Термоядерні реакції, що відбуваються на сонці. Коли весь водень перетвориться на гелій, зірка може ще існувати за рахунок перетворення гелію на більш важкі елементи, аж до заліза. У яких зірках водень перетворюється на гелій

Внутрішня будова зірок

Ми розглядаємо зірку як тіло, схильне до дії різних сил. Сила тяжіння прагне стягувати речовину зірки до центру, газовий і світловий тиск, спрямовані зсередини, прагнуть відштовхнути його від центру. Оскільки зірка існує як стійке тіло, то, отже, між силами, що борються, є якась рівновага. Для цього температура різних шарів у зірці повинна встановлюватися така, щоб у кожному шарі потік енергії назовні зводив до поверхні всю енергію, що виникла під ним. Енергія утворюється у невеликому центральному ядрі. Для початкового періоду життя зірки її стиск є джерелом енергії. Але лише доки температура не підніметься настільки, що почнуться ядерні реакції.

Формування зірок та галактик

Матерія у Всесвіті перебуває у безперервному розвитку, найрізноманітніших формах і станах. Раз змінюються форми існування матерії, то, отже, різні та різноманітні об'єкти було неможливо виникнути все одночасно, а формувалися у різні епохи і тому мають певний вік, отсчитываемый з початку їх зародження.

Наукові основи космогонії були закладені ще Ньютоном, який показав, що речовина в просторі під дією власної гравітації поділяється на шматки, що стискаються. Теорія утворення згустків речовини, з яких формуються зірки, була розвинена в 1902 англійським астрофізиком Дж.Джинсом. Ця теорія пояснює походження Галактик. Спочатку однорідному середовищі з постійною температурою і щільністю може виникнути ущільнення. Якщо сила взаємного тяжіння в ньому перевищить силу газового тиску, то середовище стискатиметься, а якщо превалює газовий тиск, то речовина розсіється в просторі.

Вважають, що вік Метагалактики – 13-15 млрд. років. Цей вік не суперечить оцінкам віку найстаріших зірок та кульових зоряних скупчень у нашій Галактиці.

Еволюція зірок

Галактики згущення, що виникли в газопиловому середовищі, що продовжують стискатися під дією власного тяжіння, отримали назви протозірок. У міру стиснення щільність і температура протозірки підвищується, вона починає рясно випромінювати в інфрачервоному діапазоні спектра. Тривалість стиснення протозірок різна: при масі менше сонячної – сотні мільйонів років, а у масивних – лише сотні тисяч років. Коли температура в надрах протозірки підвищиться до кількох мільйонів Кельвінів, у них починаються термоядерні реакції перетворення водню на гелій. При цьому виділяється величезна енергія, що перешкоджає подальшому стиску та розігріває речовину до самосвічення – протозірка перетворюється на звичайну зірку. Отже, стадію стиснення змінює стаціонарна стадія, що супроводжується поступовим "вигорянням" водню. У стаціонарній стадії зірка проводить більшу частину свого життя. Саме на цій стадії еволюції знаходяться зірки, які розташовуються на головній послідовності "спектр-світність". Час перебування зірки на головній послідовності пропорційно масі зірки, тому що від цього залежить запас ядерного пального, і обернено пропорційно світності, яка визначає темп витрати ядерного пального.

Коли весь водень у центральній області перетвориться на гелій, усередині зірки утворюється гелієве ядро. Тепер уже водень перетворюватиметься на гелій над центрі зірки, а шарі, прилеглому до дуже гарячому гелієвому ядру. Поки всередині гелієвого ядра немає джерел енергії, воно постійно стискатиметься і при цьому ще більше розігріватиметься. Стиснення ядра призводить до бурхливішого виділення ядерної енергії в тонкому шарі біля межі ядра. У найбільш потужних зірок температура ядра при стисканні стає вище 80 млн. кельвінів, і в ньому починаються термоядерні реакції перетворення гелію на вуглець, а потім і в інші важчі хімічні елементи. Енергія, що виходить з ядра і його околиць, викликає підвищення газового тиску, під дією якого фотосфера розширюється. Енергія, що приходить до фотосфери надр зірки, поширюється тепер на більшу площу, ніж раніше. У зв'язку з цим температура фотосфери знижується. Зірка сходить з головної послідовності, поступово перетворюючись на червоного гіганта або надгіганта в залежності від маси, і стає старою зіркою. Проходячи стадію жовтого надгіганта, зірка може виявитися пульсуючою, тобто фізичною змінною зіркою, і залишитися такою у стадії червоного гіганта. Оболонка зірки невеликої маси, що роздулася, вже слабо притягується ядром і, поступово віддаляючись від нього, утворює планетарну туманність. Після остаточного розсіювання оболонки залишається лише гаряче ядро ​​зірки – білий карлик.

Інша доля у найпотужніших зірок. Якщо маса зірки приблизно вдвічі перевищує масу Сонця, такі зірки на останніх етапах своєї еволюції втрачають стійкість. Зокрема, вони можуть вибухнути як наднові, а потім катастрофічно стиснутися до розмірів куль радіусом кілька кілометрів, тобто перетворитися на нейтронні зірки.

Зірка, маса якої більш ніж удвічі перевищує масу Сонця, втративши рівновагу і почавши стискатися, або перетвориться на нейтронну зірку, або взагалі не зможе досягти сталого стану. У процесі необмеженого стиску вона, мабуть, здатна перетворитися на чорну дірку.

Білі карлики

Білі карлики – незвичайні, дуже маленькі щільні зірки з високими поверхневими температурами. Головна відмінність внутрішньої будови білих карликів - гігантські в порівнянні з нормальними зірками щільності. Через величезну щільність газ у надрах білих карликів перебуває у незвичайному стані – виродженому. Властивості такого виродженого газу зовсім не схожі на властивості звичайних газів. Його тиск, наприклад, практично не залежить від температури. Стійкість білого карлика підтримується тим, що величезній силі тяжіння, що стискає його, протистоїть тиск виродженого газу в його надрах.

Білі карлики знаходяться на кінцевій стадії еволюції зірок невеликих мас. Ядерних джерел у зірці вже немає, і вона ще дуже довго світить, повільно остигаючи. Білі карлики стійкі, якщо їхня маса не перевищує приблизно 1,4 маси Сонця.

Нейтронні зірки

Нейтронні зірки – дуже маленькі, надщільні небесні тіла. Їхній діаметр в середньому не більше кількох десятків кілометрів. Нейтронні зірки утворюються після вичерпання джерел термоядерної енергії в надрах звичайної зірки, якщо її маса на цей момент перевищує 1,4 маси Сонця. Оскільки джерело термоядерної енергії відсутнє, стійка рівновага зірки стає неможливим і починається катастрофічний стиск зірки до центру – гравітаційний колапс. Якщо вихідна маса зірки вбирається у деякої критичної величини, то колапс у центральних частинах зупиняється і утворюється гаряча нейтронна зірка. Процес колапсу займає частки секунди. За ним може наслідувати або натікання оболонки зірки, що залишилася, на гарячу нейтронну зірку з випусканням нейтрино, або скидання оболонки за рахунок термоядерної енергії “непрогорілої” речовини або енергії обертання. Такий викид відбувається дуже швидко і з Землі він виглядає як спалах наднової зірки. Спостерігаються нейтронні зірки - пульсар часто пов'язані з залишками наднових зірок. Якщо маса нейтронної зірки перевищує 3-5 маси Сонця, рівновага її стане неможливим, і така зірка буде чорною діркою. Дуже важливі характеристики нейтронних зірок - обертання та магнітне поле. Магнітне поле може бути в мільярди і трильйони разів сильніше за магнітне поле Землі.

2002-01-18T16:42+0300

2008-06-04T19:55+0400

https://сайт/20020118/54771.html

https://cdn22.img..png

РІА Новини

https://cdn22.img..png

РІА Новини

https://cdn22.img..png

Термоядерні реакції, що відбуваються на сонці

(Тер.Інк. N03-02, 18/01/2002) Вадим Прибутков, фізик-теоретик, постійний кореспондент Терри Інкогніту. Вчені чудово розуміють, що термоядерні реакції, що відбуваються на Сонці, загалом полягають у перетворенні водню на гелій і на більш важкі елементи. Але як відбуваються ці перетворення, абсолютної ясності немає, точніше, панує повна неясність: відсутня найголовніше початкове ланка. Тому придумана фантастична реакція з'єднання двох протонів у дейтерій з викидом позитрону та нейтрино. Однак така реакція насправді неможлива, тому що між протонами діють потужні відштовхувальні сили. ---- Що ж насправді відбувається на Сонці? Перша реакція полягає в народженні дейтерію, утворення якого відбувається при високому тиску низькотемпературної плазми при близькому з'єднанні двох атомів водню. У цьому випадку два водневі ядра на короткий період виявляються майже поряд, при цьому вони в змозі здійснити захоплення одного з...

