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

Автор книги: Лев Мухин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 17 страниц)

В отличие от первого механизма в различных этапах реакций С – N – О-цикла участвуют атомы углерода, кислорода и азота. Именно поэтому его и назвали С – N – О-цикл. Но если за счет протон-протонного процесса Солнце получает 98 процентов своей энергии, то за счет углеродно-азотно-кислородного только 2 процента.

Нужно сказать, что для звезд более массивных, чем Солнце, роль С – N – О-цикла значительно существеннее. Понятно, что кулоновский барьер для этой реакции выше, чем в первой реакции протон-протонного цикла. Там реагировали отдельные протоны, а здесь во взаимодействие приходят ядра. Поэтому в более массивных звездах, где температура выше, чем у Солнца, эти реакции будут идти более эффективно.

Итак, и в протон-протонном, и в С – N – О-цикле конечным продуктом термоядерных реакций является гелий. Другими словами: водород звезд выгорает, выгорает в одних случаях медленно, в других побыстрее. Что же происходит со звездами по мере выгорания в них водорода, из какого источника они вновь черпают энергию?

Прежде чем ответить на этот вопрос, следует обратить внимание на термоядерные реакции с легкими элементами – литием, бериллием и бором. Их особенность состоит в том, что и литий, и бериллий, и бор «выгорают» в процессе реакций. Мы видели, что в С – N – О-цикле ядра углерода «возобновляются». Они служат здесь как бы катализаторами реакции. Легкие же элементы вместе с водородом, сгорая в термоядерном котле звезды, быстро исчезают, превращаясь в гелий. Кстати, именно поэтому легких элементов (исключая водород и гелий) в звездах и на Солнце крайне мало.

Когда основное топливо звезды – водород – выгорает, источником энергии становится так называемый тройной альфа-процесс. Эта термоядерная реакция идет при температуре около ста миллионов градусов. Сначала две α-частицы при столкновении на короткое время образуют неустойчивый изотоп бериллия-8. Он, конечно, может распасться вновь на два ядра гелия-4. Но в том случае, если за какой-то очень короткий промежуток времени он успеет столкнуться еще с одной α-частицей. Получится стабильный изотоп углерода-12, и выделится большое количество энергии. Таким образом, в этой реакции сгорает уже не водород, а гелий.

В обычных звездах «главной последовательности» температура недостаточна для «запуска» тройного α-процесса, но в некоторых специальных случаях именно этот механизм может быть основным источником энергии. Об этих случаях мы поговорим позже, а сейчас зададимся естественным вопросом: откуда в нашем мире появились химические элементы?

О том, как во Вселенной образовались водород и гелий, мы уже говорили. Этот вопрос решается легко и непринужденно в рамках модели Большого Взрыва. Но как объяснить огромное обилие элементов в менделеевской таблице? Почему, к примеру, в космосе очень мало лития, бериллия и бора? Почему существует так называемый железный пик? (Обилие элементов группы железа.) Вопросов немало, и решение их сильно зависит от того, какие температуры достигаются в недрах звезды.

Прежде всего возникает идея о последовательном построении тяжелых элементов из более легких путем присоединения нейтрона к ядру легкого элемента. Такой механизм называется S-процессом. Но откуда берутся нейтроны?

Если в звезде достигнута температура порядка 100 миллионов градусов, в ней начинает идти важная реакция:

¹³C + ⁴He → ¹⁶O + n.

Эта реакция важна именно потому, что она генерирует нейтроны, которые впоследствии «утяжеляют» ядра легких элементов. Если достигнута температура около 1 миллиарда градусов, нейтроны появляются в результате взаимодействия ядер углерода-12:

¹²С + ¹²C → ²³Mg + n.

Существуют и другие реакции с образованием нейтронов. Но нам сейчас важно не столько перечисление этих реакций, сколько понимание самой возможности образования тяжелых элементов как путем последовательного присоединения нейтронов, так и путем термоядерных реакций между элементами:

¹²C + ¹²C → ²³Na + ¹H;

¹⁶O + ¹⁶O → ³²S + γ;

¹²C + ¹²C → ²⁰Ne + ⁴He;

²⁰Ne + ²⁰Ne → ²⁴Mg + ¹⁶O.

