РАЗМЫШЛЕНИЯ ИЗ ПРАШАНТИ НИЛАЯМ

В ПОИСКАХ БЕСКОНЕЧНОСТИ – ЧАСТЬ 3

Профессор Г. Венкатараман

РАССКАЗ О ТОМ, КАК РОЖДАЮТСЯ И УМИРАЮТ ЗВЕЗДЫ

Саи Рам и теплые приветствия всем читателям. Надеюсь, вам нравится наше путешествие. В прошлый раз я немного рассказал вам о рождении Вселенной. Сегодня я хочу вам рассказать о том, как рождаются и умирают звезды. Жизнь звёзд не похожа на нашу, однако у них тоже есть начало и конец. Это может казаться невероятным, но звезды перевоплощаются подобно людям! Нам предстоит провести удивительное исследование.

В самом начале…

Так художник изобразил Большой взрыв

В Библии сказано, что человеческий род произошел от Адама и Евы. Точно так же, в первую очередь мы должны обсудить, как во Вселенной появились первые звезды. Для этой цели, нам следует вернуться назад к моменту рождения Вселенной, который называется Большим взрывом. Пока я не буду рассказывать о сложной череде событий, которая произошла в течение первой секунды после Большого взрыва. Эта первая секунда чрезвычайно важна, но для наших исследований лучше начать с событий, которые произошли позже. Итак, как же выглядела Вселенная, когда её возраст был равен одной секунде?

Сначала поговорим о размерах новорожденной Вселенной. В возрасте одной секунды радиус Вселенной был равен приблизительно десяти миллиардам километров (т.е. одна тысячная светового года). Для сравнения скажу, что расстояние от Плутона до Солнца приблизительно равно шести миллиардам километров. Размер современной Вселенной приблизительно равен пятнадцати миллиардам световых лет. Напомню вам, что один световой год – это десять триллионов километров (один триллион равен 10 12 ). Поэтому сегодня радиус Вселенной равен расстоянию в десять триллионов километров умноженные на пятнадцать миллиардов километров! Поразительно, не правда ли? В первую секунду после рождения размеры Вселенной были действительно небольшими по сравнению с её нынешними размерами.

Из чего же состояла Вселенная? Существовали ли тогда звезды, планеты и т.д.? Ничего этого не было. Новорожденная Вселенная состояла из электронов и атомных ядер, т.е. ядер простых элементов, таких как водород и гелий. В течение нескольких следующих тысячелетий ничего серьезного не происходило, за исключением того, что младенец продолжал расти. Пока происходило это расширение, Вселенная была наполнена водородом и небольшим количеством гелия. Распределение газа во Вселенной было неравномерным: в некоторых местах его было больше, в других – меньше. Повсюду был газ с различной плотностью.

Появление гравитации

Приблизительно через миллион лет после рождения Вселенной (к тому времени её размеры значительно увеличились) в некоторых областях с большой концентрацией газа газовые облака начали постепенно сжиматься. Почему? Благодаря силе гравитации. Я думаю, вы помните о том, что сила гравитации, открытая Ньютоном, представляет собой силу притяжения. Материя притягивает материю, именно в этом заключается гравитация. Итак, облако водорода, состоит из атомов водорода, которые, являясь материей, могут притягиваться друг к другу. Атом водорода чрезвычайно мал и сила, требующаяся для того, чтобы привести его в движение, тоже очень незначительна. Может показаться, что между двумя атомами, находящимися друг от друга на расстоянии миллиона километров, отсутствует сила притяжения. Но здесь природа удивляет нас. Все эти мельчайшие движения накапливаются, и в итоге газовое облако ведёт себя так, как будто снаружи его сжимает большая сила. На самом деле происходит вот что: атомы притягивают друг друга и в результате начинают сближаться. Внешнему наблюдателю может показаться, что газ сжимают снаружи, но на самом деле он сжимается сам под воздействием силы гравитации.

