Звезды: их рождение, жизнь и смерть

Шкловский Иосиф Самуилович

Это расхождение между ожидаемым результатом и данными наблюдений представляется довольно большим. Конечно, часть этого расхождения следует искать в несовершенстве теорий, как чисто физических, так и астрономических. Чисто физической является задача вычисления вероятности поглощения хлором солнечных нейтрино. Эта вычисленная вероятность, однако, подкрепляется результатами прямых лабораторных экспериментов, так что нет оснований сомневаться в ее правильности. Возможные ошибки здесь вряд ли превышают 10%. Более серьезным является вопрос о точности ныне принятой модели внутренних областей Солнца. Как мы уже упоминали выше, от этой модели зависит энергетический спектр солнечных нейтрино, а следовательно, и количество образовавшихся в бассейне перхлорэтилена изотопов радиоактивного аргона. Например, скорость образования нейтрино при бета-распаде ⁸B (образующихся при одной из ветвей протон-протонной реакции; см. § 8) зависит от температуры T приблизительно как T¹³, т. е. очень сильно. Между тем перхлорэтиленовый детектор регистрирует преимущественно нейтрино, образовавшиеся при распаде ⁸B,

так как они обладают наибольшей энергией (

14 МэВ). Заметим, что количество таких нейтрино составляет ничтожную долю от полного нейтринного потока, который почти не зависит от модели Солнца.

В принципе при современном уровне теории модель любой звезды, находящейся на главной последовательности, может быть построена достаточно точно, если известна масса звезды- и распределение ее химического состава по всей толще. Для Солнца масса известна с высокой точностью, в то время как имеется достаточно большая неопределенность в распределении его химического состава. Последнее зависит от характера перемешивания вещества в недрах Солнца. Скорее всего, относительное обилие гелия в ядре Солнца выше, чем в более наружных слоях. Разница в обилиях гелия в центральных областях и на периферии зависит также от возраста Солнца, который принимается равным 4,7 миллиарда лет. Для построения моделей имеют также большое значение полученные из лабораторных данных скорости тех или иных ядерных реакций, происходящих в солнечных недрах. Например, переоценка времени жизни свободных нейтронов, которая произошла в 1967 г., и уточнение лабораторных данных о скорости некоторых важных для астрофизики ядерных реакций заставили несколько пересмотреть значение скорости протон-протонной реакции — важнейшей термоядерной реакции в недрах Солнца.

Предложенные в последние годы модели Солнца дают весьма разные значения ожидаемого в экспериментах Дэвиса количества поглощенных нейтрино — от 30 до 6 s. n. u. Однако даже последнее, наинизшее значение все же в несколько раз превосходит наблюдаемую верхнюю границу.

Означает ли столь неожиданный результат экспериментов по обнаружению солнечных нейтрино, что наши представления о внутренней структуре и эволюции звезд неверны и нуждаются в коренном пересмотре? Пока для такого вывода оснований нет. Но есть проблема объяснения результатов опытов Дэвиса.

Прежде всего не все возможности построения модели Солнца исчерпаны. В принципе малое значение нейтринного потока, фиксируемое перхлорэтиленовым детектором (реагирующим, как мы уже говорили выше, главным образом на нейтрино, образующиеся при радиоактивном бета-распаде ⁸B в «боковой» ветви протон-протонной реакции), можно объяснить предположением, что относительное обилие тяжелых элементов в недрах Солнца по крайней мере в 20 раз меньше наблюдаемого значения на его поверхности. При малом обилии тяжелых элементов вещество солнечных недр становится более прозрачным, температура уменьшается, а следовательно, уменьшается поток нейтрино, возникающих при распаде ⁸B. Сразу же, однако, возникает трудность: вычисленное на основе этого предположения первоначальное обилие гелия в веществе, из которого образовалось Солнце, должно быть в несколько раз меньше наблюдаемого обилия гелия в межзвездной среде. Нелегко также представить себе, каким способом образовался столь большой «дефицит» тяжелых элементов в недрах Солнца по сравнению с его поверхностью. Все же можно не сомневаться, что попытки объяснить результаты экспериментов Дэвиса разного рода модификациями солнечной модели будут продолжаться и, кто знает, возможно, приведут к успеху.