Во всех этих реакциях выделяется энергия. Но образование более тяжелых элементов, чем железо, в процессе термоядерного синтеза затруднено. Это объясняется тем, что ядро железа-56 обладает очень большой энергией связи. Чтобы из этих ядер получить более тяжелые, нужно затратить больше энергии, чем ее освободится в термоядерной реакции синтеза. Поэтому синтез элементов, более тяжелых, чем железо, невозможен в равновесных звездах.

Проблему синтеза элементов нельзя считать решенной до конца прежде всего потому, что нам неизвестно точно, насколько высокими могут быть температуры в недрах звезд. Некоторые особенности в распространенности элементов в космосе сейчас можно объяснить. «Недостача» лития, бериллия и бора вызвана их быстрым выгоранием в термоядерных реакциях. Обилие элементов группы железа («железный пик») связано с повышенной устойчивостью ядер этих элементов и т. д.

Но в мире звезд есть и исключения, причем отнюдь не единичные, и они не укладываются в рамки простых схем, о которых мы сейчас говорили. Проблема образования элементов сложна. Сейчас не видно непреодолимых трудностей на пути ее решения. Тем не менее сам путь решения не будет коротким. Дело здесь, собственно говоря, не в самих ядерных реакциях, а в построении моделей звезд с температурами внутри до 10 миллиардов градусов. Это очень и очень нелегкая задача.

Солнечные нейтрино

Ядерные реакции могут идти не только в недрах Солнца, где высокие температуры обеспечивают их течение. Они могут происходить и в атмосфере Солнца, за счет ускорения заряженных частиц до высоких энергий. Но об этом мы поговорим позже. Сейчас же отметим один принципиальный факт, который, скажем прямо, уже долгое время не дает покоя астрофизикам. Дело в том, что в термоядерных реакциях, о которых мы говорили, образуются (кроме всего прочего) нейтрино – элементарные частицы, представители микромира с удивительными свойствами.

Сегодня нейтрино – одна из самых «модных» элементарных частиц. Именно нейтрино, как мы помним, могут определить судьбу нашего мира. Но роль их в астрофизике этим не ограничивается. И сейчас нам нужно будет поговорить о трех тесно связанных между собой областях человеческой деятельности – гениальном теоретическом предвидении, внутреннем строении Солнца и… бытовой химии.

В начале 20-х годов нынешнего столетия в легендарный институт Н. Бора в Копенгагене приехал склонный к полноте молодой человек – В. Паули. В здании института царила сугубо неофициальная обстановка. Жена Бора угощала студентов бутербродами, они играли днем в пинг-понг, по институту сновали сыновья Бора. Бор страшно любил ковбойские фильмы и часто ходил со студентами в кино. Днем времени на работу у учеников Н. Бора оставалось немного, и работали они главным образом по ночам.

Это была счастливая эра физики, когда основы современной науки закладывали совсем молодые люди в возрасте между двадцатью и тридцатью годами. Сам Бор на семинарах никого не критиковал, но его студентов нельзя было назвать застенчивыми людьми. Вот в такую обстановку окунулся сын венского профессора биологии В. Паули.

О Паули ходит много легенд и анекдотов. Свой отнюдь не ангельский характер он проявил еще в Мюнхенском университете, где Эйнштейн читал лекцию по теории относительности. После лекции 18-летний Паули поднял руку и, когда ему предоставили слово, глубокомысленно заявил: «А знаете, то, что рассказывал вам господин Эйнштейн, вовсе не так уж глупо…»

Да, этот молодой человек был лишен чувства ложной скромности. У него был острый и злой язык. Но единственное, что его оправдывало, абсолютная научная честность и требовательность по самым высоким меркам к своим научным работам.

О характере Паули свидетельствует такой, например, случай. На одной научной конференции молодого ученого представили известному физику П. Эренфесту из Лейденского университета. Как обычно, Паули начал беседу с очередной грубости. «Ваши научные работы нравятся мне намного больше, чем вы сами», – сказал ему обиженный Эренфест. Что-что, а за словом в карман Паули не лез никогда. «Странно, – ответил он, – а мне как раз наоборот». Эренфест с Паули впоследствии подружились, но совсем неудивительно, что многие называли его молодым человеком, вселяющим ужас.

Самому Бору Паули кричал: «Замолчите! Не стройте из себя дурака…» – «Но, Паули, послушайте…» – робко возражал Бор. «Нет, нет. Это чушь. Не буду больше слушать ни слова». И все же, несмотря на подобного рода выходки, Паули пользовался непререкаемым авторитетом в среде физиков-теоретиков.

