Текст книги "100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд"
Автор книги: Рудольф Киппенхан
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 21 страниц)
Глава 5
История жизни Солнца
Гелий является своего рода золой, образующейся при сгорании водорода. Когда «молодое» Солнце излучает со своей поверхности энергию в солнечное пространство, в его недрах водород превращается в гелий. С течением времени расходуется все больше и больше водорода. Рассматривая модель «молодого» Солнца, мы предположили, что оно полностью состоит из богатого водородом вещества одинакового состава. Но центральные области нашего Солнца постепенно все больше обогащаются гелием. Поэтому модель, которую мы заложили в компьютер, не может описать изменение свойств Солнца со временем.
От «молодого» Солнца к современному
При конструировании модели для звезд главной последовательности можно определить, какое количество энергии выделяется в каждой точке центральной области звезды за счет сгорания водорода. Известно также, сколько атомов гелия возникает там в каждую секунду. В центре «молодого» Солнца на каждый килограмм вещества образуется за год одна десятимиллионная доля грамма гелия. Если вычислить для каждой точки в объеме звезды, сколько гелия образуется там за миллион лет, то мы получим химический состав модели Солнца, который формируется через миллион лет после начала горения водорода.
Заложив в вычислительную машину новый состав центральных областей звезды, можно получить новое решение для модели. Но при увеличении концентрации гелия меняются и свойства звездного вещества. Иной становится его прозрачность для излучения, а ядерные реакции превращения водорода в гелий идут не так полно, как в «молодом» Солнце. Такая модель звезды описывает свойства Солнца через миллион лет после начала ядерных реакций; она отличается от модели «молодого» Солнца чрезвычайно слабо, поскольку миллион лет-это очень малый промежуток времени по сравнению с миллиардами лет, в течение которых Солнце светит за счет ядерных реакций. Поэтому температура поверхности в новой модели практически такая же, как у «молодого» Солнца, а светимость лишь ненамного выше. Поскольку в центре звезды становится меньше водорода, температура центральных областей Солнца в новой модели слегка повышается. Это означает, что теперь там образуется чуть больше энергии, чем прежде.
Новая модель Солнца тоже показывает нам, где освобождается энергия ядерных реакций и сколько водорода превращается в гелий за каждую секунду. И снова мы можем определить химический состав звезды еще через один миллион лет. Для этого нового химического состава вновь можно построить модель внутренней структуры Солнца.
Так мы можем последовательно переходить от одной модели Солнца к целому ряду других. Поскольку в результате каждого расчета мы можем определить температуру поверхности и светимость, то каждую из этих моделей можно изобразить точкой на диаграмме Г-Р. На этой диаграмме появляется цепочка точек, начало которой совпадает с «молодым» Солнцем. Эта последовательность точек описывает, как перемещается Солнце по диаграмме Г-Р в ходе своего развития. Мы определили таким образом путь развития Солнца.[12]12
Его еще называют эволюционным треком. – Прим. перев.
[Закрыть] Он показан на рис. 5.1. На некоторых участках этой траектории отмечено время, прошедшее с момента «зажигания» водорода в недрах Солнца.
Рис. 5.1. Путь развития Солнца на диаграмме Г-Р. Он начинается от «молодого» Солнца, проходит через точку, которая соответствует современному Солнцу, а затем уходит в сторону от «молодой» главной последовательности в область красных гигантов. На рисунке обозначено время, прошедшее с момента начала ядерной реакции превращения водорода в гелий в недрах «молодого» Солнца.
Путь развития нашего модельного Солнца проходит через точку на диаграмме, которая соответствует нынешнему времени. Теперь мы хорошо видим, что, как уже отмечалось выше, различие в свойствах между «молодым» Солнцем и современным Солнцем связано с постепенной временной эволюцией нашей звезды. Если учесть обогащение гелием центральной зоны Солнца, то свойства, которые предсказываются моделью, будут в точности совпадать с наблюдаемыми. Это обстоятельство укрепляет нашу уверенность в том, что расчеты свойств Солнца правильны. Расчеты позволили нам определить и возраст нашего Солнца. Между «молодым» Солнцем на диаграмме и Солнцем в настоящее время прошло 4,5 миллиарда лет. Таков возраст нашего Солнца. За это время из «молодого» Солнца образовалось нынешнее Солнце. Прежде чем говорить о будущем, остановимся еще на некоторых свойствах современного Солнца.
