Текст книги "Большое космическое путешествие"

Но эти элементы по-прежнему заключены в звезде, у них должен быть шанс каким-то образом из нее вырваться – ведь именно из этих элементов мы с вами и состоим! Сегодня известно, что железо – это тупик синтеза. Когда в ядре накапливается железо, синтез останавливается и звезда схлопывается. Когда звезда пытается запустить синтез на основе железа, ее энергия попросту истощается, и схлопывание ускоряется. Звезды должны генерировать энергию, а не поглощать ее. В результате ускоряющегося схлопывания звезда претерпевает гравитационный коллапс, и в центре ее остается сверхплотная нейтронная звезда. При образовании нейтронной звезды выделяется такая кинетическая энергия, которой хватает, чтобы просто сдуть всю оболочку и внешнее ядро. Происходит колоссальный взрыв, звезда несколько недель сияет в миллиарды раз ярче Солнца. Внутренность звезды развеивается по галактике, то есть в межзвездном пространстве, при этом происходит химическое обогащение газовых облаков тяжелыми элементами. В результате эти облака становятся интереснее, чем банальная смесь чистого водорода и гелия.

На рис. 7.5 показана красивая спиральная галактика M51, в которой насчитывается 100 миллиардов звезд. Там все стройно и красиво (сверху), пока не происходит взрыв сверхновой (снизу).

Рис. 7.5. Спиральная галактика M51 и сверхновая. Иллюстрация сделана по материалам статьи J. Richard Gott, Robert J. Vanderbei, Sizing Up the Universe, National Geographic, 2011

Как будет рассказано в главе 12, мы живем в спиральной галактике, чем-то напоминающей М51. До взрыва (верхний снимок) видна и галактика, и, на переднем плане, некоторые звезды Млечного Пути, которые гораздо ближе к нам и (естественно) обладают гораздо меньшей светимостью, чем галактика. Когда происходит такой взрыв, мы видим в галактике новую звезду (нижний снимок). Раньше ее и видно не было, а теперь она – самая яркая точка в галактике. Это всего одна звезда. Будь вы планетой, вращающейся вокруг этой звезды, от вас осталась бы головешка. Без преувеличения, вот так просто. Такие звезды называются сверхновыми. В древности считалось, что при подобном взрыве в небе загорается новая звезда. Сегодня известно, что на самом деле это звездная агония. Не всем звездам такое суждено; лишь относительно массивные могут превратиться в сверхновые. После взрыва на месте сверхновой остается крошечная сверхплотная нейтронная звезда – это происходит, когда все внешние оболочки звезды разлетятся в стороны. Бывают и еще более массивные звезды. И они тоже взрываются. Но при коллапсе такой звезды пространство в ее центре искривляется под действием гравитации настолько сильно, что эта область отсекается от всей остальной Вселенной, и получается… вы угадали, черная дыра. Иногда черная дыра может формироваться в центре звезды уже на этапе отбрасывания газовых оболочек – в таких случаях также происходит взрыв сверхновой.

Стивен Хокинг занимается исследованием черных дыр; он совершил важнейшие открытия, связанные с их странными свойствами. Рич гораздо подробнее расскажет вам о черных дырах и об открытиях Хокинга в главе 20. В «Симпсонах» Хокинга назвали самым умным из живущих ныне людей. Большинство из нас с этим согласны.

Теперь позвольте рассказать о рождении звезд. Туманность Ориона – это «звездная колыбель» – область звездообразования. Это газовое облако, уже насыщенное тяжелыми элементами, выплавленными в ядрах более древних звезд, уже погибших.

