Istochniki energii zvezd
17.09.2002 20:54 | V. V. Ivanov/SPbGU, Sankt-Peterburg

Istochniki energii zvezd

V.V. Ivanov

Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi universitet

Naibolee ochevidnym svoistvom zvezd yavlyaetsya to, chto oni svetyatsya, tochnee, yavlyayutsya samosvetyashimisya telami. Za schet chego pokryvayutsya ih energeticheskie poteri? Etot vopros voznik, kak tol'ko byl sformulirovan zakon sohraneniya energii, odnako naiti ischerpyvayushii otvet na nego sumeli lish' vek spustya.

Obychno dumayut, chto glavnaya trudnost' problemy – v ogromnoi moshnosti vydeleniya energii na Solnce i zvezdah. V deistvitel'nosti delo vovse ne v etom. Udel'nyi temp energovydeleniya na Solnce i v zvezdah bolee chem skromnyi. Tak, v raschete na odin gramm svoego veshestva Solnce ezhesekundno vydelyaet vsego po 2 erga. Po obydennym zemnym merkam eto sovershenno nichtozhnyi temp energovydeleniya – kak v kuche gniyushih osennih list'ev. V chelovecheskom tele temp vydeleniya energii na chetyre poryadka (!) vyshe, chem v Solnce. Odnako chtoby podderzhivat' takoi uroven' proizvodstva energii, nam nuzhno trizhdy v den' est'. A Solnce (i zvezdy) svetyat milliardy let, ne pitayas'.

Itak, istinnaya problema sostoit v tom, chto zvezdy svetyat ochen' i ochen' dolgo. Za eto vremya oni uspevayut vysvetit' deistvitel'no ogromnye kolichestva energii. Otkuda zhe ona cherpaetsya?

Kak uzhe govorilos', vopros byl postavlen v 40-e gody XIX veka, s otkrytiem zakona sohraneniya energii. Srazu zhe stalo yasno, chto istochnikom energii v principe mozhet byt' gravitaciya. Tak, Robert Meier, odin iz otcov zakona sohraneniya energii, polagal, chto Solnce svetitsya za schet kineticheskoi energii vypadayushego na nego meteornogo veshestva. Lyubopytno, chto v techenie mnogih desyatiletii gipoteza Meiera schitalas' chut' li ne smehotvornoi i upominalas' lish' kak istoricheskii kur'ez. Odnako teper' my znaem, chto modernizirovannyi variant mehanizma Meiera – akkreciya – igraet v mire zvezd vazhnuyu rol'.

Drugoi pioner principa sohraneniya energii German Gel'mgol'c predpolozhil, chto svechenie Solnca mozhet podderzhivat'sya ego medlennym vekovym szhatiem, chto privodit, razumeetsya, k vydeleniyu gravitacionnoi energii. Vskore vsled za Gel'mgol'cem Dzh. Tomson (bolee izvestnyi nam kak lord Kel'vin; titul lorda on poluchil za nauchnye zaslugi) utochnil ego ocenku vremeni takogo szhatiya, uchtya neodnorodnost' v raspredelenii solnechnogo veshestva vdol' radiusa. Za schet takogo, kak my teper' govorim, kel'vinovskogo szhatiya Solnce moglo by, zametno ne menyayas', svetit' lish' desyatki millionov let. Lyubopytno, chto sam Kel'vin, a vsled za nim i mnogie drugie, rassmatrivali eto kak ser'eznyi argument protiv pravil'nosti darvinovskih predstavlenii o biologicheskoi evolyucii, trebovavshei po krainei mere na poryadok bol'shih vremen. V konce XIX veka vera v zakon sohraneniya energii byla nezyblema  – a nikakogo drugogo istochnika energii zvezd, krome samogravitacii, vidno ne bylo. Pravda, ocenki vozrasta Zemli, poluchavshiesya sredstvami geologii, davali po krainei mere sotni millionov let, chto ukazyvalo na neobhodimost' poiska kakogo-to dopolnitel'nogo istochnika solnechnoi energii.

Situaciya rezko obostrilas', mozhno skazat' stala katastroficheskoi, vskore posle otkrytiya radioaktivnosti. Pervye zhe nadezhnye opredeleniya vozrasta Zemli pokazali, chto on ne menee 1.5 milliarda let (sovremennaya ocenka – 4.6 milliarda). Otyskanie istochnika energii Solnca i zvezd stalo odnoi iz zhguchih problem estestvoznaniya.

