Звездные модели

Как это ни удивительно, до середины прошлого столетия многие крупные астрономы были уверены, что Солнце - твердое и холодное тело, окруженное «светоносной» атмосферой. Вот как, например, об этом писал выдающийся французский астроном Франсуа Араго:

«Если спросят, могут ли на Солнце существовать обитатели, организованные подобно жителям Земли, то я немедля дам утвердительный ответ. Существование в Солнце темного центрального ядра, окруженного непрозрачною атмосферой, за которою находится светоносная атмосфера, отнюдь не противоречит подобному предположению. Гершель полагал, что на Солнце есть жители» (Ф. Араго. Общепонятная астрономия. СПб., 1861, с. 81).

Примерно такой же представляли себе астрономы природу и других звезд. Это были первые звездные «модели», т. е. схемы внутреннего строения звезд. Просуществовали они недолго - первые же спектральные исследования Солнца доказали, что это космическое тело - не что иное как самосветящийся раскаленный газовый шар. Отпали наивные представления о населенности Солнца, но на очередь стал вопрос: откуда оно черпает свою энергию?

Еще в 1853 г. знаменитый естествоиспытатель Г. Гельмгольц (1821-1891) предположил, что Солнце непрерывно сжимается и за счет этого сохраняет способность к лучеиспусканию. Идея эта общепонятна - каждому известно, как нагревается, скажем, велосипедный насос, когда им накачивают камеру.

Гельмгольц подсчитал, что для компенсации потерь энергии на излучение диаметр Солнца должен ежегодно сокращаться на 75 метров. Однако при этом каждые 10 млн. лет светимость Солнца удваивалась бы, чему противоречат данные геологии. Гипотеза сжатия тем не менее приобрела такую популярность, что с ее помощью пытались даже объяснить эволюцию всех звезд. Диаграмме «абсолютная величина - температура» в этом случае придавался вполне определенный эволюционный смысл. Ход событий мыслился примерно таким.

Звезда рождается при конденсации из газопылевой материи в виде исполинского красного гиганта. Продолжая сжиматься, звезда постепенно разогревается и превращается в горячий белый гигант. Это расцвет, кульминационный пункт в жизни звезды. Дальнейшее сжатие уже не может компенсировать расход энергии на излучение, и звезда, уменьшаясь в размерах и одновременно остывая, постепенно становится красным карликом, а затем и вовсе погасает. В этой стройной и внешне правдоподобной эволюционной схеме Солнцу отводилась скромная роль стареющего желтого карлика. В 30-х годах нашего века под напором многочисленных фактов пришлось признать, что свечение и эволюцию звезд невозможно объяснить их сжатием. Были разработаны модели звезд, в которых источником энергии служили процессы «трансмутации» химических элементов, т. е., говоря современным языком, ядерные реакции. Расчеты показали, что в недрах Солнца и звезд температуры достаточно велики, чтобы там шли такие процессы.

Устойчивость любой звезды объясняется противоборством двух главных сил - тяготения и газового давления. Первая заставляет звезду сжиматься, но упругость газа или, как говорят, газовое давление этому препятствует. Равновесие двух сил в каждой точке звезды и обеспечивает ее стабильность как космического тела. При некоторых предположениях можно рассчитать, как распределяются плотность, давление и температура вдоль каждого радиуса звезды, т. е., иначе говоря, построить модель звезды, дающую представление об ее общем строении.

В современных моделях звезд учитывается не только гравитация и упругость газа, но и потоки электромагнитной энергии, излучаемой звездой. Эта энергия также должна участвовать в создании равновесия внутри звезды, а потому расчеты звездных моделей - дело весьма трудоемкое, требующее привлечения быстродействующих электронно-вычислительных машин.

Рассмотрим теоретические модели некоторых типов звезд. Красные гиганты имеют небольшое гелиевое ядро, в котором температура практически постоянна («изотермическое» ядро). Это ядро окружено узкой зоной, в которой выделяется энергия за счет термоядерных реакций. Далее следует зона, где энергия переносится лучеиспусканием. В остальной же части звезды энергия передается конвекцией, т. е. за счет перемешивания вещества. (Конвективные зоны заштрихованы.) У звезд разных участков главной последовательности они сильно различаются. У бело-голубых звезд (верхняя часть главной последовательности) сравнительно небольшое конвективное ядро окружено зоной «лучистого» переноса энергии. В нижней части той же последовательности, т. е. у красных карликов, роль этих зон, как видит читатель, меняется. У звезд типа Солнца толщина конвективной зоны составляет примерно седьмую часть радиуса звезды.

Модели звезд различных типов

Несколько особняком стоят белые карлики. В основном они состоят из так называемого «вырожденного газа» - смеси свободных электронов, протонов и альфа-частиц. В этом газе главную роль играют электроны - ими определяется давление «вырожденного газа», температура которого близка к 10 млн. градусов. Снаружи белый карлик окружен оболочкой из обычного «идеального» газа («Идеальным» называется сжимаемый газ, подчиняющийся закону Бойля-Мариотта).

Какие же процессы совершаются в недрах звезд? Общего ответа на этот вопрос пока нет. У разных звезд различны и термоядерные реакции.

Большинство современных астрономов считает, что в недрах Солнца при температуре около 14 млн. градусов водород «перегорает» в гелий за счет так называемого протон-протонного цикла ядерных реакций. Этот цикл состоит из трех этапов.

