Образование химических элементов в космических телах 1

Для звезд типа Солнца эволюционный процесс протекает крайне медленно. В таком состоянии, в каком оно находится сейчас, Солнце пребывает уже около 3 млрд. лет. За это время оно потеряло всего только пятитысячную часть своей массы. Следовательно, разнообразие звезд главной последовательности можно объяснить тем, что они находятся на различных стадиях протекания процессов синтеза гелия из ядер водорода.

Когда в центре звезды водород полностью превращается в гелий, то она претерпевает резкие изменения в своей структуре и переходит из гомогенной в гетерогенную.

Схематически новое состояние звезды изображено на рис. 37. Такая звезда состоит из гелиевого ядра и водородной оболочки. Ядерные реакции протекают только в тонком слое вблизи выгоревшего ядра Резко изменяется и химический состав звезды: в центре находится преимущественно гелий, далее смесь гелия и водорода и, наконец, чистый водород. Такие звезды называются гетерогенными.

Рис. 36. Диаграмма «светимость — температура». Кружком обозначено положение Солнца в настоящее время. Стрелкой указан путь эволюции Солнца.

Интересна дальнейшая судьба таких звезд. Детальные расчеты с применением электронных вычислительных машин показали весьма интересные результаты. Оказалось, что в ходе дальнейшей эволюции звезды ее ядро должно сжиматься, уплотняться, а оболочка расширяться. Таким образом радиус звезды резко увеличивается, а величина ядра уменьшается. И звезда, при условии, что ее масса больше чем 1,5 соленной массы, превращается в красный гигант и покидает главную последовательность.

Другие звезды с меньшей массой претерпевают иные превращения. Когда в их центре заканчивается процесс выгорания водорода, ядро начинает сжиматься, что сопровождается постепенным разогреванием всей массы звезды.

Рис. 37. Схема строения красного гиганта.

Это, как мы указывали выше, приводит к увеличению скорости углеродно-азотного цикла, который протекает в промежуточном слое звезды. Из рис. 35 (кривая 2) видно, что тепловыделение в этом центре очень быстро растет с увеличением температуры. Это обстоятельство и может явиться причиной теплового взрыва оболочки звезды, который мы, по-видимому, и наблюдаем при вспышках Новых звезд. В связи с тем, что в углеродно-азотном цикле имеется два процесса β⁺ — распада с периодами полураспада 10 мин для Ν¹³ и 115 сек для О¹⁵, которые, как мы знаем, остаются постоянными при любых температурах и давлениях, скорость цикла лимитируется именно этими процессами. Поэтому быстрое ускорение процессов превращения водорода наружного слоя ядра звезды в гелий прекращается очень скоро после начала взрыва, когда все ядра С¹², захватив протон, должны превращаться в ядро С¹³ по цепочке

Это положение в общих чертах соответствует явлениям, наблюдаемым при вспышках Новых звезд, и объясняет аномальный химический состав, наблюдаемый, например, у Новой Геркулеса 1934 (см. рис. 18).

Так как при вспышке только небольшая доля водорода успевает превратиться в гелий, то химический состав звезды в процессе взрыва в общем изменяется мало. Это приводит к тому, что подобные взрывы могут повторяться, что и обнаружено для ряда Новых звезд. Правда, звезды, претерпевшие вспышки, должны иметь аномально высокое отношение С¹³ к С¹². Действительно, наблюдаются звезды, в которых оно достигает единицы. Так как углеродно-азотный цикл преобладает для бело-голубых звезд плоской составляющей нашей Галактики, то становится понятным, почему вспышки Новых звезд обнаружены именно в в ней и почти никогда не наблюдаются в сферической составляющей, в которой бело-голубые звезды отсутствуют.

б) Слияние ядер гелия

В связи с тем что в ядрах образовавшихся красных гигантов, состоящих из гелия, не происходят ядерные реакции, ядра таких звезд претерпевают дальнейшее гравитационное сжатие, за счет которого увеличиваются температура до 100 млн. град и плотность до нескольких сотен тысяч граммов на кубический сантиметр. В этих условиях и начинается новый термоядерный процесс — слияние ядер гелия, который так же, как и термоядерный процесс синтеза гелия, не осуществлен еще в лабораторных условиях на Земле. Происходит образование ядер С¹² через промежуточную стадию, которая может быть записана следующим образом:

Не⁴ + Не⁴ + Е (95 кэв) = Be⁸ + γ,

затем идет процесс последующего присоединения ядра гелия с выделением большого количества энергии

Be⁸ + Не⁴ = С¹² + γ + 7,4 Мэе.

Время жизни ядра Be⁸ чрезвычайно мало и составляет 1(Н⁷ сек; оно распадается на две альфа-частицы. Но при температурах порядка 150 млн. град и высокой плотности его количество, по-видимому, достаточно для образования ядер С¹².

Возможен и непосредственный синтез С¹² из ядер гелия по реакции