Текст книги "Естествознание"

Глава 4. Звезды

Для того чтобы двинуться дальше, надо снова понять, как далеко придется идти. Надо опять сопоставить расстояния – те, к которым мы уже привыкли (планеты, их орбиты, расстояние до Солнца), и те, которые требуется освоить для продвижения вперед. Где они, звезды, как далеко? Но об этом уже было сказано. Ближайшие к Солнцу звезды находятся на расстоянии нескольких световых лет от него (от нас). Однако, чтобы получить представление об этих расстояниях, рассмотрим показательный пример, который приводит Д. И. Грядовой в своей книге «Концепции современного естествознания». В этом примере предлагается пропорционально уменьшить размеры всех тел Солнечной системы и, конечно же, самой Солнечной системы так, чтобы можно было их измерять обычными линейками, сантиметрами, метрами и т. д. Иначе говоря, предлагается выбрать удобный для человека масштаб, а затем сравнить получившиеся расстояния с расстояниями до звезд. Проделаем это и посмотрим, что получится.

Уменьшим все расстояния в Солнечной системе в 200 млн раз! При этом диаметр Солнца сократится до 7 см, его можно будет подержать в руке, можно расположить в выбранном месте. Положим вырезанный из картона диск Солнца посреди большой ровной площадки, чтобы поместить на ней планеты на те места, которые они должны занимать в Солнечной системе. Меркурий – первая от Солнца планета – с учетом выбранного масштаба должен находиться на расстоянии примерно трех метров от Солнца. Рассыплем немного манной крупы, выберем самую маленькую крупинку (это будет сам Меркурий, его диаметр 0,25 мм), отмерим рулеткой 3 м от Солнца и положим крупинку на свободное место. Место Венеры примерно в 5,5 м от Солнца,

ее диаметр около 0,6 мм (средняя крупинка). Наша Земля будет отстоять от Солнца на расстоянии чуть больше 7 м, а сама она тоже немногим больше 0,6 мм. Становится понятным, что для представления всей Солнечной системы требуется действительно большая площадка. Не будем останавливаться на Марсе, сразу перейдем к Юпитеру: его приготовить легче, он самый большой из планет и имеет у нас диаметр почти 7 мм (можно вырезать ножницами из бумаги маленький кружок). Чтобы найти для него место, надо отнести от Солнца (картонный кружок в 7 мм!) на 40 м. Перейдем сразу к Плутону, чтобы найти границы Солнечной системы. Место Плутона – 300 метров от Солнца! Для приготовления самого Плутона при этом подойдет любая пылинка – он меньше Меркурия.

Что же мы в результате получили? Если Солнце – это картонный кружок 7 см в диаметре, то вся Солнечная система занимает площадку (большую городскую площадь) диаметром больше чем полкилометра. На этой площади, кроме Солнца (7 см), которое можно увидеть, и совсем маленького Юпитера (7 мм), который виден, если к нему близко подойти, почти ничего нет! Только неразличимые крупинки планет, разбросанные в различных местах.

Теперь остается понять, где поместить ближайшую к Солнцу звезду, как далеко она будет от этой площади, на которой мы расположили Солнечную систему. До ближайшей звезды 4 световых года. Чему это соответствует в выбранном нами масштабе? Представить себе 4 световых года, поделенные на 200 млн, трудно, но посчитать легко. Расчет показывает, что место, на которое надо поместить ближайшую звезду, находится от Солнца на расстоянии… 2000 км! Значит, если Солнце (картонный диск) лежит посреди одной из больших площадей Москвы, то ближайшая (!) звезда (примерно такой же картонный диск) будет где-нибудь не ближе города Сочи. Это звездные соседи, между ними совершенно пусто, никаких других звезд поблизости нет!

Таковы межзвездные пространства. Звезды – мелкие зернышки вещества, затерянные в необозримом космосе. Мы видим свет, который они посылают, и понимаем, что они излучают вокруг себя огромную энергию так же, как это делает Солнце, самая близкая к нам звезда. Остается вопрос, откуда они берут эту энергию?

