Текст книги "Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках"

Автор книги: Лев Мухин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 17 страниц)

Так же и в случае облака. Только роль асбеста здесь играют достаточно плотные наружные слои. А внутри облака – горячее ядро, протозвезда. Но она еще находится внутри родительского облака. Если провести здесь аналогию с живой материей, то протозвезду можно сравнить с клеточным ядром, окруженным протоплазмой. Оценки показывают, что время сжатия облака солнечной массы – порядка миллиона лет. В конце первой стадии сжатия облако «напоследок» начинает интенсивно излучать, причем его инфракрасная светимость в десятки тысяч раз превышает общую светимость Солнца. Происходит вспышка инфракрасного излучения, длящаяся несколько лет. Далее облако, протозвезда, начинает сжиматься гораздо медленнее. В это время она имеет размеры порядка размеров орбиты Меркурия.

А затем происходят удивительные вещи. Когда звезда становится непрозрачной для собственного излучения, энергия сжатия оказывается «запертой» внутри протозвезды, и в ее жизни наступает знаменитая «стадия Хаяши» (этап развития протозвезд, получивший свое название в честь известного японского астрофизика С. Хаяши).

Поскольку сброс энергии, которая выделяется при сжатии, из-за непрозрачности затруднен, сжатие резко замедляется. Но энергию-то сбрасывать все-таки надо. Так вот, Хаяши и показал, что в этой стадии сжатия энергия сбрасывается при помощи конвекции. Да, да, той самой конвекции, которую мы каждый день видим, когда кастрюля с водой или чайник стоят на плите и более горячие слои воды поднимаются снизу вверх. И в нашем случае внутренние, горячие участки протозвезды начинают перемещаться наверх, а на их место стремится газ из наружных, более холодных районов. В это время температура протозвезды достигает нескольких тысяч градусов.

Понятно, что такой процесс, как конвекция, не может сразу охватить всю протозвезду: она развивается постепенно даже в таком небольшом объеме, как чайник. Что здесь говорить о протозвезде! Но когда вся протозвезда вовлекается в этот процесс, энергия сжатия получает возможность «выйти наружу» и переизлучиться в мировое пространство. Поэтому-то развитие конвекции сопровождается короткой вспышкой светимости.

Уже после этого продолжается медленное сжатие охваченной конвекцией протозвезды. Радиус ее уменьшается, неуклонно стремясь к некоторому конечному значению. А поскольку температура поверхностных слоев протозвезды постоянна, то светимость ее будет падать. Эта стадия, как показывают расчеты, занимает уже десятки миллионов лет.

Наконец начинаются ядерные реакции, сжатие прекращается и протозвезда становится стабильной, обычной звездой. Как говорят астрономы, она садится на главную последовательность – столбовую дорогу жизни большинства звезд.

Звезды светят

Итак, картина рождения звезды, пусть несколько схематичная, нарисована. Но ведь это теория, и все, о чем мы сейчас говорили, базировалось на теоретических оценках, приведенных, в частности, в замечательной книге советского астрофизика И. Шкловского «Звезды, их рождение, жизнь и смерть». А соответствуют ли эти оценки действительности? Можно ли наблюдать все эти процессы, эти вспышки «закипающих» звезд в Галактике?

Да. Астрономы видят звезды, хаотически меняющие свой блеск, а это как раз и может свидетельствовать о том, что их атмосферы находятся в бурной конвективной стадии. Звезды эти получили название «звезд типа Τ Тельца». Они всегда наблюдаются группами, так называемыми Τ-ассоциациями. Интересно, что в их спектрах есть линии, имеющие синее смещение. Это означает, что они непрерывно выбрасывают вещество, избавляются от «излишков массы». Интенсивность этого процесса достигает одной десятимиллионной доли массы Солнца в год. Поэтому ясно, что звезды до того, как они «сядут» на главную последовательность, имеют гораздо большую массу.

Таким образом, у нас есть все основания считать, что подобный «сценарий» рождения Солнца действительно разыгрывался около 5 миллиардов лет назад. Следует заметить: он справедлив лишь для звезд меньше солнечной массы (или равной ей). Эволюция более массивных объектов на финише процесса имеет некоторые существенные особенности.

Массивные звезды изменяют форму сброса энергии еще до того, как они садятся на главную последовательность.

