|
КАК РОЖДАЮТСЯ, ЖИВУТ И УМИРАЮТ ЗВЕЗДЫ
Если вдруг задаться вопросом: какие
небесные объекты более всего подходят на
роль символа Вселенной, то, скорее всего,
первыми на ум придут звезды. Именно их, по
словам Эсхила, "владык лучистых неба",
не сговариваясь, наверняка назовут многие
люди -- во все века, во всех народах.
Крупнейшему древнеримскому мыслителю-стоику
и драматургу Сенеке принадлежит не менее
удачный образ. Он высказался так: если бы на
Земле имелось только одно-единственное
место, откуда бы наблюдались звезды, то туда
непрерывным потоком отовсюду стекались бы
люди. Согласно естественно-научным
представлениям, звезды -- основной
строительный материал Мироздания. Давно
просчитано, что почти 97-98% всего вещества
Вселенной сосредоточено в звездах. Таким
образом, они - главные хранители физической
массы. Остальное вещество приходится на
межзвездную газо-пылевую среду, которая,
как долгое время полагали, является либо
продуктом, порожденным звездами, либо
материей, из которой образовались небесные
тела. Осталось только выяснить, как все это
увязано с "Великой пустотой" -
физическим вакуумом. В начале книги уже
приводились слова Канта, назвавшего
звездное небо над нами одним из двух
величайших чудес света (второе -- моральный
закон внутри нас). Полночных солнц к себе
нас манят светы... В колодцах труб пытливый
тонет взгляд. Алмазный бег вселенные
стремят: Системы звезд, туманности, планеты,
От Альфы Пса до Веги и от Бэты Медведицы до
трепетных Плеяд - Они простор небесный
бороздят, Творят во тьме свершенья и обеты.
О, пыль миров! О, рой священных пчел! Я
исследил, измерил, взвесил, счел, Дал имена,
составил карты, сметы... Но ужас звезд от
знанья не потух. Мы помним все: наш древний,
темный дух, Ах, не крещен в глубоких водах
Леты! Максимилиан Волошин Сколько ни
существует человек, в какие бы эпохи он ни
вглядывался в звездное небо -- оно (по
законам психологического восприятия, что
ли?) всегда воспринимается сначала -- как
единый звездный ковер, а лишь потом -- на нем
начинают различаться отдельные узоры-созвездия
и их составные элементы -- светила. Хотя
блуждание некоторых из них по ночному
небосклону было подмечено очень и очень
давно, -- правильное объяснение отличия
звезд от планет появилось лишь на
достаточно высокой стадии развития науки.
Согласно научному пониманию, звезды светят
собственным светом, планеты -- отраженным. К
правильному ответу еще в древности привели
регулярные наблюдения Луны и размышления о
природе солнечных и лунных затмений. Тогда
же была высказана верная догадка, что
Солнце -- одна из бессчетного множества
звезд, и их природа примерно одинакова.
Позднее эту мысль в афористически четкой
форме выразил Джордано Бруно: Солнце --
звезда, а все звезды -- солнца. Верхом
трудности и неразрешимости всегда почему-то
считался вопрос: "Сколько звезд на небе?".
В действительности вопрос -- не ахти какой
сложный, и астрономы давным-давно
установили, что невооруженным глазом на
всех концах земли можно увидеть (конечно,
при благоприятных атмосферных условиях) не
более шести тысяч звезд. Это -- совокупно. А
одноразово, находясь в каком-то одном месте,
-- всего лишь половину (звезды южного
полушария, как известно, не видны в северном
и наоборот). Картина невыразимо меняется --
стоит только заглянуть в телескоп. Перед
изумленным взором действительно
распахивается космическая бездна в
необъятности своих звездных миров.
Ближайшая к Земле и всей Солнечной системе
звезда -- Проксима Центавра -- знаменита не
только своей близостью, но и слабостью
светимости, которая в 11,6 тысячи раз (!)
