Текст книги "Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции"

Если галактики представляют собой основные массовые структурные элементы нашего Космоса, то звёзды – это «солисты» звёздного неба, которые для человека символизируют его вечное стремление к возвышенному, величественному, к тому, что поднимается над обыденным земным бытием человека и соответствует его космической природе, его попыткам упорядочивать окружающий мир по меркам человека и по законам космической гармонии, красоты и совершенства. Притяжение звёздного неба для человека, его устремлённость к полёту, к звёздам является психологическим феноменом, адекватным физическому феномену земного притяжения. В устремлённости к звёздам проявляется космическая сущность человека, безграничность его помыслов и ценностных ориентаций.

Звёзды для нас – не просто физический объект, не просто гигантские по сравнению с нами светящиеся плазменные шары. Они имеют колоссальное эстетическое, этическое и мировоззренческое значение. Они – дарители тепла и света, вестники далёких миров, скрывающие за своим загадочным блеском неведомые для нас космические острова, возможно, населённые неведомыми нам существами. Они – воплощение наших идеалов чистого света, рассеивающего ночную тьму, символ нашего вечного стремления к новым достижениям, выражаемым древним изречением «через тернии – к звёздам!». Они с их колоссальными энергиями сродни нам как существам, стремящимся к теплу и свету. Они – символ вечности космического миропорядка, хотя сами они отнюдь не вечны и проходят, хотя и с очень большими интервалами времени, те же стадии, что и человеческая жизнь: рождение, молодость, зрелость, старение и смерть.

Звёзды – это мобилизационный фактор нашей Вселенной, который соответствует мобилизационным усилиям, проявляемым нами в течение такой короткой и наполненной всяческими превратностями жизни.

Несмотря на своё романтическое, поэтическое и символическое значение для человека, звёзды представляют собой как физические объекты весьма прозаическое и утилитарное явление. Они рождаются из облаков пыли и газа в результате их постепенного сжатия и сгущения под действием их же собственной гравитационной силы. Гигантские молекулярные облака состоят главным образом из водорода и так велики, что нередко в миллионы раз превышают массу Солнца.

Газопылевые облака, являющиеся исходным материалом для образования звёзд, как уже отмечалось, состоят главным образом из водорода, атомы которого являются как бы «первоисточниками» того типа мироздания, который в процессе эволюции сложился в нашей Метагалактике. Только в нашей Галактике насчитывается около 20 тысяч таких облаков, из них около тысячи по своей массе в миллионы раз превосходят массу Солнца. Это очень холодные облака, их вещество в необогреваемом космическом пространстве охлаждено почти до абсолютного нуля. В такой холодной среде водород образует молекулы Н₂, поэтому в научных трудах газопылевые облака нередко именуют гигантскими молекулярными облаками (ГМО).

ГМО постоянно перемещаются в межзвёздном и беззвёздном пространстве под действием различных центров тяготения. В огромных количествах запасы водорода в космическом пространстве пополняют выбросы из ядер галактик, а эти ядра в свою очередь являются порождениями особенно крупных ГМО. Сгущения ГМО и являются источниками звёздообразования и образования самых различных самосветящихся космических тел.

Английский астроном и астрофизик Д. Джинс в деталях описал исходный механизм этого явления. Запуск этого механизма происходит в ГМО в результате флуктуации, случайного сжатия в какой-то области облака, например, при наличии твёрдых частиц пыли, выбросов сверхновых и т. д. Поскольку газопылевая среда, ранее разреженная и однородная, обладает гравитационной неустойчивостью, любое объёмное сгущение создаёт массу вещества, достаточную для втягивания окружающей газопылевой материи, которая также под действием гравитации уплотняется и начинает притягивать газопылевую материю с ещё большей силой притяжения. Сгущение растёт как снежный ком и втягивает в себя всё новые области газопылевого облака.

