Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 21 страниц)
Рудольф Киппенхан
100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Предисловие редактора перевода
Предлагаемая читателю книга известного западногерманского астрофизика Рудольфа Киппенхана была впервые издана в 1980 г. и в переработанном виде в шестой раз переиздана в 1987 г. Она переведена на многие языки и широко известна в разных странах. Подзаголовок названия «Рождение, жизнь и смерть звезд» лаконично передает ее содержание.
Современная астрофизика базируется во многом на знаниях, полученных в последние десятилетия. Сюда относятся термоядерный синтез как источник энергии звезд, открытие пульсаров, нейтронных звезд, черных дыр. Эти открытия поистине произвели революцию в астрофизике и не случайно вызвали широкий интерес не только в среде специалистов. О них писали и пишут в научно-популярных журналах и поэтому можно с большим основанием предполагать, что потенциальный читатель уже слышал о предмете настоящей книги.
Книга написана по материалам лекций, прочитанных автором в Мюнхенском университете. Однако это не должно отпугнуть читателя-неспециалиста. Это научно-популярная книга, в которой на доступном для любого образованного человека уровне излагается современная астрофизика. Вы не встретите в книге ни одной формулы, и при этом самые непонятные факты и явления объяснены без какого-либо элемента вульгаризма.
Как автору удалось достичь такой ясности и занимательности, которые захватывают читателя с первой страницы, приходится только удивляться. Объяснение следует искать не только в том, что Рудольф Киппенхан – крупный астрофизик, прекрасно знающий предмет, он несомненно обладает выдающимся талантом популяризатора. Такую книгу мог написать лишь человек, влюбленный в свою науку.
На кого рассчитана эта книга? Ее прочтут старшеклассники, студенты, специалисты с высшим образованием – все, кого мы называем образованными людьми. Она также может служить пособием для лекторов, преподавателей физики и астрономии не только в средней школе, но и в вузах.
Книга приобщает читателя к одной из самых занимательных областей современной науки, в которой еще не все ясно и которая развивается буквально на наших глазах. История науки последних лет показала, что окружающая нас Вселенная содержит еще много загадок. Но все явления, которые были открыты, всегда удавалось объяснить на основе известных нам законов физики, наличие неясностей еще не дает оснований для пересмотра этих законов. Однако сюрпризов исключить нельзя.
Мы не будем пересказывать содержание книги. Это просто невозможно, как невозможно пересказать произведение искусства. Можно лишь пообещать читателю, что он не только откроет для себя совершенно потрясающий мир Вселенной и тем самым расширит свои познания, но задумается о жизни вообще и о месте земной цивилизации во Вселенной. А это столь актуально в наше время.
Перевод выполнили: канд. физ. – мат. наук Б. Б. Страумал (гл. 1–7) и А. С. Доброславский (гл. 8-13, приложения).
Академик И. М. Халатников
Предисловие автора к русскому изданию
Мне было очень приятно узнать, что издательство «Мир» собирается выпустить эту книгу на русском языке. Невольно вспоминается 1957 год, когда мой друг Штефан Темешвари (ныне покойный) и я создали свою первую численную модель строения звезды. Мы как раз сидели у работающего компьютера, когда услышали о запуске первого советского спутника. Тогда мы, конечно, и не предполагали, что советские космические аппараты позволят с помощью радара увидеть скрытые облаками ландшафты Венеры и сфотографируют ее поверхность и что ровно через 30 лет аппаратура наших коллег из родственного нам Института космической физики имени Макса Планка, выведенная на орбиту на борту советской станции «Мир», сможет зарегистрировать рентгеновское излучение Сверхновой, вспыхнувшей в Большом Магеллановом Облаке.
Во время своих частых поездок в ГДР я видел в книжных магазинах переводы очень хороших советских научно-популярных книг, выпущенных издательством «Мир». Я очень рад, что моя книга выйдет в этом издательстве, и многие неспециалисты смогут узнать, чем занимаемся мы, астрономы. Читатели, вероятно, заметят, что наша работа приносит нам много радости.
Я благодарю академика И. Халатникова за труд по редактированию русского перевода. Я весьма признателен моему коллеге д-ру А. Тутукову за помощь при подготовке этого издания. Благодарю также сотрудников издательства «Мир» за их работу по переводу этой книги.