В центре туманности – яркие новорожденные массивные звезды, относящиеся к классам O и B. Они ярко светят в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Такое жаркое УФ-излучение состоит из фотонов, обладающих достаточной энергией, чтобы ионизировать водород в центре туманности (то есть отрывать электроны от ядер). Газ стремится сконцентрироваться в виде новых звезд, но этому мешает огромная светимость массивных звезд, расположенных в центре туманности. Тем временем этот газ, насыщенный тяжелыми элементами, уже может порождать и более интересные объекты, нежели просто туманные облачка. В нем также могут формироваться твердые шарообразные тела, содержащие кислород, кремний, железо, – такие тела напоминают землеподобные планеты. Возле некоторых новорожденных звезд планетарные системы также могут образовываться из окутывающего их газа. Это юные солнечные системы, возникающие на месте вращающихся газопылевых дисков (рис. 7.6). В туманности Ориона эти процессы продолжаются и прямо сейчас. В некоторых звездных колыбелях рождаются тысячи и тысячи солнечных систем. В нашей Галактике 300 миллионов звезд, многие из них имеют собственные планетные системы.

Какова наша роль в этой картине? Мы крошечные и несущественные в космических масштабах. Удручающее известие для тех, кому нравится чувствовать себя великим. У этой проблемы богатая история. Всякий раз, когда мы претендовали на космическую исключительность (мы в центре Вселенной и она вращается вокруг нас; либо мы состоим из особой материи, либо существуем с начала времен), оказывалось, что все в точности наоборот. На самом деле, мы живем в далеком захолустье ничем не примечательной галактики. Каждый астрофизик привык к такой реальности.

Рис. 7.6. Протопланетные диски вокруг новорожденных звезд в туманности Ориона. Фотография космического телескопа «Хаббл». Снимки предоставлены: M.J. McCaughrean (Институт астрономии общества Макса Планка), C.R. O’Dell (Университет Райса), NASA

Рис. 7.7. Глубокое поле телескопа «Хаббл». На этой фотографии с длительной экспозицией, сделанной с космического телескопа «Хаббл», показано около 10 000 галактик. Но Область глубокого обзора занимает лишь 1/13 миллионных всего неба. Следовательно, в области обзора телескопа «Хаббл» на всем небе находится примерно 130 миллиардов галактик. Снимки предоставлены: NASA, Европейское космическое агентство, С. Беквит (Научный институт космического телескопа) и группа изучения Области глубокого обзора. Цветные снимки подготовлены Nick Wherry, Michael Blanton, David W. Hogg (университет Нью-Йорка), Robert Lupton (Принстонский университет)

Позвольте мне еще более уничижительное сравнение. На рис. 7.7 показан один из снимков, сделанных космическим телескопом «Хаббл». Каждое пятнышко на картинке – это целая галактика. Галактики настолько далекие, что каждая из них занимает лишь крошечную часть снимка. В каждом из этих пятнышек кроется более 100 миллиардов звезд. И это всего лишь небольшой закоулок Вселенной. Этот участок, именуемый Глубоким полем «Хаббла», – снимок наиболее далекого предела Вселенной, который нам известен. В этой области около 10 тысяч галактик. Вся эта область занимает примерно 1/65 от площади полной Луны или 1/13 миллионной всего неба. Поскольку этот участок неба ничем не примечателен, потенциально количество галактик может оказаться в 13 миллионов раз больше, чем на этом снимке. То есть в пределах досягаемости обзора космического телескопа «Хаббл» находится 130 миллиардов галактик.

Карл Саган в своей книге «Голубая точка» писал, что все, кого мы знали, все, о ком когда-либо читали в исторических книгах, жили на Земле – этой крошечной пылинке во Вселенной. Я часто об этом задумываюсь. Ведь разум подсказывает: «я так мал», сердце говорит «я так мало», но теперь вы сильны и, читая эту книгу, будете все увереннее мыслить масштабно, а не мелко. Почему? Потому что теперь вы в курсе законов физики, знаете о механизмах устройства Вселенной. Фактически знания астрофизики вдохновляют, позволяют вам взглянуть в небо и сказать: «Нет, я чувствую себя не малым, а великим, поскольку человеческий мозг – какой-то килограмм серого вещества – смог все это осознать. А какие тайны меня еще только ожидают!»