Воспользуемся возможностями, которые предоставляет нам наша компьютерная модель, и заглянем внутрь Солнца. На рис. 5.2, б представлена наша модель современного Солнца. Мы хотим сравнить ее со структурой «молодого» Солнца, показанной на рис. 4.2. Они не слишком отличаются друг от друга. Здесь и там мы видим конвективный внешний слой, в то время как в более глубокой области энергия переносится от внутренних слоев к внешним с помощью излучения. Превращение водорода в гелий происходит в реакциях протон-протонной цепочки. Современное Солнце отличается от молодого только тем, что в его центральной области содержится некоторое количество гелия, возникшего в результате ядерных реакций. В то время как во внешних слоях на килограмм вещества приходится 270 граммов гелия, в центральных областях содержание достигает 590 граммов. Примерно 300 граммов на килограмм массы образовалось в результате сгорания водорода. Во внешнем слое солнечное вещество постоянно перемешивается. Каждый грамм вещества, достигший внешней поверхности, за некоторое время до этого находился в нижней части конвективного слоя, где температура вещества составляет около одного миллиона градусов. Это примерно в 170 раз выше температуры внешней поверхности. Мы видим, что конвективная зона распространяется с поверхности до очень горячих внутренних областей. Это обстоятельство имеет важные следствия, на которых мы остановимся ниже.
Рис. 5.2. Внутреннее строение Солнца, полученное с помощью компьютерной модели, на разных стадиях его развития. Обозначения те же, что и на рис. 4.2. В отличие от этого рисунка теперь показаны области, обогащенные гелием. Они символически изображены с помощью кружков. Исходное вещество, богатое водородом, показано точками. С течением времени в центральной области Солнца становится все больше гелия, а сама эта область расширяется. Слева показаны изображения звезд в одинаковом масштабе (однако этот масштаб не совпадает с масштабом рисунков в левой части рис. 4.2). Справа от них показаны в увеличенном размере внутренние области, приведен масштаб увеличения: а – «молодое» Солнце, б – современное Солнце. В центре звезды, показанной на рис. в, уже есть сфера, целиком занятая гелием, который возник в результате горения водорода. Ядерная реакция превращения водорода в гелий происходит теперь в тонком слое, который окружает гелиевую сферу. На рис. г показано Солнце на стадии красного гиганта. Хорошо видны толстая внешняя конвективная зона и относительно малое внутреннее гелиевое ядро, размеры которого близки к диаметру белого карлика. Белый карлик изображен для сравнения справа внизу в масштабе, увеличенном в 100 раз по сравнению с изображением центральной части звезды на рис. г.
Почему на Солнце нет дейтерия?
Ядро атома дейтерия, одного из изотопов водорода, состоит из протона и нейтрона. Дейтерий не может существовать при высоких температурах, которые наблюдаются в недрах звезд. Уже при температуре 500 000 градусов ядра дейтерия могут взаимодействовать с ядрами водорода. В результате такой реакции образуется изотоп гелия. Дейтерий встречается в природе в небольших количествах: его можно найти, например, в межзвездном веществе, из которого образовались все звезды. При рождении Солнца дейтерий тоже должен был войти в его состав, поскольку следы этого изотопа водорода наблюдаются и на Земле. Так, например, в океанской воде на каждые 5000 обычных атомов водорода встречается один атом дейтерия.
Однако этот изотоп отсутствует в солнечной атмосфере. Это не удивительно, поскольку из нашей компьютерной модели следует, что во внешних слоях Солнца дейтерия просто не может быть. Причиной этого является конвекция. Каждый атом дейтерия на внешней поверхности Солнца рано или поздно окажется в результате конвективного перемешивания у дна конвективной зоны. В этой области температура приближается к одному миллиону градусов. Как только атом дейтерия попадет в эту область, он при столкновении с ядром водорода превратится в изотоп гелия. За время, прошедшее с момента возникновения Солнца, весь дейтерий должен был разрушиться. Даже если сегодня дейтерий попадет на Солнце откуда-нибудь из космического пространства, то через два или три года атомы дейтерия окажутся во внутренних, горячих слоях Солнца и превратятся в атомы гелия.