(Тер.Інк. N03-02, 18/01/2002)

Вадим Прибутков, фізик-теоретик, постійний кореспондент Терри Інкогніту.

Вчені чудово розуміють, що термоядерні реакції, що відбуваються на Сонці, загалом полягають у перетворенні водню на гелій і на більш важкі елементи. Але як відбуваються ці перетворення, абсолютної ясності немає, точніше, панує повна неясність: відсутня найголовніше початкове ланка. Тому придумана фантастична реакція з'єднання двох протонів у дейтерій з викидом позитрону та нейтрино. Однак така реакція насправді неможлива, тому що між протонами діють потужні відштовхувальні сили.

Що ж насправді відбувається на Сонці?

Перша реакція полягає в народженні дейтерію, утворення якого відбувається при високому тиску низькотемпературної плазми при близькому з'єднанні двох атомів водню. У цьому випадку два водневі ядра на короткий період виявляються майже поруч, при цьому вони в змозі здійснити захоплення одного з орбітальних електронів, який утворює з одним з протонів нейтрон.

Аналогічна реакція може протікати за інших умов, коли протон впроваджується в атом водню. У цьому випадку відбувається захоплення орбітального електрона (К-захоплення).

Нарешті може бути і така реакція, коли на якийсь короткий період зближуються два протони, їх спільних сил вистачає на те, щоб захопити електрон, що пролітає, і утворити дейтерій. Усе залежить від температури плазми чи газу, у яких протікають ці реакції. При цьому виділяється 1,4 МеВ енергії.

Дейтерій є основою для протікання наступного циклу реакцій, коли два ядра дейтерію утворюють тритій з викидом протону або гелій-3 з викидом нейтрону. Обидві реакції рівноймовірні та добре відомі.

Далі слідують реакції з'єднання тритію з дейтерієм, тритію з тритієм, гелію-3 з дейтерієм, гелію-3 з тритієм, гелію-3 з гелієм-3 з утворенням гелію-4. При цьому виділяється більша кількість протонів та нейтронів. Нейтрони захоплюються ядрами гелію-3 і всіма елементами, які мають зв'язки з дейтерію.

Ці реакції підтверджуються і тим, що із Сонця у складі сонячного вітру викидається величезна кількість протонів високих енергій. Найпрекраснішим у всіх цих реакціях є те, що в ході їх не утворюється ні позитронів, ні нейтрино. При перебігу всіх реакцій виділяється енергія.

У природі все відбувається набагато простіше.

Далі з ядер дейтерію, тритію, гелію-3, гелію-4 починають формуватися більш складні елементи. При цьому весь секрет полягає в тому, що ядра гелію-4 не можуть з'єднуватись між собою безпосередньо, тому що вони взаємно відштовхуються. Їх з'єднання відбувається через зв'язки з дейтерію та тритію. Цей момент офіційна наука також не враховує і звалює ядра гелію-4 в одну купу, що неможливо.

Таким же фантастичним, як і офіційний водневий цикл, є і так званий вуглецевий цикл, придуманий Г.Бете в 1939, в ході якого з чотирьох протонів утворюється гелій-4 і, нібито, також виділяються позитрони і нейтрино.

У природі все відбувається набагато простіше. Природа не вигадує, як теоретики, нові частки, а користується лише тими, які мають. Як бачимо, освіту елементів починається з приєднання двома протонами одного електрона (так званий К-захват), у результаті і виходить дейтерій. К-захват є єдиним методом створення нейтронів і широко практикується й іншими складнішими ядрами. Квантова механіка заперечує наявність електронів у ядрі, але без електронів збудувати ядра неможливо.

Безперечно, що в ранній період після Великого вибуху крихітний, дуже гарячий Всесвіт розширювався і охолоджувався доти, доки протони і нейтрони не отримали можливості з'єднуватися один з одним, утворюючи атомні ядра. Які ж ядра виходили й у якій пропорції? Це дуже цікава проблема для космогоників (вчених, які займаються походженням Всесвіту), - проблема, яка зрештою поверне нас до розгляду нових та наднових. Тому розглянемо її в деяких деталях.

Атомні ядра мають кілька різновидів. Щоб розібратися у цих різновидах, їх класифікують залежно від кількості протонів, що є у цих ядрах. Це число коливається від 1 до 100 і від.

Кожен протон має електричний заряд +1. Іншими частинками, що є присутніми в ядрах, є нейтрони, які не мають електричного заряду. Тому загальний електричний заряд атомного ядра дорівнює числу протонів, що містяться в ньому. Ядро, що містить один протон, має заряд +1, ядро ​​з двома протонами має заряд +2, ядро ​​з п'ятнадцятьма протонами має заряд +15 і т. д. Число протонів в даному ядрі (або число, що виражає електричний заряд ядра) називається атомним числом .

Всесвіт остигає все більше, і кожне ядро ​​вже може вловити якусь кількість електронів. Кожен електрон має електричний заряд -1, і оскільки протилежні заряди притягуються, негативно заряджений електрон прагне залишитися поблизу позитивно зарядженого ядра. У звичайних умовах число електронів, які можуть утримуватись окремим ядром, дорівнює числу протонів у цьому ядрі. Коли число протонів в ядрі дорівнює числу навколишніх електронів, сумарний електричний заряд ядра і електронів дорівнює нулю, а їх поєднання дає нейтральний атом. Число протонів або електронів відповідає атомному числу.

Речовина, що складається з атомів з одним і тим самим атомним числом, називається елементом. Наприклад, водень - елемент, що складається з атомів, ядра яких містять один протон та один електрон поблизу нього. Такий атом називається "атомом водню", а ядро ​​такого атома - "ядром водню". Таким чином, атомне число водню дорівнює 1. Гелій складається з атомів гелію, що містять ядра з двома протонами, звідси атомне число гелію дорівнює 2. Аналогічно літій має атомне число 3, берилій - 4, бор - 5, вуглець - 6, азот - 7 , кисень - 8 і т.д.

За допомогою хімічного аналізу атмосфери Землі, океану та ґрунту встановлено, що існує 81 стійкий елемент, тобто 81 елемент, який не зазнає жодних змін у природних умовах невизначено довго.

Найменш складний атом Землі (з фактично існуючих) - це атом водню. Зростання атомного числа приведе нас до найскладнішого стійкого атома Землі. Це атом вісмуту, що має атомне число 83, тобто кожне ядро ​​вісмуту містить 83 протона.

Так як всього є 81 стійкий елемент, то в списку атомних чисел два числа повинні бути пропущені, і це так: атоми, що мають 43 протона і 61 протон, нестійкі, елементів з атомними числами 43 і 61, які зазнали хімічного аналізу, в природних матеріалах немає .

Це, проте, означає, що елементи з атомними числами 43 і 61 чи з числом понад 83 що неспроможні існувати тимчасово. Ці атоми нестабільні, тому рано чи пізно, за один чи кілька прийомів вони розпадуться на атоми, які залишаться стійкими. Це не обов'язково відбувається миттєво, але може вимагати тривалого часу. Торію (атомне число 90) та урану (атомне число 92) потрібні мільярди років атомного розпаду, щоб прийти до стійких атомів свинцю (атомне число 82).

По суті, за всі довгі мільярди років існування Землі лише частина торію та урану, що спочатку були присутніми в її структурі, встигла розпастися. Близько 80% початкового торію і 50% урану уникли розпаду і сьогодні ще можуть перебувати у породах земної поверхні.

Хоча всі 81 стійкий елемент (плюс торій і уран) присутні в земній корі (її верхніх шарах), але в різних кількостях. Найбільш поширеними є кисень (атомне число 8), кремній (14), алюміній (13) та залізо (26). Кисень становить 46,6% земної кори, кремній – 27,7%, алюміній – 8,13%, залізо –5%. Ця четвірка утворює майже сім восьмих частин земної кори, одну восьму - всі інші елементи.

Звісно, ​​названі елементи рідко існують у чистому вигляді. Змішуючись, вони прагнуть поєднатися один з одним. Ці поєднання (або комбінації елементів) атомів називаються сполуками. Атоми кремнію та кисню зв'язуються між собою дуже примхливим чином, до цієї сполуки (кремній/кисень) тут і там приєднуються атоми заліза, алюмінію та інших елементів. Такі сполуки – силікати – звичайні породи, з яких в основному складається земна кора.

