Сколько лет звездам и Млечному Пути?

 

Мы не удовлетворяемся, конечно, теми легендами, которые указывают год сотворения мира. По легенде иудейских жрецов мир был создан 5756 лет назад (если считать, что сейчас 1976 г.). Однако византийский церковный счет лет, которого придерживались и в России до Петра I, этот же год считает 7482 годом от сотворения мира. Кому же из них верить? Не приходится верить никому из них, потому что окаменевшие остатки растений и даже ^животных лежат в земле многие миллионы лет.

Расставшись с религиозными легендами, мы пытаемся научным путем восстановить историю нашей планеты и других светил, научно определить их возраст, хотя дату их рождения никто не запротоколировал. Да, кстати сказать, рождение миров было таким длительным процессом, что он растянулся не на часы и не на годы, а на миллионы лет, и «точный» возраст мировых тел ‑ это вообще понятие, лишенное смысла.

Метрикой земных горных пород, как мы уже говорили, в известной мере являются продукты распада радиоактивных элементов, которые в них содержатся. Так было установлено, что возраст самых древних горных пород в земной коре составляет около 3 ‑ 3 1/2 миллиардов лет.

Имея дело с такими большими периодами, можно было бы взять за единицу измерения вреглени не период обращения Земли около Солнца, а период обращения Солнечной системы около центра нашей звездной системы ‑ Галактики. Он составляет около 270 миллионов земных лет. Если эту единицу и для измерения времени назвать космическим годом, то возраст земной коры будет равен (по порядку величины) 20 космическим годам.

Как же определить возраст звезд и Солнца, которое мы привыкли мыслить «отцом» планетной семьи и старшим по возрасту? Метод, использующий радиоактивные элементы и успешно примененный к Земле, ни к Солнцу, ни к звездам неприменим. Пробу их вещества мы взять не можем, а если бы и могли, то она бы нам ничего не сказала, так как эти тела состоят из раскаленных и все время перемешивающихся газов. Ясно, что оценить возраст Солнца и звезд с уверенностью очень трудно, но не безнадежно. За последнее время придуманы разные способы оценки, довольно хорошо согласующиеся друг с другом, а когда показания независимых друг от друга свидетелей, опрошенных по отдельности, сходятся, то приходится признать их за истину.

Возраст звезд и самой нашей звездной системы, как бы они ни стремились его скрыть, нам выдают строение звездной системы и изучение движений звезд.

Дело в том, что наша звездная система имеет определенную и довольно сложную структуру, а не представляется хаотическим скопищем звезд. Это ‑ не толпа беспорядочно снующих людей, а походный боевой строй армейского корпуса, где проявляются сложная структура и соподчинение. Как место выбывших солдат, смыкая ряды, занимают здоровые, так, может быть, и звезды, выбывающие из какого‑либо облака в Млечном Пути, заменяются другими, так что общая картина не меняется в течение десятков космических лет. Такое положение мы называем «динамическим равновесием системы». Это равновесие может быть нарушено.

Расстояния между звездами так велики в сравнении с их размерами, что модель звездной системы мы получим, если вместо звезд предоставим нескольким пылинкам носиться в просторном зале московского Большого театра. Каковы их шансы столкнуться?

Зная расстояния между звездами, их скорости и размеры, можно подсчитать, что столкновение Солнца с какой‑либо звездой может случиться однажды за 200 000 000 млрд. лет, или однажды в миллиард космических лет!

В нашей звездной системе, насчитывающей до двухсот миллиардов звезд, одно столкновение каких‑либо двух звезд происходит в среднем лишь однажды за миллион лет. Быть может, проще поэтому сказать, что столкновений звезд, которые привели бы, конечно, к гибели их планетных систем, практически совсем не происходит.

Даже близкие встречи звезд друг с другом, при которых их путь под действием взаимного тяготения изменился бы очень сильно, происходят исключительно редко. Далекие же прохождения звезд друг около друга, на расстояниях порядка одного светового года (т. е. меньших, чем средние расстояния между звездами, которые, как уже упоминалось, порядка 7 парсек) происходят достаточно часто, меняя направление их пути на угол порядка одной минуты дуги. Такие‑то встречи и производят медленное, но неуклонное разрушение того порядка в звездной системе, который установился при ее рождении. Говорят, «и капля долбит камень». Такого же рода воздействие имеем мы и тут. За один космический год сумма воздействий звезд, проходящих от нашего Солнца на расстояниях от десяти до пятнадцати световых лет, будет так же велика, как если бы за это время оно однажды встретилось с другой звездой на расстоянии всего лишь в три‑четыре раза большем, чем радиус орбиты Плутона (40 астрономических единиц).