Конвекция в них заменяется «лучистым» переносом тепла. Это связано с более быстрым ростом температуры, что приводит, в свою очередь, к уменьшению непрозрачности. Звезда, несмотря на продолжающееся сжатие, имеет почти постоянную светимость, что означает непрерывный рост ее поверхностной температуры во времени. И на Солнце такой процесс имел место. Когда радиус светила был примерно в два раза больше нынешнего, светимость его была в полтора раза выше. В процессе дальнейшего сжатия светимость уменьшилась (а температура возросла!). Далее, на главной последовательности, светимость постепенно достигла сегодняшних значений.

Было бы несправедливо не сказать об альтернативной точке зрения по поводу рождения звезд. Ее автор – известный советский астрофизик академик В. Амбарцумян. Он считает, что во Вселенной существуют сверхплотные образования – Д-тела. Природа этих тел неизвестна. Астрономы их не наблюдали. Так вот, при распаде Д-тел и рождаются звезды. Гипотеза В. Амбарцумяна не имеет большого числа сторонников. Но следует помнить о том, что, вступая в спор с устоявшимися концепциями, он не раз оказывался прав.

Итак, все вспышки и катаклизмы завершены. Возникает естественный вопрос, как долго может светить звезда, каков срок ее жизни и, наконец, почему она светит? К обсуждению этих вопросов мы сейчас и перейдем.

Наше Солнце стабильно уже в течение почти 5 миллиардов лет. Но откуда мы знаем об этом? Прежде всего у нас есть такой чувствительный «индикатор», как живые организмы на Земле. Из палеогеологических данных известно, что жизнь на Земле существовала три с половиной миллиарда лет назад. А должно было уйти время еще и на возникновение этой жизни. Но если она уже существовала три с половиной миллиарда лет назад, то на ее зарождение остается не более миллиарда лет, поскольку возраст Земли около 4,5 миллиарда лет.

Отсюда следует, что если светимость Солнца уменьшилась, скажем, в несколько раз, на Земле не могла бы возникнуть жизнь, так как на поверхности нашей планеты из-за сильного холода не было бы жидкой воды. А если бы Солнце было заметно горячей, то мы бы имели сегодня Землю, похожую на Венеру, где ни о какой жизни не может быть и речи. Поэтому, если Солнце и изменяло светимость за такой большой промежуток времени, как 5 миллиардов лет, то можно говорить лишь о незначительных изменениях, порядка нескольких процентов, не более. Вот тут-то мы и подходим к очень интересному, важному и отнюдь не простому вопросу: почему, собственно говоря, звезды, и в том числе наше Солнце, светят, светят долго с удивительным постоянством? Откуда берется это гигантское количество энергии?

Замечательную, немного грустную историю об одном известном человеке, решившем эту загадку, рассказал лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман. Этот человек (мы будем о нем еще говорить) отправился поздно вечером гулять с девушкой. А накануне он понял, что заставляет светить звезды. Влюбленные всегда говорят или о погоде, или о красотах ночного неба. «Посмотри, как чудесно сияют звезды», – сказала она. «Да, чудесно. А ведь сегодня я – единственный в мире человек, который знает, почему они сияют», – ответил он. Она лишь рассмеялась. «Что ж, как это ни печально, быть одиноким, непонятым – в порядке вещей», – меланхолически заканчивает Р. Фейнман свой рассказ.

Но посмотрим, что думали об этом ученые до исторической прогулки. Солнце светит потому, что на него падают кометы, считал великий Ньютон. Правда, его натуре не была свойственна категоричность, а количественных оценок этого «факта» в его работах мы не найдем.

Первым, кто попытался с чисто научных позиций проанализировать этот вопрос, был немецкий врач Ю. Майер. Имя его навсегда сохранилось для человечества отнюдь не из-за его успехов в медицине. Он обессмертил свое имя, открыв в 1842 году закон сохранения энергии. (Кстати, в этом же году произошло полное солнечное затмение, принесшее астрономам массу новой информации о Солнце.)

Установив закон сохранения энергии для земных явлений, Майер задался таким вопросом. Если на Земле непрерывно происходят превращения одних форм энергии в другие, то любой достаточно серьезный анализ проблемы неуничтожимости энергии с неизбежностью ставит задачу: где источник солнечного излучения? Как может Солнце излучать огромное количество энергии со столь завидным постоянством?

Решая эту головоломку, Майер пришел к неожиданному и интересному выводу. Он предположил, что излучение Солнца, его тепло обеспечивается кинетической энергией падающих на Солнце метеоритов (Ньютон говорил о кометах). Ведь приходят же на Землю метеорные тела из космического пространства, так почему бы им не падать на Солнце?