Почему на Солнце мало лития?
Наша компьютерная модель не может объяснить всех фактов. Когда астрономы изучали химический состав солнечной поверхности, то оказалось, что на Солнце чрезвычайно редко встречается (по сравнению с концентрацией на Земле) еще один элемент: литий. Этот элемент относится к числу наиболее легких в периодической системе: ядро атома лития состоит из трех протонов и четырех нейтронов. Такие атомы встречаются на Солнце крайне редко. По сравнению с его распространенностью на Земле, а также по сравнению с концентрацией в метеоритном веществе, которое попадает на Землю из мирового пространства, один килограмм солнечного газа содержит в 100 раз меньше лития. Может быть, этот элемент тоже разрушается при высоких температурах в нижней части конвективной зоны?
Действительно, литий может поглощать протон и распадаться на два атома гелия, как показано на рис. 5.3. Но температура в один миллион градусов, которая наблюдается в нижней части конвективной зоны, недостаточна для этой реакции. Разрушение лития происходит существенно глубже, примерно при температуре три миллиона градусов. Во всех компьютерных моделях, существующих к настоящему времени, конвективная зона не проникает ниже слоя с температурой один миллион градусов. Поэтому наша модель не может объяснить малое содержание лития на Солнце. Может быть, литий отсутствовал с самого начала? Это чрезвычайно маловероятно. В настоящее время считается, что Солнце, планеты и метеориты возникли из одного и того же вещества, которое первоначально имело один и тот же химический состав. Мы еще вернемся к этому вопросу, когда будем обсуждать возникновение звезд. Куда же девался литий на Солнце? Как объяснить этот парадокс?
Рис. 5.3. При температурах около трех миллионов градусов атомы лития превращаются в звездных недрах в атомы гелия при участии ядер водорода.
Выход из положения есть: в промежуток времени между образованием звезд и началом ядерных реакций превращения водорода в гелий конвективная зона на Солнце проникала существенно глубже, чем теперь. Она достигала областей с температурами по меньшей мере в три миллиона градусов. В это время большая часть лития из внешних слоев Солнца могла проникнуть в глубину и разрушиться. К этому вопросу мы еще вернемся в гл. 12. Прежде мы должны узнать, что было до возникновения «молодого» Солнца? Теперь продолжим наше изучение стареющего Солнца, а годы его юности рассмотрим позже.
Судьба звезд, подобных Солнцу, после полного выгорания водорода, а также путь развития, показанный на рис. 5.1, были изучены в 50-е годы. При решении этих задач впервые широко использовались электронные вычислительные машины. Прежде чем рассмотреть полученные данные, я хотел бы отвлечься и совершить небольшой экскурс в историю, с которой у меня связаны некоторые личные воспоминания.
1955 г. – прорыв в область красных гигантов
В этом году была опубликована работа двух знаменитых астрофизиков своего времени. Эта работа была столь объемна, что ее не удалось напечатать в обычном номере «Астрофизического журнала». Она была опубликована в серии дополнительных выпусков. Одним из ее авторов был Фред Хойл. Хойл в это время занимал в Кембридже кафедру Эддингтона и уже написал много важных астрофизических работ, в том числе о возникновении химических элементов в недрах звезд. Кроме того, в свободное время он писал научно-фантастические романы. Его книга «Черное облако» была переведена на многие языки мира. На немецком радио по этой книге была даже поставлена радиопьеса. Другим автором вышедшей в «Астрофизическом журнале» работы был Мартин Шварцшильд. Когда умер его отец, астроном Карл Шварцшильд о нем речь пойдет позже, – Мартину было всего четыре года. Уже мальчиком он интересовался астрономией. Позже Шварцшильд вспоминал, что прежде чем избрать карьеру астронома, он долгое время мечтал стать молочником. Мартин Шварцшильд говорил, что он стал астрономом, как и его отец, только потому, что у него не хватило оригинальности выбрать другую профессию. Он получил степень доктора в Гёттингенском университете в 1935 г. Говорят, что семьи Шварцшильдов и Ротшильдов когда-то жили в одном и том же переулке Франкфуртского гетто. Поэтому для юного астронома было жизненно важным как можно быстрее покинуть Третий рейх. Его брат, оставшийся тогда в Германии, вынужден был позже покончить жизнь самоубийством. Через Норвегию Мартин Шварцшильд попал в США, а после войны стал профессором в Принстоне.
