Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
Достаточно спокойная жизнь звезд на главной последовательности заканчивается, когда водородное топливо истощается в горячем ядре звезды.
Массивные звезды сжигают свое топливо гораздо быстрее, чем маломассивные, несмотря на то что вначале запас топлива у них был больше. Это означает, что массивные звезды проводят на главной последовательности намного меньше времени, чем, например, Солнце, которое в этой фазе находится 10 млрд лет своей жизни. Причина в том, что запас топлива в звезде пропорционален ее массе, а скорость сгорания топлива (то есть светимость звезды) пропорциональна массе в четвертой степени. Поэтому время жизни звезды главной последовательности с массой, равной 10 массам Солнца, составляет всего 1/1000 от времени жизни Солнца. Звезды с массой в 30 масс Солнца светят ярче Солнца в 140 000 раз и остаются на главной
Когда запас топлива в самом центре звезды подходит к концу, ядро звезды начинает сжиматься, и температура в нем от этого повышается. Тогда звезда использует новое водородное топливо из оболочки, окружающей горячее гелиевое ядро. На внутреннем крае водородного слоя он превращается в гелий, который как пепел скапливается в центре звезды. Радиус горящего слоя постепенно растет. Вообще интенсивность энерговыделения в недрах звезды увеличивается со временем, и для того, чтобы иметь возможность излучать эту энергию с возрастающей интенсивностью, звезда раздувает свою поверхность. Ее внешние слои раздуваются настолько, что звезда превращается в красный гигант. Такая судьба ждет и наше Солнце (рис. 19.4).
Рис. 19.4. Через 5 млрд лет Солнце расширится и станет красным гигантом. В конце концов оно заполнит всю внутреннюю область Солнечной системы и проглотит Землю.
После главной последовательности температура в ядре звезды повышается. Значение максимальной температуры зависит от массы звезды. В табл. 19.2 приведен список основных ядерных реакций, генерирующих энергию при разных температурах. Первая строка соответствует стадии главной последовательности.
Для того чтобы звезда успешно прошла через все стадии ядерного синтеза, указанные в этой таблице, ее начальная масса должна быть по крайней мере в 15 раз больше, чем у Солнца. В менее массивных звездах температура никогда не поднимается достаточно высоко для синтеза кремния. Горение углерода и реакции, возможно, следующие за этим, требуют, чтобы звезда была хотя бы втрое массивнее Солнца. Звезда с массой в четверть массы Солнца или еще меньше никогда не уйдет дальше горения водорода и останется гелиевой звездой. Звезды, масса которых заключена между 1/4 и 3 массами Солнца, начинают сжигать гелий на поздней стадии своей эволюции и превращаются в углеродно-кислородные звезды. Дальше этой ядерной реакции они уже никогда не смогут продвинуться.
Таблица 19.2. Ядерные реакции, генерирующие энергию в звездах.
В начале 1960-х годов уже было известно несколько «радиозвезд» (как выяснилось — квазаров, см. главу 26). Новый метод их поиска разработал Энтони Хьюиш из Кавендишской лаборатории (Кембриджский университет), используя эффект мерцания. Обычные звезды мерцают, гак как их свет идет через неспокойные слои атмосферы. Радиозвезды тоже мерцают, поскольку на пути к Земле радиоволны проходят сквозь неоднородный солнечный ветер. Хьюиш заполнил антеннами поле площадью 2 га и начал систематический обзор всего неба в поиске мерцающих радиозвезд, которые могли бы оказаться квазарами. Каждый день присоединенный к радиоприемнику самописец выдавал 30-метровую бумажную ленту с записью принятых сигналов. С этой лентой работала студентка Хьюиша — Джоселин Белл, отвечавшая за работу аппаратуры и анализ данных. Она заметила, что один из радиоисточников мерцал довольно необычно. Странность заключалась в том, что импульсы излучения приходили с постоянным интервалом в 1,3 с. Вначале Хьюиш подумал, что это искусственный источник, но вскоре стало ясно, что он расположен не на Земле, а на небе. Потом возникла еще одна захватывающая идея, что эти импульсы передают иные разумные существа с планеты, обращающейся вокруг далекой звезды.