Однако очень скоро выяснилось, что Майер ошибся. Когда ученые попытались оценить, сколько же вещества нужно «добавлять» к Солнцу, чтобы поддержать его излучение, они получили цифру, составляющую одну тридцатимиллионную долю массы Солнца. Именно такое количество метеорных тел должно было бы ежегодно бомбардировать Солнце, чтобы обеспечить постоянство его излучения.

На первый взгляд цифра кажется небольшой. Ну, подумаешь, каждый год на Солнце выпадает множество метеоров, общим весом примерно равных массе Марса. Но тут свое слово сказали специалисты по небесной механике. Они вычислили, что даже столь незначительное увеличение массы нашей звезды привело бы к изменению продолжительности земного года, он стал бы ежегодно укорачиваться на две секунды. Именно этот факт явился смертельным ударом по гипотезе Майера: ведь и в тысячи раз меньшая величина давным-давно была бы замечена при наблюдениях.

Кроме того, воспользуемся таблицей умножения и посмотрим, что получится, если умножить возраст Земли (4,5 миллиарда лет) на те самые две секунды ежегодного уменьшения года. Другими словами, посмотрим, чему был равен год в начале жизни Земли, если бы Майер оказался прав. Мы получим совершенно абсурдную цифру: Земля должна была бы крутиться вокруг Солнца очень медленно, год продолжался… более сотни нынешних земных лет. Пришлось искать другие пути решения вопроса, почему постоянна светимость Солнца.

Два выдающихся физика – Г. Гельмгольц и Д. Томсон (лорд Кельвин) – в конце XIX века предположили, что Солнце сжимается, уменьшая свой радиус на несколько десятков метров ежегодно, под воздействием собственной гравитации. За счет этого выделяется тепловая энергия, которая и поддерживает постоянную светимость Солнца. Но и эта гипотеза оказалась несостоятельной, несмотря на ее привлекательность и в общем-то физическую обоснованность.

Как это нередко бывает в физике, «контракционная» гипотеза во многом определила свое время. Она правильно могла бы обрисовать начальные стадии эволюции звезды, но оказалась неприемлемой для объяснения светимости стабильного Солнца. И действительно, точные расчеты показали, что, используя механизм Гельмгольца – Кельвина, Солнце могло бы светить не более 30 миллионов лет. А нам нужны миллиарды. Разница, как видим, немалая.

Но если ни гравитационная, ни кинетическая энергия не могут обеспечить нормальной работы нашего светила в течение миллиардов лет, то что же тогда?

Выдающийся астроном Д. Джинс предположил, что источником энергии Солнца является его радиоактивность. Это уже было, как говорится в детской игре, «теплее». Именно «теплее», потому что Джинс тоже был далек от истины. Сейчас любой студент, а может быть, даже и школьник сумел бы доказать, что энергия радиоактивного распада никогда не сможет обеспечить светимость звезды. И тем не менее Джинс находился рядом с решением вопроса. Все дело действительно было в ядерных процессах.

Рождение звезд в туманности Ориона.

А. Эддингтон понимал, что в Солнце должен работать самостоятельный источник энергии, и правильно назвал его. Этот источник – энергия атомного ядра. Однако естественно, что в то время Эддингтон не мог указать конкретные механизмы ядерных реакций.

Нужно сказать, что Эддингтон достаточно натерпелся от своих земляков – именитых английских физиков и астрономов. Его идеи были почти всегда столь неожиданными и экстравагантными, что немедленно вызывали бунт коллег и ставились под сомнение, хотя именно Эддингтона следует считать одним из пионеров и создателей новой науки – астрофизики. Но это мы знаем сейчас… В те же времена многие просто-напросто смеялись над Эддингтоном.

Он, разумеется, не оставался в долгу. И когда ему говорили, что недра звезд недостаточно горячи, чтобы там могли идти ядерные реакции, он с раздражением советовал своим оппонентам отправиться поискать местечко погорячее, чем внутренность звезды, имея в виду ад.

Среди оппонентов Эддингтона были директор Кавендишской лаборатории, знаменитый физик Д. Томсон, открывший существование электрона, Джинс и другие. Просто дело было в том, как утверждает крупнейший астрофизик Ф. Хойл, что великий Джинс почему-то всегда оказывался не прав, а Эддингтон – прав.