Мюнхен, 15 марта 1988 года.
Рудольф Киппенхан
Предисловие
Эта книга возникла как результат более сотни популярных лекций, в которых я попытался в общедоступной форме изложить достижения современной астрофизики широкому кругу слушателей. Ее содержание окончательно оформилось после того, как мне пришлось в зимнем семестре 1978/79 г. прочесть курс лекций для студентов Мюнхенского университета. В тексте я часто обращаюсь к материалам работ, которые мы с Альфредом Вайгертом опубликовали в журнале «Sterne und Weltraum» («Звезды и Вселенная»). Заметное место в книге занимают личные воспоминания, поскольку многие важные события в астрофизике произошли за последние 25 лет уже на моей памяти, и в большинстве из них мне как астроному довелось принимать участие. Более того, мне и моим сотрудникам в целом ряде случаев посчастливилось повлиять на «развитие событий» в этой области науки.
Многие друзья и коллеги помогали мне найти в тексте ошибки и неточности. Вольфганг Хиллебрандт, Джон Кирк, Ханс Риттер, Иоахим Трюмпер и Вернер Чарнутер внимательно прочитали некоторые главы. Курт фон Сейнбуш тщательно отредактировал почти всю книгу. Большую помощь оказал мне мой друг, математик из Гёттингена Ханс Людвиг де Фриз, который вместе со мной прочитал всю рукопись (предложение за предложением) и высказал много полезных замечаний. Эта книга, безусловно, не была бы закончена, если бы не одобрение и поддержка моей жены. Большая часть рукописи была напечатана Урсулой Хенниг и Гизелой Веслинг, и я им весьма благодарен, поскольку мне часто приходилось вносить исправления в уже готовый текст. Я благодарю всех, кто помогал мне в этой работе.
Я весьма признателен также сотрудникам издательства «Пипер», которые спокойно и с готовностью принимали мои предложения по оформлению этой книги.
Мюнхен, 31 июля 1979 года.
Рудольф Киппенхан
Введение
Действие драмы происходит в Млечном Пути. Действующие лица сто миллиардов звезд на небе и несколько сотен привязанных к Земле астрономов.
В соответствии с режиссерскими указаниями законов природы вещество во Вселенной собралось в огромные шары, которые мы называем звездами. Температура звезд так велика, что в их недрах не могут существовать ни твердые тела, ни жидкости. Звезды представляют собой газовые шары, частицы вещества в которых удерживаются вместе силами взаимного гравитационного притяжения. Один из таких раскаленных газовых шаров мы называем Солнцем. Удаленный наблюдатель, который будет сравнивать наше Солнце с другими звездами Млечного Пути, не найдет в нем ничего особенного: это звезда средних размеров, ни слишком большая, ни слишком маленькая, со средней светимостью – обычная звезда, одна среди сотен миллиардов подобных звезд. И только нам роль Солнца кажется исключительно важной, поскольку мы ему обязаны своей жизнью.
Большинство звезд Млечного Пути расположено в плоском, спиральном скоплении, которое мы называем нашей Галактикой. Она так велика, что свет идет от одного ее края до другого сто тысяч лет. Все звезды движутся вокруг центра Галактики по сложным траекториям, которые определяются конкуренцией гравитационного притяжения и центробежных сил. Наша Галактика – Млечный Путь – вращается вокруг своей оси. Во Вселенной много галактик, подобных нашей. Другое такое же скопление звезд, медленно вращающееся вокруг своей оси, – Туманность Андромеды. На рис. 0.1 изображена фотография этой звездной системы. Диск этой галактики кажется нам эллипсом, поскольку мы видим его под некоторым углом. Туманность Андромеды – точная копия нашей Галактики. В ней мы находим все типы звезд, имеющиеся в нашем Млечном Пути, все процессы, протекающие в нашей Галактике. И не только в Туманности Андромеды, поскольку существуют тысячи, миллионы, а может быть, и бесконечное множество других галактик.