К экспериментаторам он относился с пренебрежением, иногда просто не замечал их. Он панически боялся всякого, даже сравнительно простого технического устройства. И нужно сказать, что приборы тоже боялись Паули. В его присутствии они просто отказывались работать. Это явление получило название «эффекта Паули».

Однажды в Геттингенском университете взорвалась по неизвестной причине вакуумная установка. Причину взрыва перестали искать, когда выяснилось, что перед самым взрывом на Геттингенский вокзал прибыл поезд, в котором находился Паули…

Несколько молодых итальянцев-физиков решили подшутить над ним. Они подвесили к потолку люстру, присоединив ее к входной двери системой блоков таким образом, чтобы, когда Паули откроет дверь в помещение, люстра с грохотом обрушилась. Но «эффект Паули» был, по-видимому, неким общим явлением природы. Ученый спокойно вошел в комнату, а устройство итальянских физиков не сработало: люстра не упала. Паули весело сообщил им, что они прекрасно продемонстрировали известный эффект.

Работая в Копенгагене, Паули открыл одно из самых важных правил квантовой механики, знаменитый «принцип запрета», за который получил Нобелевскую премию по физике. О значении этого принципа говорит тот факт, что, используя его, Паули сумел вывести все химические свойства элементов. Этот принцип в силу его универсальности имеет огромное значение и для астрофизики. Нам будет удобно сформулировать этот принцип для электронов: не может быть двух электронов, расположенных в достаточно малом объеме и движущихся абсолютно одинаково.

Немногим даже выдающимся физикам удается «на кончике пера» открывать новые законы природы. Паули был именно таким человеком. Принцип Паули является одним из краеугольных камней современной физики.

Но Паули знаменит еще и тем, что предсказал существование нейтрино, быть может, одной из самых удивительных элементарных частиц. Сделано это было в 1931 году, и лишь через 25 лет удалось в лабораторном эксперименте подтвердить реальность существования таинственных частиц.

Нейтрино – частица с замечательными свойствами, а в последние годы, как мы знаем, интерес к ней вспыхнул с новой силой. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом. Ясное дело, что самое важное здесь слово «почти», поскольку, если бы нейтрино совсем не взаимодействовали с веществом, их вовсе нельзя было бы обнаружить.

Солнце для этих частиц не препятствие. Родившись, они мгновенно покидают Солнце, и, сосчитав поток солнечных нейтрино, можно было бы оценить, какие ядерные реакции и с какой эффективностью происходят в недрах нашего светила. Ведь нейтрино образуются и в протон-протонном, и в углерод – азот – кислородном цикле.

Согласно теоретическим расчетам число солнечных нейтрино, попадающих на Землю, огромно. Каждую секунду один квадратный сантиметр земной поверхности бомбардирует сто миллиардов нейтрино. Но это даже не бомбардировка, нейтрино просто пронизывают Землю насквозь и уходят в космическое пространство.

Физики стали думать, как поймать нейтрино. В 1946 году академик Б. Понтекорво предложил идею нейтринной ловушки. Вкратце она состоит в следующем. Солнечное нейтрино с очень малой, но все-таки конечной вероятностью может провзаимодействовать с устойчивым изотопом хлора, хлором-37, в результате чего получится радиоактивный изотоп аргона, аргон-37, и электрон. Радиоактивный аргон можно было бы определить чувствительным радиохимическим методом.

За решение этой задачи взялся известный американский физик-экспериментатор Р. Дэвис из Брукхэйвенской национальной лаборатории. Мне не хочется использовать банальную журналистскую фразу: «Перед ученым возникли значительные трудности». Она попросту ничего не отражает. И в самом деле, уникальная установка Дэвиса – своеобразный рекорд современной экспериментальной физики.

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с атомом хлора-37 ничтожно мала, ясно. То, что поэтому детектор нейтрино должен содержать много хлора, тоже ясно. Но как много? Трудно себе представить, но Дэвис и его сотрудники наполнили емкость объемом с 25-метровый плавательный бассейн жидкостью для химической чистки одежды – четыреххлористым углеродом, содержащим хлор-37.

Казалось, вопрос с детектором нейтрино решен. И все-таки оставалось преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что космические лучи, попадая в этот детектор, тоже приводили к появлению аргона-37. От них надо было избавиться, и огромный детектор Дэвиса поместили в старой шахте, пробитой в скале на глубине полутора километров под землей.