слабее Солнца. Чтобы достичь ее, свету
требуется 4,27 года. Вообще расстояния между
звездами несравнимы с их собственными
размерами. В окрестности Солнца среднее
расстояние между ними около 10 световых лет,
или 3 парсека. Именно поэтому вероятность
столкновения между звездами достаточно
мала. Есть в других звездных мирах и
планетные системы, наподобие нашей. Скорее
всего, наличие планет -- естественная
космическая закономерность. Но как это
доказать? В телескоп иносолнечные планеты
на таком огромном расстоянии не разглядеть.
Некоторую надежду подавали незначительные
отклонения движения некоторых звезд от
расчетных траекторий: считалось, что это
происходит под влиянием невидимых с Земли
планет. И лишь совсем недавно, в 1995 -1996 годах,
с помощью точнейших измерений, основанных
на доплеровском эффекте, были выявлены 7
планет, обращающихся окрест ряда ближних
звезд солнечного типа. Предположительно
они похожи на сестер Земли по семье Солнца.
Но есть и отличия. Некоторые по расчетной
массе превосходят наш Юпитер, другие
вращаются вокруг своей звезды по орбитам,
меньшим, чем у нашего Меркурия.
Доказательством открытия иносолнечных
планет служат следующие доводы и факты.
Массивная невидимая планета и ее звезда
образуют своего рода космическую гантелью,
вращающуюся вокруг общего центра масс. В
результате звезда, от которой улавливаются
световые сигналы, то удаляется, то
приближается по отношению к земному
наблюдателю и его приборам. В соответствии
с эффектом Доплера спектр излучения звезды
попеременно сдвигается по частоте то в
сторону коротких, то в сторону длинных волн.
По зафиксированным изменениям в спектрах
излучения и удалось сделать вывод о наличии
массивных планетарных тел в окрестности
наблюдаемых звезд, а также рассчитать их
возможную массу и орбиты. Между прочим, это
только сегодня для жизни считаются
пригодными одни лишь планеты. Сравнительно
недавно ее возможность допускалась и на
звездах. Вильям Гершель, чей авторитет
остается непререкаемым и по сей день, не
исключал наличия жизни даже на Солнце. Он
считал, что в солнечных глубинах
температура значительно ниже, чем на
поверхности, и там вполне возможна жизнь
даже в разумных формах. Более того, долгое-долгое
время сохранялась вера в одушевленность
самих звезд, идущая от древней
натурфилософии и эзотерики. В русской
поэзии олицетворение звезд и светил
сохранялось на протяжении всей ее истории.
Образ лермонтовской одушевленнной
Вселенной, где "звезда с звездою говорит",
красной нитью прошел через творчество
крупнейших поэтов. У Афанасия Фета с поэтом
ведут разговор сами звезды. Они говорят: "Вечность
-- мы, ты -- миг". Нам нет числа. Напрасно
мыслью жадной Ты думы вечной догоняешь тень;
Мы здесь горим, чтоб в сумрак непроглядный К
тебе просился беззакатный день. Вот почему,
когда дышать так трудно, Тебе отрадно так
поднять чело С лица земли, где все темно и
скудно, К нам, в нашу глубь, где пышно и
светло. Федор Тютчев, напротив, считая
человека потомком "ночной и
неразгаданной бездны", сам стремится
стать звездой, раствориться в звездном мире:
Душа хотела б стать звездой, Но не тогда, как
с неба полуночи Сии светила, как живые очи,
Глядят на сонный мир земной, - Но днем, когда,
сокрытые как дымом Палящих солнечных лучей,
Они, как божества, горят светлей В эфире
чистом и незримом. Владимир Маяковский, как
все хорошо помнят, зазывал на чай само
Солнце и имел с ним продолжительную беседу.
