Сергей Язев - Лекции о Солнце

Что же происходит дальше? Образующиеся дейтроны довольно быстро (в среднем через шесть секунд после своего образования) захватывают еще по одному протону. В результате формируются ядра, содержащие по два протона и одному нейтрону – это так называемый изотоп гелия-3 (число, стоящее после названия ядра, показывает общее количество так называемых нуклонов – протонов и нейтронов, входящих в состав ядра). При этом снова испускается квант энергичного гамма-излучения.

Два ядра образовавшегося гелия-3 также способны провзаимодействовать между собой. Вероятность такого столкновения в условиях солнечного ядра невелика, но она все-таки гораздо выше, чем вероятность образования дейтрона из двух протонов. В среднем раз в миллион лет два ядра гелия-3 могут, столкнувшись, слиться между собой, испустив два протона и образовав так называемую альфа-частицу – ядро атома обычного гелия-4, содержащего два протона и два нейтрона. Опять-таки, из-за гигантского числа частиц в недрах Солнца эта реакция происходит непрерывно.

В результате из четырех протонов может получиться одно ядро гелия! Происходит исполнение давней мечты алхимика: из одного химического элемента (водорода) получается другой (гелий)!

И теперь – самое главное. Масса получившегося ядра гелия оказывается чуть меньше суммарной массы изначально провзаимодействовавших протонов. Со времен изучения школьной химии мы помним, что такого не бывает: есть закон сохранения массы в химических реакциях!

Рис. 14. Протон-протонный цикл

Но мы обсуждаем не химические реакции. Описанный процесс называется реакцией термоядерного синтеза . И здесь работает знаменитая формула Эйнштейна, устанавливающая эквивалентность массы и энергии: энергия частицы равна ее массе, умноженной на огромный коэффициент – квадрат скорости света:

E = mc 2.

Если масса в результате реакции уменьшилась, значит, часть массы превратилась в энергию электромагнитного излучения! Вспомним вторую реакцию присоединения протона к дейтрону, в процессе которой выделяется гамма-излучение (и еще немного энергии уносит нейтрино).

Расчеты показывают, что это и есть энергия, выделяющаяся в результате термоядерных реакций. В энергию излучения превращается примерно 0,73 % массы каждых четырех ядер водорода, вступающих в реакцию, чтобы образовать одну альфа-частицу. Учитывая огромный коэффициент в формуле Эйнштейна (квадрат скорости света), получается, что в расчете на каждый вступающий в реакцию протон выделяется довольно много энергии!

Но в ядре Солнца содержится гигантское количество протонов. Каждое мгновение в реакции термоядерного синтеза вступает очень большое число этих частиц. Ежесекундно, как указано выше, в энергию гамма-излучения превращается около 4 миллионов тонн водорода (Солнце становится на эту величину легче)!

Эффективность этого процесса очень высока. Умножив это число на квадрат скорости света, мы получим общую энергию, выделяемую Солнцем за секунду, то есть его светимость (около 3,84 × 10 26ватт)! Отсюда следует, что именно цепочка из этих трех термоядерных реакций (она называется протон-протонным циклом ) является основным источником энергии солнечного излучения.

Теория элементарных частиц показывает, что протон-протонный цикл – не единственная цепочка реакций, которая может протекать в недрах Солнца. Образовавшиеся во время второй реакции ядра гелия-3 могут объединяться не только друг с другом, но и с уже образовавшимися ядрами гелия-4 (альфа-частицами), создавая при этом ядра атомов изотопа бериллия-7. Дальше цепочка превращений может идти по двум вариантам, в результате которых могут получиться либо ядра лития, либо ядра изотопа бериллия-8.

Кроме того, существует еще одна цепочка реакций, происходящих в том случае, если в недрах Солнца окажутся еще и ядра атомов углерода-12. Они взаимодействуют с протонами, превращаясь последовательно в ядра азота и кислорода. Замечательно то, что на последнем этапе возникают альфа-частица и снова атом углерода. Получается, что сам углерод ни во что в конечном итоге не превращается, и работает как катализатор так называемого углеродного цикла.

Существующая теория утверждает, что в ядре Солнца основную роль играет протон-протонный цикл, а на углеродный приходится всего 1–2 % от общего количества выделяемой энергии. Тем не менее, эти реакции приводят к появлению в ядре Солнца новых типов атомов. Из ядер атомов водорода (протонов), как из кирпичиков, под действием царящих там высоких давлений и температур, в ядре Солнца, как на фабрике, развернут процесс производства более тяжелых элементов (гелия, бериллия, азота, кислорода и других), которых ранее там не было! При этом параллельно процессам образования новых элементов идет непрерывный процесс выделения энергии в виде самого энергоемкого коротковолнового электромагнитного излучения – гамма-квантов.

Нетрудно сообразить, что процесс энерговыделения Солнца будет продолжаться до тех пор, пока на нем есть топливо – ядра водорода. Спектральный анализ показывает, что пока что водорода на Солнце хватает – во всяком случае, в фотосфере его примерно в десять раз больше, чем гелия.

Разумеется, в центре Солнца, где непрерывно идет процесс преобразования водорода в гелий, относительное количество последнего выше, чем в поверхностных слоях (согласно расчетам, гелия там уже около двух третей (63 %) от общего содержания вещества). Тем не менее, теория утверждает, что на поддержание относительно стабильного режима энерговыделения на Солнце водорода хватит, по крайней мере, еще на 4–5 миллиардов лет, другими словами, еще на столько же, сколько Солнце уже существует (на основе множества различных данных считается, что Солнцу и Солнечной системе примерно 4,5–4,6 миллиарда лет).

Развитие науки в целом и ядерной физики в частности привело, между тем, к еще одному ошеломляющему выводу. Соотношение количества разных типов химических элементов в фотосфере Солнца очень близко к такому же соотношению в космических газопылевых облаках. Примерно такое же соотношение обнаруживается в самых распространенных метеоритах – хондритах. Все это может означать, что все в Солнечной системе, включая и Солнце, и планеты, сформировалось из единого протопланетного газопылевого облака. Небольшие компактные планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) предположительно утратили (не смогли удержать в процессе формирования) свои легкие элементы – водород и гелий. Массивные объекты – Солнце и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) – смогли захватить и сохранить их. Таким образом, соотношение элементов на Солнце и на Земле (исключая водород и гелий) приблизительно сходно. Особенно впечатляющим выглядит это совпадение, если мы сравним состав морской воды и вещества Солнца.