Невероятная чувствительность этой установки позволяла выуживать из емкости в 400 кубометров буквально считанные атомы аргона-37. Ведь его период полураспада 35 дней, и поэтому накапливать его можно было только до определенного предела. Дальше уже шла процедура химчистки, но не одежды, а аргона-37, который затем и предъявлялся как доказательство существования солнечных нейтрино.

И физики стали ждать результатов. Детектор Дэвиса имел хороший запас чувствительности по отношению к потоку солнечных нейтрино, даже для «минимальной модели» термоядерных процессов в недрах Солнца. Казалось, вот-вот появятся первые результаты. Но в течение многих лет гигантская установка Дэвиса не могла обнаружить солнечные нейтрино. Правда, в самое последнее время Дэвису удалось поймать таинственные частицы. Но все равно их число было намного меньше, чем предсказывали теоретические расчеты.

В чем же дело? Были тщательно перепроверены все теоретические оценки, вновь откалибрована установка, результаты оставались прежними.

В фундаменте физики Солнца возникла первая опасная трещина. Более того, как считают некоторые астрофизики, сейчас зарождается кризис доверия к основополагающим теориям строения и эволюции звезд. Отрицательный результат опытов Дэвиса поставил под угрозу казавшиеся до сих пор неуязвимыми теоретические построения. Этот результат требовал объяснения, и, конечно, теоретики взялись за работу.

Один крупный ученый, советский физик, сказал, что все физики делятся на три категории: теоретики, экспериментаторы и интерпретаторы, то есть люди, которые могут и умеют лишь интерпретировать результаты чужих экспериментов на основании чужих теорий. В случае с детектором Дэвиса огромная армия теоретиков превратилась в интерпретаторов.

Еще бы, кому приятно, когда рубят сук, на котором сидишь. А Дэвис подрубил сук, на котором сидело немало крупных астрофизиков. Понятно, что все они предпринимали попытки исправить ситуацию, которая стала, скажем прямо, угрожающей.

Для решения проблемы нейтрино привлекались самые неожиданные идеи. Некоторые были вызваны отчаянием и беспомощностью.

Приведем лишь один пример. В «Астрофизическом журнале» в 1975 году появилась статья, в которой высказывается предположение, что в центре Солнца находится небольшая черная дыра с массой, примерно равной массе Земли, и радиусом несколько сантиметров. Такая черная дыра сумела бы обеспечить около половины наблюдаемой светимости Солнца. Остальное – за счет протон-протонного цикла. В этом случае Дэвис не смог бы «выудить» из своего бассейна с жидкостью для химчистки необходимого количества нейтрино.

Известный астрофизик В. Фаулер предположил, что скорость ядерных реакций в центре Солнца временно уменьшилась. Значит, уменьшился и поток нейтрино, и именно эту ситуацию мы видим сейчас. Но наружные слои Солнца еще «не знают» того, что произошло в центре. Ведь излучению энергии нужно десяток миллионов лет, чтобы достигнуть наружных слоев нашей звезды. Вскоре все должно прийти в норму, примерно через десять миллионов лет поверхности Солнца достигнет «неполноценный» поток фотонов, рожденный в период спада термоядерной активности солнечного ядра. Светимость Солнца несколько уменьшится, на Земле наступит ледниковый период.

На самом деле все эти цифры не очень точные, но, конечно, очень интересен тот факт, что периоды оледенения Земли совпадают с вариациями светимости, теоретически рассчитанными на основе идеи Фаулера. Тем не менее окончательных подтверждений этой идеи нет.

В общем, недостатка в гипотезах нет. Более того, некоторые теоретики готовы были отказаться от общей теории относительности, чтобы объяснить отрицательные результаты Дэвиса. Цена, как мы видим, немалая. Однако отказ от общей теории относительности повлек бы за собой и другие следствия, которые можно было бы наблюдать. В частности, Солнце должно было быть сплюснутым. Проверки, проведенные на новых телескопах, не подтвердили этого. Общая теория относительности Эйнштейна осталась непоколебимой, а результаты Дэвиса необъясненными.