Но вскоре в другой части неба Белл обнаружила еще один пульсирующий сигнал. На этот раз она решила: «Маловероятно, чтобы две разных компании маленьких зеленых человечков одновременно на одной и той же частоте пытались подать сигнал на одну и ту же планету Земля!» Когда новые похожие источники были найдены по всему Млечному Пути, пришлось признать, что это естественное явление (рис. 19.5).
Рис. 19.5. Импульсы от пульсара PSR В0329 по наблюдениям радиотелескопа обсерватории в Нансэ, во Франции (см. рис. 1 на цветной вкладке). Интервал между импульсами составляет ровно 0,714 с.
Прежде чем эти результаты в начале 1968 года были опубликованы в журнале Nature, Хьюиш провел в Кембридже семинар, на котором предположил, что сигналы идут от белых карликов. Сидевший в зале Фред Хойл, руководивший Институтом теоретической астрономии, заметил: «Я не верю, что это белые карлики. Я думаю, что это остатки сверхновых». Никто другой не смог сделать столь правильный вывод всего за несколько минут мысленного анализа данных.
Таблица 19.3. Сравнение характеристик Солнца и белых карликов.
Что же такое на самом деле эти белые карлики, сверхновые звезды и остатки сверхновых, о которых говорил Хойл? В начале XX века астрономические наблюдения начали свидетельствовать, что существуют фантастически плотные звезды размером примерно с Землю, но с массой как у Солнца. К примеру — спутник Сириуса, называемый Сириусом В (табл. 19.3). Плотность таких звезд примерно в миллион раз выше плотности обычного камня. Артур Эддингтон вспоминал, как реагировала на это научная общественность: «Сообщение спутника Сириуса после его расшифровки гласило: «Я состою из вещества, плотность которого в 3000 раз выше, чем у всего, с чем вам когда-либо приходилось иметь дело; тонна моего вещества так мала, что поместится в спичечном коробке». Что можно сказать в ответ на такое послание? В 1914 году большинство из нас ответило так: «Полно! Не болтайте вздор!»
Вплоть до 1926 года так никто и не понял, что послание Сириуса не было вздором. Американец Ральф Фаулер применил недавно открытый принцип запрета Паули к электронному газу в белых карликах. В чрезвычайно плотном газе белых карликов электронам не хватает места для обращения вокруг атомных ядер, и они сами образуют газ. Белый карлик похож на огромный атом, покрытый облаком из бесконечного числа электронов. К электронам этого облака можно применять принцип Паули точно так же, как и к электронам обычных атомов. Электроны не могут занять состояние, которое совпадает с состоянием любого другого электрона в этом облаке. Когда звезда остывает, все электроны не могут замедлиться, поскольку нет достаточного числа состояний, соответствующих медленному движению. Некоторые электроны обязаны иметь высокие скорости, так что возникающее от этого давление останавливает дальнейшее сжатие звезды, даже если температура стремится к абсолютному нулю.
Вернувшись к ГР-диаграмме (см. рис. 19.3), в ее нижней левой части мы увидим белые карлики: они горячие, но имеют малую светимость по сравнению с Солнцем.
Ядерные реакции поддерживают высокую плотность и температуру, что мешает гравитации раздавить звезду. Но рано или поздно топливо закончится, равновесие внутри звезды нарушится, и она начнет сжиматься. Что будет дальше, зависит от массы светила. У звезд с массой от трех масс Солнца и меньше на стадии красного гиганта образуется углеродно-кислородное ядро. Оно очень горячее, его масса сравнима с массой Солнца, а размер сравним с размером Земли. Это ядро окружено чрезвычайно разреженной оболочкой красного гиганта. В результате сложных процессов эта оболочка мягко сбрасывается, оставляя «голое» ядро. Белый карлик как раз и формируется в результате остывания этого ядра. Газовые оболочки, разлетающиеся от будущих белых карликов, астрономы наблюдают как «планетарные туманности»: внешне они немного похожие на диски планет, если смотреть на них в старые, не слишком качественные телескопы.