Почему светят звезды

Удивительные процессы, происходящие на Солнце, имеют своим источником его внутреннюю энергию. То же можно сказать и о других солнцах — далеких звездах. Тихое, ласкающее наш взор сияние звезд и ослепительный блеск Солнца имеют одну природу, одно происхождение.

Людям, далеким от современной астрономии, может показаться, что свечение звезд, в том числе и Солнца, объясняется просто. Все эти космические тела необычайно сильно раскалены — неудивительно поэтому, что они испускают мощные потоки света.

Простота такого объяснения только кажущаяся. Оно оставляет невыясненным главное: что именно заставляет звезды быть самыми горячими из всех небесных тел и почему температура их, как правило, остается практически неизменной в течение колоссальных промежутков времени.

В поисках ответа на эти вопросы были высказаны различные предположения. Попытались сначала допустить, что свечение Солнца вызвано его горением. Этим общеизвестным словом называют процесс соединения молекул горящего вещества с молекулами кислорода, в результате чего выделяется тепло и образуются более сложные молекулы.

Легко понять, что гореть Солнце не может. Во-первых, в окружающем Солнце безвоздушном пространстве нет кислорода. Во-вторых, при температурах, существующих на Солнце, молекулярные соединения не образуются, как при горении, а, наоборот, разлагаются на атомы. Наконец, в-третьих, если бы Солнце состояло целиком из самого лучшего угля, то и в таком случае оно полностью бы «сгорело» за несколько тысяч лет. Между тем возраст Земли измеряется несколькими миллиардами лет и, как доказывают факты, в течение всего этого времени Солнце светило почти так же, как и теперь. Значит, продолжительность жизни Солнца и звезд, то есть, иначе говоря, продолжительность их свечения, измеряется десятками, а может быть, и сотнями миллиардов лет.

Одно время думали, что Солнце непрерывно подогревается падающими на его поверхность метеоритами. Подсчеты показали, что в этом случае нагретыми были бы только поверхностные слои Солнца, а его недра остались бы холодными. Да и энергии выделялось бы несравненно меньше, чем наблюдается. К тому же падающие на Солнце метеориты быстро увеличивали бы его массу, что, однако, не замечается.

Пришлось отбросить и гипотезу сжатия Солнца. Ее сторонники утверждали, что газовый шар, называемый Солнцем, непрерывно сжимается, а при сжатии газы разогреваются. Но, как показывают расчеты, тепла, выделяемого при сжатии, не хватит для того, чтобы объяснить продолжительность жизни Солнца и звезд. Если бы Солнце даже первоначально было бесконечно большим, то, выделяя наблюдаемую энергию, оно должно было сжаться до современного состояния всего за двенадцать миллионов лет. Признать Солнце таким молодым — значит не считаться с фактами.

Правда, как выяснилось в последнее время, на некоторых этапах развития звезды сжатие может играть роль основного источника энергии. Именно таким способом, по-видимому, поддерживают свою жизнь очень молодые и очень старые звезды.

В конце прошлого века была открыта радиоактивность. Выяснилось, что при радиоактивном распаде урана, радия и других веществ выделяется значительное количество энергии. Впервые человечество познакомилось с мощью атомной энергии и естественно, что некоторые астрофизики попытались объяснить загадку свечения Солнца и звезд радиоактивными процессами.

Атомы урана и радия распадаются крайне медленно.

Для распада половины данного количества атомов урана требуется четыре с половиной миллиарда лет, а для радия — тысяча пятьсот девяносто лет. Поэтому, распадаясь, уран и радий в единицу времени выделяют очень мало энергии. Если бы Солнце целиком состояло из урана, то и в таком случае «урановое» солнце светило бы гораздо слабее настоящего.

Есть радиоактивные элементы, распадающиеся очень быстро — за сутки, часы или даже минуты. Но эти элементы не годятся в качестве источников энергии Солнца и звезд по другим причинам: они не объясняют необычайную продолжительность жизни космических тел.

Но все-таки «радиоактивная» гипотеза принесла пользу науке. Она убедила астрофизиков в том, что причиной свечения Солнца и звезд может быть только атомная энергия.

Недра Солнца скрыты от наших глаз. Несмотря на это, можно высказать некоторые совершенно достоверные утверждения о состоянии солнечных недр.

Температура газа, как известно, неразрывно связана с его давлением. Сжимая газ, мы увеличиваем его температуру, и если сжатие очень велико, то и температура газа становится весьма высокой.

