Эволюция звезд

Итак, сегодня мы не можем объяснить возникновение и развитие всей Вселенной. Мы слишком мало знаем, как образовались галактики и как они развиваются. Поставим себе более скромную задачу. Мы располагаем достаточными знаниями и достаточной интуицией для описания по крайней мере одного этапа развития — образования материи в том состоянии, в котором мы ее видим на Земле, из разреженного водорода. Наша Галактика, а также все другие галактики заполнены так называемым межзвездным газом, который занимает огромные пространства и состоит почти полностью из водорода. Его так много, что он составляет значительную часть всей массы галактик. О происхождении этого газа нам известно очень мало. Часть его, несомненно, была выброшена во время звездных взрывов, но значительные его количества должны были существовать еще до образования звезд. Отсюда мы начнем наш рассказ; мы хотим показать в нем, как из газообразного водорода возникли все те вещи, которые мы видим вокруг нас и среди которых мы живем.

Однако и здесь необходимо сделать оговорку. Даже эта частичная история Вселенной основана на довольно ненадежных заключениях и теориях, относящихся к поведению материи в весьма необычных условиях. Поэтому многие утверждения, излагаемые в этой главе, весьма гипотетичны и обоснованы гораздо хуже, чем содержание предыдущих глав.

Водородный газ. Начнем с рассмотрения огромного облака газообразного водорода. Большая туманность Ориона — пример такого облака (фото XI).

Мы видим ее потому, что она освещена соседними звездами. В таком облаке немного порядка и немного разнообразия. Атомы водорода движутся хаотически, сталкиваясь друг с другом случайным образом.

Облако испытывает медленные изменения под влиянием силы тяжести. Конечно, гравитационное притяжение между водородными атомами крайне мало из-за их малой массы. Но если облако очень велико, то общий гравитационный эффект множества атомов становится важным. За очень долгие периоды времени случайно происходит сгущение, и возникшее таким способом образование служит более сильным центром притяжения, чем отдельный атом. Поэтому оно притягивает все больше атомов и становится все более сильным центром, который в свою очередь притягивает все новые и новые атомы в занимаемую им область. Наконец, образуется один или несколько сгустков водородных атомов; они становятся все крупнее и крупнее, и их рост не прекращается, пока они не притянут к себе большую часть вещества всей туманности.

Гравитационная сила сближает атомы, так что их сгустки становятся меньше и плотнее. Атомы «падают» к центру притяжения под действием силы тяжести. «Падая», они приобретают скорость; попадая в плотные области, они сталкиваются с другими атомами и передают энергию движения остальному веществу. Таким образом, сжатие сгустков заставляет атомы двигаться все быстрее и быстрее и сталкиваться друг с другом. Гравитационная энергия превращается в энергию беспорядочного теплового движения. Газ в сгустке уплотняется и нагревается.

Первая стадия образования звезд. Гравитационное сжатие увеличивает температуру, и через какое-то время она достигает уровня, при котором энергия, передаваемая при столкновении, превосходит предел устойчивости водородного атома. Тогда атомы переходят в возбуждённые квантовые состояния; при возвращении в основные состояния атомы излучают свет. Испускается характеристическое излучение водородного атома. На этой стадии объект становится светящимся — мы видим излучающий газ.

Гравитационное сжатие продолжает действовать и дальше; оно сдавливает атомы все сильнее и вызывает все большее повышение температуры. Наступает момент, когда атомы в центре сгустка сближаются так тесно, что их электронные оболочки начинают мешать друг другу; температура становится столь высокой, что электроны отрываются. Объект начинает излучать огромное количество света, но это уже не чисто водородное излучение — оно содержит свет всех длин волн, испускаемый свободно движущимися электронами и тесно сжатыми атомами. Сгусток становился настоящей звездой на первой стадии ее развития (рис. 55 и 56).

Рис. 55. Облако водородного газа.

Рис. 56. Первые три стадии образования звезд. а — газовый водородный шар; б — в центре шара происходит горение водорода и развивается противодавление; при этом тепло «вытекает» из центра шара; в — красный гигант; горение гелия в центре шара; из центра «вытекает» огромное количество тепла, оно рассеивает окружающее вещество по большой сфере.

Вторая стадия образования звезд. Гравитационное сжатие продолжалось бы неограниченно долго, нагревая и уплотняя звезду, если бы не возникал некий новый процесс. Когда температура становится очень высокой, начинаются ядерные процессы. Надо ожидать, что они должны происходить в центре звезды, где температура выше всего. Когда температура звезды становится достаточной для ядерного горения водорода, т. е. примерно достигает 5 миллиардов градусов, начинается вторая стадия в жизни звезды.

Ядерное горение водорода было описано в гл. VII. Напомним, что протоны (ядра атомов водорода) через много времени после того, как они освободились от электронов, сталкиваются друг с другом при высокой температуре и образуют дипротоны, которые становятся дейтронами в результате радиоактивного превращения. Затем пары дейтронов сливаются и образуют ядра гелия (см. рис. 46). Это ядерный пожар, зажженный теплом, развивающимся при сжатии в центре звезды. Он выделяет огромную энергию, и возникающее в центре противодавление останавливает гравитационное сжатие. После этого размер звезды в течение долгого времени остается неизменным.

Горение водорода — процесс медленный, но эффективный. Тепло, выделяющееся при этом пожаре, доходит до поверхности звезды и поддерживает ее свечение. Оно поставляет энергию, необходимую для постоянного испускания света с поверхности звезды в пространство, и сохраняет ее жизнь в течение долгого времени. Проходит несколько миллиардов лет, прежде чем водород в середине звезды истощится и превратится в гелий.

Третья стадия образования звезд. После израсходования большей части водорода в центральной области, горение водорода прекращается, а вместе с ним перестанет действовать и противодавление, уравновешивающее гравитационное сжатие. Снова начнет действовать сила тяжести, что приведет к дальнейшему сжатию. Это всегда связано с повышением температуры, потому что атомы «падают» внутрь звезды и увеличивают свою скорость. Наступает момент, когда в центре достигается температура, примерно равная 100 миллиардам градусов[55], при которой начинает гореть гелий. Это начало третьего этапа в жизни звезды. Ядерный гелиевый пожар возникает от слияния трех ядер гелия в ядро углерода (см. гл. VII). Гелий горит очень быстро и производит гораздо больше тепла, чем медленное горение водорода. Тепловое давление в центре не только останавливает сжатие, но и заставляет разлетаться остаток вещества звезды. На этой стадии звезда состоит из очень горячего и плотного центра, где идет ядерное горение, окруженного гигантской сферой из очень разреженного материала. Большая часть этого разреженного вещества состоит из водорода, который избежал сгорания на второй стадии, так как не находился в горячем центре. Такие звезды называются красными гигантами; их красный цвет объясняется тем, что большая часть вещества находится так далеко от раскаленного центра, что светится красноватым, а не белым светом, как это было на второй стадии образования звезды.

В стадии красного гиганта развитие звезды идет быстро. Вскоре в центре звезды достигается температура, при которой ядра гелия приходят в тесное соприкосновение с вновь образованными ядрами углерода. При этом возникает новый вид ядерного горения, в результате которого образуется кислород. Его ядро состоит из четырех ядер гелия. Дальнейшее повышение температуры позволяет соединяться пяти, шести и большему числу ядер гелия, давая неон, магний, кремний, серу и т. д.

На этой стадии температура в середине звезды так высока, что ее центр становится как бы печью, производящей элементы. В ней могут образовываться не только соединения ядер гелия, но и ядра других типов. Некоторые из них получаются при столкновении чисто гелиевых по составу ядер с протонами, другие — от присоединения к уже образовавшимся ядрам нейтронов. Нейтроны, пригодные для такого присоединения, испускаются при энергичных ядерных столкновениях, при которых они просто срываются с ядер и движутся в веществе, пока их не захватит другое ядро. Таким способом получаются многие типы ядер; некоторые из них содержат избыток протонов или нейтронов и поэтому радиоактивны. Они превращаются в более устойчивые формы.

Следует помнить, что эти реакции, приводящие к образованию ядер, совершаются только в самом центре звезды. Остальная ее часть слишком холодна для этого. Поэтому вещество звезды в основном состоит из водорода, который служит огромным резервуаром горючего для печи, производящей элементы и находящейся в центре звезды.

Взрыв и возрождение. Мы мало знаем о том, что происходит в звезде, когда третья стадия кончается и ядерный огонь гаснет из-за истощения горючего в центре. Есть много теорий эволюции звезд после третьей стадии. Возможно, что звезда сжимается до очень малых размеров, нагреваясь до сверхвысоких температур и становясь тем, что называют белым карликом. Для наших целей дальнейшее ее развитие не столь интересно, так как оно не приводит к образованию новых элементов. Важно, однако, одно обстоятельство: в конце третьей стадии, когда ядерный пожар догорает, в некоторых звездах, хотя и не во всех, происходит внезапная перестройка вещества, выражающаяся в виде сильнейшего взрыва. Эти взрывы иногда видны, когда какая-либо звезда-гигант внезапно становится исключительно яркой. Такая звезда называется сверхновой. Во время этой вспышки большая часть вещества звезды исторгается в межзвездное пространство и смешивается с исходным водородом. Когда в пространстве, где происходил взрыв сверхновых, снова образуются звезды, входящий в них водород уже не чистый, к нему примешаны следы других элементов, и звезда, развивающаяся из такого газа, уже с самого начала содержит много разных элементов.

Взрыв звезды — сравнительно редкое событие. Вероятно, только несколько процентов звезд проходят через эту стадию сильной перестройки. Тем не менее такие события очень важны, так как ядра, образовавшиеся в центре звезды, распространяются по всему пространству. Они важны и по другой причине: есть много тяжелых ядер, которые не могут образовываться даже в самых горячих центрах звезд. Таковы, например, золото, свинец, уран. Взрыв звезды создает условия для очень интенсивных ядерных столкновений, при которых могут возникать и сложнейшие ядерные структуры. Поэтому весьма вероятно, что эти тяжелые ядра создавались в процессе взрыва и затем рассеивались во всем мировом пространстве.

Новое, «второе поколение» звезд образовано исходным водородом, в который добавлено вещество, возникшее при взрывах звезд. Развитие звезд второго поколения не сильно отличается от развития звезд первого поколения, так как примесь вещества, отличного от водорода, очень мала. Газ, из которого образуются звезды второго поколения, почти весь состоит из водорода.

Солнце является примером звезды, возникшей из водородного облака, загрязненного остатками взорвавшихся звезд. Оно находится теперь во второй стадии своего развития, так как водород в нем превращается в гелий. Это медленное и постоянное горение водорода поставляет энергию, которую Солнце непрерывно излучает в виде тепла и света уже несколько миллиардов лет. Если бы Солнце образовалось из чистого водородного облака, оно не содержало бы ничего, кроме водорода и гелия. Солнце действительно состоит главным образом из водорода и гелия, но, исследуя свет, излучаемый его поверхностью, мы находим и следы других элементов; наличие этих элементов подтверждает, что Солнце относится к «позднейшему поколению» звезд, что вещество, из которого оно состоит, образовалось в другой, более ранней звезде.