Беспорядочные движения звезд в Галактике обнаруживают любопытные особенности, связанные с их физическими характеристиками. Массивные звезды с соответствующей солидностью движутся туда и сюда, в то же время обращаясь вокруг центра Галактики. Красные же карлики, холодные звезды с наименьшей массой, как шустрые мальчишки в толпе солидных людей, быстро шныряют по Галактике во всех направлениях, как бы нарушая общий чинный порядок, но тоже участвуя в общем вращении.

Встречи и взаимные притяжения звезд стремятся перераспределить энергию движения равномерно, так, чтобы энергия каждой из них (равная произведению ее массы на квадрат скорости) была одинакова, и все массивные звезды двигались бы медленнее, чем легкие. В хаотическом скопище газовых молекул так и происходит, как это хорошо известно физикам, только там молекулы обмениваются скоростями при прямых столкновениях. Такое равномерное распределение энергии между звездами (или молекулами, безразлично) может наступить только по истечении достаточно долгого промежутка времени.

Очевидно, Галактика вращается либо недостаточно долго для того, чтобы подобное перераспределение энергии успело в ней наступить, либо звезды имеют разный возраст, а некоторые из них образуются и сейчас. Если бы Галактика существовала в том виде, как мы ее видим теперь, и вращалась дольше десяти тысяч космических лет, разные звезды не обнаруживали бы в такой большой степени свои индивидуальные особенности.

Очевидно, что, действуя в течение космических веков, прохождения звезд друг около друга должны рассеивать звездные скопления. Среди таких звездных скоплений есть довольно рассеянные, не особенно плотные, как, например, Плеяды и Гиады. В Гиады входит около полутораста звезд, рассеянных до расстояния в 15 световых лет от центра скопления, который отстоит от нас на 130 световых лет.

Анализ В. А. Амбарцумяна показывает, что скопление Гиад предохранено от рассеивания по крайней мере на десяток космических лет, после чего притяжение ядра Галактики станет заметно угрожать его целости, а примерно через 50 космических лет группа Гиад перестанет существовать ‑ ее члены рассеются в Галактике.

Но Гиады ‑ уже и сейчас весьма рассеянное скопление. Другие его собратья, Плеяды и Ясли, имеют среднюю плотность, в десять раз большую. Их устойчивость больше, но и им не противостоять притяжению ядра Галактики дольше сотни космических лет, и через этот промежуток времени в Галактике не должно остаться ни одного рассеянного звездного скопления. В наше время процесс их разрушения идет так быстро, что, возникни подобные скопления более полусотни космических лет назад, их бы уже не было. Значит, эти характерные члены нашей звездной системы существуют не более 50 космических лет, но возраст самой Галактики и других составляющих ее звезд, в том числе Солнца, может быть больше. Солнце, многие звезды и наша звездная система в целом могут быть всего лишь в несколько раз старше земной коры, насчитывающей возраст в 20 космических лет. Наряду с этим горячие гигантские звезды и некоторые другие должны быть молодыми, ‑ не старше 1 или 10 миллионов лет, а некоторые из них образуются и сейчас.

Источники энергии звезд, установленные нами, могут поддержать их излучение в течение такого периода времени. Мы не знаем такого источника энергии, который мог бы поддерживать их излучение в течение во много раз большего периода. Меньший срок существования Солнца тоже недопустим уже по тем свидетельствам его действия, которые мы находим на Земле.

Мы видим, что возраст небесных светил почтенен, и история нашей науки ‑ это такой краткий миг в истории жизни звезды, что нам невозможно заметить никакого изменения звезд. За это время на их челе не успевает отложиться ни одной мельчайшей морщинки. Это очень мешает нам представить себе, как рождаются, растут и старятся звезды, каков их жизненный путь. То, что светлое Солнце не может нам рассказать о своем «темном» прошлом (темном для нас), не дает нам возможности рассказать с уверенностью и о его будущем. Для подобных попыток предсказания будущего нашего Солнца первостепенное значение имеет знание источников звездной энергии. Они были открыты в тридцатых годах, и к ним‑то теперь и обратится наш рассказ, тогда как еще недавно поэт мог сказать об этом лишь следующее:

«В глубине бездонной,

Полны чудных сил,

Идут миллионы

Вековых светил...»