Все звезды, которые мы можем наблюдать на небе, отличаются по блеску и окраске. Причина этому – размеры звезд, температура их поверхности, которая зависит от температуры внутри звезд и расстояния до них. Все эти параметры могут меняться. Особенно расстояние. Но для определения расстояния в современной астрономии существуют различные методы. Если известно расстояние до звезды и известно, как зависит светимость звезды от расстояния, то можно сравнивать светимости различных звезд, как бы далеко от нас они ни находились. Анализ светимостей и некоторых других характеристик звезд позволяет определить их массы и температуры поверхности. В результате установлено, что массы большинства звезд составляют от 0,05 до 80 солнечных масс. Температура поверхности самых горячих звезд может достигать 30 000 °С, самые холодные имеют температуру поверхности около 3000 °C – по нашим понятиям это тоже не слишком холодно. Значит, существует большое разнообразие звезд. Почему могут быть разные звезды? Как они появляются (загораются)? Ведь нельзя же предположить, что они существуют неограниченно долго. Даже при огромной массе, которой обладают звезды, запас энергии для их горения должен быть ограничен, поэтому они рождаются и умирают.

Все тот же закон всемирного тяготения, который управляет движением планет в Солнечной системе, предсказывает, что межзвездный газ космоса не может быть распределен однородно в пространстве. Он будет образовывать сгущения в виде газовых и газово-пылевых облаков. Возможно, из таких сгущений и появляются звезды.

В середине XX в. на фоне звезд Млечного Пути были обнаружены небольшие круглые темные пятнышки – глобулы. Исследования глобул показали, что они представляют собой огромные холодные шары, содержащие скопления пыли и газа. Их размеры в среднем в десятки раз превышают размеры Солнечной системы. Глобулы, имеющие бîльшие размеры, имеют большую прозрачность, чем мелкие. Это означает, что мелкие глобулы обладают бoльшей плотностью (хуже пропускают свет). Почему это так? В качестве ответа следует предположение, что большие глобулы постепенно сжимаются и уплотняются. В чем причина их сжатия? Глобулы (газово-пылевые облака) имеют большую массу, чем окружающие области пространства. А значит, сила притяжения частиц внутри глобул больше. Под действием этой силы частицы и газ, из которых они состоят, будут двигаться к общему центру масс, т. е. сближаться. Опять закон всемирного тяготения!

Может ли глобула, сжимаясь, превратиться в звезду? Расчеты показали, что если глобула состоит в основном из газа с небольшой примесью пыли и если ее общая масса в несколько раз превышает солнечную массу, то при постепенном сжатии она может образовать одну или даже несколько звезд.

Но как быть с температурой? Глобула (или «протозвезда», как ее можно назвать) имеет температуру, близкую к температуре межзвездного пространства, т. е. почти абсолютный нуль (-273 °С). Правда, эта температура соответствует началу сжатия, когда протозвезда еще не очень сильно отличается от межзвездного пространства. Сам процесс сжатия производится силой всемирного тяготения (гравитационной силой), она совершает работу сжатия. Чем меньше становится объем протозвезды, тем большая работа произведена гравитационной силой. Эта работа, согласно закону сохранения энергии, не может просто исчезнуть, она должна перейти в другой вид энергии – в тепловую энергию. Выделяется тепло, в результате в протозвезде растет температура. Чем меньше размеры протозвезды, тем выше ее температура. Можно посчитать, что при сжатии до размера нашего Солнца (или чуть большего размера, если масса глобулы была большая, или чуть меньшего размера, если масса глобулы была невелика) температура в центре вновь образовавшейся звезды повышается до нескольких миллионов градусов! Выделяющееся тепло поступает в поверхностные слои вновь образовавшейся звезды, нагревает их до нескольких тысяч градусов, и поверхность звезды начинает светиться.

Казалось бы, мы поняли, как загорается звезда и какая энергия дает ей возможность излучать тепло и свет. Причиной всего является закон всемирного тяготения: он приводит к образованию сгустков вещества в космосе, управляет процессом их сжатия и поставляет энергию для нагрева и горения образовавшейся звезды. Все это без сомнения справедливо. Однако, если бы звезда светилась только за счет энергии сжатия, время ее жизни составляло бы не более сотен тысяч лет. Этого явно недостаточно. Нужен дополнительный намного более мощный источник энергии.

