От чёрных облаков к чёрным дырам
Шрифт:
При сжатии гелиевой сердцевины она нагревается, как и всякий газ при сжатии. Проводя аналогию с тем, что было раньше, можно задать вопрос: «Не может ли гелий нагреваться до такой температуры, чтобы стать активным топливом нового процесса термоядерного синтеза?» Действительно, если это возможно, то в активной жизни звезды ещё не все потеряно! Она может продолжить генерацию энергии за счёт другого процесса синтеза.
Ответа на этот вопрос не было до середины 50-х годов. Дело в том, что экспериментальные данные в области ядерной физики показали, что при подъёме по лестнице масс к более тяжёлым ядрам все те ядра, которые непосредственно следуют за 4Не, являются нестабильными. Мы можем, например, попытаться слить вместе два ядра гелия с образованием
Предложение, приведшее к решению проблемы, поступило на этот раз не от физика-ядерщика, а от астрофизика-теоретика. Фред Хойл, предложивший новую идею, сделал это потому, что он был убеждён: раз мы видим звёзды разных типов, кроме тех, которые есть на главной последовательности, значит, должны быть другие пути объединения ядер гелия, благодаря которым звезде удаётся поддержать работу своего термоядерного реактора, даже уйдя с главной последовательности. Хойл предположил, что объединяются на два, а три ядра гелия, образуя углерод в возбуждённом состоянии:
34He -> 12C*.
Звёздочка здесь означает, что ядро углерода возбуждено, т.е. имеет большую энергию, чем обычное ядро. Однако ядро не может пребывать в таком состоянии очень долго; оно должно перейти в обычное состояние, отдав часть энергии:
12C*– > 12C + излучение.
Но мы ещё не все сказали об этом процессе. Действительно, очень маловероятно, что может произойти тройное соударение, в котором три ядра гелия объединяются вместе. Напомним, что и в p—p– цепочке, и в CNO-цикле все четыре ядра водорода сливались вместе не сразу, а по этапам, причём на каждом этапе одновременно сталкивались две частицы. Одновременно соединение трёх ядер гелия за счёт хаотических движений происходит совсем не так часто. Чтобы компенсировать редкость такого события, сама реакция синтеза должна проходить очень быстро, так, будто ей отдаётся максимальное предпочтение. Физики называют подобные предпочтительные процессы резонансными реакциями. На рис. 47 показано, как попадает в резонанс обыкновенный маятник, если периодически толкать его грузик. Для того чтобы наступил резонанс, частота подталкивания грузика должна совпадать с собственной частотой колебаний маятника.
Рис. 47. Приложение периодически действующей силы увеличивает амплитуду колебаний простого маятника от первоначально небольших значений (а) до очень больших значений (б), если только период изменения силы подобран равным собственному периоду колебаний маятника
Аналогично, чтобы достичь резонанса в реакции синтеза, нужно, как показал Хойл, чтобы возбуждённое ядро углерода имело энергию, равную суммарной энергии трёх ядер гелия. Таким образом, предложение Хойла, обращённое к физикам-ядерщикам, заключалось в том, чтобы поискать такое резонансное возбуждённое состояние углерода в лабораторных экспериментах. Ядерщики были настроены очень скептически по поводу этого предложения, но все же стали искать. Коллеги Хойла из Калифорнийского технологического института, возглавляемого Уордом Уэйлингом, экспериментально подтвердили существование предсказанного возбуждённого состояния углерода! Это блестящий пример того, как астрономические соображения приводят к открытиям в фундаментальной науке.
В этой связи нелишне заметить, что человеческое тело состоит на 65% из кислорода и на 18% из углерода (оставшуюся часть составляет в основном водород). Если элементы типа кислорода и углерода должны образовываться в звёздах, то обязательно должен существовать путь продления цепочки нуклеосинтеза дальше 4Не. Это соображение дополнительно побудило Хойла искать путь синтеза углерода. Как отмечал Хойл, очень любопытно, что сам факт нашего существования, по-видимому, зависит от того, существует ли подходящий энергетический уровень в ядре углерода, тот самый возбуждённый уровень, о котором говорилось выше!
Три ядра гелия объединяются в ядро углерода при температурах в интервале от 100 до 200 миллионов градусов. Поэтому процесс синтеза начинается лишь тогда, когда в сжимающемся ядре звезды будут достигнуты такие значения температуры. Ядро гелия (когда оно было впервые открыто в лабораторных опытах по изучению радиоактивности) получило название -частицы, поэтому упомянутая выше реакция иногда называется тройным -процессом.
Производство энергии в процессе синтеза порождает большие температуры и давления, которые приостанавливают любое дальнейшее сжатие ядра звезды. Однако распределение давления во всей звезде должно подстроиться к новой ситуация. Если вспомнить, что давление на поверхности звезды равно нулю, становится понятным, что такая перестройка раздувает внешнюю оболочку до значительно больших, чем раньше, размеров. Звезда превращается в «гиганта».
Когда Солнце достигнет этой стадии, его размеры увеличатся настолько, что внешняя поверхность поглотит все внутренние планеты и Землю. При расширении оболочки звезда к тому же охлаждается. Поэтому внешняя поверхность звезды-гиганта имеет значительно более низкую температуру, чем у звезды на главной последовательности. Как следует из соотношения между цветом и температурой, обсуждавшегося в гл. 3, звезда при этом будет выглядеть красноватой.
Рис. 48. На диаграмме Г—Р показано распределение группы звёзд шарового скопления М3 вдоль гигантской ветви. (Верхняя область называется горизонтальной ветвью, и мы её не обсуждали в тексте)
На рис. 48 показана диаграмма Г—Р для звёзд шарового звёздного скопления М3. Видны как звёзды, находящиеся на главной последовательности, так и звёзды, переходящие от неё в правую сторону и превращающиеся в красных гигантов. Общее правило состоит в том, что чем массивнее звезда, тем быстрее она эволюционирует в сторону от главной последовательности. Это объясняется тем, что с ростом массы увеличивается и температура в центре, а следовательно, ядерное горючее расходуется быстрее.
Как уже догадался читатель, гелиевое топливо тоже когда-то приходит к концу, и звезда вновь попадает в ситуацию, которая была, когда истощилось водородное горючее.
Но ещё до того, как истощится весь гелий, звезде удаётся найти выход из такого положения тем же способом, что описан ранее: увеличить температуру центрального ядра за счёт гравитационного сжатия, пока не начнётся новая реакция термоядерного синтеза. В следующей реакции к уже образовавшемуся 12С добавляется ещё одна -частица и образуется ядро кислорода:
12C + 4He -> 16O.
Эта реакция становится возможной при температуре свыше 200 миллионов градусов. При ещё более высоких температурах за счёт последовательного добавления ядер гелия образуются ещё более тяжёлые ядра. Так получаются ядра
16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S,...,
т.e. ядра кислорода, неона, магния, кремния, серы и т.д. В конце концов, два ядра кремния сливаются, образуя ядро никеля, что происходит при температуре 3,5 миллиарда градусов: