Борис Кузнецов - Философия оптимзма

Искусственные спутники Земли и космические корабли уже позволили наблюдать излучения астрономических объектов без затрудняющего эти наблюдения воздействия земной атмосферы. Весьма достоверный прогноз на 2000 г. обещает наблюдения с поверхности Луны и с поверхности либо с близких орбит, окружающих Меркурий, Венеру и Марс. Возможность доставить астрономические и астрофизические приборы на планеты земной группы — исходный пункт прогнозов развития астрономии на 2000 г. Сейчас в космических ракетах еще не используется ядер-пая эпергия. Но в прогнозах на 2000 г. такое использование фигурирует. В этом смысле космонавтика, которая сейчас обладает независимой энергетической основой (поэтому и законно прибавление «космическая» в часто произносимой характеристике «атомно-космическая эра»), впоследствии будет испытывать резонансный эффект ядер-ной энергетики и зависеть от ее прогресса.

Есть и другая, значительно более тонкая, связь между перспективами астрономии и ядерной физики. Речь идет об известных физике ядерных реакциях, которые привлекают для объяснения результатов астрофизических наблюдений.

Перенос ядерных моделей из микрокосма в звездную астрономию дает особенно важные результаты, когда говорят о так называемой главной последовательности звезд. Этот введенный Эддингтоном термин «главная последовательность» означает следующее.

Звезды (в основном состоят из плазмы — ядер водорода, т. е. протонов, и ядер гелия, смешанных с оторвавшимися от них электронами. Кроме того, в звездах имеются в сравнительно небольшом числе ядра более тяжелых элементов — кислорода, азота, углерода, железа и некоторых других. Звезды принадлежат к различным спектральным классам — они различаются по цвету. Цвет зависит от температуры и может быть красноватым, желтоватым и при самых высоких температурах белым и голубоватым. С другой стороны, звезды различаются по светимости (т. е. по количеству энергии, излучаемой звездой вединицу времени). Светимость связана с видимой яркостью звезды; последняя зависит также от расстояния, и если привести все звезды к условному стандартному расстоянию, то светимость будет мерой абсолютной звездной величины. Радиусы звезд меняются в очень больших пределах: есть звезды не больше Земли («белые карлики»), а другие занимают пространство, в котором поместилось бы не только Солнце, но и орбиты планет земной группы. Масса меняется меньше, так как большие звезды могут обладать в миллиарды раз меньшей плотностью, чем малые.

У большинства звезд светимость и цвет соответствуют друг другу: если откладывать вдоль горизонтальной оси слева направо спектральные классы, соответствующие все меньшей температуре звезд, а вдоль вертикальной оси снизу вверх все большие меры светимости, то мы увидим, что большинство звезд расположено вдоль диагонали, идущей из левого верхнего угла (т. е. из области высоких светимостей и высоких температур) в правый нижний (т. е. в область низких светимостей и низких тем-нератур). Это и есть «главная последовательность» звезд: на диаграмме с понижением температуры звезд и изменением их цвета от голубого и белого к желтому и затем к красному уменьшается светимость.

Вне главной последовательности находятся звезды с очень большой светимостью («гиганты» и «сверхгиганты»), но принадлежащие к спектральному классу, соответствующему сравнительно низкой температуре; они отличаются красноватым (иногда желтоватым) цветом и называются красными гигантами. Вне главной последовательности располагается на диаграмме и группа звезд высокого спектрального класса со сравнительно низкой светимостью («белые карлики»).

Эволюция звезд, находящихся на главной последовательности, объясняется ходом ядерных процессов. Основной источник звездной энергии — термоядерная реакция, образование ядер гелия из протонов. Пребывание звезды на главной последовательности совпадает с определяющим воздействием термоядерной реакции на излучение звезды. Эволюция звезды на главной последовательности, т. е. изменение спектра ее излучения и соответственное (это соответствие и означает, что звезда остается на главной последовательности) изменение светимости, представляется в свете ядерной физики следующим [86] См.: И. С. Шкловский. Вселенная. Жизнь. Разум. Изд. 2. M., 1965, стр. 41–51; А. Г. Масевич. Эволюция звезд. В сб.: «Наука и человечество». М., 1964, стр. 343–857. .

Допустим, что межзвездное вещество начало конденсироваться и затем под влиянием тяготения первоначальное облако образовало непрозрачный газовый шар.

Силы тяготения сжимают этот шар, температура его повышается, но она еще невелика, поэтому цвет звезды приближается к красному, а между тем зависящая от массы светимость может быть очень большой. Дальнейшее гравитационное сжатие повышает температуру, цвет звезды начинает соответствовать ее светимости, и звезда оказывается на главной последовательности. Теперь температура звезды позволяет начаться термоядерной реакции, последняя в свою очередь поддерживает температуру, а следовательно, и спектр излучения звезды на медленно меняющемся уровне. Медленно меняется и светимость звезды. Если же ее масса велика и излучение весьма интенсивно (таковы «голубые гиганты»), звезда в течение нескольких миллионов лет теряет запасы водорода, протоны относительно быстро превращаются в ядра гелия, и звезда становится гелиевым шаром, светимость которого уже не соответствует ее спектру. Но вскоре (в космической шкале времени) начинается новая ядерная реакция. Три ядра гелия превращаются в ядро углерода. Если температура продолжает быть высокой, могут происходить и другие ядерные реакции, которые заканчиваются образованием железа, уже неспособного участвовать в ядерных реакциях с выделением энергии. Для звезды с массой, близкой к массе Солнца, вся эволюция может продолжаться около 10 млрд. лет.

Подобные подсчеты непосредственно связаны с ядерной физикой и очень характерны для науки атомного века. В основе их лежат представления о ядерных реакциях, которые практически пока не применяются, но служат основным объектом экспериментальных и теоретических поисков. Но здесь сказывается и другой разрез атомной эры. Эволюция звезд могла быть выражена в количественных определениях, сроки ее этапов, температуры, радиусы, светимости и спектры звезд могли быть вычислены лишь с помощью электронных вычислительных машин.

Для звезд с массой, близкой к массе Солнца, меньшей, чем эта масса, или немного большей (до 1,2 массы Солнца), последние этапы биографии состоят в превращении в «белые карлики» и в последующем остывании. Масса их остается такой же — порядка массы Солнца, а размеры значительно уменьшаются, приближаются к размерам Земли. В этом случае плотность достигает десятков тонн в кубическом сантиметре. Такая судьба может постичь и «красный гигант», если он сбросит свою оболочку, обнажит раскаленное ядро (т. е. перейдет в другой спектральный класс) и уменьшит свою массу.