Образование гравитационного сжатия в одной области громадного облака провоцирует формирование подобных же флуктуаций в других областях. Это сжатия в свою очередь нарушают однородность облака и образуют островки сгущений в окружающих их областях. Этот процесс называется каскадной фрагментацией облака и приводит к тому, что значительная часть облака или даже всё оно в целом разбивается на фрагменты, в которых и запускается процесс звёздообразования. Это объясняет, почему звёзды рождаются чаще всего не в единственных экземплярах, а группами, рассеянными или сгущёнными скоплениями, и почему их массы различаются в довольно узких пределах.

Когда масса данного фрагмента облака, непрерывно возрастая, набирает определённую критическую величину, гравитационное сжатие прекращается. Образуется временное равновесие между давлением газа, образуемым хаотически движением молекул, и притяжением наиболее плотного сгустка в центре газопылевого «кома». Так образуется относительно устойчивое дозвёздное тело, получившее название протозвезды. Протозвезда состоит из достаточно плотного ядра и окружающей его непрозрачной газовой оболочки, плотность которой по мере удаления от ядра уменьшается.

Если в исходном состоянии газопылевого облака вещество облака было охлаждено почти до абсолютного нуля, то в протозвезде оно начинает постепенно разогреваться. Формирование протозвёзд охватывает очень значительные с нашей точки зрения, но очень краткие по космическим меркам промежутки времени – от 100 тысяч до миллиона лет. Всё это время происходит разогревание протозвезды от очень холодного состояния к очень горячему. Источником разогревания является сжатое состояние молекул и атомов водорода, препятствующее их свободному хаотическому движению. В сжатом состоянии энергия столкновения молекул водорода раскалывает их на атомы, а столкновения атомов превосходят предел их устойчивости, они то переходят в возбуждённое квантовое состояние, то возвращаются в прежнее, излучая фотоны. Поверхностная часть водородной периферии протозвезды начинает излучать свет. Однако по мере дальнейшего сжатия под действием ядра оболочка протозвезды становится непрозрачной для собственного излучения. В ядре между тем атомы сближаются так тесно, что их электронные оболочки наталкиваются друг на друга, электроны отрываются и излучение всех длин волн усиливается, испускаемое свободно движущимися электронами при сдавленных ядрах атомов. Однако растущее испускание электромагнитных колебаний не находит выхода вследствие непрозрачности оболочки, что приводит к резкому ускорению разогрева (парниковый эффект). Ядро начинает «растапливать» оболочку и увеличивать свою массу за счёт неё, что ещё больше повышает светимость и разогрев. Затем наступает момент, когда разросшееся давление электромагнитных волн приводит к сбрасыванию остатков оболочки и может вызвать возникновение ударной волны, способной в свою очередь запустить механизмы звёздообразования в смежных областях космоса, заполненных газопылевыми облаками.

Температура ядра протозвезды при этом достигает пяти, а затем возрастает до десяти миллионов градусов по Цельсию, что приводит к возникновению термоядерных реакций в атомах водорода с синтезом гелия, т. е. к появлению внутри протозвезды нового мощного источника энергии. На месте старой непрозрачной возникает новая светящаяся оболочка. С этого момента протозвезда превращается в звезду. Её оболочка, мобилизуемая энергией ядра, испускает чудесное сияние, генерирует электромагнитные колебания во всех диапазонах и в космической темноте и пустоте свидетельствует всему миру: «Я родилась, я горяча, я сверкаю!». Но неземная красота этой солистки мироздания рождается в ходе страшной катастрофы термоядерного синтеза, звезда выходит из недр протозвезды в адском пламени термоядерной катастрофы.

Смерть протозвезды в термоядерной катастрофе рождения звезды приводит материю родившейся звезды к новому состоянию равновесия, обеспечивающему длительную жизнь новорожденной. Наступает период стабильности, при котором гравитационное сжатие, инициируемое ядром, уравновешивается упругими силами газового давления, возникающими в термоядерных реакциях превращения водорода в гелий. Ядерная топка в ядре разогревает звёздную оболочку до температуры в диапазоне от 2 до 50 тысяч градусов. Горение водорода – очень долгий процесс, и его может хватить на миллиарды лет.

