Уже достаточно длинный период времени люди знают, что Солнце излучает гигантскую энергию - солнечная постоянная (мощность излучения, приходящаяся на единицу площади, перпендикулярной световому потоку Солнца) была измерена прямыми калориметрическими измерениями. С учетом расстояния от Земли до Солнца можно легко подсчитать полную излучаемую мощность. Но за счет каких процессов выделяется эта энергия?

В 19 веке рассуждали примерно так: пусть Солнце состоит только из углерода и кислорода в необходимых пропорциях, масса Солнца известна, также известна мощность излучения и теплотворная способность топлива, остается подсчитать максимально возможный срок жизни светила. Был получен ответ ~5000 лет, что неплохо согласовывалось с библейскими представлениями, но никак не устраивало ученых. - Из геологии уже в те времена было известно, что история планеты насчитывает, как минимум, несколько даже не миллионов, а миллиардов лет. Причем геологические данные говорили об исключительной стабильности солнечной постоянной в течение всего этото срока.

20 век с его новой физикой разрешил множество астрономических загадок, но для этого потребовались знания из множества различных областей - термодинамики и статистической физики, спектроскопии, квантовой механики, ядерной физики, специальной и общей теории относительности.

Так, квантовая механика и статистическая физика (при использовании статистического распределения Планка) дает точный количественный ответ не только об интегральной мощности излучения с единицы площади нагретого тела (W=sT4 -закон Стефана-Больцмана), но и определяет спектральное распределение (по цветам) этого излучения. А это, в свою очередь, позволяет, зная яркость и расстояние до звезды, вычислить ее размеры, как правило, недоступные для прямых измерений.

Та же квантовая механика дает недвусмысленные ответы (через спектроскопию) о процентном составе химических элементов на поверхности звезд. Более того, мы можем сделать однозначный вывод о применимости наших знаний о законах природы не только на межзвездных, но и на межгалактических расстояниях, так как любое изменение фундаментальных физических констант приведет к исключительно резкому изменению спектральных линий и их интенсивностей для всех химических элементов (и это не будет простым сдвигом спектра!). Итак, во всей наблюдаемой вселенной законы взаимодействия материи точно такие, как на Земле. (Более того, имеются доказательства, что они те же и во всей вселенной вообще).

Вопрос об источнике энергии звезд разрешился, хотя и не просто, после открытия внутриядерной энергии. Выяснилось, что энергия связи на нуклон (протон или нейтрон - частицы, из которых состоит атомное ядро) возрастает от легких химических элементов к тяжелым, достигая максимума у железа, затем уменьшается к более тяжелым. Это означает, ядерные процессы будут идти с выделением энергии как при распаде очень тяжелых элементов, так и при синтезе легких в тяжелые. Энергетически выгодные процессы распада с успехом используются человечеством для производства электроэнергии в атомных электростанциях. Однако реакции синтеза, за счет которых и светят звезды, удалось пока осуществить в энергетически выгодном варианте только взрывного типа в самом чудовищном оружии, которое когда либо существовало на Земле.

В отношении реакций систеза в недрах звезд дело обстоит совсем не просто. Так, во взрывных устройствах используется не водород, а его тяжелый и сверхтяжелый изотопы - дейтерий и тритий (а также литий), но их на звездах очень мало и они не могут обеспечить необходимой энергетической мощности. Главное топливо - водород. Конечно, для того, чтобы преодолевать силы электростатического отталкивания (чисто статистическим путем) нужно, чтобы в недрах звезд существовали гигантские температуры и давления, что достигается при почти адиабатическом сжатии газа при образовании звезды (потери на излучение при образовании незначительны, так как внешние слои газа являются хорошим теплоизолятором).