Оскільки атоми кисню власними силами легше, ніж інші найпоширеніші елементи земної кори, то загальна маса кисню містить більше атомів, ніж аналогічна маса інших елементів. На кожну 1000 атомів земної кори припадає 625 атомів кисню, 212 кремнію, 65 алюмінію та 19 заліза, тобто 92 % атомів земної кори припадає, так чи інакше, на ці чотири елементи.

Земна кора – не пробний зразок Всесвіту і навіть Землі загалом. «Серцевина» Землі (центральна область, що становить одну третину маси планети), як вважають, складається майже цілком із заліза. Якщо прийняти це міркування, то залізо становить 38 % маси всієї Землі, кисень - 28 %, кремній-15 %. Четвертим найпоширенішим елементом може бути магній, а чи не алюміній, що становить до 7 % земної маси. Ці чотири елементи становлять разом сім восьмих мас всієї Землі. Тоді кожну 1000 атомів загалом Землі припадає 480 атомів кисню, 215 - заліза, 150 - кремнію і 80 - магнію, т. е. разом ця четвірка становить 92,5 % всіх атомів Землі. Але Земля не є типовою планетою Сонячної системи. Можливо, Венера, Меркурій, Марс і Місяць, дуже схожі із Землею за своєю будовою, складені з кам'янистих матеріалів і, як Венера та Меркурій, мають багату на залізо серцевину. Якоюсь мірою те ж саме для супутників і деяких астероїдів, але всі ці скелясті світи (з залізними ядрами або без них) не становлять і половини відсотка загальної маси всіх об'єктів, що обертаються навколо Сонця. Інші 99,5 % маси Сонячної системи (без маси Сонця) належать чотирьом планетам-гігантам: Юпітеру, Сатурну, Урану та Нептуну. Тільки Юпітер (найбільший з усіх) становить понад 70% загальної маси.

Імовірно, Юпітер має відносно невелику скелясто-металеву серцевину. Структура гігантської планети, судячи з даних спектроскопії та проб планет, складається з водню та гелію. Сказане, певне, справедливе й інших планет-гігантів.

Але повернемося до Сонця, маса якого в 500 разів більша за масу всіх планетних тіл, разом узятих, - від Юпітера до крихітної порошинки; ми виявимо (головним чином завдяки спектроскопії), що його обсяг заповнює той самий водень з гелієм. Фактично приблизно 75 % його маси падає на водень, 22 % на гелій, а 3 % - це всі інші елементи, разом узяті. Кількісний склад атомів Сонця виявиться таким, що на кожну 1000 атомів Сонця припадає 920 атомів водню та 80 атомів гелію. Менш одного атома з тисячі репрезентують всі інші елементи.

Безперечно, Сонце має левову частку маси всієї Сонячної системи, і ми не дуже помилимося, вирішивши, що його елементарний склад представницький для всієї системи в цілому. Переважна більшість зірок за своїм елементарним складом нагадує Сонце. Крім того, відомо, що розріджені гази, що заповнюють міжзоряний та міжгалактичний простір, теж в основному водень та гелій.

Тому можна зробити висновок, що з 1000 атомів усього Всесвіту 920 - водень, 80 - гелій і менше одного - все інше.

Чому так? Чи пов'язується воднево-гелієвий Всесвіт з Великим вибухом? Очевидно, що так. Принаймні в тому, що стосується системи міркувань Гамова, системи покращеної, але в основі без змін.

Ось як це працює. Незабаром після Великого вибуху, через якусь частку секунди, Всесвіт, що розширюється, охолонув до такої точки, коли утворилися відомі нам складові атомів: протони, нейтрони і електрони. В умовах величезної температури, яка ще панувала на той час, нічого складнішого існувати не могло. Частинки не могли з'єднатися одна з одною: за такої температури, навіть зіштовхуючись, вони відразу відскакували в різні боки.

Це залишається справедливим і при зіткненнях протон - протон або нейтрон - нейтрон навіть за набагато менших температур, таких, як температура нинішнього Всесвіту. Однак у міру того, як температура ранніх етапів еволюції Всесвіту продовжувала падати, настав момент, коли при зіткненнях протон - нейтрон з'явилася можливість двом частинкам утриматися разом. Вони утримуються разом так званою сильною взаємодією - найсильнішою з чотирьох відомих взаємодій.

Протон-1 - це ядро ​​водню, як було сказано раніше у цьому розділі. Але комбінація протон – нейтрон – це теж ядро ​​водню, тому що вона має один протон, а це все, що потрібно, щоб кваліфікувати ядро ​​як водневе. Ці два різновиди ядер водню (протон і протон - нейтрон) називаються ізотопами водню та визначаються залежно від загальної кількості частинок, які вони включають. Протон, у якому є лише одна частка, – це ядро ​​водень-1. Комбінація протон - нейтрон, що включає лише дві частинки, - це ядро ​​водень-2.

При високих температурах раннього Всесвіту, коли формувалися різні ядра, ядро ​​водню-2 було дуже стійке. Воно прагнуло або розпаду на окремі протони і нейтрони, або до з'єднання з додатковими частинками, з подальшим утворенням більш складних (але, можливо, більш стабільних) ядер. Ядро водню-2 може зіткнутися з протоном і приєднатися до нього, утворюючи ядро, складене двома протонами та одним нейтроном. У цій комбінації два протони, і ми отримаємо ядро ​​гелію, а оскільки в ядрі три частинки, то це гелій-3.

Якщо водень-2 зіштовхується і змикається з нейтроном, утворюється ядро, що складається з одного протона і двох нейтронів (знов разом три частки). В результаті виходить водень-3.

Водень-3 нестійкий за жодної температури, навіть за невисокої температури сучасного Всесвіту, тому він зазнає вічних змін, навіть якщо він вільний від впливу інших частинок або зіткнень з ними. Один із двох нейтронів у ядрі водню-3 рано чи пізно перетворюється на протон, і водень-3 стає гелієм-3. У нинішніх умовах ця зміна не надто швидко: половина ядер водню-3 звертається до гелію-3 протягом трохи більше дванадцяти років. При величезних температурах раннього Всесвіту ця зміна, безсумнівно, була швидше.

Отже, у нас тепер три типи ядер, стійких у сучасних умовах: водень-1, водень-2 та гелій-3.

Частинки гелію-3 з'єднуються один з одним ще слабше, ніж частинки водню-2, і особливо при підвищених температурах раннього Всесвіту, гелій-3 має сильну тенденцію до розпаду або змін шляхом подальшого додавання частинок.

Якби гелію-3 довелося б натрапити на протон і йому довелося б до нього приєднатися, тоді ми мали б ядро, що складається з трьох протонів і нейтрону. Це був би літій-4, нестабільний за будь-якої температури, тому що навіть в умовах прохолодної температури земної поверхні один з його протонів швидко перетворюється на нейтрон. В результаті виходить комбінація два протони - два нейтрони, або гелій-4.

Гелій-4 - дуже стійке ядро, найстійкіше при нормальних температурах, за винятком єдиного протона, що утворює водень-1. Якось склавшись, він майже не має тенденції до розпаду, навіть за дуже високих температур.

Якщо гелій-3 стикається і з'єднується з нейтроном, відразу утворюється гелій-4. Якщо зіштовхуються і з'єднуються два ядра водню-2, знову ж таки утворюється гелій-4. Якщо гелій-3 стикається з воднем-2 або іншим гелієм-3, утворюється гелій-4, а надлишкові частинки відсіюються як окремі протони і нейтрони. Таким чином, гелій-4 утворюється за рахунок водню-2 та гелію-3.

По суті, коли Всесвіт остиг до температури, за якої протони і нейтрони, з'єднуючись, могли будувати складніші ядра, то першим таким ядром, що утворилося у великій кількості, був саме гелій-4.

У міру подальшого розширення та охолодження Всесвіту водень-2 і гелій-3 все менше прагнули зміни, а деякі з них, так би мовити, заморожені для незмінного існування. В даний час тільки один атом водню з кожних 7000 водень-2; гелій-3 ще рідше – лише один атом гелію на мільйон. Отже, не враховуючи водень-2 і гелій-3, ми можемо сказати, що невдовзі після того, як Всесвіт досить охолонув, його становили ядра водню-1 і гелію-4. Таким чином, маса Всесвіту складалася з 75% водню-1 та 25% гелію-4.