В середине XX в. наука, которая занималась исследованием строения вещества, открыла способы управления поведением мельчайших частиц материи – ядер атомов. Оказалось, что ядра содержат внутри себя энергию особого типа, количество которой неизмеримо больше, чем все, что было известно до того. Эта энергия выделяется и может быть использована при распаде (делении) тяжелых ядер (т. е. ядер атомов тяжелых элементов – актиния, тория, урана) или при синтезе (слиянии) легких ядер (ядер атомов легких элементов – водорода, гелия, лития и т. д.). В результате энергетика развитых стран получила исторический стимул – начали работать и давать электрический ток первые электростанции на ядерном топливе. В тот же период времени были разработаны и испытаны совершенно новые виды оружия, в которых использовалась внутриядерная энергия для создания ядерных зарядов, обладающих огромной разрушительной силой.

Возник естественный вопрос: не может ли ядерная энергия, которая содержится в самом веществе, являться его внутренним почти неограниченным энергетическим ресурсом, быть дополнительным источником энергии звезд? Но на Солнце (и на других звездах) почти нет тяжелых элементов. Поэтому деление очень малого количества тяжелых ядер не может дать заметного увеличения срока жизни звезды. Зато Солнце почти на 100 % состоит из атомов водорода и гелия, при синтезе ядер которых также выделяется ядерная энергия. Чтобы ядра атомов водорода – протоны – при лобовом столкновении образовали связанное состояние (слились бы), их необходимо разогнать почти до световых скоростей. При этом происходит превращение, которое называется термоядерной реакцией. Два протона образуют единое новое ядро, состоящее уже из двух частиц. Условия, при которых могут сталкиваться протоны, т. е. необходимые для этого скорости частиц, достижимы при температуре примерно 10 млн градусов. При образовании звезд из газовых глобул (закон всемирного тяготения!) такие температуры возможны – чем больше сжатие, тем выше температура! Значит, уже можно представить себе процесс рождения и дальнейшей жизни звезды!

Итак, первая стадия – результат действия сил гравитации: образование сгущений рассеянного в космосе межзвездного газа, формирование глобул, сжатие глобул, образование протозвезд, дальнейшее сжатие протозвезд и постепенное повышение температуры в центральных их областях. Эта стадия занимает согласно расчетам несколько миллионов лет.

Вторая стадия: температура внутри протозвезды повышается настолько, что вступают в действие термоядерные реакции, при которых выделяется энергия, сопутствующая рождению новых более тяжелых ядер атомов. Вот он, дополнительный источник энергии! Становясь самосветящейся, протозвезда превращается в настоящую звезду. Выделяющаяся в виде излучения ядерная энергия обеспечивает звезде длительную жизнь.

Все же нужны некоторые уточнения. Сила тяготения сжимала протозвезду до начала действия термоядерных реакций. Эта же сила продолжает действовать и после того, как звезда «зажглась». Не будет ли происходить дальнейшее сжатие самосветящейся звезды, т. е. плавное, постепенное уменьшение ее размеров? Нет, выделяющаяся в термоядерных реакциях энергия настолько велика, что, образуя сквозь толщу вещества звезды восходящие потоки излучения, она препятствует гравитационному сжатию. Давление, которое оказывает сила тяжести сверху на нижележащие слои, компенсируется давлением излучения снизу вверх. Размеры звезды стабилизируются на тот период времени, пока действует звездный протон-протонный «термоядерный реактор». Запасы водорода, который обеспечивает солнечный термоядерный реактор необходимым горючим, достаточны, чтобы Солнце (или любая другая звезда, имеющая близкие к Солнцу размеры и массу) могло бы стабильно существовать в привычном для нас состоянии около 10 млрд лет. Половина этого срока Солнцем уже прожита. Но впереди еще не менее 5 млрд лет, нам, видимо, не о чем беспокоиться.

Вместе с тем, кроме Солнца, существуют другие звезды, которые прожили большую часть своей жизни. Остается вопрос: что же с ними происходит дальше, когда водород частично или полностью израсходован?