Другая возможность объяснения отрицательного результата опытов по обнаружению солнечных нейтрино состоит в ревизии основных представлений о природе нейтрино. Так, например, была высказана гипотеза, что нейтрино — нестабильная частица. Эта гипотеза требует признания у нейтрино хотя и малой, но конечной массы покоя. Если предположить, что период полураспада нейтрино меньше нескольких сотен секунд, то ясно, что образовавшиеся в недрах Солнца нейтрино просто не дойдут до Земли. Разновидностью этого типа гипотез является «гипотеза осцилляции», предложенная Б. М. Понтекорво. Суть этой гипотезы сводится к тому, что испущенные Солнцем «электронные» нейтрино могут превращаться в «мюонные», на которые детектор Дэвиса не реагирует. Однако такие гипотезы требуют коренного изменения существующих представлений о свойствах элементарных частиц. Уж слишком велика цена, которую надо заплатить за объяснение отрицательного результата опытов Дэвиса. Вряд ли эта гипотеза (так же, как и другие родственные ей) соответствует действительности [ 25 ] .

25

В последние годы В. А. Любимов и его коллеги экспериментально нашли, что масса покоя нейтрино конечна и близка к 20 эВ. Этот результат (значение которого трудно было бы переоценить, особенно для космологии) нуждается в независимом подтверждении.

Совершенно другой подход к обсуждаемой здесь проблеме содержится в гипотезе Фаулера, высказанной в конце 1972 г. Он предположил, что несколько миллионов лет назад во внутренних слоях Солнца произошло сравнительно быстрое, как бы «скачкообразное» перемешивание вещества. Таким образом, в течение последних нескольких миллионов лет недра Солнца находятся в необычном, как бы переходном состоянии. Через несколько миллионов лет физические условия в недрах Солнца вернутся к первоначальному состоянию, до того как такое внезапное перемешивание произошло. Отвлекаясь пока от анализа причин, повлекших за собой такое «катастрофическое» перемешивание, рассмотрим, какие это повлечет за собой последствия для проблемы солнечных нейтрино. Вся суть гипотезы Фаулера состоит в том, что поток нейтрино от Солнца определяется «мгновенным» состоянием солнечных недр. Это означает, что если по какой-либо причине изменилась температура солнечных недр, это сразу же отразится на выходящем

из Солнца потоке нейтрино. Совсем по-другому будет вести себя поток фотонного излучения от Солнца. Как уже неоднократно подчеркивалось выше, образовавшимся в центральных областях Солнца фотонам требуются миллионы лет, чтобы просочиться наружу и выйти в межзвездное пространство. Таким образом, в принципе, возможна такая ситуация: внезапно температура в центре Солнца падает, сразу же резко упадет поток нейтрино, в то время как светимость Солнца останется неизменной.

Идея Фаулера представляется нам в высшей степени плодотворной. Развитие гипотезы Фаулера содержится в работе Эзера и Камерона. Если предположить, что по какой-либо причине резко увеличилось энерговыделение в центре Солнца, обусловленное ядерными реакциями, то это повлечет за собой быстрое расширение солнечного ядра, температура которого понизится. Понижение температуры недр Солнца повлечет за собой уменьшение скорости всех термоядерных реакций. После того как избыточная энергия покинет пределы центральных областей Солнца, последние вернутся к своему первоначальному состоянию и поток солнечных нейтрино восстановится. Каким же образом может произойти резкое увеличение энерговыделения в центральной области Солнца? Оказывается, здесь большое значение может иметь такая ничтожно малая примесь к веществу солнечных недр, как редкий изотоп гелия ³He. В обычных условиях в недрах Солнца концентрация этого изотопа поддерживается динамическим равновесием между ядерными реакциями, ведущими к его образованию и уничтожению. Между тем, как уже обсуждалось в § 8, концентрация ³He имеет большое значение для идущей в недрах Солнца протон-протонной реакции, обеспечивающей почти всю светимость Солнца. Оказывается, что чем выше температура, тем ниже равновесная концентрация ³He. Отсюда непосредственно следует, что равновесная концентрация ³He должна расти по мере удаления от центра Солнца, однако, начиная с некоторого расстояния от центра, рост концентрации ³He прекращается: температура оказывается уже слишком низкой для того, чтобы равновесная концентрация успела установиться за те