З часом у місцях, де температура була досить низькою, ядра притягували негативно заряджені електрони, які утримувалися при позитивно заряджених ядрах силою електромагнітної взаємодії - другою найсильнішою з чотирьох взаємодій. Єдиний протон ядра водню-1 асоціював з одним електроном, а два протони ядра гелію-4 з'єднувалися з двома електронами. Так формувалися атоми водню та гелію. Висловлюючись кількісно, ​​на кожну 1000 атомів у Всесвіті припадає 920 атомів водню-1 та 80 атомів гелію-4.

У цьому є пояснення воднево-гелиевой Всесвіту. Але ж хвилиночку! Яка ситуація з атомами важча, ніж гелій, і з більш високою атомною вагою? (Зберемо всі атоми, що містять понад чотири частинки в ядрах, під знаком «важкі атоми»). У Всесвіті дуже мало важких атомів, проте вони існують. Як вони з'явились? Логіка підказує, що, хоча гелій-4 дуже стійкий, все ж таки в ньому є слабка тенденція з'єднуватися з протоном, нейтроном, воднем-2, гелієм-3 або з іншим гелієм-4, утворюючи невеликі кількості різних важких атомів; це і є джерело виникнення приблизно 3% маси сьогоднішнього Всесвіту, що складається з цих атомів.

На жаль, така відповідь перевірки не витримає. Якби гелій-4 зіткнувся з воднем-1 (один протон) і вони з'єдналися, з'явилося б ядро ​​з трьома протонами та двома нейтронами. То був би літій-5. Якби гелій-4 зіткнувся б і з'єднався з нейтроном, у результаті з'явилося б ядро ​​з двома протонами і трьома нейтронами, або гелій-5.

Ні літій-5, ні гелій-5, навіть сформувавшись в умовах нашого остиглого Всесвіту, не проіснують більше кількох трильйонних часток трильйонної частки секунди. Саме за такий період вони розпадуться або в гелій-4, або в протон або нейтрон.

Можливість зіткнення та злиття гелію-4 з воднем-2 або гелієм-3 дуже примарна, враховуючи, як рідкісні два останні ядра в первозданній суміші. Будь-які важкі атоми, які могли утворитися таким шляхом, надто нечисленні, щоб ними можна було пояснити таку значну кількість атомів, які існують сьогодні. Більш можливе з'єднання одного ядра гелію-4 з іншим ядром гелію-4. Таке здвоєне ядро, що складається з чотирьох протонів та чотирьох нейтронів, має стати бериллієм-8. Однак берилій ще одне надзвичайно нестабільне ядро: навіть в умовах нашого сьогоднішнього Всесвіту воно існує менше кількох сотих трильйонної частки секунди. Утворившись, воно відразу розпадається на два ядра гелію-4.

Звичайно, щось слушне і вийшло б, якби три ядра гелію-4 зустрілися в результаті «трьохходового» зіткнення і причепилися один до одного. Але надія на те, що це станеться в середовищі, де гелій-4 оточений переважаючим над ним воднем-1, занадто мала, щоб це взяти до уваги.

Отже, на той час, коли Всесвіт розширився і остигнув до точки, коли освіту складних ядер закінчилося, удосталь виявляються лише водень-1 і гелій-4. Якщо залишаються вільні нейтрони, вони розпадаються на протони (водень-1) та електрони. Жодних важких атомів не утворюється.

У такому Всесвіті хмари воднево-гелієвого газу розпадаються на галактичний розмір маси, і останні згущуються в зірки і гігантські планети. У результаті і зірки, і гігантські планети майже складаються з водню і гелію. І чи є сенс турбуватися про якісь важкі атоми, якщо вони становлять лише 3 % маси та менше 1 % кількості існуючих атомів?

Є сенс! Ці 3% мають бути пояснені. Ми не повинні нехтувати незначною кількістю важких атомів у зірках і гігантських планетах, тому що така планета, як Земля, складається майже виключно з важких атомів. Більше того, в людському тілі і взагалі в живих істот водень становить лише 10% маси, гелій зовсім відсутня. Решта 90 % маси - це важкі атоми.

Іншими словами, якби Всесвіт незабаром після Великого вибуху залишився незмінним і процес утворення ядер був би завершений, планети, подібні до Землі, та й саме життя на ній, у відомій формі були б абсолютно неможливі.

Перш ніж нам з вами з'явитися в цьому світі, спочатку мали скластися важкі атоми. Але як?

По суті, для нас це вже не загадка, оскільки раніше ми вже розмовляли про те, як у надрах зірок відбувається утворення ядер. У нашому Сонці, наприклад, у центральних його областях, водень безперервно перетворюється на гелій (водневий синтез, який служить Сонцю джерелом його енергії. Водневий синтез здійснюється і у всіх інших зірках головної послідовності).

Якби це було єдино можливим перетворенням і цьому перетворенню судилося тривати невизначено довго з нинішньою його швидкістю, то весь водень був би синтезований і Всесвіт складався б з чистого гелію протягом приблизно 500 млрд. років (30 - 40-кратний вік нашого Всесвіту) . І все ж таки незрозуміла поява масивних атомів.

Масивні атоми, як ми тепер знаємо, зароджуються у зірковому ядрі. Але вони зароджуються лише тоді, коли такій зірці настав час залишити головну послідовність. До цього клімактеричного моменту ядро ​​стає таким щільним і гарячим, що ядра гелію-4 ударяються один про одного з найбільшою швидкістю та частотою. Іноді три ядра гелію-4 стикаються і стуляються в одне стійке ядро, що складається з шести протонів і шести нейтронів. Це вуглець-12.

Як же потрійне зіткнення може статися в серцевині зірки зараз, а не в період безпосередньо за Великим вибухом?

Що ж, у ядрах зірок, які готуються вийти з головної послідовності, температура досягає приблизно 100 000 000 ° C при величезному тиску. Такі температури та тиску притаманні і дуже молодому Всесвіту. Але серцевина зірки має одну важливу перевагу: потрійному зіткненню гелію-4 набагато легше статися, якщо в серцевині зірки немає жодних інших ядер, крім ядер водню-1, що відвантажують ядра гелію-4.

Значить, важкі ядра утворюються в надрах зірок протягом усієї історії Всесвіту, незважаючи на те, що такі ядра не були утворені безпосередньо після Великого вибуху. Більше того, і сьогодні, і в майбутньому в серцевині зірок утворюватимуться важкі ядра. І не тільки ядра вуглецю, але й інші масивні ядра, включаючи залізо, яке, як було сказано, є кінець нормальних процесів синтезу в зірках.

І все ж таки залишаються два питання: 1) як важкі ядра, виникнувши в центрах зірок, поширюються у Всесвіті таким чином, що знаходяться і на Землі, і в нас самих? 2) як примудряються сформуватися елементи з більш потужними ядрами, ніж ядра заліза? Адже найбільше стійке ядро ​​заліза - це залізо-58, що складається з 26 протонів і 32 нейтронів. І все ж таки на Землі є ще більш важкі ядра, аж до урану-238, що має 92 протони і 146 нейтронів.

Давайте спершу розглянемо перше запитання. Чи існують процеси, що сприяють поширенню зіркового матеріалу у Всесвіті?

Існують. І деякі з них ми можемо ясно відчути, вивчаючи власне Сонце.

Неозброєному оку (з необхідними обережностями) Сонце може здатися спокійним, позбавленим особливих прикмет яскравою кулею, але ми знаємо, що воно перебуває в стані вічного шторму. Величезні температури в його надрах викликають конвективні рухи у верхніх шарах (як у казанку з водою, що збирається закипіти). Сонячна речовина безперервно то тут, то там піднімається, зламуючи поверхню, тому поверхня Сонця покрита гранулами, що є для нього конвективними стовпами. (Така гранула виглядає на фотографіях сонячної поверхні зовсім маленькою, насправді вона має площу пристойної американської чи європейської держави.)

Конвективний матеріал у міру свого підйому розширюється і остигає і, опинившись на поверхні, прагне знову піти вниз, щоб дати місце новому, гарячому потоку.

Цей вічний кругообіг не зупиняється на мить, він допомагає перенесення тепла від ядра до поверхні Сонця. З поверхні енергія вивільняється у простір як випромінювання, більшість його - світло, що ми бачимо і від якого залежить саме життя Землі.

Процес конвекції іноді може призвести до надзвичайних подій на поверхні світила, коли в простір не тільки йде випромінювання, а й викидаються цілі купи цієї сонячної речовини.

