Глава 3. Звезды-ядерные реакторы

Пока мы еще не можем окончательно утверждать, что звезды светят за счет протекающих в их недрах ядерных реакций. Хотя до сих пор нам не было известно другого столь же мощного источника энергии, мы не вправе утверждать, что его не может быть. Разве нельзя предположить, что будущее развитие физики позволит открыть новые, неизвестные нам возможности получения энергии? Может быть, этот источник энергии уже описан в одном из научно-фантастических романов? В предыдущей главе мы показали, что некоторые свойства звезд хорошо описываются в предположении, что в их недрах происходят ядерные реакции с выделением энергии. В этой и следующей главах мы узнаем, что это предположение правильно. Нам не нужно искать новые, еще не известные источники энергии. Физики-ядерщики окончательно объяснили астрономам, почему светят звезды. При этом еще в начале 20-х годов физики не верили, что в звездных недрах могут идти ядерные реакции! Таков был уровень знаний того времени.

Строение атома

Все, что нас окружает, горные породы и минералы, вещества в атмосфере и в морях, клетки растений и животных, газовые туманности и звезды во Вселенной во всем их многообразии все это состоит из 92 элементарных кирпичиков, химических элементов. Этот факт был установлен наукой девятнадцатого столетия, которая тем самым сильно упростила картину окружающего нас мира. Ученые нашего века в свою очередь показали, что существует всего три типа элементарных частиц, из которых построены атомы этих 92 элементов: протоны, нейтроны и электроны. Так, например, атомы гелия отличаются от атомов углерода только тем, что они состоят из разного количества этих элементарных частиц (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема строения атомов водорода, гелия и углерода. Протоны изображены красными шариками, нейтроны - серыми. Траектории электронов (показаны светло-серыми шариками), обращающихся вокруг ядер, изображены в другом масштабе. Шесть электронов, обращающихся вокруг ядра углерода, не показаны.

Атом гелия состоит из ядра, которое содержит два протона и два нейтрона. Протон-это положительно заряженная частица. Поэтому ядро атома гелия тоже заряжено положительно. Вокруг него стремительно вращаются две отрицательно заряженные легкие частицы, два электрона. Они образуют электронную оболочку атома гелия. Атомы углерода обладают более сложной структурой. Они тоже состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны. Однако в ядре атома углерода уже шесть протонов и шесть нейтронов, а в электронной оболочке находятся шесть электронов. Самым простым атомом является атом водорода. Его ядро состоит всего из одного протона, вокруг которого обращается один электрон.

Протон и нейтрон имеют почти одинаковые массы. Их называют тяжелыми частицами, хотя по сравнению с обычными предметами, которые нас окружают, эти «тяжелые» частицы почти ничего не весят. Если бы мы могли положить на чашу весов триллион таких тяжелых частиц, то они весили бы всего одну триллионную долю грамма. Масса электрона еще в две тысячи раз меньше массы протона. Протон заряжен положительно, электрон - отрицательно. При этом заряды электронов и протонов в точности равны друг другу. Образованный из протона и электрона атом водорода электрически нейтрален. Нейтрон не имеет электрического заряда. Существует также элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным электрическим зарядом: позитрон. Однако время жизни позитрона невелико: если он приблизится к какому-либо электрону, то электрон и позитрон тут же сливаются друг с другом и аннигилируют с образованием кванта света.

Все атомы и ядра состоят из определенного количества протонов и нейтронов. Сколько протонов находится в ядре, столько же электронов обращается вокруг ядра в электронных оболочках. Поэтому положительный заряд протонов ядра в точности компенсируется отрицательным зарядом электронов. Собственно говоря, дело обстоит еще проще. Если быть точным, то атомы состоят не из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, а всего из двух. В атомных ядрах протоны и электроны могут превращаться в нейтроны. За пределами атомного ядра нейтрон примерно через 17 минут распадается на протон и электрон. Поэтому можно считать, что окружающий нас мир во всем его многообразии построен только из протонов и электронов. Сумма количества протонов и нейтронов в атомном ядре называется массовым числом ядра, а количество протонов - зарядом ядра. Таким образом, атом водорода имеет массовое число 1 и заряд ядра 1. У гелия массовое число равно 4, а заряд ядра 2. Наиболее распросраненный тип атомов железа имеет массовое число 56, а заряд ядра 26. Заряд ядра показывает также, сколько электронов должно обращаться вокруг ядра, чтобы атом был полностью электрически нейтральным. Строение электронных оболочек определяет химические свойства веществ. Вещества с различными зарядами ядра различаются по химическим свойствам из-за того, что у атомов этих веществ разные электронные оболочки. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но с различным числом нейтронов, не различаются по химическим свойствам. Они различаются только массовым числом. Такие атомл называются изотопами одного и того же элемента. Так, например, кроме обычного водорода существует так называемый тяжелый водород. В ядре этого изотопа кроме одного протона есть еще и один нейтрон. Такой изотоп водорода называется дейтерием. Он в небольших количествах встречается в природе.