(И. Никитин)

 

Что питает звезды?

 

«Мы едим, чтобы жить», ‑ говорит пословица. Усвоение пищи дает живым существам энергию, которую они и расходуют в движении. Всякая машина для работы требует, чтобы ее чем‑либо питали в процессе работы. Станки потребляют электроэнергию, электростанции потребляют уголь ‑ окаменелые растения далекого прошлого; эти растения потребляли солнечное тепло и свет, но что же потребляет само Солнце? За счет чего звезды расходуют такие чудовищные количества энергии? Она должна пополняться, ибо в природе «вечного двигателя» нет и быть не может, чего, к сожалению, не знают до сих пор некоторые горе‑изобретатели.

Если бы Солнце состояло из лучшего донецкого угля и горело, то, даже, получай оно для этого в достаточном количестве кислород, оно сгорело бы целиком примерно за 1500 лет, да и кислорода для этого ему взять неоткуда.

Некогда существовало мнение, что энергия Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Их кинетическая энергия превращается при падении в теплоту, поддерживающую излучение Солнца. Метеоритов должно было бы сыпаться на Солнце невероятно много, и они так быстро увеличивали бы массу Солнца, что это было бы заметно. Такой способ питания помог бы Солнцу не больше, чем нам, если бы мы вздумали вскипятить бочку воды, ставя на ее крышку горячие утюги.

Энергия должна в Солнце поступать изнутри к поверхности, как это показывают нам теперь все данные о природе Солнца.

С течением времени выдвигался еще ряд гипотез, отвергнутых впоследствии. Мы их перечислим вкратце, главным образом для того, чтобы кому‑нибудь не пришло в голову взять на себя напрасный труд повторять ошибки прошлого.

Энергия Солнца могла бы пополняться за счет его сжатия, уменьшения в размерах. При этом энергия тяготения к центру переходила бы в энергию тепловую. Однако вычислено, что если бы даже Солнце было некогда бесконечно большим, то и в этом случае его сжатия до современного размера хватило бы на поддержание его энергии всего лишь в течение 20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и освещается Солнцем гораздо дольше. Сжатие может иметь и наверное имеет место, но не оно служит главным источником солнечной энергии.

Не состоят ли недра звезд из радиоактивных элементов таких, как торий, уран и радий? Распадаясь, они выделяют теплоту. Если бы Солнце целиком состояло из радия (а надо сказать, что на Земле его всего‑навсего добыто только несколько десятков граммов), оно излучало бы больше энергии, чем действительное Солнце. Но при большой начальной расточительности, неизбежной при радиоактивном распаде, интенсивность его излучения спадала бы слишком быстро. Радий не мог бы поддерживать излучения Солнца так долго, как это необходимо. Допустить же существование тяжелых, «сверхрадиоактивных» элементов (не известных на Земле), да еще сконцентрированных в недрах Солнца, современная физика и теория внутреннего строения звезд не позволяют.

На наше счастье, физика атомного ядра, возникшая в двадцатых годах, указала нам источник звездной энергии, хорошо согласующийся с данными астрофизики и, в частности, с выводом о том, что большую часть массы звезд составляет водород.

Слышали ли вы о том, что водород горит? Да, водород в звездах «сгорает» и дает им нужное питание, но это совсем не то горение, т. е. не соединение с кислородом, которое известно из простого опыта. Горение ‑ это химический процесс, т. е. перетасовка атомов между молекулами. Но энергии химических реакций недостаточно для поддержания солнечного тепла.

С другой стороны, при чудовищном жаре в недрах звезд невозможно существование ни молекул, ни атомов ‑ они там распадаются. Там возможны только преобразования сложных систем, называемых ядрами атомов, когда‑то считавшихся неделимыми. При температурах в миллионы градусов происходит распад не только атомов, но и их ядер и перетасовка продуктов распада, отчего образуются ядра новых элементов. Такие перетасовки называются ядерными реакциями.

Теория ядерных реакций привела к выводу, что источником энергии в большинстве звезд, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование атомов гелия из атомов водорода.