У 1842 р. у Південній Франції та у Північній Італії спостерігали повне затемнення Сонця. Тоді затемнення рідко вивчалися докладно, оскільки зазвичай проходили у районах, віддалених від великих астрономічних обсерваторій, а робити великі відстані з повним вантажем спеціального устаткування було непросто. Але затемнення 1842 пройшло поблизу астрономічних центрів Західної Європи, і астрономи зі своїми інструментами всі зібралися туди.

Вперше було помічено, що навколо сонячного обода існують якісь розпечені, багряні кольори, об'єкти, які стали чітко видно, коли диск Сонця був закритий Місяцем. Це було схоже на струмені сонячного матеріалу, що вистрілюється в простір, і вогняні мови отримали назву «протуберанці».

Якийсь час астрономи ще вагалися щодо того, чому належать ці протуберанці - Місяцю чи Сонцю, але в 1851 р. сталося ще одне затемнення, що цього разу спостерігається у Швеції, і ретельне спостереження показало, що протуберанці - це явище, сонячне, а Місяць до них не має жодного стосунку.

З того часу протуберанці почали вивчатися регулярно, і тепер їх можна спостерігати за допомогою відповідних інструментів у будь-який час. Для цього не слід чекати повного затемнення. Деякі протуберанці здіймаються потужною дугою та досягають висоти десятків тисяч кілометрів над поверхнею Сонця. Інші вибухоподібно злітають нагору зі швидкістю 1300 км/с. Хоча протуберанці - це найбільш ефектне явище, що спостерігається на поверхні Сонця, вони все ж таки не несуть у собі найбільшої енергії.

У 1859 р. англійський астроном Річард Керрінгтон (1826–1875) помітив зіркоподібну точку світла, що спалахнула на сонячній поверхні, що горіла протягом п'яти хвилин і потім зникла. Це було перше зафіксоване спостереження того, що ми тепер називаємо сонячним спалахом. Сам Керрінгтон думав, що на Сонці впав великий метеорит.

Спостереження Керрінгтона не привернуло увагу, поки американський астроном Джордж Хейл не винайшов в 1926 р. спектрогелиоскоп. Це дозволило спостерігати Сонце у світлі особливих довжин хвиль. Сонячні спалахи помітно багаті на деякі довжини світлових хвиль, і, коли Сонце розглядають у хвилях цієї довжини, спалахи видно дуже яскраво.

Тепер ми знаємо, що сонячні спалахи - справа звичайна, вони пов'язані із сонячними плямами, і, коли на Сонці багато плям, маленькі спалахи бувають через кожні кілька годин, а більші - за кілька тижнів.

Сонячні спалахи - це вибухи високої енергії на сонячній поверхні, і ті ділянки поверхні, які спалахують, набагато гарячіше, ніж інші ділянки, що їх оточують. Спалах, що охоплює хоча б тисячну частину поверхні Сонця, може надіслати більше радіації високої енергії (ультрафіолетового випромінювання, рентгенівських і навіть гамма-променів), ніж надіслала б вся звичайна поверхня Сонця.

Хоча протуберанці виглядають дуже переконливо і можуть існувати кілька днів, Сонце втрачає через них дуже мало матерії. Зовсім інша справа спалаху. Вони менш помітні, багато з них тривають якісь хвилини, навіть найбільші з них повністю зникають через пару годин, однак вони мають таку високу енергію, що вистрілюють матерію в космос; ця матерія назавжди втрачена для Сонця.

Це почали розуміти 1843 р., коли німецький астроном Самуїл Генріх Швабе (1789–1875), який щодня спостерігав за Сонцем протягом сімнадцяти років, повідомив, що кількість сонячних плям на його поверхні збільшується і зменшується за період приблизно одинадцять років.

У 1852 р. англійський фізик Едвард Сабін (1788-1883) зауважив, що обурення магнітного поля Землі («магнітні бурі») виникають і слабшають одночасно з циклом сонячних плям.

Спочатку це була лише статистична заява, бо ніхто не знав, який тут може бути зв'язок. Однак згодом, коли почали розуміти енергетичну природу сонячних спалахів, зв'язок виявився. Через два дні після того, як поблизу центру сонячного диска сталося виверження великого сонячного спалаху (вона, таким чином, була звернена прямо до Землі), компасні стрілки на Землі пішли вразброд, а північне сяйво набуло зовсім незвичайного вигляду.

Це дводенне очікування було сповнене великого сенсу. Якби названі ефекти були викликані радіацією Сонця, то проміжок часу між спалахом та її наслідками становив би вісім хвилин: радіація Сонця летить Землі зі швидкістю світла. Але затримка в два дні означала: хоч би який був «обурювач спокою», що викликає ці ефекти, він повинен рухатися від Сонця до Землі зі швидкістю приблизно 300 км/год. Звичайно, теж швидко, але ніяк не можна порівняти зі швидкістю світла. Таку швидкість очікується від субатомних частинок. Ці частки, викинуті внаслідок сонячних подій у напрямку Землі, несли електричні заряди і, проходячи Землю, мали саме так вплинути на стрілки компасів і північне сяйво. Коли було зрозуміло і підхоплено ідею субатомних частинок, викиданих Сонцем, стала прояснятися ще одна особливість Сонця.

Коли Сонце виявляється в стані повного затемнення, то простим оком можна бачити навколо нього свічення перлинного кольору, в центрі, на місці Сонця, - чорний диск каламутого Місяця. Це свічення (або світність) - сонячна корона, що отримала свою назву від латинського слова corona - вінець (корона оточує Сонце ніби сяючим вінцем, або ореолом).

Згадане сонячне затемнення 1842 р. призвело до початку наукового вивчення протуберанців. Тоді вперше ретельно було досліджено і корону. Виявилося, що вона теж належить Сонцю, а не Місяцю. З 1860 р. для досліджень корони було залучено фотографію, а пізніше і спектроскопію.

У 1870 р. під час сонячного затемнення в Іспанії американський астроном Чарлз Янг (1834–1908) вперше вивчив спектр корони. У спектрі він виявив яскраво-зелену лінію, яка не відповідала позиції жодної відомої лінії жодного з відомих елементів. Були відкриті й інші дивні лінії, і Янг припустив, що вони є якимсь новим елементом, і назвав його «коронієм».

Яка користь від цього «коронія», лише й усього, що існує якась спектральна лінія. До того часу ніяка, доки не описана була природа будови атома. Виявилося, кожен атом складається з важкого ядра в центрі, оточеного одним або декількома легкими електронами на периферії. Щоразу, як електрон відривається від атома, спектральні лінії, вироблені цим атомом, змінюються. Хіміки могли розібрати спектр атомів, від яких пішли два-три електрони, але техніка для видалення великої кількості електронів та вивчення спектра за цих умов їм була поки недоступна.

У 1941 р. Бенгт Едлен зумів показати, що «короній» зовсім новий елемент. Звичайні елементи - залізо, нікель і кальцій залишають такі самі лінії, якщо відібрати в них дюжину електронів. Значить, "короній" був звичайним елементом, у якого бракувало багатьох електронів.

Такий великий дефіцит електронів міг бути викликаний лише виключно високими температурами, і Едлен висунув припущення, що сонячна корона повинна мати температуру один чи два мільйони градусів. Спочатку це було зустрінуто загальним недовірою, але у результаті, коли настав час ракетної техніки, було встановлено, що сонячна корона випромінює рентгенівські промені, але це могло мати місце лише за температурах, передбачених Едленом.

Отже, корона - це зовнішня атмосфера Сонця, яка безперервно живиться речовиною, що викидається назовні сонячними спалахами. Корона - надзвичайно промениста матерія, розріджена настільки, що в одному кубічному сантиметрі її менше мільярда частинок, а це приблизно одна трильйонна щільність земної атмосфери на рівні моря.

По суті це справжній вакуум. Енергія, що викидається з поверхні Сонця його спалахами, магнітними полями і величезними звуковими коливаннями від невпинно ревущих конвективних потоків, розподіляється між відносно невеликою кількістю частинок. Хоча все тепло, укладене в короні, невелике (враховуючи її неабиякий обсяг), кількість тепла, яким володіє кожна з цих небагатьох частинок, досить висока, і під температурою, що вимірюється, розуміється саме це «тепло на частинку».

Частинки корони - це окремі атоми, викинуті назовні із сонячної поверхні, більшість чи всі електрони яких відібрані високими температурами. Оскільки Сонце складається переважно з водню, більшість цих частинок - ядра водню, чи протони. За воднем у кількісному відношенні йдуть ядра гелію. Число всіх інших більш важких ядер дуже мізерно. І хоча деякі важкі ядра спричиняють знамениті лінії коронія, вони присутні лише у вигляді слідів.