Хотя кусок железа и газообразный водород в воздушном шарике не имеют на первый взгляд между собой ничего общего, однако атомы и того и другого элемента построены из одних и тех же протонов и электронов. Если бы мы могли взять 56 атомов водорода и расположить 56 протонов и 56 электронов этих атомов в нужном порядке: из 30 электронов и 30 протонов сделать 30 нейтронов, объединить эти нейтроны с оставшимися 26 протонами в атомное ядро, и построить вокруг этого ядра электронную оболочку из остальных 26 электронов, то мы получили бы из водорода атом железа.

Если бы мы могли взять 4 атома водорода, образовать из двух электронов и двух протонов два нейтрона, объединить их с двумя оставшимися протонами в атомное ядро, то мы получили бы ядро с массовым числом 4 и зарядом 2, вокруг которого смогли бы обращаться два оставшихся электрона. При этом из четырех атомов водорода мы получили бы атом гелия. В результате такого процесса должна освобождаться энергия. Однако объединить ядра разных атомов друг с другом не так-то просто.

Артур Эддингтон и источник энергии звезд

Сэр Артур Эддингтон занимал знаменитую кафедру астрономии в Кембриджском университете («Plumian Professorship»). В 1926 г. он опубликовал свою книгу «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее строение звезд»). В этой книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходящих в звездах. Сам Эддингтон внес существенный вклад в формирование этих представлений. Еще до него в принципе было ясно, как функционируют звезды. Однако не было точно известно, откуда берется энергия, которая поддерживает излучение звезд.

Уже тогда было понятно, что богатое водородом звездное вещество может быть идеальным источником энергии. Ученые знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звезды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если бы удалось разобраться, в каких условиях идет слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звезд. Однако наука тех лет была еще очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звезды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было себе представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией излучение Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторенных измерений светимости звезд, которые проводили астрономы-наблюдатели. Эддингтон писал в своей книге: «Измерения количества ядерной энергии, освобождающейся в недрах звезд, являются одним из важнейших результатов астрономических наблюдений, и если в моей книге все правильно, то тогда мы хорошо себе представляем, каковы должны быть плотность и температура вещества, чтобы могли происходить эти процессы». К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звездах не могут реагировать друг с другом.

Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. Частицы вещества, из которого образовано Солнце, удерживаются вместе силами гравитационного взаимодействия (силами тяжести). Сила тяжести притягивает вещество к центру Солнца. Этой силе препятствует давление газа, из которого образовано Солнце. В противном случае все вещество Солнца сжалось бы вблизи его центра. Сила давления расталкивает частицы вещества и действует против силы тяжести. Обе силы должны находиться в равновесии. Примерно то же самое можно сказать об атмосфере Земли. Если бы не существовало силы тяжести, то весь воздух улетел бы под воздействием давления в межпланетное пространство. Если бы, наоборот, сила тяжести существовала, а давление газа отсутствовало, то все атомы газовой оболочки притянулись бы к поверхности Земли. В случае Солнца можно вычислить силу тяжести, которая действует на солнечное вещество. Сила газового давления должна уравновешивать эту силу тяжести. Давление газа зависит от его плотности и температуры. Плотность солнечного вещества можно рассчитать, зная массу Солнца и его объем. Каково же теперь будет давление солнечного вещества? Оно зависит от температуры. Чем горячее газ, тем выше его давление. Какова должна быть температура газа внутри Солнца, чтобы давление этого газа уравновешивало силу тяжести?

Эддингтон определил, что температура в центре звезд должна составлять примерно 40 миллионов градусов. Такая температура кажется нам очень высокой, но физики-ядерщики считали, что ее недостаточно для протекания ядерных реакций. При этой температуре атомы во внутренних областях Солнца перемещаются относительно друг друга со скоростями около 1000 километров в секунду. При таких высоких температурах атомы водорода уже теряют свои электроны, протоны свободно перемещаются в пространстве. Представим себе, что два протона налетают друг на друга. Однако оба протона заряжены положительно, поэтому они взаимно отталкиваются. При скоростях 1000 километров в секунду протоны могут приблизиться друг к другу на очень малое расстояние, но под воздействием силы электрического отталкивания они разлетаются прежде, чем смогут объединиться в одно ядро. Кроме того, чтобы образовать ядро гелия из атомов водорода, должны одновременно столкнуться четыре протона и два электрона всего шесть частиц. Эти шесть частиц должны одновременно встретиться в одной точке. Такой процесс можно считать практически невероятным. Даже если все шесть частиц случайно будут лететь друг к другу, силы электрического взаимодействия искривят их траектории и они не смогут объединиться в одно ядро. Только при температурах свыше 10 миллиардов градусов частицы движутся с такими скоростями, что, несмотря на силы электрического отталкивания, они могут приблизиться друг к другу и слиться. Солнце с температурой 40 миллионов градусов казалось физикам в двадцатые годы слишком холодным, чтобы в его недрах могло происходить превращение водорода в гелий. Однако Эддингтон был убежден, что только ядерная энергия может поддерживать излучение звезд. Он упрямо писал: «Мы не желаем дискутировать с теми, кто считает, что звезды недостаточно горячи для такого процесса, а говорим им: «Идите и поищите более горячее место» (Намекает на ад. «Идите к дьяволу» наиболее точный русский -жвивалент. Прим. ред.). Мнение физиков об условиях, в которых гелий может образовываться из водорода, казалось ему тогда не слишком убедительным. Он больше доверял своим звездам и считал, что физики должны продолжать исследования и тогда они со временем смогут понять, как при относительно низких температурах около 40 миллионов градусов водород может превращаться в гелий. Эддингтон оказался прав.