Как пишет специалист по физике Солнца Р. Нойс из Гарварда, «никакого решения проблемы солнечных нейтрино не видно». А один из ведущих современных астрофизиков, А. Камерон, прямо говорит, что именно проблема нейтрино служит предостережением о необходимости соблюдать осторожность, утверждая, что мы уже разобрались в природе недр Солнца и других звезд.

Сравнительные размеры Солнца, Земли и белого карлика.

Но гипотезы гипотезами, а Солнце упрямо светит каждый день в течение многих миллиардов лет, светит, давая жизнь Земле, светит, определяя климат планет и само их существование. И в общем-то у нас нет сейчас никаких сомнений в том, что желтый карлик питается энергией термоядерного синтеза. Его вкусы постоянны, и он не балует себя разнообразием в пище. Вопрос в том, на какое время хватит ему этой пищи. Ведь в мире нет ничего вечного, и когда-нибудь он начнет испытывать водородный голод, ведь водород-то все время превращается в гелий. Что же тогда случится с нашей звездой?

Модели звезд

Перед тем как мы начнем разбираться в этом на редкость интересном вопросе, полезно познакомиться с моделями звезд. Модель звезды в принципе должна описывать температуру, давление, плотность, химический состав, состояние вещества в любой точке звезды.

Мы не можем наблюдать «внутренности» звезды, и поэтому только расчеты, основанные на использовании известных физических законов, позволяют понять «поведение» звезды, ее физику. Мы никогда не узнаем, с какой степенью приближения соответствует модель истинной структуре космического объекта – звезды. Но сопоставление моделей с данными астрономических наблюдений помогает произвести соответствующие отбраковки.

Сегодня для построения моделей используются мощные ЭВМ; работа эта сложная и кропотливая, хотя в основе ее лежит использование простых физических законов, о которых мы уже говорили. Не будем останавливаться на технике счета моделей, перейдем сразу к наиболее интересному и важному вопросу об устройстве звезд различной массы и светимости. Это будет, собственно говоря, «сухой остаток» огромной работы, начатой еще в 1921 году Эддингтоном.

Итак, верхняя часть главной последовательности.

Там, как мы помним, расположены горячие массивные звезды. Возьмем, к примеру, звезду с массой в 10 солнечных масс и светимостью в 3 тысячи раз больше, чем у Солнца. Расчеты дают следующие характеристики ее структуры.

В центре такой звезды находится конвективное ядро, радиус которого занимает примерно 0,2 от полного радиуса звезды. Причина появления конвективного ядра очевидна: лучистый перенос уже не справляется с откачкой энергии из центральных районов звезды, и поэтому должен включиться механизм конвекции. В центре звезды температура около 27 миллионов градусов, а плотность в 26 раз больше средней. В звезде 90 процентов водорода, 9 – гелия и 1 процент остальных элементов. Согласитесь, что такая звезда устроена достаточно просто, основной источник ее энергии С – N – О-цикл.

Посмотрим теперь, что представляют собой звезды, расположенные на нижней части главной последовательности. Они, разумеется, сильно отличаются от случая, который мы только что рассмотрели. Во-первых, у этих звезд (и в том числе у нашего Солнца) нет конвективного ядра, во-вторых, основной источник энергии – протон-протонный цикл. И наконец, в этих звездах есть внешняя конвективная зона, в которой содержится примерно 10 процентов всей массы звезды, если масса этой звезды составляет 60 процентов от массы Солнца. Конвективная зона образуется из-за повышенной непрозрачности слоя, начинающегося на расстоянии 0,65 от полного радиуса звезды и продолжается почти до поверхности.

Яркая звезда в Трапеции.

В центре звезды плотность выше средней в 20 раз, а температура, естественно, ниже, чем у более массивной звезды, – всего 8,9 миллиона градусов. Химические элементы в этой модели равномерно распределены по всей звезде.

При построении моделей Солнца была учтена неравномерность распределения водорода по радиусу, и тогда получилось, что температура в центре Солнца составляет 14,6 миллиона градусов, а плотность – 134 г/см³.

Итак, все наши модели заметно отличаются друг от друга. Каждая звезда имеет свою структуру – например ядро, или внешнюю конвективную зону. И выражение Эддингтона: «Нет ничего проще, чем звезда», – кажется уже не столь очевидным. А ведь мы пока рассмотрели лишь самые простые модели звезд. Сложности дальше будут расти, как снежный ком.