Частинки корони рухаються від Сонця у всіх напрямках. У міру їхнього поширення корона займає все більший і більший обсяг і стає дедалі більш розрідженою. В результаті світло її все слабшає, поки на якомусь віддаленні від Сонця він не зникає зовсім.

Однак сам факт, що корона слабшає до повного зникнення для очей спостерігача, ще не означає, що вона не продовжує існувати у вигляді спрямованих у простір частинок. Американський фізик Юджин Паркер (нар. 1927) у 1959 р. назвав ці швидкі частки сонячним вітром.

Сонячний вітер, розширюючись, сягає ближніх планет і ще далі. Проби, виконані за допомогою ракет, показали, що сонячний вітер виявимо за межами орбіти Сатурна і, мабуть, виявлятиметься навіть за орбітами Нептуна та Плутона.

Іншими словами, всі планети, що обертаються навколо Сонця, рухаються всередині найширшої його атмосфери. Однак ця атмосфера настільки розріджена, що не відбивається скільки-небудь відчутно на русі планет.

І все ж таки сонячний вітер річ не настільки примарна, щоб не проявити себе безліччю способів. Частинки сонячного вітру електрично заряджені, і ці частинки, захоплені магнітним полем Землі, утворюють «пояси Ван Аллена» запалюють полярне сяйво, збивають з пантелику компаси та електронне обладнання. Сонячні спалахи на якийсь момент посилюють сонячний вітер і на якийсь час значно підвищують інтенсивність цих ефектів.

В околицях Землі частки сонячного вітру проносяться зі швидкістю 400-700 км/с, а кількість їх в 1 см 3 варіюється від 1 до 80. Якби ці частинки вдарялися об земну поверхню, вони шкідливим чином впливали б на все живе, на щастя. , ми захищені магнітним полем Землі та її атмосферою.

Кількість речовини, що втрачається Сонцем через сонячний вітер, – 1 млрд. кг/с. За людськими мірками дуже багато, для Сонця це справжня дрібниця. Сонце знаходилося на головній послідовності близько 5 млрд років і залишатиметься на ній ще 5-6 млрд років. Якщо протягом усього цього часу воно втрачало і втрачатиме з вітром свою масу з теперішньою швидкістю, то загальна втрата Сонця за весь термін його життя як зірки головної послідовності становитиме 1/5 його маси.

Проте 1/5 маси будь-якої солідної зірки не є середньою кількістю, що приплюсовується до загального запасу речовини, що дрейфує у величезних просторах між зірками. Це лише приклад того, як речовина може уникати зірок і приєднуватися до загального запасу міжзоряного газу.

Наше Сонце не є у цьому сенсі чимось незвичайним. Ми маємо всі підстави вважати, що кожна зірка, яка ще не закінчила колапсом, посилає зірковий вітер.

Звичайно, ми не в змозі вивчати зірки так, як вивчаємо Сонце, але деякі узагальнення можна зробити. Є, наприклад, маленькі холодні червоні карлики, які через нерівні проміжки часу раптово виявляють посилення яскравості, що супроводжується побіленням світла. Це посилення триває від декількох хвилин до години і має такі особливості, що його цілком можна прийняти за спалах на поверхні маленької зірки.

Ці червоні карлики тому і називають зірками, що спалахують.

Спалах за величиною менш слабкий, ніж сонячний, на маленькій зірці набуде ефект набагато помітніший. Якщо досить великий спалах здатний збільшити сяйво Сонця на 1%, то такого ж спалаху буде достатньо, щоб посилити світло тьмяної зірки в 250 разів.

У результаті цілком може статися, що червоні карлики шлють зоряний вітер дуже великої якості.

Деякі зірки, мабуть, посилають надзвичайно сильний зірковий вітер. Червоні гіганти, наприклад, мають непомірно розтягнуту структуру, найбільші їх у діаметрі в 500 разів більше Сонця. Звідси їх поверхнева гравітація відносно мала, оскільки велика маса величезного червоного гіганта ледве врівноважена надзвичайно великою відстанню від центру до поверхні. Крім того, червоні гіганти наближаються до кінця свого існування та закінчать його колапсом. Тому вони надзвичайно турбулентні.

Звідси можна припустити, що потужні вихори забирають зоряну матерію всупереч слабкому поверхневому тяжінню.

Великий червоний гігант Бетельгейзе досить близький до нас, і астрономи можуть зібрати про нього деякі дані. Наприклад, вважається, що зірковий вітер Бетельгейзе в мільярд разів сильніший за сонячний. Навіть враховуючи, що маса Бетельгейзе в 16 разів більша за масу Сонця, ця маса за такої швидкості витрати може розтанути повністю приблизно через мільйон років (якщо не колапсує багато раніше).

Очевидно, ми можемо припустити, що сонячний вітер нашого світила не дуже далекий від середньої інтенсивності всіх зоряних вітрів взагалі. Якщо ми припустимо, що в нашій галактиці є 300 млрд. зірок, то загальна маса, втрачена через зірковий вітер, дорівнюватиме З Х 1020 кг/с.

Це означає, що кожні 200 років від зірок у міжзоряний простір йде кількість речовини, що дорівнює масі Сонця. Взявши, що нашій Галактиці 15 млрд. років і що сонячні вітри протягом цього часу «дули» однаково, отримаємо, що загальна маса речовини, перенесеної від зірок у простір, дорівнює масі 75 млн. зірок, як наше Сонце, або приблизно 1/ 3 маси Галактики.

Але зіркові вітри беруть початок із поверхневих шарів зірок, а ці шари цілком (або майже повністю) складаються з водню та гелію. Тому зоряні вітри повністю (або майже повністю) містять ті ж водень і гелій і ніяких важких ядер в галактичну суміш не привносять.

Тяжкі ядра утворюються в центрі зірки і, будучи далекі від зоряної поверхні, при утворенні зіркового вітру залишаються нерухомими.

Коли у верхніх шарах зоряної структури є якісь сліди важких ядер (що має місце у нас на Сонці), зірковий вітер, звичайно, включає ці небагато ядра. Тяжкі ядра спочатку не були утворені в надрах зірок, але з'явилися там, коли зірка вже сформувалася. Вони виникли від дії якогось зовнішнього джерела, яке ми маємо знайти.

Якщо зіркові вітри - це не той механізм, завдяки якому важкі ядра переносяться з центру зірки до зовнішнього простору, тоді звернемося до бурхливих подій, що відбуваються, коли зірка залишає головну послідовність.

Тут ми відразу ж маємо викреслити більшість зірок.

Приблизно 75–80 % існуючих зірок набагато менше Сонця. Вони залишаються у головній послідовності десь від 20 до 200 млрд. років, залежно від того, наскільки вони малі, а це означає, що жодна з дрібних зірок, що існують нині, ще не покидала головної послідовності. Навіть найстаріші з них, що утворилися на зорі Всесвіту протягом першого мільярда років після Великого вибуху, ще не встигли витратити своє водневе пальне до того краю, коли вони повинні залишити головну послідовність.

Крім того, коли маленька зірка дійсно залишає головну послідовність, вона робить це без зайвого шуму. Наскільки ми знаємо, що менше зірка, то спокійніше вона залишає цю послідовність. Маленька зірка (як загалом і всі зірки), розширюючись, перетвориться на червоний гігант, але в даному випадку це розширення призведе до утворення невеликого червоного гіганта. Він, ймовірно, проживе значно довше, ніж інші, більші і помітніші, і врешті-решт, колапсуючи, більш-менш спокійно перетвориться на білий карлик, звичайно, не такий щільний, як Сіріус В.

Тяжкі елементи, що утворилися в глибинах маленької зірки (в основному вуглець, азот і кисень), залишаючись у її ядрі протягом її існування в головній послідовності, залишатимуться там і після перетворення зірки на білий карлик. За жодних обставин не перейдуть вони до сховища міжзоряного газу більш ніж у незначній кількості. За винятком дуже рідкісних випадків, важкі елементи, що виникли у маленьких зірках, залишаються у цих зірках невизначено довго.

Зірки, що за масою рівні Сонцю (а таких 10–20 %), колапсують і перетворюються на білі карлики, пробувши на головній послідовності всього від 5 до 15 млрд. років. Наше Сонце, яке має знаходитися в головній послідовності близько 10 млрд. років, все ще перебуває на ній, бо воно утворилося лише 5 млрд. років тому.