5 миллиардов лет, которые существует Солнце. Расчеты показывают, что максимальная концентрация изотопа ³He достигается на расстоянии 0,6 солнечного радиуса. Представим себе теперь, что по какой-либо причине произошло внезапное перемешивание солнечных недр. Оно должно повлечь за собой значительное увеличение концентрации ³He в области центра Солнца, так как туда поступит материал, где концентрация ³He выше. Так как концентрация этого изотопа определяет скорость протон-протонной реакции, энерговыделение резко возрастает, и мы получим ситуацию, обсуждавшуюся выше.

Причиной внезапного перемешивания солнечных недр может быть постепенное накопление некоторой «неустойчивости», которая, дойдя до определенного предела, как бы «сбрасывается». Например, эта причина может быть связана с циркуляцией вещества солнечных недр в меридианном направлении, которая будет как бы «транспортировать» вращательный момент Солнца от его периферических слоев к центру. В результате центральные области Солнца начнут вращаться значительно быстрее, чем периферия. Такая ситуация должна приводить к неустойчивости, которая будет «сбрасываться» перемешиванием. Гипотеза рассматривалась японским теоретиком Сакураи. Важной особенностью этого механизма внезапного перемешивания является его периодичность. Ведь после того как накопившаяся неустойчивость будет «сброшена», она опять начнет накапливаться, так как «меридианная» циркуляция в солнечных недрах будет продолжаться! По оценкам Эзера и Камерона время между такими сравнительно быстрыми процессами перемешивания солнечных недр порядка сотни миллионов лет. Это означает, что за время эволюции нашего светила такие процессы происходили несколько десятков раз. Так как длительность фазы, когда по причине внезапного перемешивания температура солнечных недр становится ниже «нормальной», порядка десяти миллионов лет, то примерно 10% всего времени своей эволюции солнечные недра должны находиться в таком «минимальном» состоянии. Выходит, что нам особенно «повезло», раз мы живем в такую эпоху эволюции Солнца. Это замечание, как мы увидим ниже, может иметь гораздо более глубокий смысл, чем это кажется на первый взгляд...

Рис. 9.2: Предполагаемая вариация нейтринного излучения Солнца со временем.

Американские авторы выполнили численные расчеты вариаций нейтринного излучения Солнца со временем в процессе такого перемешивания. Результаты вычислений приведены на рис. 9.2. Как мы видим из этого графика, перед перемешиванием «нормальное» Солнце излучает поток нейтрино, который соответствовал бы примерно 10 единицам s. n. u. на перхлорэтиленовом детекторе Дэвиса. В середине фазы перемешивания поток падает до значения, которое немного, но все-таки ниже наблюдаемого предела.

Однако Эзер и Камерон не ограничиваются только конкретизацией идеи Фаулера. Они идут значительно дальше. Дело в том, что расширение центральной области Солнца должно неизбежно отразиться на его светимости, т. е. на потоке его фотонного излучения. Кроме того, должен немного уменьшиться его радиус. Хотя температура поверхности Солнца почти не изменится, его светимость будет заметно уменьшаться во время фазы перемешивания. Результаты соответствующих вычислений приведены на рис. 9.3. Как видим, изменения светимости должны быть весьма значительными. Возникает совершенно естественный вопрос: а не отразились ли эти циклические «провалы» солнечной светимости на геологической истории Земли?