Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"

Автор книги: Рудольф Киппенхан

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 21 страниц)

Углеродный цикл[6]6
  Углеродный цикл называют еще и углеродно-азотным циклом. – Прим. перев


[Закрыть]

Как превращается водород в гелий в недрах звезд? Первый ответ на этот вопрос нашли независимо друг от друга Ганс Бете в США и Карл-Фридрих фон Вайцзеккер в Германии. В 1938 г. они обнаружили первую реакцию, которая приводит к превращению водорода в гелий и может обеспечить необходимую энергию для поддержания жизни звезд. Время для этого пришло: 11 июля 1938 г. в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» поступила рукопись Вайцзеккера, а 7 сентября того же года рукопись Бете поступила в редакцию журнала «Physical Review». В обеих работах излагалось открытие углеродного цикла. Бете и Кричфилд уже 23 июня послали работу, содержащую важнейшую часть протон-протонного цикла.

Этот процесс довольно сложен. Для его протекания необходимо, чтобы в звездах кроме водорода присутствовали и атомы других элементов, например углерода. Ядра атомов углерода играют роль катализаторов. О катализаторах мы хорошо знаем из химии. Протоны присоединяются к ядрам углерода, там же образуются атомы гелия. Затем ядро углерода выталкивает образовавшиеся из протонов ядра гелия, а само остается в результате этого процесса неизменным.

На рис. 3.2 показана схема этой реакции, имеющая вид замкнутого цикла. Рассмотрим эту реакцию, начиная с верхней части рисунка. Процесс начинается с того, что ядро атома водорода сталкивается с ядром углерода с массовым числом 12. Мы обозначаем его как С¹². За счет туннельного эффекта протон может преодолеть силы электрического отталкивания ядра углерода и объединиться с ним. Новое ядро состоит уже из тринадцати тяжелых элементарных частиц. За счет положительного заряда протона заряд исходного ядра углерода увеличивается. При этом возникает ядро азота с массовым числом 13. Его обозначают как N¹³. Этот изотоп азота радиоактивен и через некоторое время испускает две легкие частицы: позитрон и нейтрино – элементарную частицу, о которой мы еще услышим. Таким образом, ядро азота превращается в ядро углерода с массовым числом 13, т. е. в С¹³. Это ядро снова имеет такой же заряд, как ядро углерода в начале цикла, но его массовое число уже на единицу больше. Теперь мы имеем ядро другого изотопа углерода. Если с этим ядром столкнется еще один протон, то вновь возникает ядро азота. Однако теперь оно имеет массовое число 14, это N¹⁴. Если новый атом азота столкнется с еще одним протоном, то он переходит в О¹⁵, т. е. в ядро кислорода с массовым числом 15. Это ядро тоже радиоактивно, оно вновь испускает позитрон и нейтрино и переходит в N¹⁵ азот с массовым числом 15. Мы видим, что процесс начался с углерода с массовым числом 12 и привел к появлению азота с массовым числом 15. Таким образом, последовательное присоединение протонов приводит к появлению все более тяжелых ядер. Пусть к ядру N¹⁵ присоединится еще один протон, тогда из образовавшегося ядра вылетают вместе два протона и два нейтрона, которые образуют ядро гелия. Тяжелое ядро вновь превращается в исходное ядро углерода. Круг замкнулся.

Рис. 3.2. Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций. Обозначения элементарных частиц такие же, как на рис. 3.1. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения. Символом е⁺ обозначены позитроны, ν-нейтрино.

В результате четыре протона объединяются и образуют ядро гелия: водород превращается в гелий. В ходе этого процесса освобождается энергия, которой достаточно для того, чтобы звезды могли светить миллиарды лет. Разогрев звездного вещества происходит не на всех этапах рассмотренной нами цепочки реакций. Звездное вещество разогревается частично за счет квантов электромагнитного излучения, которые передают свою энергию звездному газу, а частично за счет позитронов, которые почти сразу же аннигилируют со свободными электронами звездного газа. При аннигиляции позитронов и электронов тоже образуются кванты электромагнитного излучения. Энергия этих квантов передается звездному веществу. Небольшая часть выделяющейся энергии уносится из звезды вместе с вылетающими нейтрино. О некоторых непонятных вопросах, связанных с нейтрино, речь пойдет в гл. 5.

В 1967 г. Бете была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие углеродного цикла, которое было сделано им в 1938 г. вместе с фон Вайцзеккером. В этом случае Нобелевский комитет, по всей видимости, забыл, что честь этого открытия принадлежит не одному Бете.

