Атомная энергия Солнца и звезд

Сегодня мы знаем, что атомные и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые ядра атомов урана распадаются на ядра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Еще больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние ядер водорода.

Солнце, как и почти все звезды, состоит в основном из водорода. Естественно возникает вопрос, может ли светимость Солнца поддерживаться за счет ядерных реакций слияния водорода в его недрах? Позже мы увидим, что эти реакции действительно являются источником энергии Солнца. В гл. 3 мы подробно обсудим ядерные реакции, протекающие в недрах звезд. Но прежде чем убедиться, что Солнце, а, следовательно, и мы, обязаны своей жизнью ядерным реакциям, попытаемся понять, что следует из предположения о том, что Солнце и звезды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а освобождающаяся энергия поддерживает свечение звезд.

Пусть атомные ядра одного грамма водорода превратятся в ядра гелия, тогда из этого грамма вещества освободится 630 миллиардов джоулей энергии: в 20 миллионов раз больше, чем при сгорании такой же массы каменного угля. Таким образом, ядерная энергия Солнца позволяет ему существовать в 20 миллионов раз дольше, чем если бы Солнце получало свою энергию за счет сжигания угля. Это означает, что продолжительность жизни Солнца составляет около 100 миллиардов лет. Наконец мы нашли источник энергии, который может поддерживать светимость Солнца в течение миллиардов лет: это ядерная энергия, освобождающаяся при превращении водорода в гелий. Энергия, запасенная в водороде нашего Солнца, позволяет ему светить целых 100 миллиардов лет. На самом деле эта оценка завышена, поскольку Солнце состоит из водорода лишь примерно на 70 %, а, следовательно, оно содержит меньше ядерного «горючего», чем мы предполагали. Далее мы увидим, что ядерная реакция в недрах звезд начинает затухать, уже когда израсходовано 10–20 % всего водорода. Отсюда следует, что Солнце может существовать примерно семь миллиардов лет. Это тоже достаточно большой срок, и Земля (если на ней еще будет существовать жизнь) еще очень долго будет освещаться лучами Солнца.

Солнце — это примерно одна из 7 тысяч звезд, видимых на небе невооруженным глазом. С помощью телескопа можно увидеть неизмеримо больше звезд. И все они, за редкими исключениями, состоят в основном из водорода. Если все эти звезды черпают свою энергию из превращения водорода в гелий, то для всех них можно рассчитать, на сколько лет хватит этого водорода, чтобы поддерживать их светимость. Для Солнца этот срок составляет 7 миллиардов лет. Но можно найти и звезды, в которых водород существенно раньше подойдет к концу. Возьмем к примеру звезду под названием Спика, самую яркую в созвездии Девы. Вокруг нее обращается звезда-спутник, поэтому мы можем определить массу Спики (см. приложение В). Масса Спики примерно в 10 раз превышает солнечную. Мы знаем также, что она светит в 10 тысяч раз ярче Солнца. Таким образом, хотя в объеме Спики содержится в 10 раз больше водорода, чем в Солнце, она светит так ярко, что этого водорода хватит всего на одну тысячную срока жизни Солнца. Следовательно, Спика может светить ненамного дольше нескольких миллионов лет. Это очень короткий промежуток времени по космическим масштабам. Действительно, миллион лет назад на Земле уже существовали высокоразвитые млекопитающие, а в лесах острова Ява уже жили предки человека питекантропы.[1]

Звезды стареют

Хотя запасы энергии у Солнца и других звезд очень велики, однако и они постепенно истощаются со временем. Звезды должны стареть. Можно ли обнаружить прямые свидетельства эволюции звезд? Можем ли мы увидеть на небе, как звезда с течением времени исчерпывает свои энергетические запасы и гаснет? Мы уже показали выше на примере Солнца и Спики, что человеческая жизнь слишком коротка по сравнению с временем жизни звезд. Действительно, свойства звезд, видимых невооруженным глазом, всегда были одинаковыми, начиная с тех времен, когда их впервые описал греческий астроном Гиппарх, живший за 150 лет до нашей эры. Мы видим, что за время существования астрономической науки на нашей планете человек не смог зарегистрировать признаки процессов развития звезд. Некоторые звезды, однако, периодически изменяют свою яркость. Но эти флуктуации не связаны прямо с процессами развития. Такие колебания яркости можно сравнить с мерцанием свечи, они не вызваны исчерпанием энергетических запасов. У этих звезд тоже не удается наблюдать видимых признаков старения. Но тем не менее звезды стареют, и если бы мы могли достаточно долго ждать, то мы бы это увидели.

