется уравнением гидростатического равновесия (рис. 68). Оно описывает, каким образом Солнце (или звезда) удерживается в равновесии под действием противоположно направленных сил гравитации и сил внутреннего давления. Внутреннее давление в звезде частично обусловлено горячим газом в ее недрах, а частично -- излучением. Сила гравитации стремится сжать Солнце, а силы внутреннего давления -расширить его. Второе уравнение описывает соотношение между массой Солнца и его плотностью. Третье уравнение, которое называется уравнением состояния, связывает давление с температурой и плотностью. Из этих уравнений получается модель, в которой Солнце представляет собой газовый шар с высокой температурой в центре, постепенно понижающейся к поверхности. Четвертое уравнение описывает, как излучение горячих внутренних областей, просачиваясь наружу, постепенно поглощается. Вследствие этого поглощения излучение, генерированное в центре Солнца, достигает поверхности не со скоростью света, а в триллионы раз медленнее.
С помощью этих уравнений Эддингтону удалось показать, что реалистичная модель Солнца обладает поверхностной температурой около 5500oС (ранее такая оценка получилась у астрономов из анализа излучения Солнца) и температурой в центре более 10 миллионов градусов Цельсия. В то время информация о таинственном источнике энергии Солнца отсутствовала. И тут Эддингтон высказал пророческое предположение. Он заявил, что температура в центре Солнца настолько высока, что может высвобождаться ядерная энергия, достаточная, чтобы обеспечить свечение Солнца.
Физики-атомщики с этим не соглашались. Им казалось, что температура в недрах звезд недостаточна, чтобы вызвать высвобождение ядерной энергии. На подобные возражения Эддингтон язвительно отвечал: "Не будем спорить с тем, кто считает, что звезды недостаточно горячи для этого процесса: пусть пойдет и поищет себе местечко погорячее". В аду не сыщешь фурии, которая могла бы сравниться с разгневанным физиком-теоретиком! В 1920-х годах ядерная физика была еще молода, и ни у Эддингтона, ни у его противников не хватало убедительных аргументов для продолжения спора. В конце концов оказалось, что Эддингтон прав -- температуры в центральных областях звезд и в самом деле достаточно высоки для поддержания ядерных реакций синтеза легких атомов.
Располагая современными знаниями об атомном ядре, можно понять, почему вначале возникли разногласия и как потом удалось от них избавиться. На рисунке 69-а показаны четыре отдельных ядра атома водорода, представляющих собой не что иное, как положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. На рисунке 69-б изображено ядро атома гелия (Не). Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Нейтроны -- это незаряженные, или нейтральные, частицы. В термоядерной реакции четыре протона соединяются и образуют ядро атома гелия:
4Н ъ Не + 2е+ + 2n + Энергия.
Из такой символической записи реакции следует, что ее продуктами являются ядро гелия, два позитрона (е+), два нейтрино (n) и энергия. Позитроны, античастицы электронов, имеют ту же массу, что и электроны, но положительный заряд. Если потребовать, чтобы в термоядерной реакции полный электрический заряд оставался неизменным, то две единицы положительного заряда, не вошедшие в ядро атома гелия, должны перейти к каким-то другим продуктам реакции. Такая роль отводится позитронам. Выделение энергии в описанной реакции синтеза происходит по следующей причине. Общая масса четырех участвующих в реакции ядер водорода несколько превышает суммарную массу продуктов реакции (ядра гелия и других четырех легких частиц). Но согласно специальной теории относительности Эйнштейна, при любом природном процессе потеря в массе должна компенсироваться соответствующим выигрышем в энергии. Эта энергия и потерянная масса связаны знаменитой формулой Эйнштейна: Е = Мс2.
В реакции синтеза ядер гелия теряемая масса эквивалентна энергии 26,72 МэВ. Другими словами, часть массы, переходящая в энергию, составляет 0,7% массы всего водорода, превращающегося в гелий. Это и есть тот резервуар, из которого люди собираются черпать энергию, если им удастся построить термоядерный реактор.
