Вселенная, солнечная система, земля в современной естественно-научной картине мира

Для абсолютного большинства звезд начальным, причем дли­тельным (миллиарды лет) этапом термоядерного синтеза являет­ся превращение четырех протонов, ядер атомов водорода (р), в ядро атома гелия (4Н), два позитрона (е+) и два нейтрино (v). Достигается это двумя путями — в процессе осуществления так называемых водородного и углеродно-азотного циклов [19, с. 759].

Водородный цикл включает следующие термоядерные реак­ции:

р+р-»й + е+ + у

е++ е~ -> 2у р + в. -> 6Не + у 3Не + 3Не -> 4Не + 2р Итого:    4р -> 4Не + 2е+ + 2у,

где р — протон; с? — дейтрон, ядро атома дейтерия; е+ — пози­трон; е~ — электрон; v — нейтрино; у — гамма-квант; 3Не, 4Не и 6Не — изотопы атомов гелия. Первые три реакции водородно­го, или, как выражаются, до-цикла, осуществляются в нем дважды. Водородный, или до-цикл характерен для Солнца и по­добных ему звезд.

126

В более ярких звездах преобладает углеродно-азотный, или СК—цикл:

где С, К, О — обозначения ядер атомов соответственно углеро­да, азота и кислорода.

Интересно, что интенсивность энерговыделения, приходя­щегося на один грамм вещества, в звездах значительно меньше, чем в некоторых процессах, происходящих в живых организмах. Но живые организмы по своим размерам и массам ничтожно ма­лы по сравнению со звездами. Колоссальные размеры и массив­ность звезд приводит к тому, что в космических масштабах именно они определяют существо главных энергетических эффек­тов. Известно, что, например, Солнце ежесекундно теряет 4 млн тонн вещества. Что касается человека, то в энергетическом от­ношении он, выражаясь образно, выступает как звездочка в ми­ниатюре.

Тайна нуклеосинтеза. Термоядерные реакции, происходя­щие в недрах звезд, не исчерпываются водородным и углерод­но-азотным циклами. При высоких температурах, начиная с 200 млн К, что особенно характерно для звезд-гигантов, реа­лизуется ряд термоядерных реакций, связанных с синтезом ядер атомов фактически всех элементов таблицы Менделеева. Это обстоятельство раскрывает тайны нуклеосинтеза (от лат. пис1е-из — ядро и греч. зуп1Неш — соединение), возникновения хи­мических элементов. Именно в звездах при высокой плотности вещества образуются те температурные условия, которые необ­ходимы для синтеза тяжелых ядер.

Как показывают расчеты, в звездном огненном шаре, обра­зовавшемся после Большого взрыва, ни на одной стадии его эволюции не было благоприятных условий для синтеза ядер, более массивных, чем ядра атомов гелия. Так, объединение двух атомов гелия — 4Не + 4Н -> 8Ве — приводит к образованию яд­ра атома бериллия, который, однако, в силу своей неустойчиво­сти тотчас же распадается на свои исходные составляющие.

127

В звездах плотность 4Не столь высока, что ядро атома бериллия, не успев распасться, захватывает 4Не (альфа-частицу), и в резуль­тате образуется углерод:

4Не + 8Ве -»• 12С + 2у.

Далее возможны такие реакции, как 12С + 4Не -» 16О + у; 16О + 4Не -» 20Ке + у; 12С + 12С -» 23Мд + v + у и т. д.

Есть веские основания считать, что весь «рой» ядер химиче­ских элементов образуется именно в звездах в процессе ядерных реакций, выступающих как захват «голыми» ядрами атомов альфа-частиц, протонов, нейтронов, а порой и друг друга.

В результате звездных взрывных процессов и так называемо­го солнечного ветра химические элементы попадают в межзве­здные просторы, где под действием космических лучей с ними происходят дальнейшие преобразования, связанные в основном с распадом тяжелых ядер на более легкие. Химические элемен­ты — предпосылки всех форм жизни, а синтезируются они в звездах. Выходит, что именно звезды являются космической колыбелью жизни. Отметим также, что как раз учет космичес­кого происхождения химических элементов вынудил автора рассматривать космологию ранее химии.