В послевоенные годы в группе Шварцшильда в Принстонском университете была начата работа по конструированию моделей строения звезд главной последовательности. Сотрудники Шварцшильда попытались изучить, что происходит со звездами, когда в их недрах кончается водород и прекращается ядерная реакция образования гелия. В 1955 г. была успешно закончена большая работа, в которой впервые удалось рассчитать, как звезды главной последовательности постепенно превращаются в красные гиганты.
В те годы астрофизики впервые начали широко применять в своих расчетах вычислительные машины. Хойлу и Шварцшильду нужен был компьютер, чтобы смоделировать процесс развития звезд. Немного позже и у меня возникла такая необходимость.
Осенью 1957 г. мы со Штефаном Темешвари (1915–1984) ночами просиживали на Беттингерштрассе в Гёттингене у вычислительной машины G2. Так назывался компьютер, сконструированный и собранный Хайнцем Биллингом и его сотрудниками в Физическом институте им. Макса Планка. В те времена вычислительную машину еще нельзя было просто купить в магазине, научные сотрудники сами изготовляли компьютеры. Сегодня обычный настольный компьютер очень часто обладает более широкими возможностями, чем любая машина, которая в те времена занимала целую комнату и работала на лампах. Людвиг Бирман, который в то время руководил астрофизическим отделением института, предложил нам с помощью этой машины решить уравнения Хойла и Шварцшильда. При этом мы должны были использовать придуманный нами улучшенный способ расчета.
Если вспомнить, как мы тогда работали, и сравнить с сегодняшними методами исследований, то станет ясно, какие произошли огромные изменения. Чтобы получить модель внутреннего строения звезды, надо было задать пробные значения светимости и температуры поверхности, а затем шаг за шагом двигаться от внешних слоев звезды ко внутренним. Когда расчет подходил к центру звезды, требовалось проверить, имеют ли наши решения смысл, или, говоря на языке математики, отвечают ли они внутренним граничным условиям. После этого надо было повторять весь расчет снова, используя улучшенные значения для светимости и температуры поверхности и надеясь, что на этот раз внутренние граничные условия будут удовлетворяться лучше. Интегрирование от поверхности к центру звезды необходимо было многократно повторять до тех пор, пока не получалось разумное решение. Чтобы получить каждое решение, мы совершали целое «путешествие» к центру звезды. Оно продолжалось пять часов, и можно было только надеяться, что вычислительная машина будет работать все это время без ошибок. Иначе приходилось все начинать сначала. Сегодня вычислительная машина того же института (которая, кстати сказать, установлена в Мюнхене) получает окончательное решение в течение нескольких секунд. Такая скорость решения задачи объясняется не только появлением новых мощных компьютеров, это прежде всего заслуга группы исследователей из Беркли.
Об их работах речь пойдет в следующей главе. А мы пока посмотрим, что происходит со звездами главной последовательности, когда в них начинает выгорать водород. Такая же судьба ожидает и наше Солнце, а ведь от него зависит и будущее жизни на нашей планете.
Что произойдет в будущем с нашим Солнцем?
Что же будет дальше? Что произойдет, когда все больше водорода будет выгорать и в центре Солнца будет накапливаться гелий? Модельные расчеты показывают прежде всего, что в ближайшие 5 миллиардов лет практически ничего не изменится. Солнце будет медленно (как показано на рис. 5.1) перемещаться вверх по своему пути развития на диаграмме Г – Р. Светимость Солнца при этом будет постепенно повышаться, а температура на его поверхности вначале станет чуть выше, а затем начнет медленно снижаться. Но все эти изменения будут невелики.
Через 10 миллиардов лет после начала горения водорода светимость Солнца будет всего в два раза выше нынешней. К этому времени человечество (если оно еще будет существовать на Земле) уже давно начнет испытывать климатические трудности. Однако потом станет еще хуже. А пока диаметр Солнца всего в два раза превышает нынешний.