Рис. 0.1. На расстоянии примерно два миллиона световых лет от нашего Млечного Пути, к которому относятся все видимые на снимке отдельные звезды, находится галактика Андромеды. Она выглядит как эллиптическое туманное пятно. Лишь с помощью мощнейших телескопов можно различить в этом «тумане» отдельные звезды. Многие галактики обладают спиральной структурой, подобной той, которая видна на снимке. Со стороны галактики Андромеды наш Млечный Путь имел бы аналогичный вид. (Калифорнийский технологический институт и Институт им. Карнеги, Вашингтон.)
На рис. 0.4 показана другая звездная система, на которую мы смотрим перпендикулярно ее плоскости. То, что наша система Млечного Пути и другие, часто спиральные туманности, видимые на небе, имеют одну и ту же природу, было с уверенностью доказано только в 1924 г. Небольшие, слабо светящиеся, часто эллиптические туманные диски наблюдали на небе уже давно. Их называют спиральными туманностями. Уже в 1755 г. Иммануил Кант, которому в ту пору был 31 год, сравнивал их с нашей собственной звездной системой в своей книге «Всеобщая естественная история и теория неба»: «Если посмотреть на такое собрание неподвижных звезд (Кант имел в виду наш Млечный Путь) глазами стороннего наблюдателя, находящегося неизмеримо далеко от него, то это собрание, видимое под очень малым углом, будет выглядеть как небольшой светящийся кружок, если его плоскость перпендикулярна направлению взгляда, или как эллипс, если смотреть на него под некоторым углом». Отсюда Кант сделал вывод, что эллиптические туманности представляют собой звездные системы, подобные нашему Млечному Пути, удаленные от нас на огромные расстояния. Он писал далее: «Вполне можно предположить, что эти эллиптические образования представляют собой такие же совокупности миров, как наш Млечный Путь, с такой же сложной структурой». Потребовалось почти двести лет, чтобы это предположение подтвердилось.
Рис. 0.4. Спиральное облако М51 в созвездии Гончих Псов. Мы смотрим перпендикулярно плоскости Млечного Пути. Светлые спирали – места, где яркие голубые звезды возбуждают свечение межзвездного газа. Свет от этих звездных систем дошел до нас примерно за 12 миллионов лет. (Снимок Военно-морской обсерватории США, Вашингтон.)
Солнце и мы вместе с ним – расположено вблизи экваториальной плоскости нашего Млечного Пути. Если посмотреть в окружающее пространство в направлении, перпендикулярном плоскости Галактики, то мы увидим относительно мало звезд. Если же мы посмотрим вдоль плоскости Галактики, то в наше поле зрения попадет множество звезд (как показано на рис. 0.2). Поэтому плоский диск нашей звездной системы образует светящуюся полосу, которая тянется через всю небесную сферу: это хорошо видно на снимке, сделанном с помощью широкоугольной камеры (рис. 0.3).
Рис. 0.2. На примере галактики Андромеды хорошо видно, почему наша Галактика выглядит на ночном небе как полоса Млечного Пути. Если наблюдатель смотрит перпендикулярно плоскости галактического диска, в котором расположена его планета, то перед ним открывается картина, похожая на изображенную слева вверху: в поле зрения попадает относительно мало звезд. Если же он посмотрит вдоль направления, лежащего в плоскости галактического диска, то он увидит светлую полосу, состоящую из множества звезд (как показано на фотографии справа вверху).
Рис. 0.3. Млечный Путь, сфотографированный с помощью широкоугольной камеры. Темные полосы на изображении обусловлены конструктивными особенностями камеры. (Снимок В. Шлоссера, Астрономический институт Рурского университета в Бохуме.)
Однако диск нашей Галактики образован не только звездами. Светящиеся межзвездные облака свидетельствуют о том, что пространство между отдельными звездами нельзя считать пустым. Примерно одна сотая часть массы всей нашей Галактики не сосредоточена в звездах, а заполняет межзвездное пространство. Химический состав этого вещества совпадает с составом Солнца, однако его плотность составляет всего одну миллионную часть одной миллиардной части плотности Солнца. В этом межзвездном газе существуют крошечные пылевые частицы. Межзвездные пылевые облака ослабляют свет звезд, которые находятся за ними, и эти звезды кажутся нам более красными, чем на самом деле. Точно так же Солнце на закате кажется нам красным, поскольку его свет проходит через запыленную земную атмосферу. Частицы межзвездной пыли очень малы, их средний диаметр составляет всего около одной десятитысячной миллиметра.