Мы знаем, что такое циклическое превращение происходит в присутствии элементов-катализаторов: углерода и азота. Но в звездных недрах не обязательно должны присутствовать все три элемента. Вполне достаточно и одного из них. Если начнется хотя бы одна реакция цикла, то элементы-катализаторы возникнут в результате последующих этапов реакций. Более того, протекание циклической реакции приводит к тому, что возникает вполне определенное количественное соотношение между необходимыми изотопами. Это количественное соотношение зависит от температуры, при которой протекает цикл. Астрофизики могут в настоящее время с помощью своих спектроскопических методов провести достаточно точный количественный анализ космического вещества. По соотношению между количеством изотопов С¹², С¹³, N¹⁴ и N¹⁵ часто можно не только установить, что в звездных недрах идет превращение вещества по углеродному циклу, но и при какой температуре происходят эти реакции. Однако водород может превращаться в гелий не только за счет углеродного цикла. Наряду с реакциями углеродного цикла происходят и другие, более простые превращения. Они-то и вносят основной вклад (по крайней мере на Солнце) в выделение энергии. Перейдем к рассмотрению этих реакций.

Протон-протонная цепочка

Для осуществления цикла реакций с участием углерода, о которых шла речь в предыдущем разделе, требуется некоторое количество углерода или азота. При этом сами атомы углерода или азота не участвуют в превращениях, они служат как бы «оболочкой», в которой с течением времени ядра водорода постепенно сливаются в ядра гелия. Однако в 1938 г. Ганс Бете и Чарльз Кричфилд показали, что образование гелия из водорода может происходить и без участия углерода или азота.

Схема этого процесса изображена на рис. 3.3. Два протона сталкиваются друг с другом и сливаются. При этом вылетают позитрон и нейтрино. Образовавшееся ядро состоит уже из одного протона и одного нейтрона. Это ядро имеет такой же заряд, как и ядро водорода, но оно в два раза тяжелее. Такой изотоп тяжелого водорода называют дейтерием. Если ядро водорода столкнется с ядром дейтерия, то они объединяются в атом гелия, который состоит из двух протонов и одного нейтрона. Такое ядро гелия не является «правильным» гелием. Это легкий изотоп Не3. Заряд его ядра совпадает с зарядом ядра гелия, а массовое число на единицу меньше. Если теперь два таких ядра «легкого» гелия столкнутся друг с другом, то при этом образуются «правильное» ядро гелия и два протона. В этой цепи реакций тоже происходит в конечном счете объединение четырех протонов с образованием одного ядра гелия.

Рис. 3.3. Ядерные реакции протон-протонной цепочки. Обозначения элементарных частиц такие же, как на рис. 3.2. В результате этих реакций водород тоже превращается в гелий. На верхней схеме показано, как два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия. В середине показано, как ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия. При столкновении двух ядер этого изотопа гелия образуется нормальный гелий с массовым числом 4.

Какой же из двух процессов протекает в недрах звезд: углеродный цикл или протон-протонная цепочка? [7]7
  Реакции протон-протонной цепочки начинаются со столкновения двух протонов, а заканчивается эта цепочка тоже образованием двух протонов. Поэтому у нее есть и другое название – водородный цикл. – Прим. перев.


[Закрыть]

При достаточно высоких температурах в звездах могут протекать оба процесса. При температуре 10 миллионов градусов происходят в основном реакции протон-протонной цепочки. Если температура существенно выше, то будет преобладать выделение энергии за счет углеродного цикла.

Реакции протон-протонной цепочки были, по всей видимости, особенно важны при образовании первых звезд, возникших в нашей Вселенной, во время так называемого Большого взрыва, образовались только ядра водорода и гелия. Поэтому в первых звездах не было элементов-катализаторов, необходимых для работы углеродного цикла. Следовательно, их существование должно было поддерживаться за счет реакций протон-протонной цепочки. Ядра углерода возникли в недрах звезд позже из ядер гелия. Этот процесс мы рассмотрим в следующем разделе. Только после образования ядер углерода в последующих поколениях звезд появились элементы-катализаторы, которые необходимы для реакций углеродного цикла.