Известно, что атом гелия имеет массу приблизительно в четыре раза большую, чем атом водорода. Однако мы не получим атома гелия, сложив попросту четыре атома водорода. Прежде чем материал четырех водородных атомов создаст атом гелия, должен произойти целый ряд чудесных превращений, напоминающих сказочные превращения оборотней. Но такие превращения не проходят «безнаказанно», при них выделяется энергия, что ведет к изменению массы. От того‑то масса атома гелия получается несколько меньшей массы четырех атомов водорода.

Прежде чем ознакомиться подробнее, с тем, как происходят эти превращения и как работает фабрика гелия в недрах звезд, надо сначала мысленно «погрузиться» в недра крошечных атомных ядер.

 

Ядра и ядерные реакции

 

Наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев еще в 1869 г. распределил все известные в его время химические элементы в таблице, всему миру известной теперь под названием таблицы Менделеева.

Элементы расположены в ней в порядке весов их атомов, причем места элементов в таблице связаны с их химическими свойствами. Все открытые впоследствии химические элементы улеглись в клетки таблицы Менделеева, оставшиеся пустыми и ныне достигли числа 106 (В настоящее время искусственно получены новые элементы, более тяжелые, чем уран. Их назвали: нептуний (Np, Z=93), плутоний (Pu, Z=94), америций (Am, Z=95,), кюрий (Cm, Z‑96), берклий (Bk, Z=97), калифорний (Cf, Z=98), эйнштейний (Es, Z=99), фермий (Fm, Z=100), менделевий (Md, Z=101), нобелий (No, Z=102), лоуренсий (Lr, Z=103), и курчатовий (Ku, Z=104). Кроме того, искусственным путем получены элементы: технеций (Тс, Z=43), прометий (Pm, Z=61), астат (At, Z=85) и франций (Fr, Z=87), не имеющие стабильных (т. е. не распадающихся) изотопов. Элементы 105 и 106 еще не получили официального наименования)). Порядковый номер элемента в этой таблице, начиная с 1 для водорода и кончая числом 106, называется атомным номером и обозначается Z. Впоследствии физики открыли, что существуют атомы, имеющие несколько различный атомный вес, но совершенно одинаковые химические свойства, и назвали их изотопами. Многие химические элементы представляют смесь таких изотопов, причем процент того и другого изотопа в их природной смеси оказывается почти всегда постоянным. Атомный вес каждого изотопа, обозначаемый А, по сравнению с весом атома водорода выражается почти точно целым числом. Неодинаковая доля участия изотопов в их смеси, известной химикам просто под названием того или другого элемента, и обусловила то, что в таблице Менделеева встречаются атомные веса, не выражаемые целыми числами. При этих исследованиях были открыты, в частности, изотоп водорода с атомным весом 2 (тяжелый водород, или дейтерий) и изотоп гелия с атомным весом 3, тогда как до этого считалось, что атомные веса этих элементов близки к 1 и к 4. «Тяжелого водорода» и «легкого гелия» встречается в природе очень мало, и потому вес «обычных атомов» (т. е. средний атомный вес) этих элементов очень близок к весу их основных изотопов, равному соответственно 1 и 4. Все это изменило прежние представления о том, что различие в атомном весе является главной причиной различия в химических свойствах элементов.

В помещенной здесь табличке приведены атомные номера Z и атомные веса А изотопов наиболее легких химических элементов, а также процентное участие каждого в их смеси, известной на Земле. Мы видим, например, что у бериллия нет изотопов, а у кислорода их целых три.

 

 

Представление об атомах как о маленьких неделимых шариках пришлось заменить более сложным. Нормальный атом с атомным номером Z состоит из крохотного ядра (диаметром порядка 10‑13 см), окруженного свитой из Z электронов. Электрон несет наименьший возможный заряд отрицательного электричества. Заряд Z электронов уравновешивает такой же по величине, но положительный заряд ядра. Если такой нейтральный атом потеряет один‑два электрона, он приобретает единичный или двойной положительный электрический заряд, становясь положительным ионом, а если ему удается завлечь в свою свиту лишний электрон, то, получив этим единичный отрицательный заряд, он становится отрицательным ионом. Так, нейтральный атом водорода имеет один электрон, атом гелия ‑ 2 электрона и т. д. Масса электронов составляет 0,000544 массы атома (практически ‑ массы ядра) водорода, и 1836 штучек их надо было бы насыпать на чашку весов, чтобы уравновесить одно водородное ядро. Потеря электронов мало влияет на массу атомов.