Глава 8
Жизнь и смерть звезд (II)

Автор: Майкл Стросс

В этой главе мы немного подробнее обсудим, как устроены звезды, и поможет в этом информация, которую вы получили из предыдущей главы. В каком случае объект можно считать звездой? Астрономы определяют звезду как самогравитирующий объект, в центре которого протекают термоядерные реакции. «Самогравитирующий» – означает «такой, целостность которого поддерживается благодаря гравитации». Земля также остается целостной благодаря силе гравитации. На самом деле, у объекта, сравнимого по массе с Землей, сила гравитации гораздо больше внутренней прочности горных пород. Посудите сами: ведь Земля шарообразная, как и звезды. Гравитация действует одинаково во всех направлениях, и если целостность объекта обусловлена гравитацией, то этот объект напоминает по форме шар. Более мелкие объекты, например астероиды, сохраняют целостность именно благодаря прочности горных пород либо вообще представляют собой бесформенные кучи щебня – зачастую довольно глыбистые и продолговатые (рис. 8.1).

Но у больших массивных объектов, например Солнца, гравитация настолько превосходит остальные силы, что вся масса спрессовывается в виде сферы – это наиболее компактная конфигурация. Если большой самогравитирующий объект быстро вращается, то он будет не совсем круглым. Из-за вращения сфера уплощается. Сам Исаак Ньютон это понимал. Юпитер довольно быстро вращается, поэтому напоминает по форме эллипс; его экваториальный радиус примерно на 7 % больше полярного. Наиболее грандиозные примеры такого сплющивания при вращении – это спиральные галактики, которые мы обсудим в главе 13.

Если газ, из которого состоит звезда, удерживается в виде единого целого под действием гравитации, то почему весь этот газ не сжимается в одну точку? Все дело во внутреннем давлении газа. Гравитация тянет вглубь каждую частицу газа, а давление выталкивает эту частицу наружу, и две силы уравновешивают друг друга.

Рис. 8.1. Солнце (слева) и астероид 25143 Итокава (справа), масштаб не соблюден. Форма двух тел очень разная. Солнце диаметром 1,4 млн километров под действием собственной гравитации приняло форму шара. Обратите внимание на хорошо заметные солнечные пятна. Диаметр астероида – всего полкилометра; его самогравитация слишком мала, чтобы это тело приняло сферическую форму.

Считается, что этот астероид – непрочная каменистая структура, и вещество, из которого он состоит, постепенно собралось в процессе аккреции. Снимок Солнца сделан космическим аппаратом SOHO (Солнечная и гелиосферная обсерватория), специально предназначенным для наблюдения Солнца. Снимок астероида сделан с аппарата «Хаябуса», запущенного Японским аэрокосмическим агентством (JAXA). Снимки предоставлены: Солнце: NASA, см. https://sohowww.nascom.nasa.gov/gallery/images/large/mdi20031028_prev.jpg; астероид Итокава: JAXA, см. https://apod.nasa.gov/apod/ap051228.html

Аналогичный пример – воздушный шарик. Он имеет шарообразную форму, но причина не в гравитации, а в натяжении резины. Шарик стремится скукожиться, как резиновая полоска, но (как и в звезде) внутреннее давление газа этому препятствует. Давление воздуха и натяжение резины уравновешивают друг друга, и шарик остается шарообразным.

Давление внутри звезды возрастает к центру и ослабевает с увеличением расстояния от центра. Падение давления газа с увеличением высоты известно и на Земле. Атмосферное давление на уровне моря составляет примерно 760 мм рт. ст. – на столько поднимается столбик ртути под весом столба воздуха, простирающегося до верхней границы атмосферы. Когда вы поднимаетесь вверх и все большая часть земной атмосферы оказывается под вами, столб воздуха над вами укорачивается и, соответственно, давит все слабее. То есть атмосферное давление уменьшается с высотой.

Давление звездного газа зависит от температуры и плотности звезды; и плотность, и температура стремительно возрастают по направлению к центру звезды.