Современный взгляд на Вселенную и весь
окружающий мир -- во многом рецидив старого
механистического мировоззрения. Согласно
ему, элементы первичны по отношению к
образуемой ими структуре. В этом смысле и
звезды во всем их многообразии считаются
исходным строительным материалом, "кирпичиками",
из которых построены галактики. Формально
так оно и есть. Другого вроде бы в принципе
быть не может. Однако, с точки зрения
законов целостности, составные элементы
ничто без самой этой целостности. Потому-то
и звезды неизбежно обусловлены
галактической целостностью. Они -- как
клетки в живом организме: одни нарождаются,
другие отмирают. Сам же организм при этом
живет своей особой жизнью. Подобное
представление совсем не по душе
сторонникам концепции Большого взрыва. Они
всячески стараются уложить Вселенную в
прокрустово ложе своей умозрительной
модели. Включая звезды: они, дескать,
родились на определенном этапе расширения (вздутия)
Вселенной, должны просуществовать
некоторый отрезок времени, строго заданный
математическими формулами, после чего
погибнуть. Впрочем, большинство астрономов
не отрицает, что звезды образовались
одновременно с галактиками путем сжатия и
сгущения первичного протогалактического
вещества. Весь вопрос (и несогласие) в том, в
какие сроки укладывается данный процесс,
является ли он непрерывным, цикличным и
бесконечным? Между тем, пока ученые спорят,
звезды продолжают рождаться, развиваться и
умирать. Еще в прошлом веке астрономами
была разработана удобная классификация
звезд по их спектрам. В качестве критерия
были избраны температурные характеристики.
Так, голубые звезды имеют температуру 20 000 -
30 000o, белые -- 10 000o, желтые -- 5 000 - 8
000o, красные и малиновые -- 2 000 - 4000o.
Размеры звезд также сильно разнятся. К
примеру, сверхгигантская звезда S Золотой
Рыбы по размерам диаметра в 1300 раз
превосходит Солнце. Напротив, величина
некоторых белых карликов приближается к
размеру Земли и других планет земного типа.
Вследствие этого в центральных частях
белых карликов плотность вещества доходит
до чудовищных величин -- до 1 000 тонн на
кубический сантиметр и более. При такой
плотности атомы вещества лишаются
электронов и само вещество начинает
подчиняться совершенно непривычным
законам. В различных типах звезд по-разному
протекают и энергетические процессы (рис.
66). Два знаменитых физика прошлого века --
лорд Кельвин (1824-1907) и Германн Гельмгольц
(1821-1894) -- предположили, что первичным
источником звездной энергии служит
гравитация. Эта гипотеза так и называется
гипотезой сжатия, поскольку в ней
утверждается, что энергия излучения
порождается непрерывным сжатием звезды под
действием ее собственной гравитации. Для
наглядности рассмотрим два состояния
Солнца (рис. 67) на различных стадиях его
образования как обычной звезды. Стадия 1
представляет собой ранний этап в истории
Солнца. На 1-й стадии Солнце было гораздо
больше, чем на 2-й, то есть в его нынешнем
виде. Если Солнце образовалось в результате
конденсации облака межзвездного газа, то 1-я
стадия -- это состояние, при котором
составные части будущего Солнца были
значительно удалены друг от друга. От 1-й
стадии ко 2-й Солнце сжимается под действием
собственной силы гравитации. Другими
словами, сила гравитации производит работу
по приведению Солнца в современное
состояние из исходного разреженного. По
известному нам закону превращения работы в
энергию эта работа сил гравитации должна
перейти в кинетическую энергию. Однако на
Солнце нет крупномасштабных движений. Куда
же девалась кинетическая энергия? Если как
следует разобраться в этом вопросе, то мы
поймем, что кинетическая энергия не исчезла!
Солнце находится в газообразном состоянии,
а частицы газа движутся, но не упорядоченно,
а хаотично. Атомы и молекулы перемещаются
во всевозможных направлениях с различными
скоростями. Хотя эти движения в среднем
компенсируют друг друга и не приводят к
появлению упорядоченного
крупномасштабного движения, газ все же
обладает внутренней кинетической энергией.
Эта энергия увеличивается (частицы газа
движутся все быстрее) при медленном сжатии
Солнца. В чем же проявляется эта
кинетическая энергия, если она не приводит
к заметным крупномасштабным движениям? О
наличии кинетической энергии
свидетельствует давление газа. С ростом
кинетической энергии растет и давление
газа. Даже на поверхности Земли, снимая
показания барометра, мы говорим о давлении
воздуха. Если барометр показывает 750 мм, то
это означает, что атмосферное давление
достаточно для того, чтобы поддерживать
вертикальный столбик ртути высотой 750 мм.