Георгий Гамов и его туннельный эффект

Примерно в то же время, когда Эддингтон упорно настаивал в своей книге, что в звездах водород превращается в гелий, начался великий переворот в физике. Главными действующими лицами этого переворота были Луи де Бройль в Париже, Нильс Бор в Копенгагене, Эрвин Шрёдингер в Цюрихе и гёттингенские физики. Это были золотые двадцатые годы годы расцвета гёттингенской школы физиков, руководимой Максом Борном, одним из основателей квантовой механики. Многие молодые физики, которые в то время съехались в Гёттинген со всего света, стали впоследствии знаменитыми учеными: Вернер Гейзенберг и Роберт Оппенгеймер, Поль Дирак и Эдвард Теллер. Одним из них был молодой выходец из России Георгий Гамов. Он занимался проблемой радиоактивности, а также вопросами естественого радиоактивного распада атомных ядер.

Существуют химические элементы, ядра атомов которых могут самопроизвольно распадаться. Из урана образуется при этом торий, из тория радий, который в свою очередь тоже распадается. Ядро наиболее широко распространенного изотопа радия состоит из 88 протонов и 138 нейтронов. Ядро радия испускает через определенное время два нейтрона и два протона. При этом масса ядра радия уменьшается. Четыре элементарные частицы, которые вылетают из ядра радия при радиоактивном распаде, остаются соединенными друг с другом. Они образуют ядро гелия. Было трудно понять, как ядро радия может испустить ядро гелия. Элементарные частицы, образующие ядро радия, размещены в очень малом объеме и притягиваются друг к другу чрезвычайно мощными силами ядерного взаимодействия. Ядерные силы намного превосходят электрическое отталкивание протонов. Если бы ядерных сил не было, то все протоны ядра радия разлетелись бы друг от друга. В то же время ядерные силы имеют очень небольшой радиус действия. Если удалить одну из элементарных частиц ядра достаточно далеко от остальных, то электрическое отталкивание будет преобладать, и частицы разлетятся. Классическая физика считает этот процесс невозможным, поскольку ядерные силы притягивают друг к другу элементарные частицы ядра. Однако в природе такой процесс происходит.

Гамов решил проблему распада радиоактивных атомов. Элементарные частицы в ядре радия действительно связаны друг с другом ядерными силами и не могут, вообще говоря, разлетаться. Однако квантовая механика утверждает, что существует небольшая, но конечная вероятность такого процесса. Хотя это невозможно в рамках классической механики, но часть атомного ядра, несмотря на мощные ядерные силы притяжения, может удалиться от остальных частиц настолько далеко, что возобладают силы электрического отталкивания и продукты реакции разлетятся. Этот процесс кажется невероятным, но он тем не менее происходит. Примерно один раз в тысячу лет атом радия может испустить ядро гелия.

Такое явление называют туннельным эффектом. Этот эффект был предсказан квантовой механикой. Название эффекта можно пояснить с помощью наглядной картины. Элементарные частицы, образующие ядро радия, связаны друг с другом ядерными силами. Они как бы отгорожены от внешнего мира кольцом высоких гор. Элементарные частицы в ядре не обладают достаточной энергией, чтобы перевалить через этот горный хребет. Классическая механика утверждает, что горы непреодолимы. Однако квантовая механика допускает процесс, при котором элементарная частица ядра может внезапно оказаться по другую сторону горного хребта. Иными словами, она как бы проскакивает на ту сторону через туннель, не поднимаясь в гору/

Если туннельный эффект позволяет элементарным частицам покинуть ядро, то, по мнению Гамова, может идти и обратный процесс: частицы из внешнего мира могут проникать в атомное ядро.