Реакция в таком реакторе несколько отличается от синтеза в недрах Солнца. В термоядерном реакторе на Земле исходным топливом служит тяжелый водород -- дейтерий. Его ядро состоит из нейтрона и протона. Для получения ядра атома гелия и лучистой энергии нужно соединить два таких ядра. Физики-атомщики 1920-х годов возражали против гипотезы Эддингтона потому, что соединить четыре ядра водорода очень трудно. Поскольку протоны положительно заряжены, они отталкивают друг друга в соответствии с законом электростатики, который гласит, что одинаковые заряды отталкиваются. Как же соединить эти одинаковые заряды? В 1920-х годах эта проблема казалась неразрешимой, но в следующем десятилетии с открытием сильного ядерного взаимодействия трудности удалось преодолеть. В ядре гелия на рисунке 78-б имеются два протона. Но как они удерживаются вместе, если одинаковые заряды отталкиваются?
Ответ заключается в том, что внутри ядра действует какая-то сила, гораздо более мощная, чем сила электростатического отталкивания; она-то и связывает вместе четыре частицы (два нейтрона и два протона). Это сильное ядерное взаимодействие распространяется как на нейтроны, так и на протоны, но заметно лишь на очень малом расстоянии. Если протоны сталкиваются с достаточно большими скоростями, они могут сблизиться настолько, что сильное ядерное взаимодействие будет возможно. В газе из водорода с высокой температурой ядра движутся с большими случайными скоростями и, несмотря на электростатическое отталкивание, иногда подлетают друг к другу так близко, что сильное ядерное взаимодействие соединяет их. Температуры в центрах звезд, составляющие от 10 миллионов до 40 миллионов градусов Цельсия, достаточно высоки, чтобы ядра достигли скоростей, при которых возможно их слияние, как и утверждал Эддингтон.
В основе современной теории внутреннего строения звезд лежат четыре уравнения Эддингтона плюс еще одно уравнение, которое описывает скорость выделения энергии в термоядерных реакциях в центральных областях звезды. В 1938 году Ганс Бете решил пятое уравнение и построил полную модель звезды.
Трудно переоценить решающую роль гравитации в этих уравнениях. Чтобы уравновесить гравитационное притяжение и предотвратить катастрофический гравитационный коллапс Солнца, необходимы колоссальные силы давления. Эти силы давления обусловлены высокими температурами и плотностями. Сжимающееся облако межзвездного газа становится звездой в тот момент, когда температура в его центре достигает значения, достаточного для начала ядерных реакций. При попытках достичь высоких температур, подходящих для начала ядерных реакций в земном реакторе, гравитация никак не используется. В недрах Солнца она сдерживает газ, в котором происходит бурное выделение ядерной энергии. На Земле для удержания горячего газа приходится искать другие средства, например магнитное поле. Эти опыты еще далеки от успешного завершения.
Чтобы больше узнать о влиянии гравитации на звезды, проведем мысленный эксперимент. Предположим, мы связали горячую звезду с холодным проводником тепла. Мы знаем, что тепло переходит от горячего тела к холодному, поэтому и в нашем мысленном эксперименте поток тепла потечет от горячей звезды к холодной. Тем не менее нас ждет сюрприз! В обычных условиях, если тепло переходит от горячего тела к холодному, температура горячего тела понижается, а холодного растет. По мере утечки тепла из горячей звезды ее внутреннее давление будет падать и равновесие нарушится, так что звезда сожмется под действием сил гравитации. А при сжатии звезды газ разогревается и температура повышается! Что происходит с другой, холодной звездой? Она получает тепло, давление в ней растет, и ее равновесие также нарушается. Звезда расширяется, так как силы внутреннего давления преобладают над силами гравитации. Но с расширением звезды газ охлаждается, поэтому холодная звезда становится еще холоднее!