Когда мы поднимаемся на самолете,
атмосферное давление за бортом падает. На
высоте 3000 м оно уже так мало, что самолет
приходится герметизировать. Изменение
давления газа сопровождается
соответствующим изменением температуры. В
сжимающемся газовом облаке, которое
постепенно превратилось в Солнце, с
увеличением давления росла и температура. А
при высокой температуре газ излучает. Таким
образом, гипотеза Кельвина -- Гельмгольца
предполагает такую последовательность
превращений энергии: Гравитационная
энергия ъ Кинетическая энергия ъ Энергия
излучения Солнце светит благодаря силе
гравитации. Рассмотрим теперь величину W.
Это -- энергия, израсходованная Солнцем за
время сжатия от стадии I к стадии II. Какова
продолжительность сжатия? Чтобы вычислить
этот промежуток времени, нужно знать
скорость, с которой Солнце расходовало
энергию за счет излучения. По количеству
излучения, падающего на Землю, астрономы
рассчитали, что темп расхода энергии
примерно 1,2.1041 эрг/год. Если по сравнению с
прошлым этот темп существенно не изменился,
то благодаря гравитационной энергии Солнце
светит уже около 30 миллионов лет. По
человеческим меркам, 30 миллионов лет - срок
огромный, поэтому на первый взгляд гипотеза
Кельвина--Гельмгольца удовлетворительно
объясняет, почему светит Солнце. Однако,
когда геологи оценили возраст Земли,
который оказался значительно больше,
возникли сомнения в ее правильности. По
принятым оценкам, возраст Земли составляет
почти 4,5 миллиарда лет, а некоторые
геофизики доводят эту цифру до 10 миллиардов
лет. Если верны современные представления о
происхождении Солнечной системы, то Солнце
и Земля образовались примерно одновременно.
Если же Солнце гораздо старше 30 миллионов
лет, то для объяснения его энергетических
запасов нужно искать какой-то другой
источник помимо гравитации. Тайна
источника солнечной энергии оставалась
неразгаданной до 30-х годов нашего столетия.
К этому времени астрономы стали лучше
представлять себе внутреннее строение
Солнца и других звезд. Английскому
астроному Артуру Эддингтону (1882-1944) удалось
выразить эти представления в виде четырех
уравнений внутреннего строения звезд. В них
содержится следующая информация. Первое
уравнение называется уравнением
гидростатического равновесия (рис. 68). Оно
описывает, каким образом Солнце (или звезда)
удерживается в равновесии под действием
противоположно направленных сил
гравитации и сил внутреннего давления.
Внутреннее давление в звезде частично
обусловлено горячим газом в ее недрах, а
частично -- излучением. Сила гравитации
стремится сжать Солнце, а силы внутреннего
давления -- расширить его. Второе уравнение
описывает соотношение между массой Солнца
и его плотностью. Третье уравнение, которое
называется уравнением состояния, связывает
давление с температурой и плотностью. Из
этих уравнений получается модель, в которой
Солнце представляет собой газовый шар с
высокой температурой в центре, постепенно
понижающейся к поверхности. Четвертое
уравнение описывает, как излучение горячих
внутренних областей, просачиваясь наружу,
постепенно поглощается. Вследствие этого
поглощения излучение, генерированное в
центре Солнца, достигает поверхности не со
скоростью света, а в триллионы раз
медленнее. С помощью этих уравнений
Эддингтону удалось показать, что
реалистичная модель Солнца обладает
поверхностной температурой около 5500oС
(ранее такая оценка получилась у астрономов
из анализа излучения Солнца) и температурой
в центре более 10 миллионов градусов Цельсия.