Как раз это и происходит в недрах Солнца. На центральные части солнечного шара с колоссальной силой давят его вышележащие слои. Этой силе противостоит упругость газа, выражающая его стремление к неограниченному расширению.

В каждой точке внутри Солнца упругость, или, иначе говоря, давление внутренней массы газов, уравновешивается тяжестью или весом вышележащих газовых слоев. Каждому такому состоянию равновесия соответствует некоторая температура газа, вычисляемая по сравнительно несложным формулам. С их помощью и получен тот несомненный вывод, что чудовищному давлению в центральных областях Солнца соответствует температура 15 миллионов градусов!

Если бы из солнечных недр удалось извлечь кусочек вещества величиной с булавочную головку, то этот крошечный кусочек Солнца испускал бы такой жар, который бы мгновенно испепелил вокруг него все живое в радиусе многих километров! Может быть, этот пример даст хотя бы отчасти почувствовать читателю, что такое температура 15 миллионов градусов.

В недрах Солнца царит невообразимая «толчея» из движущихся атомов. Сохранить полностью свою электронную «одежду» им не удается. При взаимных столкновениях, а также при ударе о мощные «порции» света — кванты — атомы лишаются части своих электронов и продолжают беспорядочно «толкаться» уже в сильно «обнаженном» виде.

Когда человек снимает с себя одежду, его внешние размеры почти не изменяются. Иное происходит при разрушении, или, как говорят, ионизации, атомов. Электронные оболочки занимают огромное пространство по сравнению с атомным ядром, и, потеряв свою электронную «одежду», атом сильно уменьшается в размерах. Естественно поэтому, что газ, состоящий из ионизированных атомов, можно сжать гораздо сильнее, чем газ из неразрушенных, нейтральных атомов. Отсюда следует, что газы в центре Солнца не только очень горячи, но и необычайно плотны.

Давление в центральных областях Солнца достигает нескольких биллионов^[4] атмосфер, и потому извлеченная из недр Солнца крупица вещества была бы в пять раз плотнее платины!

Газ, более плотный, чем сталь. Не правда ли, это звучит абсурдно? Но необычные количества (колоссальные давления) рождают и непривычное в земных условиях качество.

Вещество солнечных недр при всей его необычайной плотности все-таки остается газом. Отличие твердых тел от газообразных заключается вовсе не в плотности, а в другом. Газ обладает упругостью: сжатый до некоторого объема, он затем будет стремиться вновь расшириться и обязательно это осуществит, если ему не помешают внешние силы. Твердые тела ведут себя иначе. Сильно сжатое твердое тело (например, кусок свинца) после снятия нагрузки останется в деформированном, измененном состоянии. Именно в этом состоит главное отличие твердых тел от газов.

Несмотря на большую, кажущуюся фантастической, плотность, газы в недрах Солнца не теряют своей упругости. Они, как показывает изучение других звезд, могут быть сжаты еще сильнее и, конечно, освобожденные от давления внешних слоев Солнца, сразу бы расширились. Значит, вещество солнечных недр можно считать газом.

Процессы, совершающиеся в недрах Солнца, непохожи на то, что мы видим вокруг себя на Земле. При температуре 15 миллионов градусов атомная энергия выделяется из вещества почти с такой же легкостью, как пар из воды при температуре ее кипения.

Разными путями было установлено, что Солнце состоит наполовину из водорода и на 40 процентов из гелия с очень небольшой «примесью» других элементов. В недрах Солнца водород превращается или как бы «перегорает» в гелий. Процессы, при которых изменяется состав атомных ядер, называются ядерными реакциями.

Вряд ли стоит утомлять читателя подробным рассмотрением всех тех ядерных реакций, в результате которых водород в недрах Солнца постепенно превращается в гелий. Интересующимся этим вопросом рекомендуем прочесть книгу А. Г. Масевич^[5]. Укажем лишь на главное — в процессе ядерных реакций один вид материи (вещество) превращается в другой (свет) с сохранением при этом как массы, так и энергии.

Для образования ядра атома гелия необходимо четыре протона, то есть четыре ядра атома водорода. Два из этих протонов в результате ядерных реакций теряют свой положительный заряд и превращаются в нейтроны. Но два протона и два нейтрона, взятые в отдельности, весят на 4,7 · 10-26 грамма больше, чем ядро гелия. Вот этот излишек, или «дефект массы», преобразуется в излучение, причем выделяемая при этом энергия равна 4· 10-5 эрг.