Теперь поговорим о ядре. Ядро невозможно наблюдать напрямую, но о его свойствах можно косвенно судить по уравнениям, описывающим звездную структуру. Эти уравнения учитывают эффект давления и гравитации. Они выводятся с учетом того, что Солнце стабильно, давление и гравитация взаимно уравновешиваются в каждой точке звезды. Согласно таким расчетам, температура в самом центре Солнца должна составлять 15 миллионов кельвинов, как мы уже говорили. Эти расчеты также показывают, что плотность солнечного вещества в центре нашей звезды составляет примерно 160 г/см³, то есть Солнце в 160 раз плотнее воды. Для сравнения: из всех элементов, встречающихся на Земле, наибольшей плотностью (22,6 г/см³) обладает осмий, он примерно вдвое плотнее свинца. При столь колоссальной температуре газ в недрах Солнца ионизирован, то есть электроны оторваны от атомов, ядра и электроны в такой среде носятся с огромной скоростью. Такое состояние вещества называется «плазма». Именно давление этих стремительно движущихся частиц противодействует гравитации, не дает Солнцу схлопнуться и поддерживает его в стабильном состоянии.

Мы уже знаем об одном базовом свойстве вещества при заданной температуре: вещество излучает фотоны. Это справедливо и для недр Солнца, разогретых до 15 миллионов кельвинов. Пик спектра абсолютно черного тела при такой температуре находится в рентгеновском диапазоне. Означает ли это, что Солнце ярко светит в рентгеновском спектре? Нет. Допустим, рентгеновский фотон был излучен в недрах Солнца. Может ли он беспрепятственно вырваться из центра? Вспомните, как ходили к врачу на рентген: те части тела, которые не требуется облучать, вам накрывали тяжелым свинцовым фартуком. Следовательно, тонкий слой свинца, плотность которого равна жалким 11,34 г/см3, поглощает практически все попадающие на него рентгеновские лучи. Если этого достаточно для нейтрализации рентгеновских лучей, то логично сделать вывод, что из центра Солнца рентгеновским лучам далеко не уйти. На самом деле они успевают пролететь всего около сантиметра – и полностью поглощаются.

Но энергия поглощенного фотона должна куда-то потратиться. Она нагревает материю, впитавшую фотон, а эта материя потом излучает в спектре абсолютно черного тела – новые рентгеновские лучи испускаются повторно. Можно себе представить, как фотончик поглощается материей, после чего переизлучается снова и снова. Если учесть все цифры, то получится, что энергия, выделившаяся в ядре Солнца, достигает солнечной поверхности примерно через 170 тысяч лет. Расстояние от центра Солнца до его поверхности составляет всего 2,3 световой секунды – то есть фотон пролетал бы его за 2,3 секунды, если бы ему ничто не мешало. Но поскольку фотон насилу пропихивается наружу, траектория у него кривая, как у пьяницы. Солнце его поглощает, снова излучает, и так он постепенно добирается от ядра к поверхности.

Исходный фотон, излученный в центре звезды при 15 миллионах кельвинов, относился бы к рентгеновскому спектру. Будет ли он рентгеновским, когда достигнет поверхности? Нет. Всякий раз при переизлучении энергии ее спектр соответствует температуре той точки в звезде, где она была переизлучена. Пока энергия пробивается от центра к поверхности, температура снижается и отдельные фотоны теряют первоначальный облик. Энергия распределяется между более низкоэнергетическими фотонами, что соответствует более низкой температуре. Итак, пусть недра Солнца и излучают рентгеновские лучи, на поверхности мы рентгеновских лучей не находим. Они медленно превращаются в фотоны видимого света, который и льется на нас от Солнца.