 

Рис. 192. Условная схема строения ядер атомов гелия и лития. Белые кружки ‑ протоны, черные ‑ нейтроны

Химик, имея дело, скажем, с водородом или азотом, обозначает их Н и N. Физик различает их изотопы, отличающиеся по масое, и обозначает их Н1 и Н2, N14 и N15, ставя справа вверху химического символа атомный вес А. Имея при этом в виду ядра атомов, он ставит еще внизу слева их атомный номер, например 1H1, 1H2, 7N14 и 7N15, электроны же обозначает е‑.

С 1932 г. в атомной физике пошло одно за другим открытие новых частиц, начиная с нейтрона, примерно равного по массе ядру водорода (названному протоном ‑ «простейшим»), но лишенного электрического заряда.

«Простейший» оказался, однако, не так‑то прост, и механически построить из него ядра других атомов оказалось невозможно даже в теории. Действительно, если бы ядро атома с массой А состояло попросту из А протонов, то его заряд Z равнялся бы А, тогда как на деле А всегда больше, чем Z (кроме как для самого водорода). Обычно А примерно вдвое превосходит Z. На самом деле оказалось, как это показали советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гайзенберг, что ядро атома состоит из Z протонов и А ‑ Z нейтронов, тогда его заряд равен Z единиц, а атомный вес равен Z+(A‑Z)=A.

Черное противоположно белому, светлое ‑ темному, и в пару к отрицательному по заряду электрону была открыта такая же по массе частичка с таким же по величине, но положительным зарядом. Ее назвали позитроном. Позитрон скрывался до сих пор от нашего взора, пользуясь тем, что его жизнь недолговечна. В земных условиях уже через миллионную долю секунды он встречается с электроном, и... они оба превращаются в два фотона.

При химических реакциях атомы вступают в связь, оставаясь внутри молекулы неизмененными. При атомных или ядерных реакциях ядра атомов перестраиваются сами и дают новый атом с совершенно новыми химическими свойствами.

Химические реакции выражают формулами вида

2С+О2‑>2СО.

Это означает, что два независимых друг от друга атома углерода, соединившись с молекулой кислорода, состоящей из двух его атомов, дают в результате две молекулы окиси углерода, обозначаемой СО.

Сходные обозначения применяются для описания ядерных реакций.

Алхимики прежних времен долго искали «философский камень» ‑ способ превращать в золото малоценные металлы. Их труды были тщетны, их мечты не сбылись, атомы не желали в их руках превращаться друг в друга, но в XX зеке наука обнаружила, что с некоторыми атомами эти «чудеса» происходят сами по себе, только золота при этом не получается. Так, например, атомы радиоактивных элементов урана и тория испытывают длинный ряд превращений в другие атомы. Эти необыкновенные превращения атомов урана и тория сопровождаются выбрасыванием из их недр ядер более легкого вещества ‑ гелия и возникновением электронов и очень коротковолновых «жестких» (с малой длиной волны) электромагнитных лучей, называемых γ‑лучами. В конце концов уран и торий превращаются в свинец.

Ядра атомов гелия или α‑частицы (летящие со скоростью около 20 000 км/сек) оказались теми снарядами, которыми ученые смогли разрушить ядра некоторых других атомов и вскрыть для нас их природу. Налетая с большой скоростью на них, α‑частицы разбивали эти ядра и образовывали из осколков новые химические элементы. Для этого надо было эти α‑частицы добыть и направить в нужное место. Так английский физик Резерфорд в 1919 г. осуществил мечту алхимиков об искусственном превращении элементов.

Столкнув ядро гелия 2Не4 с ядром азота 7N14, ему удалось превратить их в два других ядра: водорода и кислорода, правда, в форме редкого изотопа с атомным весом 17. Но ведь от этого, как мы уже знаем, кислород не перестает быть кислородом!

Это чудесное превращение можно записать формулой

7N14+2H4‑>8O17+1H1.

Обратите внимание, что суммы значков как верхних, так и нижних в правой и левой частях этого уравнения равны.

Альфа‑частицы поставляются радиоактивными атомами, но еще более «бронебойные», лучше сказать, «ядернобойные» снаряды получаются от искусственно получаемых и разгоняемых протонов и ядер тяжелого водорода (дейтронов).

Для этой цели служат мощные ускорительные установки: циклотроны, линейные ускорители, синхроциклотроны, бетатроны, синхрофазотроны. С их помощью протоны, дейтроны и электроны разгоняются до огромных энергий, сравнимых с энергией космических лучей.