K seredine 20-h godov vyyasnilos', chto takim istochnikom v principe mogli by sluzhit' yadernye reakcii, vedushie k prevrasheniyu vodoroda v gelii. Massa chetyreh protonov slegka prevoshodit massu yadra atoma geliya – al'fa-chasticy, tak chto pri takom processe prevrashalos' by enegriyu okolo 0.7% massy pokoya. No po sootnosheniyu Einshteina E = mc² pri prevrashenii v energiyu dazhe ochen' maloi massy m vydelyaetsya kolossal'naya energiya, tak kak mnozhitel' proporcional'nosti – kvadrat skorosti sveta c² – ochen' velik (v sisteme SGS — poryadka 10²¹). Goryachim propovednikom idei termoyadernogo goreniya vodoroda v 20-e gody byl fakticheskii sozdatel' teorii vnutrennego stroeniya zvezd A.Eddington. Odnako ponachalu eta ideya vstretila ser'eznye vozrazheniya Rezerforda i ego kolleg. Temperatura v centre Solnca, rasschitannaya samim zhe Eddingtonom (20 mln kel'vinov) i okazavshayasya, kak my teper' tverdo znaem, blizkoi k deistvitel'noi (15.5 mln kel'vinov), yavno nedostatochna dlya togo, chtoby za schet kineticheskoi energii svoego teplovogo dvizheniya protony mogli preodolet' elektrostaticheskoe kulonovskoe ottalkivanie i sblizit'sya nastol'ko, chtoby vstupili v igru yadernye sily. Rashozhdenie bylo ochen' ser'eznym – na tri poryadka po temperature. "Poidite poishite mestechko pogoryachee" – vot chto postoyanno slyshal Eddington ot svoih kolleg-fizikov...

Reshenie problemy prishlo s razvitiem kvantovoi mehaniki. Soglasno principu neopredelennosti Geizenberga, govorit' o tochnom mestopolozhenii chasticy ne imeet smysla – ona kak by razmazana po nekotoroi oblasti prostranstva i s raznoi veroyatnost'yu mozhet byt' obnaruzhena v raznyh mestah. Eto, v chastnosti, delaet vozmozhnym prisutstvie chasticy i v teh oblastyah prostranstva, gde klassicheskie zakony sohraneniya energii i impul'sa eto strogo zapreshayut. V itoge nepreodolimyi dlya klassicheskoi chasticy kulonovskii potencial'nyi bar'er stanovitsya kak by "poluprozrachnym" (tak nazyvaemyi tunnel'nyi effekt). Pervymi na rol' etogo effekta dlya resheniya zagadki istochnikov zvezdnoi energii v 1929 g. ukazali R.Atkinson i F.Hautermans. Sozdannaya v eto zhe primerno vremya G.A.Gamovym teoriya al'fa-raspada dala matematicheskii apparat, polozhennyi v konce tridcatyh godov v osnovu kolichestvennoi teorii termoyadernyh reakcii v nedrah zvezd. V 1937–1939 godah poyavlyaetsya, nakonec, dolgozhdannoe okonchatel'noe reshenie davnei zagadki istochnika zvezdnoi energii (G.Bete i – nezavisimo – K.Veiczeker).

Slit' chetyre protona v al'fa-chasticu za odin akt prakticheski nevozmozhno: veroyatnost' chetvernogo stolknoveniya prenebrezhimo mala, poetomu process idet v neskol'ko shagov. Detal'nyi analiz vseh vozmozhnyh pri temperaturah poryadka 20 mln kel'vinov yadernyh reakcii v gaze kosmicheskogo himicheskogo sostava privel k otkrytiyu dvuh vozmozhnyh sposobov postroit' al'fa-chasticu iz protonov.

Pervyi sposob – eto znamenityi CN-cikl, ili cikl Bete. Vot eta cepochka reakcii:

Ee itogom yavlyaetsya, ochevidno, sliyanie chetyreh protonov v a-chasticu, a uglerod, azot i kislorod vystupayut lish' kak katalizatory. Pri vsei kazhusheisya ochevidnosti poslednego utverzhdeniya ono nuzhdaetsya v ogovorke, imeyushei vazhnoe znachenie dlya astronomov: na nachal'nom etape raboty cikla, poka eshe ne ustanovilsya stacionarnyi rezhim, bol'shaya chast' ugleroda prevrashaetsya v azot, a ostavshiisya uglerod priobretaet specificheskii izotopnyi sostav, rezko otlichayushiisya ot togo, kotoryi imeetsya na Zemle i v atmosfere Solnca. Po etim priznakam mozhno s uverennost'yu opoznavat' veshestvo, podvergsheesya pererabotke v CN-cikle.