Этот «одинокий и непонятный Эддингтон» (о котором шла речь в рассказе Фейнмана) был гениален и как физик и как личность. Блистательно владея математическим аппаратом, он с известной мерой брезгливости относился к приближенным вычислениям, всегда стремясь получить точную формулу. Мысль его работала столь четко и ясно, что когда он написал книгу с изложением основ теории относительности, Эйнштейн в шутку сказал: «Я стал лучше понимать собственную теорию, прочтя книгу Эддингтона». Но ведь в каждой шутке есть доля правды.

Молодые звезды в Плеядах.

Полемика между Эддингтоном и Джинсом развлекала и удивляла ученых в течение многих лет, и лишь в 1939 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Г. Бете сумел построить количественную теорию, объясняющую ядерные процессы в звездах. Был наконец перекинут мост между микро– и макромиром и показано, что звезды суть не что иное, как гигантские термоядерные реакторы.

Прежде чем подробно обсудить эту увлекательнейшую тему, вернемся на время к известным законам физики. Это поможет нам лучше понять, почему лишь термоядерные реакции обеспечивают постоянную светимость Солнца и других звезд и почему именно благодаря им существует на Земле все живое.

В своем изучении биографии звезды мы остановились на том, что она стала стабильной, вступила в стадию спокойной (конечно, относительно спокойной, как мы потом увидим) жизни. Протозвезда стала звездой.

А что же такое звезда с точки зрения физика? Ответ прост, хотя и не сразу очевиден. Солнце – раскаленный газовый шар. Почему газовый? Давайте-ка разделим массу Солнца на его объем, чтобы узнать плотность нашей звезды. Мы получим цифру 1,4 грамма в кубическом сантиметре, то есть побольше, чем плотность воды. О каком газе может идти речь? К тому же это средняя плотность, а ведь в центре Солнца плотности должны быть куда больше, чем полученная цифра.

Все дело в том, что температуры в недрах Солнца огромны – более десяти миллионов градусов, а при таких температурах ни жидкая, ни твердая фазы вещества существовать не могут. И тогда Солнце действительно газовый шар. А что это означает для физика?

Да то, что он для описания «поведения» Солнца может использовать, в частности, простейшую формулу, известную из школьного курса физики под названием формулы Клайперона. Она устанавливает связь между температурой, давлением, плотностью и молекулярным весом определенного объема газа.

Но неужели так все просто, и жизнь Солнца физик опишет только законом поведения идеального газа? Ведь если действовал только этот физический закон, Солнце бы очень быстро рассеялось в космическом пространстве?

Все мы знаем, что, прежде чем выйти из корабля в открытый космос, космонавту нужно пройти шлюзовую камеру. Это необходимо для предотвращения разгерметизации корабля. Если нарушена герметизация, в кабине корабля установится космический вакуум. Ведь давление газа в окружающем космическом пространстве ничтожно, а внутри корабля велико. Вот газ и стремится выйти наружу. То же происходит, когда разгерметизируется кабина самолета. К счастью, это бывает редко. Но когда все же случается, жизни пассажиров угрожает опасность, так как они сразу вынуждены дышать воздухом на высоте большей, чем Эверест.

Так в чем секрет? Почему наш огромный раскаленный газовый шар не рассеялся в космическом пространстве? Ведь газ в недрах Солнца находится под чудовищным давлением, а вне Солнца – пустота, глубокий вакуум. Однако благодаря своей огромной массе Солнце сжато силами гравитации, и именно эти силы препятствуют тепловому разлету его вещества в космос.

В наружных слоях Солнца тепловая скорость частиц газа порядка 10 километров в секунду. И не будь гравитации, уже за 10 дней радиус Солнца увеличился бы в 10 раз.

И как на Земле каждый человек чувствует свой вес, так и на Солнце каждая частичка «знает», что ей никогда не вырваться из гравитационного плена нашей звезды. Вот причина равновесия Солнца. Высокие температуры газа препятствуют силам гравитации совершить катастрофу и заставить сжаться наше Солнце, а гравитация, со своей стороны, «дисциплинирует» Солнце, заставляя его находиться в определенных «рамках».

Кластер галактик в созвездии Тельца.