Но этих условий для успешного протекания термоядерных реакций недостаточно - нужно, чтобы при сильном (то есть ядерном) взаимодействии протонов, была осуществлена реакция слабого взаимодействия (на языке физики, это когда в реакции участвуют лептоны) - либо реакция распада с испусканием позитрона (положительного электрона), либо захвата электрона. Такие реакции исключительно редки и вероятность ее однократного осуществления для конкретного протона часто составляет миллиарды лет. Существуют, правда, и другие возможности - через значительно более вероятные циклические процессы с участием других химических элементов, когда в результате цепочек реакций синтеза и бета-распада (слабое взаимодействие - процесс протекает с испусканием одного или нескольких лептонов) получается дейтерий или тритий, который и участвует в дальнейших реакциях.

В качестве примера можно привести так называемый углеродный цикл - цепочку с участием углерода, в результате которого количество углерода остается постоянным. Кстати, именно такие схемы процессов предотвращают множество возможных нестабильностей функционирования звезд, предотвращая немедленного взрыва или коллапса. (О взрывах звезд - так называемых "новых" и "сверхновых" мы поговорим позже).

В качестве сноски я обязан прояснить касающиеся законов сохранения абсолютно банальные для специалистов, но совершенно необходимые для правильного понимания вещи: например, если покоящиеся протон и электрон, находящиеся на достаточно большом расстоянии, в результате электромагнитного взаимодействия (притяжения) объединяются в связанную систему, то полная энергия такой системы меньше, чем была в их свободном состоянии. Излишек энергии излучается в виде квантов электромагнитной энергии - фотонов. То же самое происходит при самопроизвольном переходе электрона с более высокого Боровского уровня энергии на более низкий. (Боровские уровни энергии водорода полностью и однозначно определяют местоположение его спектральных линий.). Следовательно, чтобы разрушить такую связанную систему (оторвать электрон от протона, то есть ионизировать атом водорода), необходимо затратить энергию. Более того, согласно выводам специальной теории относительности, такая связанная система имеет D_m = DE/c² , где DE - потеря энергии, c² - квадрат скорости света.

В случае гравитационного взаимодействия возможности прямого излучения излишков энергии не существует, следовательно, не существует и возможности образования связанной системы в случае двух тел. Если же мы имеем дело со случаем многих тел, а тем более газа (статистического ансамбля), то образование гравитационно-связанной системы вполне возможно, но с соответствующим разогревом (то есть излишек гравитационной энергии переходит во внутреннюю). Но для того, чтобы эта внутренняя энергия могла быть потеряна излучением согласно закону Стефана-Больцмана, необходима достаточная площадь поверхности излучения и значительное время, что на практике не может быть реализовано в случае достаточно больших масс газа - таким образом достигаются необходимые условия для инициации процессов термоядерного синтеза, то есть образования звезды.

Остатки вещества, которые не удалось захватить в сформированное звездное тело (внешние слои), но которые уже потеряли тепловым излучением значительную энергию, то есть образовали гравитационную связанную систему через некоторое время могут сконцентрироваться в планетарную систему (наподобие солнечной) или образовать еще одну звезду, если масса превысит критическую точку (так если бы Юпитер был всего лишь в три раза тяжелее, то он стал бы звездой). Астрономам известно большое количество систем двойных звезд, ближайшей к Солнцу является система α-Центавра.

К счастью, в настоящее время люди имеют возможность проверить свои соображения на примере, в первую очередь Солнца, о процессах, происходящих в недрах звезд. Так при слабых взаимодействиях одним из продуктов является очень интересная частица - нейтрино ("нейтралочка", как ее назвал Э. Ферми). Эта частица, двигающаяся со скоростью света, имеет очень малую вероятность взаимодействия с каким либо объектом (любой другой элементарной частицей), настолько малую, что для нее практически прозрачна не только Земля, но и Солнце. Однако в специальных нейтринных обсерваториях хотя и очень редко, но фиксируются солнечные нейтрино, по реакциям которых можно весьма квалифицировано судить о внутри солнечных процессах.

Автор статьи: С.А. Астахов

Содержание:

• Предисловие. Что мы знаем о Вселенной?
• Глава I. Земля - шар
• Глава II. Что такое планеты? Масштаб солнечной системы
• Глава III. Звездные расстояния
• Глава IV. За счет чего светят звезды?
• Глава V. Эволюция звезд
• Послесловие. Отношение к религии

Приложения к книге: перейти >>