Vtoroi sposob sinteza al'fa-chastic v zvezdah – tak nazyvaemaya pp-cepochka:

Pervye dve reakcii proishodyat po dva raza, tak kak nado vyrabotat' dva yadra ³He, prezhde chem smozhet proizoiti zaklyuchitel'naya reakciya, sinteziruyushaya ⁴He.

Pervonachal'no schitalos', chto nashe Solnce vyrabatyvaet svoyu energiyu po pervoi sheme, t.e. za schet cikla Bete. V 50-e gody, odnako, stalo yasno, chto eto ne tak, i preobladayushuyu rol' igrayut pp-cepochki. Prichina v tom, chto, kak pokazal bolee vnimatel'nyi analiz, central'naya temperatura Solnca nemnogo nizhe, chem prinimalos' ranee, a rost tempa vydeleniya energii s temperaturoi u cikla Bete proishodit sushestvenno bystree, chem dlya pp-cepochek. Odnako v zvezdah s massami, prevoshodyashimi 1.2 massy Solnca, dominiruet v vydelenii energii CN-cikl.

Prostoi energeticheskii raschet pokazal, chto v Solnce vygoranie vodoroda v ego central'noi chasti zaimet okolo 10 mlrd let. Problema istochnikov energii Solnca i podavlyayushego bol'shinstva zvezd, v chastnosti, vseh zvezd tak nazyvaemoi glavnoi posledovatel'nosti, byla tem samym okonchatel'no reshena. Odnako ee reshenie srazu zhe dalo i drugoi, vazhneishii dlya vsei astronomii rezul'tat: stalo yasno, chto rozhdenie zvezd – eto nepreryvnyi process, kotoryi proishodit bukval'no na nashih glazah. Tak kak zapasy yadernoi energii, ochevidno, proporcional'ny masse zvezdy, a temp ee rashodovaniya – svetimost' zvezdy – proporcional'na, grubo govorya, kubu massy, yasno, chto vse massivnye zvezdy dolzhny byt' po astronomicheskim merkam sovsem molodymi. Vzyav v kachestve primera massivnuyu zvezdu Y Lebedya, Bete v svoei epohal'noi rabote prishel k vyvodu, chto vozrast etoi zvezdy dolzhen byt' menee 3.5·10⁷ let. "Prihoditsya predpolozhit', chto Y Lebedya i podobnye ei drugie massivnye zvezdy rodilis' sravnitel'no nedavno" – pisal on v 1939 g. Otozhdestvlenie istochnikov energii zvezd otkrylo pryamoi put' k ponimaniyu evolyucii zvezd – drugomu velikomu dostizheniyu estestvoznaniya XX veka.

Poskol'ku vodorod – osnovnaya sostavlyayushaya zvezdnogo veshestva (okolo 70% po masse) i poskol'ku pri sinteze geliya vydelyaetsya bol'shaya chast' yadernoi energii, zapasennoi v veshestve, osnovnuyu chast' svoei zhizni zvezdy svetyat, szhigaya vodorod. Posleduyushie stadii yadernogo goreniya, nachinayushiesya s ves'ma netrivial'nogo processa – sliyaniya treh al'fa-chastic v yadro ¹²C – vazhny, pozhalui, v pervuyu ochered' ne s tochki zreniya energetiki, v etom otnoshenii nichego principial'no novogo zdes' net. Gorazdo vazhnee drugoe: kak vyyasnilos' v 50-e gody, na etih posleduyushih etapah yadernoi zhizni zvezd proizoshel (i prodolzhaet proishodit') sintez vseh "tyazhelyh" elementov, krome vodoroda i chastichno geliya. Eti poslednie dostalis' nam ot Bol'shogo Vzryva. Poskol'ku imenno tyazhelye elementy – eto osnova zhizni, bez preuvelicheniya mozhno skazat', chto pervym principial'nym shagom k sozdaniyu vozmozhnosti poyavleniya zhizni vo Vselennoi stali te yadernye processy, kotorye proishodyat v nedrah zvezd posle vygoraniya tam vodoroda. No eto uzhe drugaya tema.

Primechanie. Stat'ya napisana po zakazu dlya sbornika "Sto krupneishih otkrytii XX veka", izdanie kotorogo podgotavlivaetsya Institutom prikladnoi astronomii RAN.

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdy - termoyadernye reakcii - istoriya astronomii Publikacii so slovami: zvezdy - termoyadernye reakcii - istoriya astronomii
Sm. takzhe: Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Srednevekovaya astronomiya iz abbatstva Mel'k Antikiterskii mehanizm Zvezdy, pyl' i tumannost' v NGC 6559 25 samyh yarkih zvezd na nochnom nebe Animaciya: chernaya dyra razrushaet zvezdu Sravnenie razmerov zvezd Vse publikacii na tu zhe temu >>