Вселенная. Вопросов больше, чем ответов — страница 24 из 72

В горячих и плотных недрах звезды протоны только и делают, что соударяются друг с другом. Однако вероятность того, что два столкнувшихся протона прореагируют с образованием дейтерия, настолько низка, что повергает в священный трепет. В среднем ю млрд лет пройдет в солнечных недрах, прежде чем конкрет­ный протон, за которым мы умозрительно наблюдаем, случайно наберет достаточную скорость, чтобы, столкнувшись «лоб в лоб» с другим столь же энергичным протоном, прореагировать с ним. Строго говоря, реакция двух даже очень энергичных протонов все равно где-то из области чуда, поскольку их энергии (скажем, порядка 20 кэВ) явно недостаточно для преодоления кулонов- ских сил отталкивания. Надо благодарить законы квантовой механики за то, что такие протоны все же могут с некоторой ве­роятностью «слипнуться» в ядро дейтерия, благодаря чему су­ществуют звезды, Солнце и мы с вами.

140

Легко понять, что скорость протон-протонной реакции долж­на весьма сильно зависеть от температуры. И действительно, она прямо пропорциональна 4~й степени температуры для диапазо­на 11-16 млн К и даже 5-й степени для более низких температур. Становится понятна резкая зависимость светимости звезды от ее температуры для красных карликов главной последовательно­сти на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Разумеется, на скорость протон-протонной реакции влияет не поверхностная температу­ра звезды, а температура ее недр, где, собственно, и протекают ядерные реакции, но качественную сторону вопроса диаграмма отражает верно.

Углеродно-азотный цикл Бете-Вайцзекера работает ина­че. Ядро углерода, поглощая протон, превращается в радиоак­тивный изотоп азота ¹³N. При этом испускается гамма-квант. Претерпевая бета-распад, ядро ¹³N превращается в ядро изотопа углерода ¹³С. Сталкиваясь с протоном, последнее превращается в обычное ядро азота ⁴N. При этом также выделяется гамма- квант. Далее к ядру азота присоединяется еще один протон, и получается ядро нестабильного изотопа кислорода ¹⁵0. Опять- таки испускается гамма-квант. Бета-распад ядра ¹⁵0 приводит к образованию ядра изотопа азота ¹⁵N. Последнее же, присоеди­нив еще один протон, «разваливается» на заурядный углерод ¹²С и гелий ⁴Не. Легко видеть, что потраченный на первом эта­пе реакции углерод восстанавливается на последнем этапе и не тратится. Можно провести аналогию с химическим катализа­тором.

Скорость этой реакции гораздо сильнее зависит от темпера­туры — в 15-й степени для интервала температур 24-26 млн К. Понятно, что углеродно-азотный цикл существен для горячих звезд. Что до Солнца, нагретого в центре до температуры пример­но 15 млн К, то за его излучение отвечает прежде всего протон- протонная реакция, но некоторый вклад вносит и углеродно­азотный цикл.

Естественно также, что в формулу для скорости углеродно­азотного цикла входит параметр, учитывающий концентрацию

141

более тяжелых элементов, чем водород и гелий. При полном от­сутствии углерода эта реакция попросту не пойдет.

Для гигантов и сверхгигантов, сильно разбухших и часто срав­нительно холодных с поверхности, но зато имеющих очень горя­чее ядро, существенна тройная гелиевая реакция. Она «включа­ется» в том случае, если весь водород уже «выгорел», после чего сжатие ядра привело к его разогреву до юо и более млн К. При этой реакции ядро гелия ⁴Не сталкивается с себе подобным, что приводит к образованию неустойчивого изотопа бериллия ⁸Ве. Скорее всего новообразовавшееся ядро тут же и распадется. Но может случиться, что оно успеет столкнуться с еще одним ядром гелия и поглотить его. Тогда образуется устойчивый изотоп угле­рода ^,2С и выделяется гамма-квант с энергией 7,3 МэВ.

Легко видеть, что эта реакция куда менее энергетически вы­годна, чем реакции на водороде. А скорость ее зависит от тем­пературы и вовсе с чудовищной силой — пропорционально 30-й степени! Совершенно ясно, что в недрах Солнца тройная гелиевая реакция не идет и идти не может, хотя гелия там предо­статочно.

Во всех случаях, однако, в результате этих реакций излучают­ся жесткие гамма-кванты. Почему же Солнце излучает преиму­щественно в видимом диапазоне электромагнитных волн, люди не прячутся от его излучения под свинцовые плиты, а дозиметры не зашкаливает от наведенной радиации? Нас спасает колоссаль­ная толща солнечного вещества, весьма непрозрачного, как это ни кажется странным на первый взгляд. Будучи непрозрачным, оно, естественно, охотно поглощает кванты. Поглотив жесткий гамма-квант, какой-нибудь атом переходит в сильно возбуж­денное состояние, после чего спонтанно избавляется от избытка энергии, но не сразу, а порциями, переходя с одного уровня воз­буждения на другой, более низкий, и испуская менее энергичные, т. е. более длинноволновые, кванты, которые, в свою очередь, поглощаются другими атомами... и т. д. Миллионы лет требуют­ся излученному в центре Солнца кванту, чтобы достичь поверх­ности нашего светила и быть излученным в пространство уже