Равновесие поддерживается системой саморегулирования, формирующейся в звезде на основе физического механизма взаимодействия ядра и оболочки. Температура в ядре может повыситься вследствие дополнительного поступления в «реактор» ядерного топлива. Тогда ядро раздувается и «выпускает пар из котла» в виде дополнительных выбросов газа в «атмосферу» звезды. Если же начнутся перебои в поступлении водородного топлива, и температура понизится, ядро начнёт сжиматься, «котёл» в нём разогреется и баланс между температурой и давлением будет восстановлен. В процессе «космической инженерии», таким образом, сформировалось нечто вроде предохранительного клапана для обеспечения действия природных ядерных реакторов.

Наличие ядерного реактора в ядре, энергетической подпитки оболочки и механизма саморегулирования обеспечивает длительную экспансию звезды в окружающее пространство путём относительно стабильных выбросов тепла и света, разнообразных космических излучений. Поражает экономичность термоядерных «котлов», безотказно работающих в звёздах на протяжении миллиардов лет. Теплотворная способность реакции синтеза гелия из водорода такова, что она позволяет звёздам получать около 150 млн. килокалорий при «сгорании» всего лишь одного килограмма водородного горючего. Это в два раза больше теплотворной способности делящегося урана и в 20 миллионов раз больше теплотворной способности сгорающего угля.

Дальнейшее пребывание звезды на так называемой «главной последовательности», т. е. сохранение ею относительной стабильности, обусловленное равновесием между гравитацией и давлением газа, поддерживаемым энергией термоядерных реакций, зависит от массы звезды. Чем больше масса, тем больше водорода приходится расходовать звезде на поддержание своей жизни, обусловленной ядерными реакциями в её недрах. И тем быстрее эта масса водорода выгорает, образуя более яркую светимость и блеск.

Считается, что звёзды с массой в 50 раз больше солнечной живут в главной последовательности всего 3–5 миллионов лет, с массой в 10 раз меньшей – 30 миллионов, в полтора раза – 3 миллиарда, равной солнцу – 10 миллиардов, в 10 раз меньше солнца – 1 триллион лет. Дальнейшая судьба звезды, после её «гражданской смерти», т. е. выпадения из главной последовательности вследствие истощения ядерного топлива, также зависит от её массы. Если масса не превышает 1,44 массы солнца, звезда в своей эволюции проходит стадии красного гиганта – белого карлика – чёрного или бурого (коричневого) карлика. Показатель 1,44 массы солнца называется пределом Чандрасекара (индийского астрофизика) и характеризует звёзды умеренной массы.

Схождение с главной последовательности подготавливается перерождением ядра. Та «фабрика» преобразования водорода в гелий, которая поддерживает существование звезды, в конце концов преобразует водородное по преимуществу ядро звезды в гелиевое. Остатки водорода продолжают поддерживать термоядерные реакции лишь в поверхностном слое ядра. Ядро медленно сжимается, но если раньше это сжатие компенсировалось дополнительным поступлением водорода, теперь водородные ресурсы исчерпаны, и механизм саморегулирования, обеспечивавший стабильность воспроизведения порядка миллионы или миллиарды лет, перестаёт действовать. В результате гелиевое ядро всё больше разогревается, и когда температура ядра достигает ста пятидесяти миллионов градусов по Цельсию, начинается реакция превращения гелия в углерод, а затем образуются всё более тяжёлые химические элементы, в том числе и железо. По мере повышения температуры и уплотнения гелиевого ядра растёт и давление газа. Оно «расталкивает» оболочку звезды, и та начинает раздуваться. Разбухающая оболочка постепенно остывает, что создаёт колоссальную разность температур между очень горячим ядром и остывающей внешней оболочкой. Остывшая и раздувшаяся внешняя оболочка придаёт звезде красный цвет, а сама звезда превращается в красный гигант. Радиус звезды увеличивается в десятки раз, а её светимость – в сотни раз.