Нейтроны, не имеющие заряда и не отталкиваемые ядрами, еще лучше проникают в их недра и действуют еще разрушительнее. Пригодны для этой цели и «жесткие» γ‑лучи

За последние годы было искусственно произведено множество ядерных реакций. Из них особый интерес представили те, которые привели к новым радиоактивным ядрам. Новые ядра оказались крайне неустойчивыми, распадающимися уже самопроизвольно (т. е. без всякого внешнего воздействия, под влиянием внутренних причин) и очень быстро, отчего они и не встречались в природе. В конце концов у каждого элемента был найден один или несколько радиоактивных изотопов. Однако большинство этих «искусственных» радиоактивных ядер излучает не α‑частицы, а выбрасывает только электроны либо позитроны.

При искусственном преобразовании элементов, связанном с разрушением ядер, разрушающая частица необходимо должна иметь большую энергию, она должна нестись быстро, и этот разгон ей придается в лаборатории искусственно созданным электрическим полем. В природе же необходимую для разрушения ядер скорость разрушающим частицам дает высокая температура. Повышение температуры газа, как известно из физики, приводит к более оживленным движениям составляющих его молекул или атомов. Их скорости можно вычислить, зная температуру газа, а отсюда, зная массу атомов, легко определить энергию их движения, которая потом идет на работу разрушения ядер.

Конструкторы бронебойного оружия, зная массу пули, рассчитывают ту скорость, которую ей надо сообщить, чтобы она могла пробить броню, заданной толщины. Подобно этому, мы можем рассчитать температуру, при которой энергия движения разрушающих частиц достаточна для проникновения их в недра атомных ядер.

Например два протона, несущихся навстречу друг другу, могут преодолеть взаимное отталкивание (усиливающееся при сближении) лишь при скорости, обусловленной температурой в 55 млн. градусов. Где же могут быть такие температуры?! Их нет не только в лаборатории, но и на поверхности звезд. Лишь в их недрах можем мы ожидать найти такие температуры, и к этому нас приводили любые теории внутреннего строения звезд еще задолго до того, как мы стали разбираться в ядерных реакциях. Там, в этих таинственных и невидимых недрах, вес вышележащих слоев звездной материи создает чудовищное давление и высокую плотность газа. В адской тесноте бешено носящиеся частички сталкиваются друг с другом и «обламывают друг другу бока» в том смысле, что уж внешние‑то части атомов, т. е. их электронные оболочки, непрерывно от них отрываются. При этих температурах и давлениях ядра всех легких атомов должны обнажиться, так что в образовавшейся туче обломков оторванных, свободных электронов еще больше, чем ядер. Кому‑нибудь из них удастся подхватить пролетающий мимо электрон, но ненадолго. Следующее же столкновение возвращает атомное ядро к его одиночеству. В земных и лабораторных условиях оболочки из внешних электронов, как щит, отчасти защищают ядра от роковых столкновений, в недрах же звезд только взаимное отталкивание служит этому помехой. Лучше всего защищены от ударов ядра тяжелых элементов, у которых большой заряд ядра и поэтому большая отталкивательная сила.

Интересно отметить следующее свойство этого как бы «искрошенного» вещества, составляющего самые недра звезд. При вычислении величин, характеризующих разные физические условия и события в недрах звезд, играет важную роль средний атомный вес частиц, их образующих. Казалось бы, он должен сильно зависеть от пропорции разных химических элементов, потому что атомный вес водорода 1, а урана 238. Это как будто напоминает задачу о среднем весе неизвестных фруктов в закрытой корзине, где могут быть и вишни, и яблоки, и арбузы. Однако при полной ионизации атомов в недрах звезд каждый из них раскалывается на Z+1 частицу (1 ядро и Z электронов), если атомный номер атома равен Z. Тогда атомный вес смеси атомных обломков получается не А, а А:(Z+1) и, например, для чистого водорода составляет 1/2, а для чистого урана 2,6.

Таким образом, незнание точного химического состава звездных недр мало влияет на оценку величины среднего атомного веса частиц. Тяжелых атомов там не может быть очень много, и главную роль играет то или иное содержание водорода. Ряд данных заставляет считать, что Солнце по крайней мере на 50% состоит из водорода (по массе) и, следовательно, ввиду легковесности водородных атомов они составляют там подавляющее большинство, так что средний атомный вес в звездных недрах должен быть близок к 1.