Между тем, в недрах Солнца к этому времени уже произойдут существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная область целиком заполнена гелием (см. рис. 5.2, в). На этом рисунке изображена модель Солнца в возрасте 12 миллиардов лет. В центре не происходит ядерных реакций, поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод (см. рис. 3.4) температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там, где гелий граничит со слоем, богатым водородом, еще происходит сгорание водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в центре Солнца увеличивается. Если вначале у нашего Солнца было ядро, где происходили ядерные реакции превращения водорода в гелий, то теперь горение водорода происходит в тонкой сферической оболочке, которая постепенно расширяется и перемещается во внешние области, все еще богатые водородом. С течением времени диаметр гелиевого шара в центре Солнца становится все больше. На диаграмме Г-Р Солнце перемещается направо вверх, в область красных гигантов (как показано на рис. 5.1). Солнечный шар становится все больше и одновременно все холоднее. Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В то же время температура поверхности существенно снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов, т. е. на 1800 градусов меньше, чем теперь.
Но нас это уже не спасет. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся, а под палящими лучами Солнца будет даже плавиться свинец. Земля превратиться в горячую печь, на которой уже не сможет существовать жизнь. Над безжизненной поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба. Было бы, конечно, интересно узнать, насколько верны эти предсказания компьютерной модели.
Наши наблюдения неплохо описывают основные свойства нынешнего Солнца. Но можно ли сделать из этого вывод, что модель так же хорошо предсказывает и печальные для людей последствия его развития? У нас есть для этого прямое подтверждение. Если нанести на диаграмму Г-Р звезды из шарового скопления, то, как мы уже видели на рис. 2.9, на главной последовательности не окажется звезд, светимость которых в 3 раза и более превышает солнечную. Это соответствует примерно 1,3 массы Солнца. Дело в том, что наиболее яркие звезды шарового скопления из главной последовательности уже «сожгли» свой водород. Звезды, массы которых превышают солнечную в 1,3 раза и более, расположены на ветви, которая отходит от главной последовательности направо вверх, в область красных гигантов. Эти звезды развивались примерно так же, как предсказывает наша модель Солнца. Масса этих звезд совсем ненамного превышает солнечную.
На рис. 5.4 изображена диаграмма Г-Р для звезд главной последовательности шарового скопления МЗ. На этой диаграмме черной стрелкой изображен путь развития звезд, подобных Солнцу. Из рис. 5.4 хорошо видно, что звезды шарового скопления развиваются так же, как будет развиваться Солнце в будущем. На диаграмме показаны звезды, которые уже перемещаются по диаграмме направо вверх. Такая судьба постигнет и Солнце через 8 миллиардов лет. Более тяжелые звезды опережают Солнце, они уже сегодня показывают нам, что ожидает в будущем наше Солнце. И если на некоторых планетах, образующихся вокруг этих звезд, когда-то была жизнь, то теперь эта жизнь там уже не существует, и все ее следы давно сгорели в потоке тепла, который испускают эти звезды. Таким образом, астрономические наблюдения подтверждают, что наши предсказания дальнейшей судьбы Солнца, к сожалению, правильны.
Рис. 5.4. Диаграмма Г-Р звезд из шарового скопления МЗ, которая уже была приведена на рис. 2.9. На этом рисунке нанесен путь развития звезд главной последовательности (черная стрелка), который показывает, как звезды главной последовательности перемещаются в область красных гигантов. Массы звезд, покидающих главную последовательность, несколько отличаются от предсказанных (звезды с массами, равными солнечной, все еще находятся на главной последовательности). Химический состав звезд шарового скопления отличается от модельного. Кроме того, общая интенсивность излучения не совпадает с интенсивностью излучения в видимой области спектра, которая приведена на этом рисунке. Поэтому путь развития, показанный черной стрелкой, не удается количественно сопоставить с приведенным на рис. 5.1. Однако качественный вывод остается справедливым: большие звезды в этом шаровом скоплении находятся на стадии развития, в которую еще не вступило наше Солнце.