Я должен упомянуть о том, что по мере того, как сила гравитации сжимает облако, оно также стремиться к рассеиванию из-за давления газа, как и все облака. Я уверен, что вы видели в небе пушистые облака, которые увеличиваются в размерах, благодаря диффузии, вызванной наружным давлением газа, и затем тают. Однако это давление незначительно и сила гравитации просто превосходит его. Гравитация действительно потрясает. Она кажется слабой и незначительной, но в масштабах Вселенной её воздействие всеобъемлюще!

Что же происходит по мере сжатия большого водородного облака? Сжимается ли оно до точки? Не совсем, потому что, когда облако сжимается, с ним начинает происходить неожиданный процесс. Дело в том, что процесс сжатия сопровождается нагреванием, которое достигает максимума в центре облака. Когда я говорю, что облако нагревается, не думайте, что речь идёт о температуре воздуха в жаркий летний день. Невероятно, но в центре облака температура может достигать МИЛЛИОНА градусов! Представляете!! И конечно, под воздействием такой температуры начинают происходить некоторые процессы.

Устройства для термоядерного синтеза

Когда я говорю, что температура в облаке сжатого газа может достигать миллиона градусов, я имею в виду температуру в центре облака. По мере отдаления от центра температура начинает падать. Повышение температуры до миллиона градусов в центре облака создает условия для возникновения интересных процессов. При астрономически высокой температуре ядра водорода сливаются и формируют ядра гелия. Я опущу некоторые детали, которые относятся к области ядерной физики, но должен сказать, что процесс слияния ядер водорода и превращения их в ядра гелия называется ядерным синтезом, а так как это происходит под воздействием высокой температуры, его часто называют термоядерным синтезом.

Важно то, что этот ядерный синтез сопровождается высвобождением большого количества энергии. Эта энергия направляется к наружной поверхности, где температура ниже. С поверхности облака энергия излучается в пространство в виде тепла и света.

Итак, вначале происходит гравитационное сжатие облака водорода. Это ведёт к нагреванию, особенно в центре. При достижении очень высокой температуры, происходит термоядерное воспламенение. Во время этого процесса маленькие ядра сливаются и формируют более крупные ядра, в ходе чего также выделяется тепло. Именно так рождается звезда. Эта последовательность событий схематически изображена на рисунке 1.

Вопрос: Сжатие приводит к термоядерному возгоранию. Продолжался ли процесс сжатия после этого?

Нет! По мере того, как сила гравитации сжимает газовое облако, излучающаяся радиация порождает наружное давление, которое приводит к расширению этого облака. Происходит борьба между центростремительной силой, порождаемой гравитацией и сжимающей газовое облако, и центробежной силой, появляющейся в результате излучения и расширяющей это облако. Затем между ними возникает равновесие, и газовое облако принимает стабильный размер, имея высокую температуру в центре и излучая энергию в пространство.

Так из газового облака рождается звезда. Кстати, в водородной бомбе огромное количество энергии высвобождается в результате термоядерной реакции. Однако в бомбе этот процесс занимает миллионную долю секунды, в то время как звезда продолжает высвобождать термоядерную энергию в течении миллионов и даже миллиардов лет. Наше солнце представляет собой термоядерный реактор непрерывного действия.

Итак, звезда родилась. Будет ли она гореть вечно, или ее жизнь ограничена определенным временем? Если верно последнее, то как долго звезда будет жить? Ответ очень прост. Звезда подобна горящему огню: он горит до тех пор, пока в него подкладывают топливо; так и звезда горит до тех пор, пока есть горючее. Когда горючее заканчивается, температура начинает понижаться и звезда охлаждается. Тогда начинается совсем другая игра, о чем я расскажу дальше.