Возникновение более тяжелых элементов

Что происходит в звезде, когда весь водород превратится в гелий? Эдвин Сальпетер, который в настоящее время преподает в Корнельском университете в США, показал, как гелий может превращаться в углерод. Вообще говоря, для этого превращения достаточно трех ядер гелия. Если эти ядра объединятся, то возникнет ядро углерода с массовым числом 12. Однако одновременное столкновение трех ядер гелия практически невероятно. Более вероятен процесс, который идет в две стадии (рис. 3.4). При этом вначале объединяются два ядра гелия и образуется ядро элемента бериллия с массовым числом 8. Этот изотоп бериллия радиоактивен. Возникшее ядро бериллия существует чрезвычайно короткое время, которое даже трудно себе представить. Спустя несколько десятимиллионных частей одной миллиардной доли секунды это ядро снова распадается на два ядра гелия, из которых оно возникло. Но если за этот короткий промежуток времени ядро изотопа бериллия столкнется с третьим атомом гелия, то возникнет устойчивое ядро углерода. Ядра изотопа Be⁸ распадаются значительно чаще, чем происходят их столкновения с третьим атомом гелия. Однако в звездном веществе с температурой 100 миллионов градусов такие превращения происходят настолько часто, что освобождающаяся энергия может поддерживать постоянную температуру звезды и ее излучение. Что происходит дальше? При еще более высоких температурах могут объединяться атомы углерода. После объединения они распадаются разными способами на ядра таких элементов, как магний, натрий, неон и кислород. Атомы кислорода могут объединяться с образованием ядер серы и фосфора. Так образуются все более тяжелые атомные ядра. Возникает вопрос, могут ли в недрах звезд постепенно образовываться из водорода и гелия все химические элементы? Мы вернемся к нему в гл. 11. Теперь же нам достаточно знать, что в недрах звезд могут происходить ядерные реакции и прежде всего-превращение водорода в гелий. Они могут протекать в условиях, которые реально существуют во внутренней части звезд, а выделяющаяся энергия позволяет поддерживать излучение звезд в течение длительного времени.

Рис. 3.4. Превращение гелия в углерод. Два ядра гелия сливаются с образованием чрезвычайно радиоактивного ядра бериллия, которое очень скоро снова распадется на два ядра гелия. Ядро изотопа бериллия превращается в ядро углерода (с испусканием кванта света) только в том случае, если за короткое время жизни изотопа Be⁸ произойдет его столкновение с еще одним ядром гелия.

Но откуда, собственно, мы знаем про свойства звездных недр? Как нам стала известна температура в центре звезд – там, куда никто не может заглянуть и откуда к нам не поступает непосредственно никакой информации? В следующей главе мы расскажем, почему о звездных недрах мы знаем больше, чем о земных. Будет сказано и о том, какую роль сыграли в этом современные вычислительные машины.

Глава 4
Звезды и модели их строения

К счастью, существует возможность заглянуть в недра звезд, узнать их внутреннее строение. Ведь звезды – это не чудо, на которое можно лишь взирать с благоговением. Они, как и все реальные объекты нашего мира, подчиняются законам физики и могут быть объектом научного исследования. Выше мы уже увидели, как был, без лишних слов, поставлен и решен вопрос о том, откуда берется энергия звезд, и как долго может существовать звезда за счет этой энергии ядерных реакций. Однако звезды подчиняются не только закону сохранения энергии, но и всем другим физическим законам, как любой другой объект во Вселенной.

Ниже мы коротко остановимся на том, как, опираясь на физические законы и некоторые известные свойства звездного вещества, можно получить представление о внутренней структуре звезд, как можно с помощью компьютера заглянуть в их недра. В случае простых звезд достаточно знать массу и химический состав звездного газа. Затем можно, даже не видя этой звезды на небе, решить за письменным столом уравнения, описывающие ее свойства, и полностью определить ее структуру. Таким способом можно узнать не только температуру поверхности звезды и ее светимость, а, следовательно, и положение звезды на диаграмме Г – Р, но и вычислить ее диаметр, а также, что интереснее всего, определить давление, температуру и плотность в любой точке звезды: не только на поверхности, но и в объеме. Читатель, который не слишком интересуется подробностями таких расчетов, может перейти сразу к разделу «Модель „молодого“ Солнца». В этом разделе мы исходим из того, что физические законы и свойства солнечного вещества, уже описанные нами раньше, заложены в большой программе для вычислительной машины. Затем мы будем только экспериментировать с этой программой.