Термоядерные реакции протон-протонного цикла постепенно приводят к накоплению более тяжелых ядер, состоящих из двух ядерных частиц. Эти ядра также могут сталкиваться, образуя еще более тяжелые ядра, в которых сосуществуют уже четыре частицы. Ядро, масса которого в 4 раза больше массы ядра атома водорода, – это ядро атома гелия (⁴He). Конечно, процесс образования ядер атомов гелия не так прост, он содержит несколько промежуточных стадий, включающих различные превращения внутриядерных частиц. Но если не останавливаться на подробностях и суммировать все, что происходит в недрах звезды, то можно сказать, что водород постепенно превращается в гелий. Или, как часто говорят физики-ядерщики, водород «выгорает», а гелий накапливается. Горение в данном случае понимается не как химическое горение водорода, которое можно описать химической реакцией соединения водорода и кислорода. Термоядерное «горение» водорода – это цепочка ядерных процессов с выделением энергии в сотни тысяч раз большей, чем тепло, выделяемое в процессе химического сгорания водорода. Образовавшийся гелий – не последнее вещество, которое может синтезироваться при термоядерных реакциях. Ядра атомов гелия тоже могут сталкиваться между собой и, сливаясь, образовывать еще более тяжелые ядра, принадлежащие атомам элементов, находящихся в следующих клетках периодической системы элементов. И так далее. Все более тяжелые ядра при столкновениях должны давать ядра атомов элементов, еще дальше расположенных в периодической системе. Оказывается только, что для прохождения термоядерных реакций между тяжелыми ядрами температуры в 10 млн градусов недостаточно. Чем тяжелее частица, тем меньшую скорость она набирает при одной и той же температуре. Поэтому снижение количества водорода внутри звезды приводит к снижению интенсивности термоядерных реакций. Количество выделяемой ядерной энергии снижается, уменьшается давление излучения на верхние слои вещества звезды. А сила тяготения действует по-прежнему. Нарушение баланса сил должно привести к дальнейшему сжатию звезды.

Высказанные соображения и численные расчеты дали возможность описать (предположительный) сценарий последнего этапа жизни звезд типа Солнца. На этом этапе (примерно через пять миллиардов лет для нашего Солнца) за счет протон-протонной термоядерной реакции в центре звезды образуется гелиевое ядро, составляющее около 10 % массы звезды. На этой стадии водород будет превращаться в гелий только в тонком слое, примыкающем к очень горячему гелиевому ядру. Само же ядро, постепенно сжимаясь (под действием силы тяжести) и разогреваясь, достигнет такого состояния, при котором гелий начнет (при температуре выше 15 млн градусов) превращаться в углерод и следующие за ним элементы. Наступит критическое время в жизни звезды. Внешняя оболочка звезды станет расширяться, сама звезда будет распухать, увеличиваться в размерах. Температура внешнего слоя станет падать, поверхность приобретет красный цвет. Звезды такого типа наблюдаются на небе, их называют «красные гиганты». То же самое должно произойти с нашим Солнцем. За несколько десятков тысяч лет внешняя оболочка Солнца, расширяясь, пройдет через орбиту Земли. На месте Солнца останется его ядро – горячая белая звезда, или «белый карлик». Когда внешняя оболочка Солнца достигнет земной орбиты, температура на Земле возрастет до тысячи градусов, а потом постепенно начнет уменьшаться до абсолютного нуля (-273 °С). Ученые считают, что такой финал неизбежен – состояние «белого карлика» есть одна из конечных стадий в жизни звезд. Затем рано или поздно «белый карлик» превратится в темное, не светящееся в видимых лучах тело, так называемый труп когда-то светившейся звезды. Так рисует современная теория звездной эволюции будущее Солнца и ему подобных звезд с массой, не более чем в 1,5 раза превышающей солнечную.

Как проходит жизнь и что происходит со звездами, имеющими массу, отличающуюся от солнечной? Если масса звезды уступает солнечной, ее эволюция растягивается на более длительные сроки. Такие звезды остаются стабильными в течение всего времени своего существования. Ничего катастрофического с ними не происходит, они постепенно остывают от стадии небольшой звезды оранжевого цвета до погасшего звездного трупа.

Намного драматичнее складывается жизнь звезд, имеющих большие массы. Если звезда в начале своего развития обладает массой от 1,5 до двух солнечных, то начальные два этапа жизни для нее проходят так же, как для Солнца. Но на последних этапах эволюции она теряет устойчивость и взрывается наподобие ядерной бомбы. Заранее оговоримся, что масштабы взрыва звезды не идут ни в какое сравнение со взрывами ядерных зарядов любой мощности. Эти явления человеческий разум не может себе представить. Взрыв звезды за несколько месяцев может выделить энергию, которую Солнце излучает за несколько миллиардов лет.