Превратности жизни звезд. Звезды не только нарождают­ся, но и погибают. Исчерпание запасов ядерного топлива при­водит к сжатию ядра звезды и расширению ее оболочки. Звез­да превращается в красный гигант. Сброс оболочки звезды происходит непременно, но в существенно различных формах. Если масса звезды превышает 3-4 массы Солнца, то она отде­ляет от себя оболочку не плавно и спокойно, как это происхо­дит с другими звездами, а взрывообразно. Светимость звезды воз­растает за несколько дней в сотни миллионов раз. Этот механизм оценивается как вспышка сверхновой звезды. В действительно­сти же речь должна идти об исчезновении массивной звезды.

Сброс оболочки звезд приводит к образованию так называе­мых планетарных туманностей. Именно из их материала обра­зуются планеты, астероиды, кометы и метеориты.

Что касается ядра звезды, то в зависимости от массы оно пре­вращается либо в белый карлик, либо в нейтронную звезду, ли­бо в черную дыру. Если масса ядра звезды менее 1,4 массы Солнца, то оно превращается в белый карлик. Если ядро звез­ды составляет от 1,4 до 3-4 масс Солнца, то оно образует ней­тронную звезду. И лишь ядра наиболее массивных звезд преоб-

128

разуются в черные дыры. И белые карлики, и нейтронные звез­ды, и черные дыры в конечном счете перестают существовать, испаряясь в форме того или иного излучения, по поводу меха­низма образования которого остаются существенные неясности.

Белые карлики представляют собой обширные сгустки чрез­вычайно плотной плазмы. Средняя плотность белых карликов приблизительно в 100 млн раз превышает плотность воды. Ра­диус белого карлика примерно в 100 раз меньше, чем радиус той звезды, продолжением судьбы которой он является (речь идет о нескольких тысячах километров). Температура белого карли­ка составляет обычно несколько десятков тысяч Кельвинов.

Плотность нейтронных звезд, как правило, превосходит в де­сятки тысяч и даже в миллионы раз плотность белых карликов. Нейтронные звезды образуются при высоких температурах и плотностях, что обусловливает рост кинетической энергии электронов и их захват протонами, в результате чего последние превращаются в нейтроны. В итоге число нейтронов в десятки раз превосходит число протонов (отсюда название «нейтронные звезды»). В нейтронных звездах продолжается процесс взаимо­превращений химических элементов, но происходит он в ос­новном за счет электронного захвата. Выделяемая при этом энергия уносится по преимуществу потоком нейтрино. Темпера­тура внутри нейтронной звезды составляет миллиарды (109) Кельвинов. В конечном счете нейтронная звезда рассеивается, «впрыскивая» в межзвездные просторы новые порции химиче­ских элементов.

Существование нейтронных звезд было впервые предсказано Л.Д.Ландау в 1932 г. Но обнаруживать их стали лишь начиная с 1967 г., причем, как выяснилось, их излучение является пе­риодическим, отсюда название для нейтронных звезд — «пуль­сары». Один из пульсаров с периодом в 33 мс находится в созвез­дии Тельца, где в 1054 г. китайцы наблюдали вспышку сверхновой звезды.

Черные дыры — пожалуй, самые экзотические объекты Все­ленной. В нейтронной звезде давление плазмы уравновешивает гравитационное притяжение. Но если масса звезды превышает в 3 и более число раз массу Солнца, то гравитационное притяжение становится доминирующим динамическим фактором, что приво­дит к гравитационному коллапсу и возникновению черных дыр.

Гравитационный коллапс развивается в том случае, если те­ло массой т приобретает радиус меньше так называемого грави­тационного радиуса г8, определяемого согласно формуле

5 Концепции современного
естествознания              129

где С — гравитационная постоянная, с — скорость света.

Гравитационный радиус Земли приблизительно равен 0,9 см, а Солнца — 3 км. Ясно, что в своем актуальном состоянии ни Земля, ни Солнце не в состоянии гравитационно коллапсировать. Что же касается массивных звезд, то итогом их эволюции как раз и являются черные дыры.

Из-под гравитационной сферы не может выйти какое-либо из­лучение, оно непременно «заворачивается» тяготением. По этой причине для внешнего наблюдателя гравитационно коллапсиру-ющая звезда выглядит как лишенное излучения тело, т.е. как черная дыра. И все-таки черная дыра черна не на все 100%. В сильном поле тяготения черной дыры происходит нарождение частиц, в частности возникает рентгеновское излучение. Черные дыры выявляют по их рентгеновскому излучению и гравитаци­онному влиянию на окружающую среду. Обычно черные дыры обнаруживаются в двойных звездных системах. В последние го­ды выполнены надежные измерения характеристик 11 черных дыр в двойных звездных системах [31].