Условие равновесия можно выразить чрезвычайно просто. Газовое давление в центре звезды должно быть равно весу столба с поперечным сечением 1 см² и высотой, равной радиусу нашего газового шара. Если сделать соответствующие оценки, то окажется, что давление в центре Солнца будет порядка 10¹⁰ атмосфер! Столь большое давление может быть обеспечено достаточно высокой температурой. Здесь как раз, зная давление, мы можем использовать закон Клайперона и вычислить температуру:

T = Pμ/Aρ,

где P – давление, A – универсальная газовая постоянная, μ – молекулярный вес, ρ – плотность, а T – температура. Вводя некоторые простые допущения, путем несложных преобразований можно привести эту формулу к другому виду:

T = μFM/AR,

где M – масса звезды, R – ее радиус, a F – постоянная всемирного тяготения. Все здесь известно (по крайней мере для нашего Солнца), кроме μ – молекулярного веса. Как известно, молекулярный вес численно равен массе вещества, состоящей из числа частиц N (N = 6 · 10²³ – число Авогадро). Нам нужно найти молекулярный вес звездного вещества, состоящего из ядер атомов различных элементов и электронов. Оценки показывают, что он меняется от 0,5 до 1,3. У звезд середины главной последовательности, к которым, разумеется, относится и наше Солнце, μ = 0,6.

Теперь мы можем записать крайне простое соотношение для температуры центральной части звезды: T_с = 14(M/M)(R/R) миллионов градусов.

Здесь M и R – масса и радиус любой звезды, M, R – масса и радиус Солнца. Ясно, что температура Солнца равна по этой формуле 14 миллионам градусов. Таким образом, довольно сложная задача определения температуры в центре звезд решена очень просто.

Мы использовали сейчас лишь два хорошо известных физических закона: закон всемирного тяготения и газового состояния. Посмотрим теперь, каким образом тепловая энергия переходит из очень горячих, центральных частей звезды к более холодной поверхности, откуда она уходит в пространство. Насколько это важно для понимания строения звезды?

Вопрос этот имеет принципиальное значение. Ведь светимость звезды – один из главных ее параметров – и есть поток энергии, достигший поверхности и уходящий потом в пространство. Этот поток во многом определяет структуру всей звезды.

Различные формы переноса тепла хорошо известны в повседневной жизни. Холодная металлическая ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, быстро нагревается. Это перенос тепла посредством теплопроводности тела. В металле есть свободные электроны, которые переносят тепловую энергию. Этот вид переноса существен для белых карликов и не имеет практически никакого значения для обычных звезд. Конвекция, о которой мы уже говорили, также одна из возможных форм переноса. Наконец, существует наиболее важная (для нас) форма «лучистый перенос» – перенос тепла излучением.

В быту мы хорошо знакомы с лучистым переносом. Тепло, которое идет от любого нагретого предмета, – результат именно этой формы переноса. Горячий утюг излучает в инфракрасном диапазоне, и мы не видим, а лишь чувствуем это излучение. Раскаленный кусок железа светит в видимом диапазоне, а мы можем визуально наблюдать лучистый перенос энергии, впрочем, так же, как в случае Солнца и звезд. Мы помним, что количество излученной энергии очень сильно зависит от температуры, оно пропорционально ее четвертой степени (закон Стефана – Больцмана). Именно поэтому по мере продвижения в глубь звезды энергонасыщенность вещества растет очень быстро.

К примеру, один кубический сантиметр вещества, «взятого» из центра Солнца, излучал бы за секунды энергию около 10²⁶ эрг. Такая энергия эквивалентна извержению крупного вулкана. Если бы излучение внутренних областей Солнца могло достичь напрямую земной поверхности, оно бы мгновенно испепелило ее. Но мы, к счастью, застрахованы от такой малоприятной возможности, и причиной тому – непрозрачность звездного вещества к световым квантам.

На первый взгляд это обстоятельство может показаться странным: ведь мы говорили о том, что звездное вещество представляет собой газ. Да, это так, звезда – газовый шар. Но газ в звезде в высшей степени непрозрачен. Это объясняется высокой плотностью вещества в центре звезды. Непрозрачен уже 1 миллиметр звездного вещества – у поверхности звезды непрозрачность растет с ростом температуры.

Это нетрудно понять, поскольку здесь при большей температуре больше возбужденных атомов, способных поглощать свет в видимой области. Но в недрах звезды при росте температуры атомы все больше и больше «оголяются», теряя электронные оболочки, и поэтому там поглощение света несколько падает за счет увеличения температуры, но в то же время, поскольку T растет, общую непрозрачность можно считать постоянной.