Если бы в центре Солнца не было ядерной печи, поддерживающей в недрах высокую температуру и давление, то Солнце стало бы медленно сжиматься под действием гравитации, постепенно теряя энергию, излучаемую с поверхности. Такое гравитационное сжатие с постепенным проседанием газовой оболочки звезды к центру происходит с выделением энергии. То же самое происходит с куском мела, падающим на пол, – при падении он набирает скорость. Гравитационной энергии сжатия как таковой хватило бы, чтобы поддерживать нынешнюю светимость Солнца на протяжении примерно 20 миллионов лет. Еще до Эйнштейна Герман фон Гельмгольц в 1856 году предположил, что именно такое медленное гравитационное сжатие и служит источником энергии, подпитывающей Солнце. На тот момент эта гипотеза казалась правдоподобной, поскольку явление термоядерного синтеза было неизвестно – его предстояло открыть лишь через 82 года. Но теперь, на основе датировки по радиоактивным изотопам (при этом мы отмечаем, сколько урана в конкретной породе успело превратиться в свинец), уже известно, что возраст Земли – несколько миллиардов лет. Более того, окаменелости демонстрируют, что температура земной поверхности практически не менялась на протяжении значительной части всего этого периода. Следовательно, Солнце светит примерно с той интенсивностью, что и сегодня, уже гораздо дольше 20 миллионов лет, поэтому гипотеза о гравитационном сжатии как об источнике солнечной энергии не подтверждается.

Когда стала понятна важность формулы E = mc², вопросов не осталось. Солнце сжигает в своих недрах ядерное топливо, и от этого выделяется энергия. Такой приток ядерной энергии выравнивает светимость Солнца и поддерживает давление внутри звезды. Солнце стабильно и не сжимается. Термоядерный синтез – столь эффективный источник энергии, что Солнце ровно светит на протяжении последних 4,6 миллиарда лет, в течение длительного времени обеспечивая Земле стабильные условия развития. Солнце провело уже примерно половину своего жизненного цикла в главной последовательности.

Кстати, а как определить основные параметры Солнца: радиус, массу и светимость? Солнечный радиус измеряется в несколько этапов. Радиус Земли известен со времен древнегреческого математика и географа Эратосфена, вычислившего его около 240 года до н. э. Каждый год, ровно в полдень 21 июня Солнце проходит прямо над египетским городом Сиеной. Эратосфену это было известно. В то же время он измерил, что Солнце на 7,2° отклоняется от вертикали в городе Александрия, что лежит прямо на север от Сиены. Аристотель утверждал, что Земля, независимо от ориентации, во время лунного затмения всегда отбрасывает на Луну круглую тень. Единственное тело, которое всегда отбрасывает круглую тень, – это сфера; следовательно, Эратосфен знал, что Земля должна иметь форму шара. Он также понимал, что смещение высоты Солнца на 7,2° при одновременном измерении высоты в двух разных городах обусловлено тем, что между этими городами – примерно 7,2° широты, либо 1/50 всей окружности Земли (360°). Нанимаем землемера – посчитать расстояние от Александрии до Сиены, умножаем это расстояние на 50 и узнаем длину земной окружности – около 40 тысяч километров. Делим на 2π и получаем радиус. Все было просто, достаточно было догадаться, как это сделать!

Из разных обсерваторий, находящихся в различных точках Земли, мы получаем немного разное положение Марса на фоне далеких звезд. Зная радиус Земли и измеряя такие смещения вызванные параллаксом, можно измерить расстояние до Марса. Впервые это сделал Джованни Кассини. Работа Кеплера позволила определить размеры планетных орбит – и построить масштабную модель Солнечной системы. Зная расстояние между Землей и Марсом, можно вывести размеры всех орбит, в том числе радиус земной орбиты – одну астрономическую единицу. Следовательно, в 1672 году Кассини определил, что расстояние от Земли до Солнца составляет примерно 140 миллионов километров – что не слишком отличается от истинного значения 150 миллионов километров.

Известен и угловой размер Солнца при наблюдении с Земли (примерно полградуса). Зная эту величину и расстояние от Земли до Солнца, можно определить радиус Солнца. Он равен половине углового диаметра Солнца в градусах (1/4°), разделить на 360°, умножить на 2π и на расстояние от Земли до Солнца. Итак, радиус Солнца – примерно 700 тысяч километров, что примерно в 109 раз больше радиуса Земли. Светимость Солнца также легко определить: измеряем, какова яркость Солнца при наблюдении с Земли, и, с учетом расстояния r, по закону обратных квадратов вычисляем светимость Солнца: около 4 × 10²⁶ ватт.

