§ 76. Истолкование диаграммы

«светимость - спектральный класс»

Теперь возникает вполне естественный вопрос: остается ли представляющая звезду точка в одном и том же месте па диаграмме Г - Р или она перемещается, описывая по ней эволюционный путь? Если же она перемещается, то куда, по какому пути и как скоро?

Решение этой проблемы невозможно без ясного представления о внутреннем строении звезды и без ответа на вопрос об источниках ее излучения. Обе эти проблемы решаются очень сложно, с привлечением трудного математического аппарата и данных современной атомной и ядерной физики; поэтому мы ограничимся рассказом об общих идеях и результатах весьма тщательного и трудоемкого анализа.

В § 33 уже было сказано о том, что каждая звезда - это более или менее протяженное «облако» гравитирующего газа, т. е. газа, удерживаемого силами взаимного притяжения. Невращающаяся (или медленно вращающаяся) звезда под влиянием собственного притяжения должна принять форму шара. Верхние слои газа сжимают своим весом более глубокие, увеличивают давление, плотность и температуру внутренных слоев. Давление, плотность и температура возрастают по мере углубления в недра звезды и достигают в ее центре миллиардов атмосфер, десятков грамм в кубическом сантиметре и нескольких миллионов градусов.

Казалось бы, что при таком сжатии вещество могло бы перейти в жидкое состояние, но этому препятствует температура. Оказывается, что у всех звезд, за исключением сверхплотных, к звездному веществу можно применять законы идеальных газов. На этом и основаны расчеты «моделей» внутреннего строения обычных звезд. В результате этих расчетов становятся известными значения давления, плотности и температуры в любой точке звездных недр, в зависимости от расстояния этой точки от центра звезды. При этих расчетах существенную роль играет средний молекулярный вес звездного вещества, который зависит от химического состава. Если в процессе развития звезды будет изменяться ее химический состав, то это приведет к перестройке внутренней структуры звезды. Почему же может изменяться химический состав звезды?

Причина этого заключается в тех глубоких преобразованиях звездного вещества, которые происходят в процессе развития звезды. При огромных температурах, господствующих в недрах звезды, происходит преобразование атомных ядер. В этом процессе решающая роль принадлежит ядрам атомов водорода - протонам, так как водород наиболее распространенный химический элемент. Двигаясь с большими скоростями теплового движения, протоны способны сливаться друг с другом или проникать внутрь других атомных ядер. Мы не останавливаемся на описании этих процессов, но только скажем, что после ряда преобразований четыре протона, потеряв два элементарных положительных заряда, образуют ядро атома гелия - а-частицу. При этом выделяется внутриядерная энергия, которая и поддерживает внутреннюю энергию звезды (в том числе и Солнца). Это также приводит к постепенному изменению химического состава.

Задав модели звезды некоторый начальный химический состав, точнее, приняв определенное начальное содержание водорода и других элементов, можно проследить за эволюционным путем звезды на диаграмме Г - Р, т. е. построить на пей теоретический путь звезды (вернее, представляющей ее точки). Эти вычисления проделаны очень подробно для многих звездных моделей.

Надо сказать, что выделение внутриядерной энергии - не единственный источник звездной энергии. Есть еще и другой, более слабый, действующий не столь продолжительное время. Это энергия гравитационного сжатия. Постепенно уплотняясь под действием тяготения своего вещества, звезда разогревается, и в ее недрах выделяется тепловая энергия. Однако этот источник излучения может действовать, в зависимости от массы звезды, недолго, не свыше нескольких миллионов лет. Вместе с тем мы знаем, что Солнце излучает энергию уже несколько миллиардов лет. Следовательно, гравитационного сжатия было бы недостаточно для такого длительного срока существования Солнца.

После этих вводных замечаний мы можем приступить к описанию тех выводов, которые уже были сделаны из таких расчетов.

По мнению большинства астрофизиков, занимающихся изучением проблемы звездной эволюции, звезда формируется из темной глобулы - скопления холодного диффузного вещества. Сжимаясь под влиянием притяжения к своему центру и уплотняясь, звезда разогревается и начинает светиться. Вполне естественно, что она вступает па диаграмму Г - Р в правой ее части, так как в это время поверхность звезды имеет сравнительно низкую температуру. Сначала ее светимость быстро уменьшается, так как при сжатии уменьшается размер светящейся поверхности, а температура поверхности не возрастает. Таким образом, начальный путь в той части, которая соответствует стадии гравитационного сжатия, идет круто вниз, к звездам малой светимости, Эта стадия, и протоны объединяются и превращаются в частицы, не имеющие заряда,- нейтроны. В условиях земных лабораторий и в космических лучах нейтрон неустойчив - он сравнительно быстро распадается на протон и электрон. В сильно вырожденном газе такой распад становится невозможным. Это приводит к тому, что в недрах такой звезды перестают действовать электростатические силы, и ничто не препятствует безудержному гравитационному коллапсу, т. е. катастрофическому сжатию звезды. Радиус звезды становится теперь очень малым, он измеряется 10 - 50 км, хотя в недрах звезды заключена масса, сравнимая с массой Солнца!

Как отличить такую звезду от других, обычных звезд?

Вообще говоря, трудно. Однако в одном случае это оказалось возможным. Как мы уже говорили, были найдены быстро пульсирующие радиоисточники - пульсары. Для того чтобы излучение звезды могло столь быстро пульсировать, необходимо, чтобы ее размеры были сравнимы с величиной, равной периоду пульсации, умноженному на скорость света, что и приводит к оценке диаметра звезды порядка 10 км.

Нейтронные звезды отличаются от обычных звезд тем, что при расчете их внутреннего строения уже нельзя пользоваться теорией гравитации Ньютона, а нужно руководствоваться уравнениями общей теории гравитации Эйнштейна. А это приводит к удивительным следствиям. При некоторой предельной плотности «мир» такой звезды может «замкнуться». Это означает, что свойства пространства и времени будут такими, что свет не сможет выйти из звезды, и она станет полностью невидимой. Весьма возможно, что такие невидимые звезды, обладающие к тому же значительной массой существуют, но мы не можем их наблюдать.