Задача астронома, который хочет проследить историю развития звезд, в точности напоминает задачу мотылька-однодневки, который за время своей короткой жизни пытается узнать возраст окружающих его людей. Посмотрим на людей с его точки зрения: наблюдая за кем-нибудь с утра до вечера в течение всего лишь одного дня, мотылек не сможет заметить каких-либо признаков старения. Люди стареют очень медленно по сравнению со сроком жизни мотылька-однодневки. Но мотылек видит вокруг себя множество различных людей: среди них есть женщины и мужчины, высокорослые и низкие, светловолосые и темноволосые. Мотылек не знает, наблюдает ли он разных людей или же все люди одинаковы, а их различия связаны с возрастом. За время своей жизни он успевает увидеть только «моментальный снимок» очень короткий период жизни человечества. Мотылек не знает, вырастают ли маленькие люди со временем или навсегда остаются такими, или может быть светловолосые постепенно становятся темноволосыми, а мужчины превращаются в женщин. Когда мы пытаемся судить о звездах, мы в сущности в таком же положении. Нам удается наблюдать лишь мгновенную картину из истории жизни звезд, причем эти звезды подразделяются на целый ряд классов. Одна из таких не совсем обычных звезд обращается по орбите вокруг Сириуса.

Спутник Сириуса

Сириус является самой яркой звездой ночного неба. В 1844 г. директор обсерватории в Кенигсберге Фридрих Вильгельм Бессель заметил, что Сириус периодически, хотя и очень слабо, отклоняется от прямолинейного перемещения по небесной сфере (рис. 1.1). Отсюда Бессель заключил, что у Сириуса должен быть спутник, причем обе эти звезды должны обращаться вокруг своего центра масс примерно за 50 лет. Но в то время оставались еще некоторые сомнения в справедливости такого вывода, поскольку второй звезды никто никогда не видел. В январе 1862 г. Элвин Джордж Кларк, известный конструктор телескопов из Кембридж-Порта в Америке, проверял оптическую систему своего телескопа, установленного им в обсерватории в Чикаго. Направив свой телескоп на Сириус, Кларк заметил в непосредственной близости от него очень слабую, но заметную звездочку. Это был спутник Сириуса, существование которого предсказал Бессель.

Рис. 1.1. Перемещение Сириуса по звездному небу в интервале от 1900 до 1985 г. Все так называемые неподвижные звезды, в их числе и Сириус, медленно движутся по небесной сфере. На рисунке показано, как Сириус перемещается из точки слева вверху в точку справа в нижней части рисунка. Взаимные перемещения звезд обусловлены тем, что они движутся в нашей Галактике не совсем так, как Солнце. Из рисунка видно, что на это равномерное перемещение Сириуса накладываются периодические возмущения, повторяющиеся каждые 50 лет. Особенно заметны отклонения в 1940 г. Следует отметить, что как равномерное перемещение, так и тем более его возмущение крайне малы. Это хорошо видно по указанному в нижней части рисунка масштабу. За таким перемещением можно проследить только с помощью очень точных инструментов. Закономерно повторяющиеся возмущения траектории Сириуса объясняются тем, что вокруг него обращается слабо светящаяся звезда-спутник, которая каждые 50 лет особенно близко подходит по своей орбите к Сириусу А и наиболее заметно искажает его движение в межзвездном пространстве.

Сегодня мы уже существенно больше знаем об этих двух звездах. Они совершают один оборот вокруг своего центра масс за 49,9 лет. Изучение перемещений этой двойной системы дало много сведений о двух связанных друг с другом звездах. Более яркая звезда ее называют Сириус А в 2,3 раза тяжелее Солнца. Открытая чуть больше ста лет назад вторая звезда, Сириус В, содержит меньше вещества примерно столько же, сколько наше Солнце. Однако звезды Сириус А и Сириус В резко отличаются друг от друга. Сириус А примерно в два раза больше по размерам, чем наше Солнце; один кубический сантиметр этой звезды содержит примерно четверть грамма вещества немного меньше, чем один кубический сантиметр Солнца, масса которого близка к одному грамму. Сириус В совершенно иная звезда. Ее радиус равен примерно одной сотой солнечного, а поскольку масса его близка к массе Солнца, то вещество в его недрах примерно в миллион раз плотнее. Каждый кубический сантиметр Сириуса В содержит около 1000 килограммов вещества. Таким образом, в системе Сириуса связаны две совершенно разных звезды! Звезд, похожих по свойствам на Сириус В, достаточно много, они встречаются не только в двойных системах, но и поодиночке. Большинство из них имеют высокую температуру поверхности и излучают белый свет. Из-за малых размеров их называют белыми карликами.