Сонцеподібні зірки, віком старше нашого Сонця, на сьогодні, мабуть, давно залишили головну послідовність. Те саме сталося і з іншими такими ж зірками, які виникли ще в дитинстві нашого Всесвіту. Зірки, рівні за масою Сонцю, утворюють більші червоні гіганти, ніж маленькі зірки, і ці червоні гіганти, досягнувши точки перетворення на білий карлик, колапсують бурхливіше, ніж ці зірки. Енергія колапсу здуває верхні покриви зірки і забирає їх у простір, утворюючи планетарну туманність описаного раніше типу.

Заряд газу, що розширюється, утворився при колапсі сонцеподібної зірки, може містити від 10 до 20 % її первісної маси. Однак ця матерія відноситься із зовнішніх областей зірки, і, навіть коли такі зірки стоять на межі колапсу, ці області, по суті, не що інше, як суміш водню з гелієм.

Навіть тоді, коли в результаті турбулентності зірки, що стоїть на точці колапсу, важкі ядра з її надр виносяться на поверхню і викидаються в космос як частину газового потоку, все це крихітна, ледь помітна частина тих важких ядер, що існують у міжзоряних газових хмарах.

Але якщо ми зупинилися на тому, як утворюються білі карлики, доречне питання: а що відбувається в тих особливих випадках, коли білий карлик не означає кінець, але служить фактором розподілу речовини в космосі?

Раніше в цій книзі ми говорили про білих карликів як частину тісної подвійної системи, здатної нарощувати матерію за рахунок зірки-компаньйона, що наближається до стадії червоного гіганта. Іноді частина цієї матерії лежить на поверхні білого карлика охоплюється ядерної реакцією і величезна енергія, що вивільняється, з силою викидаючи в космос продукти синтезу, змушує його спалахувати з яскравістю нової.

Але матеріал, що нарощується білим карликом, це в основному водень і гелій із зовнішніх шарів червоного гіганта, що роздувається. Реакція синтезу перетворює водень на гелій, і в космос під час вибуху злітає саме хмара гелію.

Значить, і в цьому останньому випадку якщо якісь важкі ядра і надійшли від зірки-компаньйона або утворилися в процесі синтезу, то їх кількість так мізерно, що ними не пояснити того безлічі важких ядер, що розсіяно в міжзоряних хмарах.

З чим ми залишаємося?

Єдине можливе джерело важких ядер – це наднова.

Наднова типу 1, як я раніше пояснював, виникає на тому ж ґрунті, на якому виникають звичайні нові: білий карлик отримує матерію від близького компаньйона, що збирається стати червоним гігантом. Різниця в тому, що тут білий карлик стоїть у межі маси Чандрасекара, тому маса, що додається, врешті-решт виводить його за цю межу. Білий карлик приречений на колапс. При цьому в ньому виникає потужна ядерна реакція, і він вибухає.

Вся його структура, рівна за масою 1,4 маси Сонця, розлітається на порох і перетворюється на хмару газу, що розширюється.

Якийсь час ми спостерігаємо його як наднову, але це випромінювання, дуже сильне в перший момент, поступово зникає. Залишається тільки хмара газу, яка розширюється мільйони років, поки не зіллється із загальним тлом міжзоряного газу.

При вибуху білого карлика в космос розсіюється дуже багато вуглецю, азоту, кисню і неону (з усіх важких ядер найпоширеніших елементів). У результаті вибуху відбувається подальша ядерна реакція, у результаті якої утворюються невеликі кількості ядер ще важчих, ніж неон. Зрозуміло, лише дуже небагато білі карлики досить масивні і досить близькі до великої зірки-компаньйону, щоб стати надновою типу 1, але протягом 14 млрд. років життя Галактики таких вибухів було так багато, що ними з лишком можна пояснити значну кількість важких ядер, наявних у міжзоряному газі.

Інші важкі ядра існують у міжзоряному середовищі як результат еволюції наднових типу 2. Йдеться, як було сказано, про масивні зірки, які в 10, 20 і навіть у 60 разів важчі за Сонце.

На етапі існування зірок у вигляді червоних гігантів у їх ядрах відбувається ядерний синтез, що триває доти, доки там не почнуть у безлічі утворюватися ядра заліза. Утворення заліза - це глухий кут, за яким ядерний синтез не може більше існувати як пристрій, що виробляє енергію. Тому зірка переживає колапс.

Хоча ядро ​​зірки містить у послідовно глибших шарах важкі ядра, до ядер заліза, зовнішні області зірки досі мають значні кількості недоторканого водню, що жодного разу не був у умовах високих температур і тисків, які б змусити його вступити у ядерну реакцію.

Колапс гігантської зірки настільки стрімкий, що вона відчуває різке, катастрофічне зростання та температури та тиску. Весь водень (і гелій теж), що існував досі безтурботно, тепер входить у реакцію, причому входить весь відразу. В результаті відбувається колосальний вибух, який ми спостерігаємо із Землі як наднову типу 2.

Енергія, що вивільняється при цьому, може йти і справді йде на ядерні реакції, здатні утворити ядра важчі, ніж ядра заліза. Таке утворення ядер вимагає припливу енергії, але в розпал шаленства наднової енергії не позичати... Так відбувається утворення ядер аж до урану і важче. Достатньо енергії для утворення радіоактивних (тобто нестійких) ядер, які з часом розпадуться.

Фактично всі важкі ядра, що існують у Всесвіті, утворилися в результаті вибухів наднових типу 2.

Звичайно, такі масивні зірки, з яких обов'язково має вийти наднова типу 2, зустрічаються не часто. Лише одна зірка з мільйона, а може бути і того менше, має для цього достатню масу. Однак це й не такий рідкісний випадок, як здається на перший погляд.

Таким чином, у нашій Галактиці є десятки тисяч зірок, що є потенційними надновими типу 2.

Оскільки гігантські зірки можуть залишатися в головній послідовності щонайбільше кілька мільйонів років, ми маємо право здивуватися: чому ж вони всі давно не вибухнули і не зникли? Справа в тому, що нові зірки утворюються весь час і деякі з них – зірки з дуже великою масою. Наднові типу 2, які ми тепер спостерігаємо, - це виверження зірок, що утворилися лише кілька мільйонів років тому. Наднові типу 2, які відбудуться у далекому майбутньому, стануть вибухами великих зірок, яких ще немає сьогодні. Можливо, з'являться наднові та грандіозніші. Ще порівняно недавно астрономи були впевнені, що зірок із масою у 60 разів більше сонячної взагалі, напевно, не існує. Вважалося, що такі зірки в своїх ядрах будуть розвивати так багато тепла, що миттєво вибухнуть, незважаючи на величезну гравітацію.

Іншими словами, вони навіть ніколи не змогли б і утворитися.

Однак у 80-х роках зрозуміли, що в цих міркуваннях не брали до уваги деякі аспекти загальної теорії відносності Ейнштейна. Після того, як ці аспекти були враховані в астрономічних обчисленнях, виявилося, що зірки розміром у 100 сонячних діаметрів і масою в 2000 разів більшою, ніж маса Сонця, все ще можуть бути стійкими. Більше того, кілька астрономічних спостережень підтвердили, що подібні надмасивні зірки справді існують.

Природно, надмасивні зірки з часом колапсували і вибухали як наднові, які виробляли набагато більше енергії і протягом набагато більшого часу, ніж звичайні наднові. Ці надвибухи ми, мабуть, повинні розглядати як наднові типи 3.

Приблизно в цей же час радянський астроном В. П. Утробін вирішив ретроспективно вивчити астрономічні записи минулих років, щоб знайти там наднову, яка за своєю природою була б надновою типу 3. Він висловив припущення, що наднова, виявлена ​​в 1901 р. в галактиці сузір'я Персея саме той випадок. Замість того щоб досягти піку блиску за кілька днів або тижнів, ця наднова для досягнення максимуму блиску знадобилася цілий рік, після чого вона дуже повільно згасала, залишаючись на увазі дев'ять наступних років.

Випромінена нею сумарна енергія була в 10 разів більша, ніж енергія звичайної наднової. Навіть у наш час астрономам це здалося фантастикою, і вони були явно спантеличені.

Такі надважкі зірки - явище вкрай рідкісне, але кількість важких ядер, які вони виробляють, у тисячу разів і більше перевищує кількість ядер, які виробляють звичайні наднові. Це означає, що внесок важких ядер у хмари міжзоряного газу, який вносить надважкі зірки, дуже великий. У нашій Галактиці за час її існування було, мабуть, 300 млн. вибухів різноманітних наднових (і аналогічна кількість, з поправкою на різницю в розмірах, у кожній іншій), і цього цілком достатньо, щоб пояснити запаси важких ядер у міжзоряному газі , у зовнішніх шарах звичайних зірок (і на додаток до нашої планетної системи - у будь-яких планетах).