С Земли такой момент наблюдается как неожиданное появление на небе незнакомой звезды. По традиции такие звезды называют «сверхновыми». Внезапно вспыхнув и посветив некоторое время (несколько дней или месяцев), сверхновые постепенно гаснут. Обычно на месте их появления и потом удается различить слабосветящиеся звездные объекты. Но в некоторых случаях сверхновая как бы исчезает из поля зрения исследователей, словно проваливается в бездонное космическое пространство. При взрыве звезда сбрасывает в окружающее пространство свои газовые оболочки, которые расширяются подобно фронту взрывной волны, а затем постепенно рассеиваются в космической среде.

Типичным примером результата взрыва сверхновой является Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Китайские и японские хроники XI в. описали появление на небе яркой неизвестной звезды. Она была столь яркой, что в течение двух недель ее можно было наблюдать даже днем. Было установлено, что это произошло в 1054 г. На месте, где вспыхнула звезда, описанная в хрониках (в созвездии Тельца), в настоящее время наблюдается небольшая туманность неправильной формы. Эта туманность представляет собой расширяющиеся до сих пор разреженные газовые оболочки, которые были выброшены звездой во время взрыва. Остаток сверхновой можно и теперь наблюдать как очень слабую звездочку в центре этой туманности. По размеру Крабовидной туманности можно оценить скорость, с которой разлетается вещество после взрыва сверхновой. Эта скорость составляет несколько тысяч километров в секунду!

А какова судьба оставшейся маленькой звездочки после взрыва сверхновой? Считается, что ядерные реакции синтеза в ней уже перестали протекать, так как легкие элементы (точнее, ядра атомов легких элементов) уже «выгорели». Звезда начинает сжиматься, при этом ее недра разогреваются до нескольких миллиардов градусов. На этой стадии главным источником энергии становится гравитационное сжатие, которому не может противостоять больше никакая сила. Звезда сжимается и превращается в очень маленькую сверхплотную, так называемую нейтронную звезду. Такое название присвоено звездным остаткам сверхновых, так как предполагается, что они целиком представляют собой тесно расположенные ядерные частицы,

только не протоны, а нейтроны. Плотность вещества в них такая же, как в атомных ядрах – миллиард тонн на один кубический сантиметр. Они и напоминают исполинские атомные ядра, перенасыщенные нейтронами. Нейтронные звезды – одни из самых удивительных объектов звездного мира. Их поперечник вследствие огромной плотности составляет всего около 20 км.

Самая необычная судьба складывается у звезд, масса которых более чем в 2 раза превосходит массу Солнца. Когда в такой звезде заканчиваются все термоядерные реакции, поддерживающие ее излучение, звезда начинает неограниченно сжиматься. Сила тяжести такой массивной звезды оказывается настолько большой, что теоретически сжатие может продолжаться, пока звезда не превратится в точку. Но это в теории, а на практике…

В космонавтике есть такое понятие – вторая космическая скорость (скорость убегания). Это минимальная скорость, до которой надо разогнать тело (ракету), чтобы оно навсегда покинуло Землю. Эта скорость равна 11,2 км/с, она зависит от массы Земли и от ее радиуса (определяется скорость убегания опять же с помощью закона всемирного тяготения). Если, сохраняя массу Земли, уменьшать ее радиус, то вторая космическая скорость будет расти. Когда радиус Земли станет равным 0,44 см (сверхплотная Земля!), вторая космическая скорость станет равной скорости света. Радиус планеты (или звезды), соответствующий такому значению скорости убегания, называется гравитационным радиусом. Для Земли он близок к половине сантиметра, для Солнца – равен трем километрам.

Если радиус тела равен или меньше гравитационного радиуса, никакое излучение покинуть его не в состоянии – не хватает скорости, так как скорость убегания равна скорости света. Скорость света – предельная, большей скорости не существует (теория относительности А. Эйнштейна). А чтобы покинуть тело, нужна именно скорость, которой в природе не существует. Таким образом, тело превращается в то, что физики называют черной дырой. Подобное тело ничего не излучает, увидеть его мы тоже не можем. Лишь его гравитационное поле (поле тяготения) позволяет обнаружить его присутствие, так как, обладая собственной массой, оно притягивает к себе другие тела. Тело, попавшее в зону притяжения черной дыры, падает на черную дыру и исчезает из нашего поля зрения. Больше мы его увидеть не сможем.