На внешних границах черных дыр за счет притяжения ими окружающего вещества происходят достаточно бурные процес­сы. Эти процессы уменьшают энергетические запасы черных дыр. Сложность количественной оценки этого процесса состоит в том, что черная дыра представляет собой чрезвычайно необыч­ный релятивистский объект. Согласно общей теории относи­тельности Эйнштейна, при приближении к гравитационному радиусу время для внешнего наблюдателя замедляется (о внут­реннем наблюдателе применительно к черной дыре нет смысла рассуждать, ибо, находясь внутри черной дыры, он был бы уничтожен тяготением). Получается такой интересный вывод: черная дыра несмотря на потерю части своей энергии для внеш­него наблюдателя, т.е. каждого человека, существует бесконеч­но долго. Такой вывод при всей его своеобразности не противо­речит содержанию теорий. Однако не исключается, что в будущем он может быть пересмотрен. В этой связи обычно ука­зывают на то, что общая теория относительности имеет некван­товый характер.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Для эволюции звезд характерны самые различные закономерности, часто их отобра­жают в графической форме. В этой связи весьма информацион-

130

Спектральный класс звезд

но емкой считается диа­

грамма Герцшпрун-га-Рессела (1905), выра­жающая связь между температурой и светимо­стью звезд. Речь идет о том, чтобы определен­ным образам классифи­цировать звезды.

В так называемой гар­вардской классификации звезды распределяются по спектральным классам

О, В, А, ..., N в порядке уменьшения температур наиболее на­гретой части поверхности звезды, фотосферы. Так как сущест­вует определенная связь между температурой фотосферы звезды и ее цветом, то спектральный класс звезды является показате­лем одновременно температуры и цвета (табл. 9).

Каждый спектральный класс делится на десять подклассов (ясно, что это делается с целью уточнения классификации звезд). Так, Солнце — звезда спектрального класса О, третьего подклас­са (отсчет ведется от нуля: О, 1, 2, ..., 9), записывается как С2. Наряду со спектральным классом различают также класс све­тимости звезд, в порядке убывания звездной величины от 1 до 5 и далее. Видимая звездная величина характеризует блеск объ­екта так, как он виден с поверхности Звезды. Чем ближе звез­да к Земле, тем она для нас ярче. Ясно, что относительная ве­личина светимости звезд не должна зависеть от их близости и удаленности от наблюдателя. В этой связи вводят представле­ние об абсолютной звездной величине, которая соответствует блеску объекта, наблюдаемого с расстояния 10 парсеков (пк), принятого в качестве стандарта, общего для всех звезд.

Шкала звездных величин выбиралась таким образом, чтобы, во-первых, одинаковым разностям звездных величин соответ­ствовали одинаковые отношения блеска звезд. Предполагалось также, это во-вторых, что отношению яркостей, равному 100, со­ответствует разность звездных величин, равная 5. Так, звезда 1-й звездной величины в 100 раз ярче, чем звезда 6-й звездной величины. Двум упомянутым выше условиям соответствует фор­мула:

Ет/Еп = 2,512"-'»,

131

где га и /га — абсолютные звездные величины, Ет и Еп — свети­мость объектов с расстояния в 10 пк. Допустим, что га = 6, а т = 1. Согласно приведенной выше формуле, Ет будет больше, чем Е„, в 100 раз (2,5125). Если га - т = 1, то отношение свети-мостей еп/еп равно 2,512. Это означает, что изменение звездной величины на единицу соответствует изменению светимости звез­ды в 2,512 раза. В выборе шкалы звездных величин важно их соотношение. Что же касается их значений, то в рамках упомя­нутых соотношений они могут быть избраны любыми. В згой свя­зи, руководствуясь критериями удобства, абсолютная звездная величина Солнца определена как 4,75, а его видимая звездная величина равна -26,82.

Диаграмма Герцшпрунга-Рессела (рис. 21) представляет со­бой двумерную классификацию звезд. По оси ординат указыва­ют абсолютные звездные величины (и светимости), а по оси аб­сцисс — спектральные классы звезд (и температуры).