Красные гиганты долго не живут, всего лишь от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч лет. Продолжающееся разогревание ядра приводит к нарастанию отчуждения между ядром и телом звезды, всё более отдаляющимся от центра. Распад красных гигантов напоминает падение империй. Вследствие роста температуры в ядре красного гиганта ядра гелия вступают в контакт с ядрами образующегося из гелия углерода. Этот контакт запускает новый вид ядерных реакций с образованием кислорода из четырёх ядер гелия. Появление кислорода подстёгивает ещё большее повышение температуры, вследствие чего образуется синтез всё большего количества ядер гелия, порождая неон, магний, кремний, серу и другие элементы, и, наконец, железо. В конечном счёте перерождающееся ядро теряет способность удерживать оболочку, она отрывается и уходит в межзвёздное пространство.

Потеряв оболочку, раскалённое ядро испускает белый свет, его объём остаётся очень небольшим, по диаметру меньше Земли. Так из красных гигантов возникают белые карлики.

При столь малых размерах масса белых карликов может быть сравнима с массой жёлтых карликов, таких, как наше солнце. Такая значительная масса такой небольшой звезды обусловливается огромной плотностью и спрессованностью вещества в ядре бывшего красного гиганта. Один кубический сантиметр такого вещества может весить более тонны. В белых карликах электроны уже не находятся на орбитах вокруг ядер атомов, а прижаты и вдавлены в них. Но несмотря на колоссальную плотность, вещество карликов представляет собой газ. Этот ионизированный газ состоит из ядер атомов, плотно прижатых друг к другу, и сдавленных электронов.

Сжиматься дальше этому газу просто некуда, вследствие чего постепенно падает температура и затухают ядерные реакции. Мобилизационная активность израсходована на предшествующих стадиях эволюции звезды, источники энергонасыщения использованы, и белому карлику остаётся лишь медленно, очень медленно затухать и охлаждаться. Остывая, белый карлик продолжает светить ещё сотни миллионов лет за счёт накопленных в нём огромных запасов тепловой энергии. Пока из межзвёздной среды попадает некоторое количество водорода, белый карлик получает ещё определённую дополнительную энергию из ядерных реакций, происходящих в окружающей его газовой среде. Но его угасание неминуемо. По мере остывания белый карлик желтеет, затем краснеет и в конечном счёте становится чёрным карликом – тёмным и холодным трупом умершей звезды.

Такая судьба ожидает солнцеподобные звёзды, т. е. те, чья масса в период нахождения в главной последовательности не превышает 1,44 массы солнца. Когда же масса звезды больше, но находится в пределах до 2,5 солнечных масс, её судьба оказывается ещё трагичнее. Большая масса периферии давит на ядро, не давая возможности расшириться и образовать красный гигант. Но и чёткое сферическое ядро, необходимое для образования белого карлика не может сохраниться под мощным давлением периферии. Раздавливая ядро, вещество звезды под действием собственной гравитации сжимается до очень малых размеров, всего от одного до нескольких десятков километров в диаметре. Плотность же звезды возрастает настолько, что вес одного кубического сантиметра оказывается не меньше миллиарда тонн. Так возникает нейтронная звезда, вещество которой состоит из придавленных друг к другу нейтронов (отсюда – и её название). Быстрое сжатие приводит к сильному разогреванию нейтронных звёзд, но когда сжатие прекращается вследствие наиболее плотной «упаковки» нейтронов, начинается интенсивное охлаждение. В нейтронных звёздах такая «упаковка» становится возможной именно потому, что в период быстрого сжатия раздавливаются орбиты электронов, они поглощаются «оголёнными» ядрами, а такое поглощение нейтрализует положительно заряженные частицы ядер – протоны. Протоны превращаются в нейтроны и не мешают своими электромагнитными зарядами сдавливать ядра атомов так, чтобы они наиболее тесно были прижаты друг к другу. Ведь электромагнитное взаимодействие «сильнее» гравитационного, и отталкивание одноимённых зарядов не позволило бы спрессовать материю до такой степени, как это происходит в нейтронных звёздах.