Рассмотрим, к примеру, модель звезды-гиганта, радиус которой в 21 раз больше радиуса Солнца. Пусть масса гиганта равна 1,3 массы Солнца, а светимость больше в 226 раз. При расчетах структуры такой звезды выяснилась удивительная вещь.

В центре звезды водорода нет, он весь выгорел. Там находится маленькое ядро, состоящее почти целиком из гелия. Радиус его – всего лишь одна тысячная полного радиуса звезды. Поскольку водорода там уже нет, термоядерные реакции в ядре не идут, а температура ядра (40 миллионов градусов) постоянна. Поэтому ядро называется изотермическим. Однако даже 40 миллионов градусов недостаточны, чтобы «зажечь» тройной α-процесс, и источников энергии в ядре нет.

Вокруг ядра расположена тонкая оболочка, в которой идут реакции С – N – О-цикла. Толщина оболочки – чуть меньше радиуса ядра. Далее идет слой, в котором энергия переносится излучением. Толщина его составляет примерно одну пятую радиуса звезды. А далее идут наружные слои гиганта, охваченные бурной конвекцией. Они содержат около 70 процентов массы всей звезды.

Но тогда мы приходим к удивительному выводу. Небольшое ядро гиганта весит почти одну третью его часть. И его плотность составляет 3,5 · 10⁵ г/см³. Другими словами, чайная ложка вещества ядра весит около тонны. Возникает резонный вопрос. Неужели вещество ядра красного гиганта тоже можно считать газом?

Ответ на поставленный вопрос однозначен: «Да». Но газ этот особенный, и, чтобы объяснить все его свойства, мы должны будем поговорить о том, как устроены белые карлики – широко распространенный тип звезд в нашей Галактике. Каковы их основные свойства?

Светимость их очень мала: иногда в тысячи раз меньше солнечной. В то же время масса их примерно равна массе Солнца. Но при солнечной массе эти звезды имеют размеры, сравнимые с размерами планеты.

Сразу же возникает вопрос о температуре внутри такой звезды. Если мы попробуем оценить ее по формуле T = 14(M · R)/(M · R) миллионов градусов, то получим совершенно несуразный и противоречивый результат. Температура получится равной сотням миллионов градусов. Это, в свою очередь, означает что должны идти высокотемпературные реакции, в частности, тройной α-процесс. Крохотные звезды должны выделять огромное количество энергии и светить, как маяки на ночном небе. Но на самом деле их светимость очень мала. В чем здесь дело?

До сих пор во всех «звездных» оценках мы пользовались лишь законом Клайперона и законом всемирного тяготения. Последний исключений не знает. Тогда остается сделать вывод о том, что вещество белого карлика не идеальный газ, и закон Клайперона здесь не работает. Но что же это такое? Быть может, вещество белых карликов жидкость или твердое тело?

Нет. Плотность жидкости или твердого тела не может превышать 20 г/см³. При этой плотности атомы вещества уже предельно тесно расположены друг к другу. Расстояние между ними порядка 10^–8 сантиметра. Но плотность белого карлика больше тонны в кубическом сантиметре. Это означает, что внутри белого карлика нет атомов! Там есть очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов.

Итак, вещество белого карлика – газ, но газ чудовищной плотности. Поведение его никак нельзя описать в рамках законов школьной физики. Здесь уже нужна квантовая механика. Она, и только она, в состоянии объяснить свойства белых карликов.

Великий физик Паули знаменит не только тем, что он предсказал существование нейтрино. Он также ввел в квантовую механику основополагающий принцип, названный его именем – принцип Паули, который запрещает находиться на одной и той же квантовой орбите в атоме более чем двум электронам. Принцип этот универсален, его смело можно назвать законом природы, исключений он не знает.

Но при чем здесь атомы? Ведь спрессованное до немыслимых плотностей вещество белого карлика не содержит атомов. Там есть лишь ядра атомов и электроны. Оказывается, что электронный газ в белом карлике является чисто квантовой системой, и, говоря другими словами, словами квантовой механики, каждый электрон в газе может занимать строго определенное состояние. Но число состояний ограничено, конечно. Более того, число электронов в каком-либо объеме белого карлика больше числа разрешенных состояний.