Как ни странно такое поведение, нечто подобное действительно происходит в ходе звездной эволюции. Мы уже видели, что в центральном ядре звезды, подобной Солнцу, температура достаточно высока для поддержания реакции синтеза гелия из водорода. Что произойдет, когда водород в ядре иссякнет? Из-за дефицита топлива термоядерный реактор на время "выключится". Это приведет к снижению выработки тепла и к падению давления в ядре, поэтому ядро сжимается и разогревается. Когда его температура повысится примерно до 100 миллионов градусов Цельсия, реактор снова оживет. Однако теперь топливом будет служить уже не водород, а гелий. При такой температуре три ядра гелия могут слиться и образовать ядро углерода. Тем временем для сохранения общего равновесия внешняя оболочка звезды расширится и звезда станет гигантом. Расширение оболочки ведет к охлаждению, так что поверхностная температура звезды упадет. Если температура на поверхности Солнца около 5500oС, то поверхностная температура звезды-гиганта может понижаться до 3500oС. Поэтому наше Солнце имеет желтоватый цвет, а цвет звезд-гигантов приближается к красному.
В ходе звездной эволюции процессы сжатия и расширения чередуются вновь и вновь. Пока есть топливо, звезда его сжигает. Когда его запасы иссякают, ядро сжимается и разогревается до тех пор, пока не достигнет температуры, достаточной для начала термоядерной реакции с новым топливом. В этой последовательности появляются ядра все более тяжелых элементов:
Гелий ъ Углерод ъ Кислород ъ Неон ъ Кремний ъ Железо
На каждом этапе для сохранения равновесия внешняя оболочка звезды расширяется все сильнее. Звезда-гигант становится все больше. Однако ядерная физика учит, что процесс синтеза не может продолжаться без конца, а прекращается на ядрах группы железа. Дальнейшее присоединение частиц к ядру железа уже не может привести к выделению энергии. К этому моменту температура ядра достигает около 10 млрд. градусов Цельсия, и звезда оказывается в катастрофическом положении. Гравитации, которая до сих пор регулировала равновесие горячей звезды, это уже не под силу. В звезде развиваются неустойчивости, вследствие которых внешняя оболочка может быть сброшена. Эта катастрофа наблюдается как вспышка сверхновой звезды.
Продуктами такого взрыва являются атомные ядра (синтезированные в звезде), электроны, нейтрино и излучения. Ядра атомов образуют потоки космических лучей, которые распространяются в нашей Галактике на огромные расстояния. Для нас, жителей Земли, было бы настоящей катастрофой, если бы взрыв сверхновой произошел на расстоянии, скажем, 100 световых лет. Порожденные этим взрывом космические лучи высоких энергий натворили бы страшных бед в земной атмосфере. Они могли бы, например, разрушить весь защитный слой озона и тем самым открыть все живое на Земле ультрафиолетовому излучению Солнца. К счастью, взрыв сверхновой -- довольно редкое явление. Частота таких взрывов по всей Галактике -- примерно одно событие в 100-300 лет. Поэтому вероятность взрыва сверхновой в наших окрестностях не дальше 100 световых лет в течение тысячи лет равна всего лишь одной миллионной.
При всей разрушительности взрыва сверхновой имеются данные, что это событие может в свою очередь стимулировать образование звезды из близлежащего газового облака. Химический состав Солнечной системы свидетельствует о том, что своим рождением она могла быть обязана взрыву сверхновой. Сталкиваясь с облаком межзвездного газа, ударные волны от таких взрывов могут способствовать началу сжатия. Не исключено, что Солнце и планеты сконденсировались из сжимающегося газового облака. Таким образом, звездные катастрофы могут играть и созидательную, а не только разрушительную роль*.
Установлено (как уже было сказано), что все звезды живут своей долгой и своеобразной жизнью. По крайней мере каждая из них когда-то родилась и когда-то умрет. В.А. Амбарцумян сформулировал дилемму, возникшую в современной звездной космогонии: что считать первичным при образовании светил -рассеянное ли (диффузное) вещество или какие-то плотные (сверхплотные образования).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65