Быстрое сжатие до очень малых размеров при сохранении очень большой массы вызывает и ещё один поразительный эффект – чрезвычайно быстрое вращение нейтронных звёзд вокруг своей оси. Соответственно возникает пульсация излучений, которая позволила отождествить некоторые из них с пульсарами – источниками пульсирующих радиосигналов, исходящих из Космоса. Пульсары представляют собой нейтронные звёзды с чрезвычайно сильным магнитным полем, которое, подобно ротору в наших устройствах переменного тока, создаёт мощные электрические поля. При этом заряженные частицы, накопившиеся на поверхности звезды, разгоняются до очень высоких скоростей, как это происходит и в земных ускорителях, где тоже используются магниты, расположенные по кольцу большого диаметра. Соответственно во всех направлениях излучаются радиоволны, которые улавливаются нашими радиотелескопами и некоторое время принимались за нерасшифрованные радиосообщения наших собратьев по разуму.

Но пульсары испускают не только радиоволны, но и рентгеновские излучения, гамма-лучи и видимый свет, т. е. действуют в различных диапазонах электромагнитных колебаний. Вращение нейтронных звёзд – пульсаров создаёт периодические скачки излучения в узком конусе по направлению магнитных осей, которое и определяется как импульсное излучение, или пульсация излучений. Частота этих пульсаций может составлять несколько раз в секунду или один раз в несколько секунд в зависимости от скорости вращения пульсара. В настоящее время обнаруженных в окружающем нас Космосе пульсаров насчитывается всего около трёхсот. Но по оценкам ряда учёных их должно быть около 700 тысяч только в нашей Галактике. Так заканчивается жизнь звёзд главной последовательности с массами от предела Чандрасекара (1,44 массы солнца) до предела в 2,5 массы солнца.

Звёзды более массивные ожидает ещё более суровая катастрофа в конце их бурной, горячей и ослепительно светлой жизни. Они или взрываются от избытка собственной энергии, наблюдаясь нами в виде новых или сверхновых звёзд, или испытывают коллапс от избытка своей массы, прорывая пространство-время Метагалактики и превращаясь в чёрные дыры.

Взрывающиеся по окончании своего срока жизни массивные звёзды получили название новых или сверхновых звёзд. «Новыми» называли взрывающиеся звёзды астрономы в те времена, когда техника наблюдений не позволяла определить, что это не новые, а прожившие свою жизнь в главной последовательности звёзды, которые только кажутся новообразованными вследствие своих чрезвычайно ярких и привлекающих внимание вспышек. Новыми являются не сами звёзды, а взрывы, которые делают их заметными для наблюдателей. Вспышки «новых» происходят со звёздами вследствие их бурного сжатия под действием собственной массы и образования неустойчивости по самым различным причинам. Вспышки возникают, как правило, у горячих звёзд, о чём свидетельствует их белый цвет (они раскалены не докрасна, а добела).

Ничем ранее не выделявшаяся из общей массы белая звезда внезапно «разгорается» и её блеск увеличивается в десятки тысяч раз. Такой сильный блеск сохраняется, как правило, не более суток, после чего начинает угасать. Угасание может происходить плавно или рывками, в течение нескольких лет, по прошествии которых звёзда приобретают блеск, сходный с тем, который был ей присущ до вспышки.

Поскольку очень многие, а может быть и все новые являются участниками тесных двойных систем, многие учёные объясняют вспышки новых попаданием водорода из оболочки рядом находящейся звезды. В результате возникает термоядерная реакция, заканчивающаяся взрывом нерукотворной «водородной бомбы» огромной мощи.

Ещё более грандиозные явления – взрывы сверхновых. Они в какой-то мере являются аналогами Большого Взрыва, лежащего в начале нашей Вселенной. Они, как и Он, играют ведущую роль в «сотворении» этой Вселенной. Сверхновые разбрасывают накопленные в них элементы тяжелее гелия со скоростью в несколько тысяч километров в секунду на колоссальные расстояния, снабжая ими газопылевые облака и образующиеся в этих облаках звёзды новых поколений. Они также образуют новые газопылевые облака, насыщенные разнообразными химическими элементами.

Причины взрывов сверхновых звёзд связаны именно с выработкой в их недрах разнообразных химических элементов, которыми они впоследствии обогащают и одновременно загрязняют окружающую среду. Основной причиной является неустойчивость структуры массивных звёзд на завершающем этапе их эволюции, и прежде всего – быстрое вырождение их ядер.