Тогда, поскольку принцип Паули нарушать нельзя, электроны, находящиеся в одном и том же объеме, должны отличаться друг от друга, должны обладать различными скоростями. Чем больше электронов в одном состоянии, тем больше отличаются их скорости. Электронов много, и все они движутся с разными скоростями в силу принципа Паули. В обычном газе изменение температуры влияет на скорости частиц. В нашем же, электронном газе, где работает принцип Паули, нагревание или охлаждение практически не повлияет на скорости электронов.

Подобный газ называется вырожденным электронным газом. В принципе его можно охладить до абсолютного нуля, а движение электронов все равно будет продолжаться. Поэтому и давление вырожденного газа мало зависит от температуры частиц и определяется лишь плотностью.

Интересно, что в недрах обычных звезд газ не вырожден. «Критическая» плотность вырождения для «нормальной» звезды с температурой в центре около 10 миллионов градусов должна быть больше 1000 г/см³. Как мы знаем, такие плотности там не достигаются. Белые карлики, эти удивительные звезды, обладают еще некоторыми необычными свойствами. Во-первых, их масса тем больше, чем меньше радиус. Во-вторых, существует некоторое предельное значение массы, при котором давление вырожденного газа уже не может сопротивляться воздействию гравитации. Теория показывает, что белых карликов с массой больше чем 1,43 М в природе существовать не может.

Мы забыли сказать несколько слов о причинах светимости белых карликов. Это отнюдь не праздный вопрос. Ведь водорода в них нет, он весь сгорел, а другие реакции в центре карлика, как мы видели, не идут. Но светимость-то, хоть и небольшая, есть. В чем здесь дело?

Во-первых, ядерные реакции могут идти в «атмосфере» белого карлика. Водород из межзвездной среды может попадать на его поверхность и служить затем ядерным горючим в тонком приповерхностном слое звезды. Во-вторых, белый карлик сам по себе имеет огромные запасы тепловой энергии. Время его охлаждения – сотни миллионов лет.

Белые карлики – одно из самых удивительных творений природы. Но, кроме всего прочего, они играют существенную роль в проблемах звездной эволюции. К этому вопросу мы вернемся несколько позже, а сейчас посмотрим снова на изотермическое ядро красного гиганта. Теперь нетрудно видеть, что оно имеет все свойства белого карлика! Но такая сложная структура звезды не может не вызвать следующего вопроса: каким образом в центре гиганта мог образоваться белый карлик – звезда с удивительными свойствами?

Для ответа на поставленный вопрос, хотя на первый взгляд это может показаться и непоследовательным, посмотрим, что будет с нашим Солнцем через миллиарды лет. Ведь и Солнце начнет когда-нибудь стареть. Как это будет происходить?

Для начала вернемся к протон-протонному циклу. Мы уже говорили о том, что водород в центральных частях Солнца потихоньку выгорает. Сегодняшние оценки говорят, что водородной пищи Солнцу хватит еще на несколько миллиардов лет. В течение всего этого огромного промежутка времени в центре Солнца водород постепенно превращается в гелий.

Планетарная туманность NGC 6781.

Планетарная туманность в Лире.

Гелий – нечто вроде золы в огромной ядерной топке Солнца. Только если из обычной печки золу можно убрать, то гелий накапливается, и таким образом у Солнца образуется гелиевое ядро. Процессы слияния ядер водорода в гелий, изменение химического состава приводят в конце концов к тому, что облегчается выход квантов света – фотонов к поверхности звезды, и поэтому светимость Солнца постепенно увеличивается.

Ядерные реакции по протон-протонному механизму уже не смогут идти в ядре, состоящем из гелия, а будут происходить лишь вокруг ядра, как бы в его оболочке. Гелий, образующийся в оболочке, добавляется к ядру, и его масса увеличивается.

Ядро, естественно, начинает сжиматься. Но сжимается оно очень медленно, и энергия сжатия поэтому не успевает выходить из него наружу. И все-таки температура ядра очень медленно повышается. Почему?

И раньше во время нормальной своей работы в центре Солнца плотности газа были велики: более 100 граммов в одном кубическом сантиметре. Газ, который потяжелее воды в сотню с лишним раз! А в процессе сжатия гелиевого ядра этот газ потихоньку начинает вырождаться. Свойства ядра становятся близкими к свойствам металлов. Ну а это означает, что ядро очень хорошо проводит тепло, то есть имеет высокую теплопроводность. Именно поэтому, хоть ядро и сжимается, температура его повышается очень медленно, за счет высокой теплопроводности оно успевает отдать «излишки» тепла наружу.