Не подумайте, что это очень мало. Ведь речь идет об образовании, синтезе одного атома гелия. Если же превращается в гелий 1 грамм водорода, то при этом выделяется энергия 6 · 1018 эрг. Такой энергии вполне хватило бы для поднятия груженого товарного поезда из пятидесяти вагонов на вершину высочайшей земной горы — Джомолунгмы!

Каждую секунду Солнце превращает в излучение 4 миллиона тонн своего вещества. Таким количеством веществ можно было бы нагрузить четыре тысячи поездов по пятьдесят вагонов в каждом. Значит, излучая свет, Солнце теряет свою массу, уменьшается в весе. Пока вы прочитаете эту фразу, Солнце «похудеет» на 12 миллионов тонн, а за сутки его масса уменьшится на треть миллиарда тонн.

И все-таки эта «утечка массы» для Солнца практически неощутима. Если даже Солнце всегда будет излучать свет и тепло так же интенсивно, как и в настоящую эпоху, то за всю свою жизнь (то есть за десятки миллиардов лет) его вес уменьшится на незначительную долю его теперешней массы.

Вывод ясен: ядерные реакции превращения водорода в гелий вполне объясняют, почему светит Солнце.

Кроме превращения водорода в гелий, есть еще одна ядерная реакция, возможно играющая в недрах Солнца такую же, если не большую роль. Речь идет об образовании тяжелого водорода (дейтерия) из атомов обычного водорода.

Как известно, в отличие от атома водорода, в котором ядром служит протон, атом дейтерия обладает ядром, состоящим из протона и нейтрона. При синтезе ядра дейтерия из двух протонов (один из которых превращается в нейтрон) избыток массы, как и в предыдущем случае, превращается в излучение. Исследования, проведенные в последнее время, доказали, что при такой, как ее называют, протон-протонной реакции энергии выделяется не меньше, чем при превращении водорода в гелий. Распределение ролей между описанными ядерными реакциями зависит от свойств звезды и главным образом от температуры ее недр. В одних звездах преобладает протон-протонная, в других — водородно-гелиевая реакции.

Таким образом, Солнце живет за счет собственных недр, как бы «переваривая» их содержимое. Энергия, поддерживающая жизнь на Земле, зарождается в глубинах Солнца. Не следует, однако, думать, что ослепительно яркий солнечный свет, которым мы любуемся в погожий день, и есть та световая энергия, которая зарождается в солнечных недрах.

Возникающий в результате ядерных реакций свет, или, точнее, электромагнитное излучение, обладает гораздо большей энергией и меньшей длиной волны, чем видимые нами солнечные лучи. Но, когда порции электромагнитного излучения, называемые квантами, пробираются из центральных областей Солнца к его поверхности, они много раз поглощаются, а затем вновь испускаются атомами во всевозможных направлениях. Поэтому путь луча из центра Солнца к его поверхности очень сложен и напоминает затейливую зигзагообразную кривую.

Это странствование может продолжаться сотни и тысячи лет, прежде чем луч вырвется на поверхность Солнца. Но сюда он доходит сильно «изнуренным» от непрерывных взаимодействий с атомами. Потеряв значительную долю своей первоначальной энергии, луч превратился из невидимого, напоминающего рентгеновы лучи излучения в ослепительно яркий и отлично воспринимаемый глазом солнечный луч.

Загадка свечения Солнца в основном разгадана. Речь идет теперь только об уточнении картины тех ядерных реакций, которые совершаются в недрах Солнца. То же можно сказать и о множестве других звезд, по своей природе близких Солнцу. Но среди великого многообразия звездного мира встречаются и такие звезды, свечение которых не может быть объяснено описанными выше реакциями. К их числу относятся, например, белые карлики. При массе, близкой к массе Солнца, некоторые из этих звезд уступают в своих размерах даже Земле. Поэтому плотность белых карликов исключительно велика — некоторые из них гораздо плотнее, чем центральные области Солнца. Источником же энергии таких звезд является, по-видимому, сжатие под действием сил собственного тяготения.

То, что свет некоторых звезд представляет собой для нас загадку, неудивительно. Не только чрезвычайная удаленность звезд, но и колоссальная продолжительность их жизни сильно затрудняют исследование. По сравнению с жизнью звезд, измеряемой десятками миллиардов лет, продолжительность существования человечества на Земле кажется мгновением. И все-таки за это мгновение мы уже очень многое узнали о мире звезд. Вот это удивительно!