Звезды, газовые и пылевые облака Млечного Пути медленно обращаются вокруг центра Галактики и совершают один полный оборот за 100 миллионов лет. Но жизнь звезд нельзя назвать спокойной. Многие из них объединены друг с другом в двойные системы и обращаются вокруг общего центра масс за годы, дни или даже часы. Другие регулярно разгораются и меркнут, увеличиваясь и уменьшаясь в диаметре, словно дышат. Время от времени некоторые звезды взрываются и затем светят настолько ярко, что их свет сравним с сотнями миллиардов других звезд Галактики. Другие звезды светят не равномерно, а вспышками, которые следуют друг за другом с интервалами порядка нескольких сотых секунды.
Этой грандиозной мистерии природы противостоит горстка астрономов на Земле, крохотной планете, обращающейся вокруг ничем не примечательной звезды. Эти люди пытаются понять процессы, происходящие в космосе. С помощью приборов, изготовленных из вещества своей планеты, они наблюдают на своих обсерваториях за процессами во Вселенной и даже поднимают свои телескопы с помощью ракет высоко за пределы земной атмосферы, затрудняющей их наблюдения. Некоторые люди путают их с астрологами, которые не имеют ничего общего с истинной астрономией. Другие восхищаются этими учеными, поскольку они имеют дело с понятиями и масштабами, к которым не применимы наши обыденные взгляды и представления. В своей работе они становятся на один шаг ближе к разгадке тайны бытия. Однако из познания не вытекают нравственные нормы и законы. Близость к огромному и вечному сама по себе не делает астрономов и астрофизиков лучше. Ими движет, как правило, не только стремление к знанию. Соображения карьеры и конкуренция играют в их жизни не меньшую роль, чем у других людей. Более того, честолюбие является побудительной причиной многих научных открытий. Однако среди астрономов мы найдем и бескорыстное стремление к познанию, и многостороннюю взаимопомощь, и дружеское сотрудничество. Такие факты неоднократно упоминаются и на страницах этой книги. Научные сведения добывают такие же люди, как и все мы, и поэтому наши знания о мире почти всегда неполны, а зачастую и ошибочны. Однако дорога, по которой идет астрономическая наука, начиная от Вавилонского царства до появления современной астрофизики, ведет нас вперед, несмотря на многочисленные ухабы и повороты.
Итак, место действия определено, действующие лица представлены, можно начинать нашу пьесу.
Глава 1
Долгая жизнь звезд
Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Ее орбита представляет собой почти правильную окружность с диаметром около 300 миллионов километров. Во время своего движения по орбите земной шар освещается лучами Солнца. Энергия, которую поглощает освещенная Солнцем дневная сторона Земли, затем снова почти целиком излучается в космическое пространство. Это происходит, когда нагретая часть земной поверхности оказывается из-за вращения Земли на теневой стороне, не освещенной Солнцем. Благодаря равновесию между поглощаемым и испускаемым излучением температура поверхности Земли такова, что на планете может существовать жизнь. Строго говоря, не вся поглощенная энергия солнечных лучей снова излучается в космическое пространство: часть запасается в растениях в виде энергии химических связей. За счет солнечной энергии, запасенной в растениях, существуют люди и животные. Сжигая уголь и нефть, мы используем солнечную энергию, запасенную растениями на ранних этапах истории Земли. Турбины наших гидроэлектростанций тоже используют солнечную энергию, поскольку солнечные лучи испаряют воду в океанах, которая затем возвращается на Землю в виде дождя и питает реки. Мощность солнечного излучения, падающего на каждый квадратный метр поверхности Земли, составляет около 1,36 киловатт. Общая мощность солнечного излучения, падающего на всю поверхность Земли, близка к 200000 миллиардам киловатт. Хотя эта величина может показаться нам очень большой, она чрезвычайно мала по сравнению с энергией, которую Солнце излучает за секунду во всех остальных направлениях. Если мы захотим выразить мощность солнечного излучения в киловаттах, то нам потребуется 24-значное число. Лишь исчезающе малая доля этого излучения достается Земле.