Также можно вычислить массу Солнца. Законы Ньютона позволяют вывести соотношение между массами Земли и Солнца. Мы знаем, какое ускорение возникает на расстоянии, равном земному радиусу (то есть ускорение на поверхности Земли), GM_ЗЕМЛ/r_ЗЕМЛ² = 9,8 метра в секунду за секунду, эту величину можно узнать, наблюдая, как падают яблоки. Мы также знаем, какое ускорение дает Солнце на расстоянии 1 а.е.: GMСОЛН/(1 а.е.)2 = 0,006 метра в секунду за секунду, эту величину мы уже вычислили в главе 3. Берем отношение двух этих значений ускорения: 0,006 метра в секунду за секунду/9,8 метра в секунду за секунду = 0,0006 = [GM_СОЛН/(1 а.е.)²]/[GM_ЗЕМЛ/r_ЗЕМЛ²] = (M_СОЛН/M_ЗЕМЛ) = (r_ЗЕМЛ/1 а.е.)². Подставив в эту формулу известные значения радиуса Земли и одной астрономической единицы и решив выражение, узнаем, что масса Солнца примерно в 330 000 раз превышает массу Земли. Поскольку постоянная G сокращается, ее не обязательно знать, чтобы определить соотношение масс Солнца и Земли.

Но какова масса Земли в килограммах? Массу можно было бы вычислить на основе тождества с ускорением свободного падения на поверхности Земли, равного 9,8 метра в секунду за секунду = GM_ЗЕМЛ/r_ЗЕМЛ², если бы только мы знали числовое значение ньютоновской постоянной G. Генри Кавендиш, первооткрыватель водорода, самого распространенного элемента во Вселенной, поставил хитроумный эксперимент, чтобы определить значение G. Он воспользовался крутильными весами, чтобы определить соотношение сил, воздействующих на экспериментальный шар со стороны Земли и со стороны находящегося рядом свинцового шара, который весит 159 кг. Земля тянет экспериментальный шар вниз, а свинцовый шар тянет его вбок, и две эти силы можно сравнить, измерив угол отклонения крутильных весов. Зная расстояние до свинцового шара и до центра Земли, Кавендиш определил соотношение масс Земли и свинцового шара. Так в 1798 году он смог вычислить значение ньютоновской постоянной G и массу Земли в килограммах. Умножим ее на 330 000 – и получим массу Солнца. Оказывается, Солнце весит 2 × 10³⁰ кг. Это много!

Здесь мы говорим прежде всего о Солнце, но я хотел бы рассказать и о природе других звезд. Мы пользуемся параметрами земной орбиты для определения массы Солнца по законам Ньютона – точно так же можно наблюдать двойные звезды (две звезды в паре вращаются одна вокруг другой) и вычислять их массы.

Наименее массивные звезды в главной последовательности (относящиеся к спектральному классу M) в 12 раз легче Солнца. А что насчет еще более легких звезд? При меньшей гравитации они, соответственно, будут обладать меньшей температурой и плотностью ядра. Что происходит с газообразной массой, удерживаемой вместе такой гравитацией, которая попросту недостаточна для запуска термоядерного синтеза на основе водорода? Получается звезда, которую называют «коричневый карлик» (на самом деле такие звезды не коричневые, а очень красные на вид, и светят они в основном в инфракрасном спектре; иногда астрономическая номенклатура бывает далека от истины). Такие звезды бывают, но найти их сложно. Они тускло отсвечивают благодаря остаточному теплу, сохраняющемуся от гравитационного сжатия (именно такую модель Гельмгольц строил для Солнца). В их недрах нет ядерной печи, поэтому светимость их невелика. Еще такие звезды холодные, с температурой поверхности от 600 до 2000 К, именно поэтому они излучают в основном в инфракрасной, а не в видимой части спектра. Для сравнения: обычная духовка разогревается до 500 К.