Неограниченное сжатие тел под действием силы тяжести получило название гравитационного коллапса. Звезды с массой, вдвое и более превышающей массу Солнца, после «выгорания» термоядерного горючего обязательно переходят в неустойчивое состояние и, испытав гравитационный коллапс, превращаются в черные дыры. Черные дыры – совершенно непривычные для нас объекты, обладающие абсолютно невозможными свойствами. О них немного известно, но в космосе уже наблюдаются отдельные эффекты, которые свидетельствуют в пользу существования черных дыр. Неисчерпаемая тема для обсуждения. Но не для нас, это может увести нас далеко в сторону от попыток взглянуть на весь мир сразу. Хорошо все-таки, что наше Солнце не слишком массивная звезда.

Экскурсия в недра звезд показала, что звезды рождаются, живут и умирают. У каждой звезды своя судьба. Маленькие звезды светят не очень ярко, но зато долго живут, и жизнь их проходит без катастрофических явлений с постепенным угасанием в старости.

Звезды, похожие на Солнце, дают уже больше света и тепла. Во всяком случае, нам его хватает и, видимо, будет хватать еще очень долго. Но в конце жизни такие звезды могут испытывать серьезные потрясения – менять размеры и цвет, сбрасывать внешние газовые оболочки, образовывать сильно нагретые внутренние ядра – «белые карлики». Правда, в дальнейшем все равно остается только остывший темный сгусток вещества, не принимающий активного участия в космических процессах.

Массивным звездам отпущено меньше времени на существование. Судьба их более насыщена событиями. На пороге старости накопленная внутри энергия взрывает их. Значительная часть вещества такой звезды рассеивается в космическом пространстве. То, что осталось, конденсируется под действием силы тяжести в сверхплотное ядро – нейтронную звезду, или, если масса исходной звезды была больше некоторой критической величины, образуется странный фантом – черная дыра.

О чем еще свидетельствуют процессы жизнедеятельности звезд? На каждом этапе своего существования при переносе тепла из внутренних областей звезд наружу происходят бурные процессы, сопровождающиеся выносом в пространство какой-то части звездного вещества. Это вещество образует межзвездную среду, которая в последующем опять может образовывать сгустки, глобулы, протозвезды. И далее снова могут рождаться звезды, звезды следующего поколения, которые будут светить, излучать энергию, взрываться, рассеивать в пространстве звездное вещество, а затем гаснуть и умирать. Кроме звезд межзвездная среда может порождать планеты, которые образуют планетные системы вокруг звезд, подобные нашей Солнечной системе.

Таким образом, все, что существует во Вселенной – и звезды, и планеты, и все, что нас окружает на Земле, – все буквально состоит из вещества, которое образовалось внутри звезд в процессе термоядерных реакций. Все элементы периодической системы образовались при звездном термоядерном синтезе. За исключением водорода и гелия, которые стоят в начале цепочки ядерных реакций и являются «прародителями» остальных 90 элементов.

Элементы, образовавшиеся на звездах, сформировали планеты, в том числе и нашу Землю. Что дальше? Законы движения тел и великий закон всемирного тяготения таковы, что на образовавшихся малых телах, на планетах, температура не достигает высоких значений, энергии для развития ядерных реакций не хватает. Элементы уже не могут переходить друг в друга, как это происходило на звездах. Элементы остаются неизменными. Но происходит соединение разнородных атомов, это возможно даже при очень низких температурах. Происходит образование химических соединений из различных элементов, пришедших со звезд.

Количество химических соединений, веществ, в природе очень велико, ведь из 92 элементов (92 сортов атомов) можно составить очень большое количество комбинаций. Какие законы этим управляют, как это происходит и какие вещества получаются – это вопросы, которыми занимается область естествознания под названием химия.

Звезды – это фабрики элементов, из которых состоят вещества нашего мира. Планеты (и Земля в особенности) – фабрики веществ, построенных из звездных элементов. Мы сами состоим из земного вещества, содержащего звездные элементы.

Отвлечемся от планет и звезд и рассмотрим подробнее, из чего состоят и как построены элементы и их соединения.