Что служит источником энергии Солнца?
Из года в год Солнце с огромной интенсивностью излучает свет и тепло, а значит и энергию в космическое пространство. Как давно это происходит и как долго будет продолжаться? Будет ли мощность солнечного излучения уменьшаться со временем и все живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипят океаны? С тех пор как люди стали изучать Солнце, они вплоть до сегодняшних дней с помощью самых совершенных приборов не смогли заметить сколько-нибудь существенных изменений интенсивности солнечного излучения со временем. О том, что Солнце уже давно светит примерно с одинаковой силой, говорят и следы органической жизни, которые ученые находят в очень древних геологических слоях. Эти остатки органической жизни показывают, что Солнце уже давно светит так ярко, что на Земле смогли возникнуть и развиваться живые существа. В горных породах геологического яруса Онфервахт (Трансвааль, ЮАР) были найдены остатки относительно высокоразвитых одноклеточных живых существ. Эти живые существа устроены уже почти так же сложно, как и существующие сегодня сине-зеленые водоросли. Таким образом, наиболее ранние признаки жизни на Земле возникли еще 3,5 миллиарда лет назад. Это означает, что уже тогда мощность солнечного освещения должна была быть примерно такой же, как и сегодня.
Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу (см. приложение В). Масса Солнца, выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число. В этой солнечной массе запасена энергия, от которой зависит наша жизнь. Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз большую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счет питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого себя.
Что же является источником энергии, который позволяет Солнцу светить так долго и так ярко? Могут ли служить таким источником химические превращения? Возьмем для примера наиболее простой химический процесс горение. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.
К концу прошлого столетия были проделаны многочисленные исследования, авторы которых пытались найти источник энергии Солнца. Поскольку химических процессов на Солнце явно недостаточно, то возникал вопрос, не может ли Солнце разогреваться за счет внешних источников. В нашей Солнечной системе имеется множество небольших твердых тел, которые перемещаются между орбитами планет так называемых метеоритов. Мы знакомы с ними по появлению «падающих звезд». Такая «звезда» загорается на небе, когда метеорит влетает в земную атмосферу и, разогреваясь от трения, начинает ярко светиться. Некоторые метеориты не полностью сгорают в атмосфере, их остатки падают на Землю. Многие такие метеориты можно увидеть сегодня в музеях. Солнце из-за своего чрезвычайно большого гравитационного притяжения должно особенно сильно «бомбардироваться» метеоритами, с огромной скоростью прилетающими из нашей Солнечной системы. При падении метеорита на Солнце энергия его движения должна переходить в тепло. Может быть, это тепло и обеспечивает солнечное излучение? Метеориты, падающие на поверхность Солнца, должны приносить примерно 190 миллионов джоулей энергии на каждый грамм своей массы. Однако, чтобы обеспечить излучение Солнца, на него в течение года должно падать столько метеоритов, что их масса составит около сотой части массы Земли. Такое увеличение количества солнечного вещества было бы заметным, поскольку при этом увеличивалась бы сила гравитационного притяжения Солнца, а значит, изменялась бы и скорость движения Земли по орбите. Поэтому продолжительность года за последние 2000 лет должна была заметно уменьшиться. Однако данные о восходах и заходах Солнца и Луны известны с древнейших времен. И никаких заметных изменений в движении нашей планеты вокруг Солнца за это время не произошло. Поэтому «метеоритную гипотезу» пришлось отвергнуть. Солнце разогревается не за счет метеоритной бомбардировки поверхности.
Другим источником энергии Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами его вещества. На такую возможность указывал еще в прошлом веке Герман фон Гельмгольц, необычайно разносторонний ученый физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжималось бы. Его диаметр становился бы все меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении-с постоянной скоростью). Как и при падении метеоритов на Солнце, при этом процессе должна выделяться энергия, однако солнечное вещество «падает» в отличие от метеоритов «само в себя». Поэтому масса Солнца и его воздействие на Землю не будут изменяться. Однако расчеты показывают, что этот процесс мог поддерживать существующую светимость Солнца примерно 10 миллионов лет в 100 раз меньше срока, в течение которого светит наше Солнце. Таким образом, собственная гравитация тоже не может объяснить излучение Солнца.