Теперь нам осталось попытаться понять, как зависит светимость звезды от ее массы. Мы уже видели, что температура в центре звезды пропорциональна массе. С другой стороны, светимость L ~ T⁴ и L ~ 1/ρH, где ρ – средняя плотность звездного вещества, а H – коэффициент поглощения, который, как говорилось, можно принять постоянным. Ясно, что по определению ρ = 3M/4πR³. И тогда мы находим, что L ~ M³. Мы таким образом получили путем простых рассуждений теоретическое соотношение между массой звезды и ее светимостью.

Более точно оно записывается в следующем виде:

L = K(μ⁴/H)M³,

где K – численный коэффициент, а μ – молекулярный вес. Эта формула в принципе верно отражает наблюдательные факты. Основной вывод состоит в том, что перенос энергии из недр звезды определяется излучением, а «пропускная способность» звезды ее массой. О конвекции мы с вами уже немного говорили, но дело в том, что на главной последовательности полностью конвективных звезд практически нет.

Все просто и хорошо: мы с вами выяснили, какие силы управляют Солнцем, как излучает звезда, причем все это было проделано «на пальцах», не выходя за рамки школьного курса физики. Наверное, у многих читателей сложилось впечатление, что Эддингтон был прав, когда говорил: «Нет ничего проще, чем звезда». Быть может, у некоторых появилось даже легкое чувство обманутых надежд: а где же обещанные тайны, проблемы, загадки? Будут и тайны, и загадки. Они впереди.

Источник энергии

Повнимательнее вглядимся в источник светимости Солнца – термоядерные реакции. Сначала решим простой вопрос. Ведь если идет термоядерная реакция (неважно, по какому конкретному механизму), она резко повышает температуру вещества. Это, в свою очередь, должно обязательно повысить скорость процессов, что чревато для звезды весьма опасной возможностью: уподобиться огромной водородной бомбе, в которой термоядерная реакция носит характер взрыва.

Но Солнце светит стабильно, внутри нашей звезды есть механизмы, регулирующие скорость термоядерного синтеза. Что же это за механизмы?

Да, в общем-то опять школьная физика, все так же формула Клайперона, действующая, правда, в условиях гравитации. По этой формуле, если повысить температуру объема газа, немедленно произойдет его расширение, отчего газ тут же охладится. Вот поэтому-то в Солнце и существует жесткий механизм обратной связи, и термоядерные реакции не могут идти в недрах нашего светила с произвольной скоростью. Их скорость полностью определяется самой структурой Солнца.

Вспомним, что такое ядерные реакции. Ядро атома любого элемента (за исключением водорода) состоит из протонов и нейтронов, связанных между собою сильными взаимодействиями. Ясно, что, если протон или нейтрон сталкивается с ядром атома какого-либо элемента и «застревает» в нем, образуется ядро атома нового элемента и вдобавок высвобождается образовавшийся избыток энергии. Этот избыток уносится обычно какой-либо частицей – гамма-квантом, нейтрино и другими.

Процесс может быть и более сложным. Вновь образовавшееся ядро распадается на осколки (деление). Но все это и есть, собственно говоря, ядерные реакции.

Если мы начнем облучать какое-либо вещество нейтронами, то особых трудностей мы испытывать не будем, поскольку нейтрон не имеет заряда и ничто не мешает ему сколь угодно близко подойти к ядру. С протонами дело обстоит гораздо сложнее. Протон несет положительный заряд, и ему необходимо преодолеть электростатическое отталкивание других протонов в ядре. Сделать это довольно не просто, и поэтому в земных условиях для изучения реакций с этими частицами строят огромные ускорители, которые и сообщают протону необходимую начальную энергию для прохождения потенциального барьера. Если мы хотим заставить провзаимодействовать с каким-либо ядром α-частицу – ядро атома гелия-4, ей необходимо будет сообщить еще большую энергию, чем отдельному протону, поскольку в ее составе их уже два.

Ядерные реакции с протонами для космоса – вещь обычная, так как водород – самый распространенный элемент во всей Вселенной. Таким образом, протоны не представляют дефицита, а роль ускорителей в космосе играют, в частности, недра звезд. Температура там столь велика, что часть протонов приобретает вполне достаточные для начала ядерных реакций скорости. Такие реакции, где для «активирования» протонов используется температура, называются термоядерными.

