100 миллиардов солнц. Рождение, жизнь и смерть звезд

Хотя кусок железа и газообразный водород в воздушном шарике не имеют на первый взгляд между собой ничего общего, однако атомы и того и другого элемента построены из одних и тех же протонов и электронов. Если бы мы могли взять 56 атомов водорода и расположить 56 протонов и 56 электронов этих атомов в нужном порядке: из 30 электронов и 30 протонов сделать 30 нейтронов, объединить эти нейтроны с оставшимися 26 протонами в атомное ядро, и построить вокруг этого ядра электронную оболочку из остальных 26 электронов, то мы получили бы из водорода атом железа.

Если бы мы могли взять 4 атома водорода, образовать из двух электронов и двух протонов два нейтрона, объединить их с двумя оставшимися протонами в атомное ядро, то мы получили бы ядро с массовым числом 4 и зарядом 2, вокруг которого смогли бы обращаться два оставшихся электрона. При этом из четырех атомов водорода мы получили бы атом гелия. В результате такого процесса должна освобождаться энергия. Однако объединить ядра разных атомов друг с другом не так-то просто.

Артур Эддингтон и источник энергии звезд

Сэр Артур Эддингтон занимал знаменитую кафедру астрономии в Кембриджском университете («Plumian Professorship»). В 1926 г. он опубликовал свою книгу «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее строение звезд»). В этой книге были блестяще изложены представления того времени о физических основах процессов, происходящих в звездах. Сам Эддингтон внес существенный вклад в формирование этих представлений. Еще до него в принципе было ясно, как функционируют звезды. Однако не было точно известно, откуда берется энергия, которая поддерживает излучение звезд.

Уже тогда было понятно, что богатое водородом звездное вещество может быть идеальным источником энергии. Ученые знали, что при превращении водорода в гелий освобождается столько энергии, что Солнце и другие звезды могут светить миллиарды лет. Таким образом, было ясно, что если бы удалось разобраться, в каких условиях идет слияние атомов водорода, то был бы найден великолепный источник энергии звезд. Однако наука тех лет была еще очень далека от того, чтобы осуществить превращение водорода в гелий в экспериментальных условиях.

Астрофизикам того времени оставалось только верить, что звезды представляют собой гигантские ядерные реакторы. Действительно, нельзя было себе представить никакого другого процесса, который мог бы обеспечить энергией излучение Солнца в течение миллиардов лет. Наиболее последовательно это мнение выразил Эддингтон. Он исходил из многочисленных и многократно повторенных измерений светимости звезд, которые проводили астрономы-наблюдатели. Эддингтон писал в своей книге: «Измерения количества ядерной энергии, освобождающейся в недрах звезд, являются одним из важнейших результатов астрономических наблюдений, и если в моей книге все правильно, то тогда мы хорошо себе представляем, каковы должны быть плотность и температура вещества, чтобы могли происходить эти процессы». К сожалению, физики того времени считали, что атомные ядра в звездах не могут реагировать друг с другом.

Эддингтон уже тогда смог рассчитать, какая температура должна наблюдаться в недрах Солнца. Частицы вещества, из которого образовано Солнце, удерживаются вместе силами гравитационного взаимодействия (силами тяжести). Сила тяжести притягивает вещество к центру Солнца. Этой силе препятствует давление газа, из которого образовано Солнце. В противном случае все вещество Солнца сжалось бы вблизи его центра. Сила давления расталкивает частицы вещества и действует против силы тяжести. Обе силы должны находиться в равновесии. Примерно то же самое можно сказать об атмосфере Земли. Если бы не существовало силы тяжести, то весь воздух улетел бы под воздействием давления в межпланетное пространство. Если бы, наоборот, сила тяжести существовала, а давление газа отсутствовало, то все атомы газовой оболочки притянулись бы к поверхности Земли. В случае Солнца можно вычислить силу тяжести, которая действует на солнечное вещество. Сила газового давления должна уравновешивать эту силу тяжести. Давление газа зависит от его плотности и температуры. Плотность солнечного вещества можно рассчитать, зная массу Солнца и его объем. Каково же теперь будет давление солнечного вещества? Оно зависит от температуры. Чем горячее газ, тем выше его давление. Какова должна быть температура газа внутри Солнца, чтобы давление этого газа уравновешивало силу тяжести?