Тепер ви бачите, що фактично вся Земля і всі ми майже повністю складаємося з атомів, що утворилися в надрах зірок (відмінних від нашого Сонця) і розсіяних у Космосі під час ранніх вибухів наднових. Ми не можемо вказати на окремі атоми і сказати, на якій зірці вони народилися і коли саме їх викинуло в Космос, але ми знаємо, що вони зародилися на якійсь віддаленій зірці і прийшли до нас внаслідок вибуху у минулому.

Ми, і наш світ, таким чином, не тільки походять із зірок, але з зірок, що вибухають. Ми походять із наднових!

Примітки:

Внутрішня найближча до Землі частина радіаційного поясу, «пояса Ван Аллена», формується протонами та електронами, що виникають при розпаді нейтронів, що виходять із верхніх шарів атмосфери Землі. Прямуючи. ред.

Настороженість в американському суспільстві щодо ядерної енергетики, заснованої на розподілі ядра, призвела до зростання інтересу до водневого синтезу (термоядерної реакції). Ця технологія була запропонована як альтернативний спосіб використати властивості атома для виробництва електроенергії. Це прекрасна ідея теоретично. Водневий синтез більш ефективно перетворює матерію на енергію, ніж розщеплення ядра, причому цей процес не супроводжується утворенням радіоактивних відходів. Проте працездатний термоядерний реактор ще належить створити.

Термоядерний синтез у сонці

Фізики вважають, що Сонце перетворює водень на гелій за рахунок термоядерної реакції синтезу. Термін "синтез" означає "об'єднання". Водневий синтез вимагає найвищих температур. Потужна гравітація, створювана величезною масою Сонця, постійно підтримує його ядро ​​у стислому стані. Це стиснення забезпечує в ядрі температуру досить високу для виникнення термоядерного синтезу водню.

Сонячний водневий синтез – багатоступінчастий процес. Спочатку два ядра водню (два протони) сильно стискаються, випускаючи позитрон, також відомий як антиелектрон. Позитрон має таку ж масу, що електрон, але несе позитивний, а чи не негативний одиничний заряд. Крім позитрона, при стисканні атомів водню виділяється нейтрино - частка, що нагадує електрон, але не має електричного заряду і здатна у величезних межах проникати крізь матерію. у воді становить близько ста світлових років (відомо, що без видимих ​​наслідків кожну секунду через уїло кожної людини на Землі проходить приблизно 10 нейтрино, випущених Сонцем).

Синтез двох протонів супроводжується втратою одиничного позитивного заряду. В результаті один із протонів стає нейтроном. Так виходить ядро ​​дейтерію (позначається 2Н або D) - важкого ізотопу водню, що складається з одного протону та одного нейтрону.

Дейтерій також відомий як важкий водень. Ядро дейтерію поєднується з ще одним протоном і формує ядро ​​гелію-3 (Не-3), що складається з двох протонів та одного нейтрона. При цьому випускається пучок гамма-випромінювання. Далі два ядра гелію-3, що утворилися в результаті двох незалежних повторів описаного вище процесу, об'єднуються, формуючи ядро ​​гелію-4 (Не-4), що складається з двох протонів та двох нейтронів. Цей ізотоп гелію використовується для наповнення аеростатів легше за повітря. На фінальній стадії випускаються два протони, які можуть провокувати подальший розвиток реакції синтезу.

У процесі «сонячного синтезу» загальна маса матерії, що створюється, трохи перевищує загальну масу початкових інгредієнтів. «Недостатня частина» перетворюється на енергію, згідно з відомою формулою Ейнштейна:

де Е - енергія в джоулях, m - «недостатня маса» в кілограмах, а з - швидкість світла, рівна (у вакуумі) 299792458 м/с. Сонце виробляє таким чином колосальну кількість енергії, тому що ядра водню перетворюються на ядра гелію безперервно і у величезних кількостях. У Сонці достатньо матерії для того, щоб процес водневого синтезу тривав мільйони тисячоліть. Згодом запас водню підійде до кінця, але це станеться не за нашого життя.

Перші спроби відповісти на ці питання були зроблені астрономами в середині ХІХ століття після формулювання фізиками закону збереження енергії.

Роберт Майєр припустив, що Сонце світить за рахунок постійного бомбардування поверхні метеоритами та метеорними частинками. Ця гіпотеза була відкинута, тому що простий розрахунок показує, що для підтримки світності Сонця на сучасному рівні необхідно, щоб на нього кожну секунду випадало 2*1015 кг метеорної речовини. За рік це становитиме 6*1022 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років – 3*1032 кг. Маса Сонця М = 2*1030 кг, тому за п'ять мільярдів років на Сонці мало випасти речовина в 150 разів більша за масу Сонця.

Друга гіпотеза була висловлена ​​Гельмгольцем та Кельвіном також у середині ХIX століття. Вони висловили припущення, що Сонце випромінює за рахунок стиску на 60–70 метрів щорічно. Причина стиснення – взаємне тяжіння частинок Сонця, саме тому гіпотеза отримала назву контракційної. Якщо зробити розрахунок за цією гіпотезою, то вік Сонця буде не більше 20 мільйонів років, що суперечить сучасним даним, отриманим за аналізом радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного ґрунту та ґрунту Місяця.

Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він припустив, що у надрах Сонця містяться важкі радіоактивні елементи, які мимоволі розпадаються, у своїй випромінюється енергія. Наприклад, перетворення урану на торій і потім на свинець, супроводжується виділенням енергії. Подальший аналіз цієї гіпотези також показав її неспроможність; зірка, що складається з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостережуваної світності Сонця. Крім того, існують зірки, що за світністю у багато разів перевершують світність нашої зірки. Малоймовірно, що у тих зірках запаси радіоактивної речовини будуть також більшими.

Найімовірнішою гіпотезою виявилася гіпотеза синтезу елементів у результаті ядерних реакцій у надрах зірок.

У 1935 році Ханс Бете висунув гіпотезу, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню на гелій. Саме за це Бете отримав Нобелівську премію 1967 року.

Хімічний склад Сонця приблизно такий самий, як і в більшості інших зірок. Приблизно 75% - це водень, 25% - гелій і менше 1% - всі інші хімічні елементи (в основному вуглець, кисень, азот і т.д.). Відразу після народження Всесвіту «важких» елементів не було зовсім. Усі вони, тобто. елементи важчі за гелій і навіть багато альфа-частинок, утворилися в ході «горіння» водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерний час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.

Основне джерело енергії – протон-протонний цикл – дуже повільна реакція (характерний час 7,9 * 109 років), оскільки обумовлена ​​слабкою взаємодією. Її суть у тому, що з чотирьох протонів виходить ядро ​​гелію. При цьому виділяються пара позитронів та пара нейтрино, а також 26,7 МеВ енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається лише світністю Сонця. Оскільки виділення 26,7 МеВ народжується 2 нейтрино, швидкість випромінювання нейтрино: 1,8*1038 нейтрино/с.

Пряма перевірка цієї теорії – спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлораргонних експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино порівняно з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, що виникають безпосередньо в рр-реакції, реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX у Гран Сассо (Італія – Німеччина) та SAGE на Баксані (Росія – США)); їх також «бракує».

За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва – Смирнова – Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонне та тауонне нейтрино). Т.к. інші нейтрино мають набагато менші перерізи взаємодії з речовиною, ніж електронне, дефіцит, що спостерігається, може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.

Щосекунди Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів ядерного палива вистачить ще на п'ять мільярдів років, після чого воно поступово перетвориться на білий карлик.

Центральні частини Сонця стискатимуться, розігріваючись, а тепло, що передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих у порівнянні з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і витрачатиме «пальне» в сто разів швидше, ніж у час. Це спричинить збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця! Життя Землі зникне чи знайде притулок на зовнішніх планетах.

Ми, звичайно, заздалегідь буде повідомлено про таку подію, оскільки перехід до нової стадії займе приблизно 100–200 мільйонів років. Коли температура центральної частини Сонця досягне 100 000 000 К, почне згоряти і гелій, перетворюючись на важкі елементи, і Сонце набуде стадії складних циклів стиснення та розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро ​​матиме неймовірно більшу щільність та розміри, як у Землі. Мине ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.