Жизненный цикл звезды: рождение, смерть и перерождение

Как я уже сказал, когда горючее заканчивается, горение или термоядерная реакция прекращается, и звезда начинает охлаждаться. Затем происходят два события. Во-первых, во внутренней части сгоревшей звезды в области наибольшей плотности под воздействием преобладающей силы гравитации начинается процесс сжатия. А внешние слои, наоборот, стремятся рассеяться как облако. В результате снаружи облако выглядит очень большим, а внутренняя область продолжает сжиматься и снова нагреваться. Кстати, когда наше Солнце «умрёт» и станет расширяться, то предполагается, что оно будет таких больших размеров, что сможет заполнить пространство до Земли. Оно станет огромным, и будет излучать тусклый красный свет (рис.2). Астрономы уже обнаружили много «красных гигантов» среди звезд, поэтому это предположение кажется вероятным.

Итак, у нас есть огромная красная звезда с тонким внешним слоем, ядро которой продолжает сжиматься и нагреваться. Что же происходит дальше? Это интересная история. В звёздах первого поколения ядра водорода сливались и превращались в ядра гелия, а когда количество водорода заканчивалось, термоядерный синтез прекращался.

Красный гигант во много раз больше нашего Солнца

Итак, звезда превратилась в красного гиганта, ядро которого продолжает сжиматься и нагреваться. Существует ли вероятность воспламенения? Да, существует, только на этот раз температура должна повыситься настолько, чтобы горючим мог служить гелий.

Поначалу звезда представляет собой большой котел, в котором водород превращается в гелий. После периода «отдыха» этот процесс начинается снова, и повторяется та же история.

Сначала под воздействием силы гравитации происходит процесс сжатия, после чего центральная часть разогревается, а когда температура становится достаточно высокой, происходит повторное термоядерное воспламенение. Однако на этот раз ядра гелия сливаются в более крупное ядро, высвобождая при этом энергию.

Эта энергия стремится наружу и в итоге излучается в пространство. Появляется так называемая дочерняя звезда, из которой рождается другая звезда, и этот процесс продолжается поколение за поколением.

Звезда рождается, горит, умирает, перерождается, опять умирает, опять перерождается и т.д. И каждый раз звезда представляет собой котел, в котором «варятся» элементы, легкие элементы превращаются в тяжелые и таким образом во Вселенной появляются все новые и новые элементы, которые изучают студенты-химики (рис.3).

Что происходит дальше

Существует ли конец у этого процесса перерождения? Да, и он наступает тогда, когда ядро звезды, пройдя через множество стадий, в конце концов, превращается в железо. После этого процесс термоядерного возгорания и постоянного высвобождения энергии происходит по законам ядерной физики, и процесс рождения-смерти-перерождения останавливается – более тяжелые элементы формироваться внутри звезды не могут.

Огромная звезда, ядро которой состоит из железа

Вы можете спросить: «Но на Земле же есть серебро, золото, уран и т.д. – ядра этих элементов гораздо тяжелее ядер железа. Откуда они взялись?" Это очень интересный вопрос, на который мы найдем ответ в следующем выпуске журнала. Я думаю, вы догадались, какой большой вклад внесли открытия ядерной физики в развитие астрофизики. Исследование этапов развития звезды с помощью открытий ядерной физики происходило в период с 1930 по 1940 годы. Современная физика отличается тем, что открытия из одной её отрасли поразительным и непредсказуемым образом помогают расширить границы знаний в области другой отрасли.

Итак, я рассказал вам следующее: в течение первого миллиона лет звезд не существовало. Затем начали рождаться первые звезды. Они жили в течение некоторого времени и прекращали гореть, когда заканчивался запас водорода. После периода «отдыха», начиналась новая серия горения, на которой горючим служил гелий. Когда гелий сгорал, наступал период покоя, после которого гелий перерождался в более тяжёлый элемент.

Вопрос: «Что происходит со звездой, когда она, наконец, прекращает гореть?» Дальше история развивается еще интереснее! http://media.radiosai.org/journals/Vol_05/01MAR07/04-SFI_ru.htm