Сила тяжести и давление газа

Все звезды должны (за исключением коротких переходных периодов) находиться в равновесии. Вес звездного вещества, который давит на внутренние слои звезды, и давление звездного газа должны взаимно уравновешиваться. Не будь давления газа, все звездное вещество сжалось бы в точку в центре звезды. Не будь силы тяжести, давление газа распылило бы все звездное вещество в пространстве. Параметры звездного вещества – давление, температура и плотность – должны быть такими, чтобы в каждой точке звезды сила тяжести и давление уравновешивали друг друга. Это условие равновесия помогает определить давление газа в каждой точке объема звезды. Мы уже видели, как Эддингтон использовал это условие, чтобы найти давление в центре Солнца. Определив это давление, он пришел к выводу, что температура в центре Солнца составляет около 40 миллионов градусов. Чтобы определить величины давления и температуры, необходимо знать свойства газа, из которого состоят звезды.

Вещество, из которого построены звезды, не является чем-то необычным и удивительным. Звезды образованы из элементов, которые мы встречаем и на Земле. Свойства водорода и гелия, основных компонентов солнечного вещества, так же, как и свойства других химических элементов, уже давно изучены. Однако в земных условиях не удается довести вещество до таких высоких давлений и температур, какие существуют в недрах звезд. Тем не менее знание физических законов позволяет нам определить свойства вещества в таких экстремальных условиях. Этому способствует одно чрезвычайно счастливое обстоятельство. На Земле мы привыкли к тому, что газы имеют малую плотность. Если бы мы сжали воздух земной атмосферы или любой газ до плотности воды или еще сильнее, то давление газа в этом случае зависело бы от плотности достаточно сложным образом. Газ может перейти в жидкое или даже в твердое состояние. Законы, описывающие свойства конденсированных тел, сложнее физических законов для газа. Поэтому так плохо изучены свойства вещества в центре Земли и мы так мало знаем о земных недрах. Трудность состоит в том, что при больших давлениях атомы сильно сближаются и их электронные оболочки начинают перекрываться. Как описать такое взаимодействие электронных оболочек разных атомов, точно до сих пор неизвестно.

Другое дело звезды. В их недрах возникают чрезвычайно высокие температуры. В звездах вещество сжато до очень высоких давлений. Одновременно оно разогрето так сильно, что атомы полностью лишены своих электронных оболочек. Электроны уже не связаны с атомными ядрами. Ядра и электроны движутся независимо друг от друга. В таком виде частицы (электроны и ядра) занимают существенно меньше места, чем электрически нейтральный атом водорода. Поэтому горячее звездное вещество ведет себя как разреженный газ, хотя плотность этого вещества так велика, что один его кубический сантиметр может весить более ста граммов. Только этому обстоятельству мы обязаны тем, что о недрах Солнца нам известно больше, чем о земных. Даже если плотность звездного вещества будет еще больше, то и в этом случае-из-за еще более высоких температур – параметры звездного газа будут хорошо известны. Свойства звездного вещества усложняются только тогда, когда температура звезды понижается и ее вещество переходит в твердое кристаллическое состояние. Однако такие процессы важны лишь для небольшого числа звезд, прежде всего – для низкотемпературных белых карликов.

Выделение и перенос энергии

В центральных областях звезд развиваются настолько высокие температуры, что там могут протекать ядерные реакции и выделяется ядерная энергия. Если Аткинсон и Хоутерманс, Бете и фон Вайцзеккер показали в 20-30-е годы, что в недрах звезд ядра атомов могут взаимодействовать друг с другом, то в последующие годы другие ученые-физики получили всю необходимую информацию, которая позволяет нам вычислить, какое количество энергии выделяется в одном грамме звездного вещества при определенных давлении и температуре путем ядерных реакций.

В горячих внутренних областях звезд происходит выделение энергии. Эта энергия постепенно достигает внешних слоев звезды. Ее перенос происходит в основном за счет излучения. Важным свойством звездного вещества является его прозрачность для светового и теплового излучения. Прежде всего следует отметить, что во внешних слоях звезды, где атомы не полностью лишены своих электронных оболочек, кванты электромагнитного излучения из центра звезды могут поглощаться оставшимися электронными оболочками атомов. Спустя некоторое время возбужденные электроны переходят в основное состояние, и поглощенные кванты света вновь излучаются. Кванты электромагнитного излучения на своем пути из внутренних областей звезды к ее поверхности «переходят» от атома к атому. И наконец, на поверхности звезды кванты электромагнитного излучения покидают ее и устремляются в межзвездное пространство. Поэтому для расчетов внутреннего строения звезд чрезвычайно важна величина прозрачности звездного вещества. Для ее определения были выполнены сложные расчеты. Счастливым обстоятельством для астрофизиков было то, что эту работу за них уже проделали специалисты в области атомной физики. Им тоже очень нужно было знать коэффициенты поглощения излучения атомами.