Туннельный эффект в звездах

Вернемся, однако, к звездам и к вопросу об источнике их энергии, который еще не был решен в двадцатые годы. Если с ядром радия может происходить процесс, запрещенный классической механикой, то почему подобное явление не может происходить с протонами на Солнце, пусть даже это и противоречит традиционной физике? В случае с ядром радия протоны могут разлетаться, только если они удалены на достаточное расстояние и силы электрического отталкивания превосходят силы ядерного притяжения. Но, несмотря на это, ядро радия распадается. Может быть, и протоны на Солнце могут сливаться друг с другом, хотя на первый взгляд их энергия не позволяет этого сделать?

Загадку об источнике энергии звезд решили физики Роберт Аткинсон и Фриц Хоутерманс. Они воспользовались представлениями Гамова о туннельном эффекте. В марте 1929 г. они послали в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» статью под названием «К вопросу о возможности образования элементов в недрах звезд». Эта работа начиналась словами: «Не так давно Гамов показал, что из атомного ядра могут вылетать положительно заряженные частицы, тогда как по классическим представлениям их энергия недостаточно велика для этого процесса...» В этой статье Аткинсон и Хоутерманс объяснили, что, хотя в рамках классической физики ядра атомов водорода могут сливаться друг с другом только при температурах в несколько десятков миллиардов градусов, туннельный эффект допускает вероятность такого процесса уже при относительно низких температурах, существующих в недрах звезд. Хотя в звездах положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга и это электрическое поле напоминает высокие горы, препятствующие сближению протонов, протоны все же, пусть и очень редко, могут сблизиться друг с другом, словно пройдя под горами по туннелю. Сближение протонов происходит, несмотря на то, что энергия мала, чтобы они могли перевалить через «горную цепь» электрического отталкивания. Вероятность такого процесса не слишком велика, однако туннельный эффект позволяет протонам сливаться друг с другом в недрах звезд достаточно часто, чтобы энергия, которая освобождается при таком процессе, могла поддерживать жизнь звезды. Аткинсон и Хоутерманс подтвердили догадку Эддингтона: Солнце и звезды получают свою энергию за счет превращения водорода в гелий.

Работа Хоутерманса и Аткинсона заложила основы теории термоядерных реакций. Эта теория позволила понять процесс выделения энергии в недрах звезд. Энергетический источник Солнца и других звезд был найден.

Когда Роберт Юнг собирал материал для своей книги «Ярче тысячи солнц» (Юнг Р. Ярче тысячи солнц.-М.: Атомиздат, 1960-Прим. перев.), Хоутерманс рассказал ему такую историю: «В тот же вечер, после того как мы закончили нашу статью, я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: «Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?» Я выпятил грудь и произнес важно: «Со вчерашнего вечера я знаю, почему они сверкают». Казалось, такое заявление ее не тронуло. Возможно, она не поверила ему. В тот момент она, вероятно, не испытывала ни малейшего интереса к каким бы то ни было проблемам». Такая история рассказана в книге Юнга.

Когда в 1965 г. меня пригласили в Гёттингенский университет, я хотел узнать, живет ли все еще эта дама в Гёттингене. Однако это намерение, как часто бывает, осталось невыполненным. Я встретил ее через семь лет в Афинах. Там происходила научная конференция, куда приехали и Аткинсоны, которые в это время жили в Америке, в Блумингтоне, шт. Индиана. Фрау Аткинсон, жизнерадостная уроженка Берлина, рассказала мне, что Хоутерманс действительно говорил ей про это открытие, но все происходило не так романтично, как описано у Юнга. Я узнал и еще некоторые важные подробности. Я спросил у Аткинсона, как возникла тогда идея этой работы. Он рассказал, что незадолго до этого прочел книгу Эддингтона и задумался над парадоксом выделения энергии в недрах звезд. С одной стороны, температуры в звездах не настолько велики, чтобы ядра атомов водорода могли сливаться друг с другом. С другой стороны, Эддингтон очень убедительно показал, что светимость звезд и Солнца может поддерживаться только за счет энергии ядерных реакций. Аткинсон рассказал об этом Хоутермансу. Прошло некоторое время, Гамов опубликовал свою работу, задача оказалась разрешимой, и они вдвоем решили ее.

С тех пор все узнали, что в звездах могут протекать ядерные реакции. Но какие ядерные реакции? Слияние протонов друг с другом или присоединение протонов к ядрам атомов? И если да, то к каким? Ответ на этот вопрос появился лишь почти через 10 лет.

Углеродный цикл

(Углеродный цикл называют еще и углеродно-азотным циклом.-Прим. перев.)

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 неоходимыми 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? (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 цикя.- Прим. перев.)

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 (Историю превращения вещества, из которого должны были образоваться первые поколения звезд, можно узнать, например, из книги: Вайнберг С. Первые три минуты.- М.: Энергоиздат, 1981.-Прим. перев.) . 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.