Каковы эти реакции? Главным образом те же, что вызывают взрыв водородной бомбы, – слияние четырех ядер водорода (протонов) через ряд промежуточных реакций в ядро атома гелия. Это так называемый протон-протонный цикл.

Ядро атома гелия весит чуть меньше, чем четыре протона, и в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc² эта разница в массе переходит в энергию, которая и идет на разогрев вещества.

Попробуем провести простые количественные оценки выхода энергии в этой реакции. Четыре протона в атомных единицах весят – 4,03252. Но хорошо известно, что ядро атома гелия в тех же единицах весит 4,00389. Именно эта разница в массах и переходит в энергию: mc² = E = 1,67×10^–24 · 0,02863 · (3 · 10¹⁰)² = 4,3 · 10^–5 эрг на одно ядро. Если весь водород Солнца превратится в гелий, то выделится чудовищное количество энергии ~ 10⁵² эрг. Так как Солнце излучает каждую секунду 4 · 10³³ эрг, то топлива в Солнце хватит примерно на 100 миллиардов лет.

Теперь о механизмах термоядерных реакций в звездах.

Протон-протонный цикл начинается с образования дейтерия:

¹H + ¹H → ²D + e⁺ + ν + 1,44 МЭВ.

Вообще говоря, «выход» этой реакции очень мал. Даже в недрах звезд, где условия в общем-то благоприятствуют ее прохождению, лишь один из десятков миллиардов протонов имеет возможность превратиться в дейтерий.

Дополнительная трудность для начальной реакции состоит в том, что один из протонов во время акта столкновения должен успеть превратиться в нейтрон. Ведь ядро дейтерия состоит не из двух протонов, а из протона и нейтрона! Выручает то обстоятельство, что число протонов огромно, и поэтому все-таки необходимые условия для некоторых из них выполняются, и начальная реакция «запускает» протон-протонный цикл.

Далее дейтерий соединяется вновь с протоном, образуя изотоп гелия-3:

²D + ¹H → ³He + γ + 5,49 МЭВ.

Затем возможны уже три направления ядерных реакций. Главный путь – взаимодействие двух ядер изотопа ³He:

³He + ³He → ⁴He + ¹H + ¹H + 12,85 МЭВ.

Все возвращается здесь на круги своя: мы снова имеем два протона, цикл замкнулся, но нам надо запомнить, что в результате цикла появилось ядро атома гелия. Это и есть «столбовая» дорога протон-протонного цикла.

Кроме нее, существуют два побочных пути. Первый состоит во взаимодействии гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро бериллия может захватить протон и превратиться в бор-8, бор-8 претерпевает бета-распад:

⁸B → ⁷Be + e⁺ + ν.

Эту реакцию нам надо обязательно запомнить, так как именно с ней связаны наиболее драматические страницы в современной физике Солнца. Радиоактивный бериллий-8 быстро распадается на два ядра «обыкновенного» гелия-4.

Наконец, еще одна «дорожка» протон-протонного цикла состоит в следующем: бериллий-7 может захватить электрон, превратившись после этого в литий-7. А тот, захватив протон, «переходит» в неустойчивый изотоп бериллия-8, судьба которого нам уже известна.

Существует еще один тип ядерных реакций, играющий определенную роль в энергетике Солнца, – углеродно-азотно-кислородный цикл (С – N – О-цикл). Причем его конечный результат, так же как и в протон-протонном цикле, – образование атома гелия из четырех ядер атома водорода.

Здесь происходят очень интересные вещи. Все начинается с того, что ядро углерода захватывает протон (ядро атома водорода) и превращается в радиоактивный азот, который, распадаясь, дает более тяжелый изотоп углерода. Этот изотоп тоже захватывает протон и превращается в обычный азот. Но и азот стремится захватить ядро водорода, тем более что недостатка в водороде внутри Солнца нет.

Поглотив протон, ядро азота превращается в радиоактивный кислород, а тот, распадаясь, – в стабильный изотоп азот-15. Азот-15 опять захватывает протон. Но даже в недрах Солнца жадность наказуема: распухшее ядро азота-15 с лишним протоном не в состоянии удержать захваченное и распадается на исходное ядро атома углерода-12 и ядро атома гелия.

В результате начавшее всю цепочку захвата ядро углерода-12 осталось «при своем интересе» и вышло из игры, а из четырех захваченных ядер водорода образовалось ядро гелия. Снова работает соотношение E = mc², и разность масс между четырьмя протонами и ядром гелия превращается в энергию.