После второй мировой войны данные о коэффициентах поглощения света неожиданно понадобились. При взрыве атомной бомбы возникает чрезвычайно интенсивное световое и тепловое излучение. Это излучение поглощается и затем переизлучается атомами окружающих воздушных масс. Чтобы предсказать эффект от взрыва атомной бомбы, специалистам в области атомной физики потребовалось точно знать коэффициенты прозрачности газов для светового и теплового излучения.

Несмотря на режим секретности, часть данных, необходимых для расчетов коэффициентов поглощения, можно было опубликовать. Этими данными воспользовались астрофизики. В центре атомных исследований США в Лос-Аламосе работала целая группа исследователей, которые занимались астрофизическими проблемами. Ученые как Востока, так и Запада дружно и успешно пользовались таблицами, рассчитанными в Лос-Аламосе. В этих таблицах были приведены значения прозрачности звездного вещества при различных давлениях и температурах. Успешное взаимодействие ученых Востока и Запада уже тогда проявилось в том, что часть своих таблиц исследователи из Лос-Аламоса опубликовали в журнале Академии наук СССР.

Бурлящее звездное вещество

В определенных условиях поток излучения из внутренних областей звезды наружу становится таким сильным, а прозрачность звездного вещества настолько малой, что энергия начинает накапливаться в недрах звезды. В таких условиях срабатывает другой механизм передачи энергии от внутренних областей звезды к внешним. Аналогичный процесс мы можем найти и на Земле. Рассмотрим для примера раскаленную печь. Часть ее энергии передается в пространство за счет излучения. Однако существует и другой способ переноса энергии. Воздух над печью нагревается и за счет этого расширяется. Поскольку плотность нагретого воздуха уменьшилась, он поднимается вверх, а на его место поступают новые холодные массы воздуха. При этом теплый воздух переносит энергию от печи к другим участкам комнаты. В этом случае говорят о переносе энергии с помощью конвекции. Когда мы обогреваем комнату с помощью печи, энергия передается как за счет излучения, так и путем конвекции. Над открытым огнем и над поверхностью асфальта, нагретого солнцем, хорошо видны струящиеся вверх потоки нагретого газа. Более холодные массы газа опускаются сверху вниз, нагреваются и через некоторое время опять поднимаются вверх. Конвекция играет большую роль в энергетических процессах земной атмосферы. Поэтому она была хорошо изучена метеорологами задолго до того, как ею заинтересовались астрофизики.

Существует множество звезд, вещество которых находится в постоянном бурлящем движении. В этих звездах излучение не может полностью обеспечить перенос энергии; ведущая роль переходит к конвекции. Так, например через внешние слои Солнца энергия переносится не с помощью излучения, а за счет перемещения нагретых газовых струй. Кипящую газовую оболочку Солнца можно разглядеть даже в небольшой телескоп, если воспользоваться сильным фильтром, ослабляющим солнечный свет. Оказывается, что поверхность Солнца неодинаково яркая: мы видим поднимающиеся на поверхность горячие, светлые струи диаметром около тысячи километров, которые окружены холодными, более темными газовыми массами, опускающимися сверху вниз. На рис. 4.1 показан вид солнечной поверхности с постоянно меняющейся ячеистой структурой, которую астрономы называют грануляцией. Этот снимок показывает, что хорошо известная на Земле конвекция играет важную роль в мире звезд.

Рис. 4.1. Грануляция на поверхности Солнца. Во внешних слоях Солнца энергия переносится из центра к поверхности с помощью конвекции. Поэтому на внешней поверхности Солнца появляются горячие, а, следовательно, более светлые газовые струи, в то время как более холодные газовые массы опускаются вглубь (на снимке они выглядят темными). Эти потоки образуют на поверхности Солнца постоянно изменяющуюся ячеистую структуру. Если в масштабе этого рисунка изобразить нашу Землю, то ее диаметр составил бы всего 14 мм. [8]8
  Снимок получен Д. Зольтау с помощью 40-сантиметрового вакуумного рефлектора Института физики Солнца им. Кипенхойера (Фрайбург) в Исана (о. Тенерифе).


[Закрыть]