142

в виде множества квантов гораздо более низких энергий, чем их «прародитель». Из цвета Солнца прямо следует, что наибольшее количество покидающих его квантов имеет энергию, соответ­ствующую оптическому излучению желтого цвета. Разумеется, есть в солнечном спектре и все длины волн видимого цвета, и инфракрасные лучи, и ультрафиолет разной степени жесткости, и немного рентгеновских лучей, но с фильтрацией небольшо­го количества опасных для здоровья лучей вполне справляется земная атмосфера. Нам остается только порадоваться тому, что Солнце, как всякая порядочная звезда, имеет внутри себя непро­зрачные для излучения слои. Будь иначе, ни о каком возникно­вении жизни на Земле не пришлось бы и говорить.

«Газовый шар, находящийся в состоянии равновесия», — отвечают на этот вопрос астрофизики, понимая, конечно, что данное условие является необходимым, но не достаточным. Не всякий газовый шар, находящийся в равновесии, — звезда. Планеты-гиганты, например, звездами не являются, хотя состо­ят из газа и не обнаруживают намерения ни катастрофически сжаться, ни, наоборот, самораспылиться в космическом про­странстве. Строго говоря, звезды также не являются шарами из- за собственного вращения или тяготения звезды-компаньонки в двойных системах. Дотошный придира укажет и на то, что равно­весие тут, в общем-то, относительное, имея в виду конвективные движения звездного вещества, протуберанцы и корональные выбросы. Нечего и говорить о переменных звездах, особенно не­правильных переменных и выпыхивающих звездах, чрезвычай­но распространенных среди маломассивного населения глав­ной последовательности. Аккуратно пульсирующие цефеиды и долгопериодические мириды также пребывают в лучшем случае в состоянии квазиравновесия.

Однако все эти оговорки не играют серьезной роли. Более того, сама переменность звезд прямо указывает на то, что звезда пытается как-то подстроить свою структуру к меняющимся вну­тренним условиям, а испытываемые звездой автоколебания все- таки не приводят к ее разрушению.

«Нет ничего более простого, чем звезда», — утверждал сто лет назад «отец» современной астрофизики А.С. Эддингтон, ров­ным счетом ничего не зная о природе энерговыделения внутри звезд. Этого знания для объяснения стабильности большинства звезд и не требовалось. Достаточно было знать, что звезды со­стоят из газа и что в их недрах происходит выделение энергии, а уж причина его могла быть любой, вплоть до гельмгольцевского сжатия.

144

Сила, удерживающая вещество в звезде, более чем очевид­на — это тяготение. Не будь его, звезда вела бы себя точно так же, как обыкновенный горячий газ в пустоте, т. е. весьма быстро рас­сеялась бы в пространстве. И.С. Шкловский приводит простей­ший расчет, согласно которому типичная звезда с температурой поверхности ю тыс. К увеличилась бы в размере вдесятеро всего- навсего за ю суток, если бы сила гравитации вдруг исчезла. На самом деле это время будет еще меньше, поскольку внутренние слои звезды, конечно же, значительно горячее наружных.

Обратному процессу — сжатию звезды в «точку» — мешает единственная причина: давление газа, стремящегося к неогра­ниченному расширению. При отсутствии давления газа звезда, подобная Солнцу, катастрофически «схлопнется» за считаные минуты. Из классического «единства и борьбы противополож­ностей» гравитации и газового давления получается устойчивое образование — звезда.

Конечно, устойчивым оно будет оставаться лишь до поры до времени, поскольку ядерные источники энергии звезды — прин­ципиально исчерпаемый ресурс. Финал жизни звезды в конце концов один — сжатие либо до нового равновесного состояния, либо катастрофическое, с образованием черной дыры, но об этом ниже.

Предположим, что какой-то объем газа внутри звезды стал горячее окружающих его областей. Что произойдет? Если этот объем не сможет моментально сбросить в окружающие его обла­сти излишки своей тепловой энергии, то он увеличится в объеме, за счет чего его температура понизится, а плотность уменьшится. В результате данный объем газа начнет «всплывать» к поверхно­сти. Это есть не что иное, как конвекция вещества, возникающая, когда лучеиспускание не справляется с переносом энергии, ины­ми словами, когда вещество звезды непрозрачно к ее излучению.

Может показаться странным, что газовая смесь, составляющая вещество Солнца, непрозрачна, но это так. Более того, внешние слои Солнца непрозрачны в чрезвычайной степени! Между про­чим, это делает спектр Солнца похожим — конечно, в первом

145

приближении — на спектр абсолютно черного тела. Причина не­прозрачности заключается в низкой температуре внешних слоев Солнца по сравнению с внутренними. Сравнительно холодный, но еще достаточно плотный газ жадно поглощает кванты, не спе­ша отдавать их и, следовательно, нагреваясь. Основной вклад в поглощение квантов вносят элементы, более тяжелые, чем водо­род и гелий. Нагретое вещество, как было проиллюстрировано выше и как любой может убедиться на примере воды в кастрюле, стоящей на плите, будет подниматься вверх, а холодное веще­ство — опускаться вниз, в результате чего возникнет конвекция.