Большинство наиболее мощных телескопов предназначены для наблюдения видимого света, и лишь в последние пару десятилетий мы стали конструировать телескопы, позволяющие рассматривать небо в инфракрасном диапазоне (по всевозможным техническим причинам оказалось, что изготавливать такие аппараты гораздо сложнее). Такие объекты, как коричневые карлики, удалось обнаружить только с появлением мощных телескопов, чувствительных к ИК-излучению.

Спектральные классы звезд O, B, A, F, G, K и M известны уже около 100 лет, но с 1999 года, когда были открыты коричневые карлики, к этому списку добавились еще два класса: L и T. Совсем недавно новый космический инфракрасный телескоп WISE открыл еще более холодные звезды, отнесенные к спектральному классу Y. Их поверхностная температура – всего около 400 К, чуть выше точки кипения воды. Коричневые карлики с массой от 1/80 до 1/12 солнечной (то есть в 13–80 раз тяжелее Юпитера) едва теплятся, сжигая крупицы дейтерия, имеющиеся в их ядрах. Таким образом, поскольку в этих телах все-таки идет термоядерный синтез, они называются «звездами». Еще более мелкие объекты, превышающие по массе Юпитер не более чем в 13 раз, совершенно наверняка не смогут поддерживать в ядре никакого термоядерного синтеза. Такие объекты называются планетами!

Давайте обсудим гибель звезд немного подробнее, чем в главе 7. Даже на последних этапах жизненного цикла в пределах главной последовательности светимость Солнца будет постепенно расти, и через миллиард лет земные океаны выкипят. На этом прекратится земная жизнь в том виде, как мы ее знаем. Примерно через 5 миллиардов лет в ядре Солнца не останется водорода (весь он превратится в гелий), и солнечная ядерная печь потухнет. Спадет давление, благодаря которому звезда сопротивлялась гравитации. Гравитация ее одолеет, и звезда начнет сжиматься. Но, как вы помните, энергия, синтезированная в ядре, поднимается до поверхности звезды за пару сотен тысяч лет. Внутренние области звезды начнут сжиматься, когда через внешние еще будет течь энергия, поддерживающая их форму. Пройдет пара сотен тысяч лет, пока до внешних областей звезды дойдут печальные новости о том, что энергия в центре Солнца иссякла.

Представьте себе водородную оболочку, непосредственно прилегающую к ядру (теперь уже состоящему из чистого гелия). Вне ядра все еще полно водорода, но эта область до сих пор не участвовала в термоядерном синтезе, поскольку там попросту не хватало для этого плотности и температуры. Но по мере сжатия эта водородная оболочка становится все гуще и жарче. Очень быстро давление и температура повышаются настолько, что позволяют запустить в этой оболочке термоядерный синтез гелия из водорода. Появляется новый источник топлива для ядерной печи: начинает выгорать водород из звездной оболочки.

Вдруг у звезды открывается второе дыхание. Темпы синтеза энергии в сгорающей водородной оболочке зашкаливают – гораздо выше, чем были в ядре, когда звезда еще не покинула главную последовательность. Более того, объем сгорающей водородной оболочки гораздо больше, чем объем ядра.

Итак, как минимум на краткий период, звезда приобретает огромную светимость, но излучение пробивается к поверхности очень долго, и возросшее давление начинает тягаться с гравитацией. Поэтому внешние оболочки звезды расширяются (и немного остывают) даже в то время, пока внутренние области сжимаются. Солнце превращается в красный гигант, об этом мы говорили в главе 7. Те оболочки звезды, что находятся вокруг выгорающего водородного слоя, раздуваются до колоссального радиуса, около 1 а.е. (что в 200 раз превышает нынешний радиус Солнца). Примерно через 8 миллиардов лет с сегодняшнего дня Земля под влиянием приливных воздействий по спирали свалится в газовую оболочку Солнца, превратившегося в красный гигант, и сгорит.