В массивных звёздах происходит быстрое выгорание водорода – самого экономичного и эффективного горючего в мире звёзд. Всего за 2,5 миллиона лет водород в ядрах заменяется гелием. Под давлением большой массы периферии звезды ядро начинает сжиматься и разогреваться до нескольких миллионов градусов. Это запускает механизм термоядерного синтеза, при котором слияние ядер гелия порождает углерод. Затем ядра углерода, присоединяя ещё по одному ядру атома гелия, порождают кислород. Таким же образом на химической «фабрике» звезды в процессе «космической технологии» синтезируются элементы от неона до кремния, после чего выгорающее ядро звезды ещё больше сжимается и разогревается до 3-10 млрд. градусов. При таких огромных температурах синтез новых элементов всё ускоряется вплоть до возникновения атомов железа. Появление ядер железа создаёт взрывоопасную ситуацию в ядре звезды. В результате протоны и электроны объединяются в нейтроны с испусканием нейтрино. Большие потоки нейтрино, испускаемые по всем направлениям, резко и быстро снижают давление в ядре, сопротивление ядра падает, и на него обрушивается собственная оболочка. Её удар о ядро приводит к колоссальному выделению энергии. С этого момента звезда представляет собой чудовищных размеров бомбу, готовую взорваться при незначительном изменении условий.

Устойчивость железа и продолжающееся образование ещё более тяжёлых элементов являются причиной всё большего «зашлаковывания» ядра звезды, в котором новообразованные углерод и кислород постепенно замещают гелий. Находясь накануне катастрофического сжатия (гравитационного коллапса), ядро звезды образует условия для мгновенного возгорания углерода. Новый сильный нагрев падающего в процессе быстрого сжатия вещества приводит к мощному термоядерному взрыву.

Взрывы сверхновых, как правило, разносят исходную массивную звезду вдребезги. На её месте образуется волокнистая туманность, а в редких случаях остаётся маленькая нейтронная звезда. Именно так произошло со взрывом сверхновой, который наблюдался китайскими астрономами в 1054 г. По их свидетельству, такая звезда была видна в течение 23 суток даже в дневное время и по видимой величине сравнялась с Венерой. Эта сверхновая породила Крабовидную туманность, представляющую собой не что иное как продолжающее разлетаться вещество взорвавшейся звезды. На месте взрыва осталась небольшая нейтронная звезда.

Наиболее крупные взрывы сверхновых были зафиксированы астрономами, наряду с вышеописанным, также в 1572 и 1604 годах. В 1572 г. датский астроном Тихо Браге наблюдал вспышку сверхновой в созвездии Кассиопеи и составил на неё гороскоп. Как и её предшественница в 1054 г., эта звезда сравнялась с Венерой яркостью своего свечения. Поскольку сила свечения таких звёзд в десятки раз превосходит свечение так называемых новых, эти звёзды и стали называть сверхновыми. Разрыв сверхновой, произошедший в 1604 г., наблюдал Кеплер. В настоящее время было зафиксировано систематическими исследованиями уже более 500 сверхновых звёзд.

Синтезируя в своих недрах тяжёлые элементы, сверхновые звёзды выбрасывают продукты своей «жизнедеятельности» в межзвёздное пространство, где они проникают в блуждающие по Космосу газопылевые облака. Железо, золото, свинец, уран, а вместе сними углерод и кислород примешиваются к водороду гигантских молекулярных облаков. Когда в этих облаках образуются звёзды следующих поколений, в них уже при рождении содержатся примеси самых разнообразных химических элементов. Другим источником пополнения следующих поколений звёзд всем разнообразием элементов таблицы Менделеева, являются, по-видимому, не только взрывающиеся новые и сверхновые звёзды, но и многие сошедшие с главной последовательности звёзды предшествующих поколений. Обмен веществ в Космосе пока ещё очень слабо изучен. Одной из звёзд, унаследовавших от своих предшественниц определённое богатство химических элементов, является Солнце.

Эволюция звёзд сопровождается эволюцией химических элементов, которые при соответствующих условиях вступают в реакции и образуют самые разнообразные соединения. Из них состоят разнообразные космические тела, планеты, наша Земля, всё живое на ней и каждый из нас.