Для того чтобы рассчитать скорость и действенность ядерных реакций в таком газе, надо знать структуру атомов, законы, действующие в их недрах, и притом все в численном виде, пригодном для математических расчетов, иначе мы будем иметь дело не с научной теорией, а с простыми предположениями.

Прелсде всего нужно ответить на вопрос, что произойдет с частицей, влетевшей в ядро. Оказывается, иногда частица может попросту пролететь сквозь ядро. Далее, ядро может удержать проникшую в него частицу, отдав принесенную ею энергию путем излучения v‑лучей. Наконец, ядро, в которое проникла частица, может распасться, как в одной из реакций, описанных выше.

При разнообразии структуры ядер как своего рода крепостей можно ожидать большого разнообразия в типах столкновений и их последствий; опыты подтверждают эти ожидания и указывают, что для каждого данного типа ядер некоторые скорости столкновения для достижения желаемого результата благоприятнее, чем другие. Например, реакции, при которых сложное ядро, образовавшееся из двух столкнувшихся ядер, разломится на две (далеко не равные) части, гораздо вероятнее, чем реакции, при которых из сложного ядра выбросится только электрон или γ‑луч.

Вычисления вероятности и скорости протекания различных ядерных реакций при разных температурах начались с 1929 г. Нас интересуют, конечно, те реакции, которые сопровождаются выделением энергии.

В ядрах атомов происходят удивительные превращения, которые показались бы нам невероятными, если бы мы не убедились в них непосредственно. Выделяющиеся при этих превращениях энергии даже трудно себе представить, так они огромны. Оказалось, что общая энергия какого‑либо тела связана с его массой, причем эта связь выражается формулой

Е=mс2,

где Е ‑ энергия, m ‑ масса и с ‑ скорость света.

Для того чтобы охарактеризовать величину выделяющейся энергии, достаточно сказать,что сжигание тонны угля в чистом кислороде освобождает только 5‑Ю16 эргов энергии, тогда как, выделив всю энергию, заключенную в одной тонне (безразлично угля, соломы или чего‑либо иного), мы получили бы в 18 миллиардов раз больше. Если выделить всю энергию, связанную с кусочком угля, величиной с горошину, то ее хватило бы для огромного океанского парохода, чтобы объехать кругом земной шар. Однако освободить всю энергию, связанную с какой‑либо массой, мы пока не можем. В частности, убыль массы, связанная с превращением вещества в излучение при радиоактивном распаде, измеряется небольшими долями процента.

При радиоактивном распаде и при ядерных реакциях выделяется энергия, что связано с уменьшением массы участвующих в реакциях элементарных частиц. Совокупный результат таких событий, происходящих с мириадами атомов, дает ощутимый результат. Например, мы уверенно измеряем тепло, выделяемое в лаборатории радиоактивным веществом в объеме наперстка. Наконец, выделение тепла и вообще энергии при ядерных реакциях в недрах Солнца ощущается человечеством с первых дней его существо‑вания. Тепло Солнца сделало возможным возникновение и развитие жизни на Земле, и в известном смысле мы можем сказать, что мы с вами обязаны своим существованием тому, что в недрах далекого от нас Солнца идет непрерывное выделение энергии вместе с ничтожным уменьшением массы ничтожных атомов.

Чтобы техника будущего могла воспользоваться чудовищными запасами энергии, скрытыми в атомах, чтобы вместо многих вагонов угля на океанские пароходы брать с собой в кругосветные плавания пробирку с каким‑либо веществом, энергия которого должна быть использована в пути, надо будет пройти долгий путь. Еще не все тайны атомных ядер раскрыты, и раскрытию их помогает изучение небесных светил, бесконечно от нас далеких и, казалось бы, таких для нас бесполезных. К сожалению, многие люди не подозревают о том, что астрономия, считаемая ими занятием, далеким от жизни и праздным, является необходимейшим звеном в развитии и духовной и материальной культуры.

В звездах и в Солнце главным источником энергии являются ядерные реакции. При уменьшении массы частиц, участвующих в этих реакциях, уменьшается и связанная с ними энергия, а освободившаяся энергия излучается в мировое пространство. Следовательно, при излучении масса Солнца уменьшается.

Исходя из известной интенсивности излучения энергии Солнцем, мы приходим к заключению, что его масса ежесекундно убывает примерно на 4 миллиона тонн, которые уносятся излучением.

