Феликс Зигель - Путешествие по недрам планет

Любуясь звездным небом, человек не всегда сознает, что перед его глазами — самые распространенные космические образования. И наоборот — земная твердь, ощущаемая под ногами, — это величайшая редкость, и по крайней мере по массе планетам в космосе отведена незначительная роль.

Любой, самый неискушенный наблюдатель замечает не только разницу в блеске звезд, но и различие в их окраске. Причина этому — размеры звезд, их температура и расстояние до них. Но, как бы ни были многообразны звезды, их объединяет одно — это тела самосветящиеся, излучающие свет за счет своей внутренней энергии. Одно время полагали, что эта энергия выделяется при постепенном сжатии звезды. Подобно тому, как накачивая велосипедным насосом камеру, Вы заставляете его разогреваться, сжатие за счет гравитации исполинского газового шара звезды неизбежно вызывало его разогрев. Правда, подсчеты вскоре показали, что такой механизм не может обеспечить самосвечение звезды в течение миллиардов лет.

Несостоятельной оказалась и другая гипотеза — предположение, что звезда разогревается за счет непрерывного падения на нее метеоритов. Наконец, только к середине текущего века нашлось как будто правильное решение — энергия звезд поддерживается теми ядерными реакциями, которые совершаются в их недрах. Трудно наглядно представить себе эти недра, где давление газа достигает миллиарда мегапаскалей, а температура — миллиона градусов. Теоретики-астрофизики строят модель звезды и происходящих внутри нее ядерных реакций, а затем сравнивают эту умозрительную схему с наблюдениями. Кто-то из них однажды сказал, что самое простое на свете — это звезда. И на самом деле, даже любое мельчайшее знакомое нам живое существо несравнимо сложнее звезды. Речь идет не только о сложных высокомолекулярных соединениях, составляющих тело всех организмов, но и о тех процессах, которые поддерживают в них жизнь.

А звезда на самом деле устроена очень просто. Это водородно-гелиевый газовый шар, в каждой точке которого тяготение к центру уравновешивается силой давления газа. Для обычных широко распространенных звезд температура их центральных областей заключена в пределах от 10 до 20 млн. градусов. Так как на поверхности звезд температура значительно ниже, чем в их центре, в любой звезде совершается постоянный перенос энергии изнутри наружу. Механизмом этого переноса может служить как лучеиспускание, так и конвекция. Достигнув поверхности, внутренняя энергия звезды излучается в пространство.

Устойчивость любой звезды объясняется противоборством двух главных сил — тяготения и давления газа. Первая заставляет звезду сжиматься, но упругость газа, или, как говорят, его давление, этому препятствует. Равновесие двух сил в каждой точке звезды и обеспечивает ее стабильность как космического тела. При некоторых допущениях можно рассчитать, как распределяются плотность, давление и температура вдоль каждого радиуса звезды, т. е., иначе говоря, построить модель звезды, дающую представление о ее общем строении. В современных моделях звезд учитываются не только гравитация и упругость газа, но и потоки электромагнитной энергии, излучаемой звездой. Эта энергия также должна участвовать в создании равновесия внутри звезды, а потому расчеты звездных моделей — дело весьма трудоемкое, требующее привлечения быстродействующих электронно-вычислительных машин.

Рассмотрим теоретические модели некоторых типов звезд. Красные гиганты (рис. 1,а) имеют небольшое гелиевое ядро, в котором температура практически постоянна (изотермическое ядро). Это ядро окружено узкой зоной, в которой выделяется энергия за счет термоядерных реакций. Далее следует зона, где энергия переносится лучеиспусканием. В остальной же части звезды энергия передается конвекцией, т. е. за счет перемешивания вещества. У звезд разных участков так называемой главной последовательности ядра сильно различаются. У бело-голубых звезд (рис. 1,в) сравнительно небольшое конвективное ядро окружено зоной «лучистого» переноса энергии.

Рис. 1. Модели некоторых типов звезд.

а — красный гигант; б — Солнце; части главной последовательности; в — верхняя (бело-голубце звезды), г — нижняя (красные карлики); д — белый карлик; / — изотермическое гелиевое ядро; 2 — энерговыделяющий слой; 3—зона переноса энергии излучением; 4 — конвективная зона (ядро); 5 — вырожденный электронный газ; 6 — идеальный газ

В нижней части той же последовательности, т. е. у красных карликов (рис. 1,г), роль этих зон, как видит читатель, меняется. У звезд типа Солнца (рис. 1, 6) толщина конвективной зоны составляет примерно одну седьмую радиуса звезды.

Несколько особняком стоят белые карлики (рис. 1,д). В основном они состоят из так называемого «вырожденного газа» — смеси свободных электронов, протонов и альфа-частиц. В этом газе главную роль играют электроны — ими определяется давление вырожденного газа, температура которого близка к 10 млн. градусов. Снаружи белый карлик окружен оболочкой из обычного идеального газа. [1] Идеальным называется сжимаемый газ, подчиняющийся закону Бойля — Мариотта, т. е. газ, силами взаимодействия между молекулами которого можно пренебречь.

Какие же процессы совершаются в недрах звезд? Общего ответа на этот вопрос пока нет. У разных звезд различны и термоядерные реакции.

Большинство современных астрономов считают, что в недрах Солнца при температуре около 14 млн. градусов водород «перегорает» в гелий за счет так называемого протон-протонного цикла ядерных реакций. Этот цикл состоит из трех этапов.

Этап первый. Водород 1 1Н превращается в дейтерий D (изотоп водорода с атомной массой 2) с выделением позитронов β +и нейтрино ν. Схематически это можно записать как 1 1Н + 1 1Н → D + β + ν.

Напомним читателю, что позитрон — это частица, по массе равная электрону, но имеющая положительный заряд, а нейтрино — электрически нейтральная частица исчезающе малой массы.

Этап второй. Дейтерий при взаимодействии с водородом превращается в изотоп гелия с атомной массой 3 ( 3Не). Этот процесс сопровождается гамма-излучением (γ) — электромагнитным излучением с очень малой длиной волны: D + 1 1H → 3Не + γ.

Этап третий. Два атома изотопа гелиия превращаются в нормальный атом гелия 4Не и два атома водорода: 2 3Не → 4Не + 2 1Н.

Таким образом, в ходе протон-протонного цикла ядерных реакций водород превращается в гелий. При синтезе ядер гелия часть вещества (за счет так называемого «эффекта упаковки») превращается в излучение. Количество выделяемой при этом энергии можно вычислить по формуле Энштейна: Е = mс 2 , где Е — количество выделенной энергии; m — масса вещества, превратившегося в излучение; с — скорость света (300 000 км/с).