В то время, пока горят внешние водородные оболочки звезды, в ее гелиевом ядре отсутствует собственный источник энергии; звезда продолжает сжиматься под действием гравитации, поэтому температура растет. Когда она достигает примерно 100 миллионов кельвинов, в звездном ядре начинается термоядерный синтез на основе гелия – из гелия образуются ядра углерода и кислорода. Такой этап термоядерного гелиевого синтеза в истории Солнца продлится 2 миллиарда лет, но, в конце концов весь гелий в ядре израсходуется, и звезда снова начнет сжиматься[6]6
  По-видимому, здесь неточность. Вся жизнь Солнца после схождения с главной последовательности продлится менее 2 млрд лет. Из них на этап горения гелия придется около 100 млн лет. – Примеч. науч. ред.


[Закрыть].

На этом этапе история звезды, сопоставимой по массе с Солнцем, близится к завершению. Внешние оболочки звезды находятся очень далеко от ядра, следовательно, гравитация на них почти не действует. Достаточно минимальной энергии, чтобы внешние газовые оболочки отслоились от звезды и обнажили жаркое и плотное углеродно-кислородное ядро звезды. В отброшенном газе возникают возмущения, вызванные ультрафиолетовым излучением звезды, поэтому газ флуоресцирует примерно как в туманности Гантель, изображенной на рис. 8.2. Такие объекты (достаточно неудачно) именуются планетарными туманностями, поскольку астрономы, впервые обнаружившие их в телескоп, усматривали в них какое-то сходство с планетами. Так название и закрепилось. Астрономы немного консервативны, они предпочитают придерживаться старой терминологии, даже когда та становится старомодной и не вполне точной.

Такая разбухшая оболочка, которая некогда входила в состав звезды, теперь потихоньку расширяется. Иногда звезды отбрасывают внешние оболочки сложным образом, и так возникают планетарные туманности, состоящие из различных газовых оболочек. Разные слои такой туманности до всплытия из недр звезды находились на разной глубине, и поэтому они могут быть обогащены разными элементами. Звезда вращается, вот почему эти слои выдуваются преимущественно вдоль оси вращения, как это происходит в туманности Гантель (рис. 8.2).

Сияющее ядро звезды, теперь уже ничем не прикрытое, виднеется в самом центре туманности. Оно небольшое (размером примерно с Землю) и настолько жаркое, что кажется белым. Поэтому такое тело называется «белый карлик». У белого карлика нет внутреннего источника энергии, поэтому за миллиарды лет он медленно остывает. Белый карлик все равно считается звездой, хотя никакого ядерного горения в нем не происходит (согласен, здесь номенклатура немного хромает!).

Почему же белый карлик не коллапсирует? Все дело в принципе запрета Паули, названном в честь физика Вольфганга Паули. Согласно этому принципу, два электрона не могут находиться в атоме в одном и том же квантовом состоянии. Этот принцип критически важен для понимания строения атомов. В атомах с большим количеством электронов этим электронам приходится занимать все более высокие энергетические уровни, поскольку нижние уже заполнены. В белых карликах принцип запрета Паули приводит к тому, что электроны стремятся не слишком кучковаться, и из-за этого возникает давление, позволяющее белому карлику противодействовать гравитации. Наше Солнце в конце своего жизненного пути превратится в белый карлик.

Как рассказывалось в главе 7, те звезды, масса которых превышает солнечную более чем в 8 раз, претерпевают гораздо более драматичную последовательность реакций. Их массы хватает на то, чтобы в ядре синтезировался углерод и кислород. Если бы массы было меньше, то вещество оставалось бы инертным, пока звезда медленно превращалась бы в белый карлик. Но в массивных звездах оно разогревается в достаточной степени, чтобы начался термоядерный синтез гелия, кремния и остальных элементов Периодической системы вплоть до железа.