Чудовищное число! ‑ но обнаружить подобное уменьшение непосредственно невозможно, так как оно ничтожно мало в сравнении с массой всего Солнца. За то время, что существует земная кора (3 миллиарда лет), Солнце потеряло только 1/7500 часть своей массы. Если бы кто‑либо мог с современной точностью определить массу Солнца на заре жизненного пути нашей планеты, то, сравнив ее с теперешними определениями, мы бы все равно не установили ее уменьшения. Точность определения массы небесных тел не достигает 0,01%, т. е. той величины, которой выражается относительное уменьшение массы Солнца за этот чудовищно долгий период времени.

При ядерных реакциях в лабораториях выделение энергии сопровождается уменьшением массы не на тонны, а на ничтожнейшие доли миллиграммов, но это составяет уже заметную долю массы самих атомов, тоже ничтожно малой. Умудрившись точно измерять массу атома, физики сумели определить и ее изменение в результате ядерных реакций.

Подобного рода изменения проявляются в том, что массы атомных ядер разных химических элементов относятся друг к другу не в точности как целые числа.

Если атомный вес кислорода О16 принять ровно за 16, как это всегда делается, то оказывается, например, что атомный вес водорода составляет не ровно 1, а 1,00812, атомный вес гелия Не4 не ровно 4, а 4,00390, дейтерия не ровно 2, а 2,01470. На последнем примере ‑ простейшем ‑ рассмотрим это подробнее. Два водородных ядра или протона ХНХ с массой 1,00812‑0,00054=1,00758, соединяясь, образуют пару, состоящую из дейтрона 1Н2 и позитрона. (У каждого протона один положительный заряд и, соединяясь, они дали бы двойной заряд, у дейтрона же только один положительный заряд, как и у протона, отчего носитель лишнего положительного заряда ‑ позитрон ‑ выделяется при образовании ядра.) Эту ядерную реакцию можно изобразить формулой

1H1+1H1‑>1H2+e+

Выделенный при реакции позитрон, недолговечность которого уже отмечалась, быстро сливается с каким‑либо свободным электроном. Слившись, они исчезают оба, превратившись в два кванта γ‑излучения.

Таким образом, соединение двух протонов и чуждого им до этих пор отрицательного электрона приводит к рождению дейтрона и γ‑излучения.

Масса образованного дейтрона вместе с позитроном составляет 2,01470 и на 0,00046 меньше массы двух протонов. За счет этой‑то части, составляющей 0,00046:2,015 или 0,00022 (почти 0,02%) от исходной массы двух протонов, и возникли γ‑кванты. При превращении грамма протонов в дейтроны выделится 6,8•1017 эргов. Это примерно в тысячу раз меньше энергии, заключенной в одном грамме протонов, но все же в пять раз больше, чем энергия, отданная одним граммом солнечного вещества за всю его жизнь, т. е. за несколько миллиардов лет. Мы видим, что по порядку величины лишь ядерные реакции (реально существующие и наблюдаемые нами в лаборатории) могут (и вполне удовлетворительно) играть роль машины, накачивающей энергию к солнечной поверхности.

 

«Цикл питания» звезд

 

Уже с тридцатых годов астрофизики не сомневались, что из ядерных реакций у легких элементов единственной, способной достаточно долго и энергично поддерживать излучение звезд главкой последовательности диаграммы спектр ‑ светимость, является образование гелия из водорода. Другие реакции либо продолжаются слишком короткое время (конечно, в космическом масштабе!), либо дают слишком малый выход энергии.

Однако путь прямого объединения четырех ядер водорода в ядро гелия оказался невозможным: реакция превращения в недрах звезд водорода в гелий должна идти «окольными путями».

Первый путь состоит в последовательном соединении сначала двух атомов водорода, потом присоединения к ним третьего и т. д.

Второй путь заключается в преобразовании водорода в гелий с «помощью» атомов азота и особенно углерода.

Хотя первый путь, казалось бы, более прост, в течение довольно длительного времени он не пользовался «должным уважением», и астрофизики считали, что основной реакцией, питающей звезды энергией, является второй путь ‑ «углеродный цикл».

На постройку ядра гелия идет четыре протона, которые сами по себе ни за что не желают сложиться в а‑частицу, если бы им не помогал углерод.

В цепи этих реакций углерод играет роль необходимого пособника и как бы организатора. В химических реакциях тоже встречаются такого рода пособники, называемые катализаторами.