Этап первый. Водород (1Н) превращается в дейтерий D (изотоп водорода с атомной массой 2) с выделением позитронов () и нейтрино (v); схематически это можно записать так:

1H+1H -> D+ +v

Напомним читателю, что позитрон - это частица, по массе равная электрону, но имеющая положительный заряд, а нейтрино - электрически нейтральная частица исчезающе малой массы.

Этап второй. Дейтерий, взаимодействуя с водородом, превращается в изотоп гелия с атомной массой 3 (3Не). Этот процесс сопровождается гамма-излучением (у) - электромагнитным излучением с очень малой длиной волны:

D+1H -> 3He+y

Этап третий. Два атома изотопа гелия превращаются в «нормальный» атом гелия (4Не) и два атома водорода:

23Не -> 4Не+21Н

Таким образом, в ходе протон-протонного цикла ядерных реакций водород превращается в гелий. При синтезе ядер гелия часть вещества (за счет так называемого «эффекта упаковки») превращается в излучение. Количество выделяемой при этом энергии можно вычислить по формуле Эйнштейна:

E=mc2

где Е - количество выделенной энергии; т - масса вещества, превратившегося в излучение; с - скорость света (300000 км/с).

Таким образом, Солнце светит и... «тает», непрерывно уменьшаясь в массе. Каждую секунду Солнце превращает в излучение 4 млрд. тонн своего вещества. Тем не менее запасы вещества Солнца так велики, что термоядерные реакции могут обеспечить его свечение на миллиарды лет!

В центральных ядрах звезд-гигантов и сверхгигантов водорода практически нет, температура здесь достигает сотен миллионов градусов, и источником энергии таких звезд служат процессы превращения гелия в углерод по схеме

34Не -> 12С+γ

где γ - выделяемое в ходе ядерных процессов коротковолновое излучение.

Расчеты для принятых звездных моделей показали, что запасов гелия в гигантских звездах хватит лишь на 10 млн. лет. После этого, если масса звезды достаточно велика, произойдет сжатие ядра звезды, сопровождающееся повышением температуры до 500 млн. градусов. Наступит (продолжающийся несколько сотен тысяч лет) период синтеза все более сложных атомных ядер (с участием оставшихся в небольшом количестве ядер гелия). Схематически это можно изобразить так:

12C+4He -> 16O+γ

16O+4He -> 20Ne+γ

20Ne+4He -> 24Mg+γ

Чудовищная температура в 500 млн. градусов все же недостаточна для синтеза более тяжелых элементов. Требуются температуры более 3 млрд. градусов, чтобы начались, например, такие реакции:

12C+12C -> 23Na+1H

12C+12C -> 20Ne+4He

16O+16O -> 32S+γ

Реакции этого типа в конце концов могут привести и к образованию ядер атомов железа. При сверхвысоких температурах в недрах звезд совершаются и такие процессы:

12C+12C -> 23Mg+n

16O+16O -> 31S+n

где n - свободные нейтроны. Роль их, оказывается, весьма велика. Попадая снова в ядро какого-нибудь элемента, нейтрон может превратиться в протон, при этом порядковый номер атомного ядра повысится. Так могут возникнуть тяжелые элементы до висмута-209 включительно.

Замечательно, что переход от одного типа ядерных реакций к другому сопровождается сжатием и разогреванием звезды - процессом, который был предсказан еще Гельмгольцем, но получил ныне иное истолкование. В некоторых случаях сжатие звезды может привести к резкому выделению из ее недр энергии, т. е. фактически к взрыву звезды, при котором в ее недрах синтезируются наиболее тяжелые из химических элементов.

Таким образом, в современных моделях звезд эти космические тела рассматриваются как ядерные «топки», в которых за счет ядерных реакций происходит синтез всех химических элементов, от гелия до самых тяжелых.

Исходя из гипотетических моделей звезды, последовательно рассчитывают с помощью ЭВМ ее положение на диаграмме «абсолютная величина - температура» для разных типов ядерных реакций. При этом существенно, какова исходная масса звезды. Отдельные точки, изображающие звезду в разных стадиях ее эволюции, соединяют кривой и получают таким образом эволюционный трек звезды, т. е. ее жизненный путь на диаграмме «спектр - светимость». Пути эти весьма замысловаты и весьма далеки от единообразия.

Расчеты показывают, что через 5 млрд. лет ядро Солнца сожмется до плотности 106 г/см , а диаметр его будет в сто раз меньше нынешнего поперечника Солнца. Остальное же вещество Солнца образует расширяющуюся и постепенно охлаждающуюся атмосферу, окутывающую сжавшееся ядро. Иначе говоря, Солнце превратится в красный гигант. За несколько десятков тысяч лет оболочка этого гиганта пройдет через орбиту Земли и рассеется в межзвездное пространство. На месте же теперешнего Солнца останется сжавшееся ядро, т. е. белый карлик.

Во время всех этих метаморфоз температура на нашей планете сначала возрастет до 1000 °С, а затем постепенно уменьшится почти до абсолютного нуля ( - 273 °С). Такая судьба ожидает Солнце и Землю, если принимаемые ныне теоретические модели звезд соответствуют действительности.

Полной уверенности в этом, впрочем, нет. Не исключено, что источником энергии Солнца и звезд служат не ядерные реакции, а совершенно иные процессы. По этой причине нынешние «пессимистические» прогнозы могут и не оправдаться.