В то время информация о таинственном
источнике энергии Солнца отсутствовала. И
тут Эддингтон высказал пророческое
предположение. Он заявил, что температура в
центре Солнца настолько высока, что может
высвобождаться ядерная энергия,
достаточная, чтобы обеспечить свечение
Солнца. Физики-атомщики с этим не
соглашались. Им казалось, что температура в
недрах звезд недостаточна, чтобы вызвать
высвобождение ядерной энергии. На подобные
возражения Эддингтон язвительно отвечал:
"Не будем спорить с тем, кто считает, что
звезды недостаточно горячи для этого
процесса: пусть пойдет и поищет себе
местечко погорячее". В аду не сыщешь
фурии, которая могла бы сравниться с
разгневанным физиком-теоретиком! В 1920-х
годах ядерная физика была еще молода, и ни у
Эддингтона, ни у его противников не хватало
убедительных аргументов для продолжения
спора. В конце концов оказалось, что
Эддингтон прав -- температуры в центральных
областях звезд и в самом деле достаточно
высоки для поддержания ядерных реакций
синтеза легких атомов. Располагая
современными знаниями об атомном ядре,
можно понять, почему вначале возникли
разногласия и как потом удалось от них
избавиться. На рисунке 69-а показаны четыре
отдельных ядра атома водорода,
представляющих собой не что иное, как
положительно заряженные элементарные
частицы, называемые протонами. На рисунке 69-б
изображено ядро атома гелия (Не). Оно
состоит из двух протонов и двух нейтронов.
Нейтроны -- это незаряженные, или
нейтральные, частицы. В термоядерной
реакции четыре протона соединяются и
образуют ядро атома гелия: 4Н ъ Не + 2е+ + 2n +
Энергия. Из такой символической записи
реакции следует, что ее продуктами являются
ядро гелия, два позитрона (е+), два нейтрино
(n) и энергия. Позитроны, античастицы
электронов, имеют ту же массу, что и
электроны, но положительный заряд. Если
потребовать, чтобы в термоядерной реакции
полный электрический заряд оставался
неизменным, то две единицы положительного
заряда, не вошедшие в ядро атома гелия,
должны перейти к каким-то другим продуктам
реакции. Такая роль отводится позитронам.
Выделение энергии в описанной реакции
синтеза происходит по следующей причине.
Общая масса четырех участвующих в реакции
ядер водорода несколько превышает
суммарную массу продуктов реакции (ядра
гелия и других четырех легких частиц). Но
согласно специальной теории
относительности Эйнштейна, при любом
природном процессе потеря в массе должна
компенсироваться соответствующим
выигрышем в энергии. Эта энергия и
потерянная масса связаны знаменитой
формулой Эйнштейна: Е = Мс2. В реакции
синтеза ядер гелия теряемая масса
эквивалентна энергии 26,72 МэВ. Другими
словами, часть массы, переходящая в энергию,
составляет 0,7% массы всего водорода,
превращающегося в гелий. Это и есть тот
резервуар, из которого люди собираются
черпать энергию, если им удастся построить
термоядерный реактор. Реакция в таком
реакторе несколько отличается от синтеза в
недрах Солнца. В термоядерном реакторе на
Земле исходным топливом служит тяжелый
водород -- дейтерий. Его ядро состоит из
нейтрона и протона. Для получения ядра
атома гелия и лучистой энергии нужно
соединить два таких ядра. Физики-атомщики
1920-х годов возражали против гипотезы
Эддингтона потому, что соединить четыре
ядра водорода очень трудно. Поскольку
протоны положительно заряжены, они
отталкивают друг друга в соответствии с
законом электростатики, который гласит, что
одинаковые заряды отталкиваются. Как же
соединить эти одинаковые заряды? В 1920-х
годах эта проблема казалась неразрешимой,
но в следующем десятилетии с открытием
сильного ядерного взаимодействия
трудности удалось преодолеть. В ядре гелия
на рисунке 78-б имеются два протона. Но как
они удерживаются вместе, если одинаковые
заряды отталкиваются? Ответ заключается в
том, что внутри ядра действует какая-то сила,
гораздо более мощная, чем сила
электростатического отталкивания; она-то и
связывает вместе четыре частицы (два
нейтрона и два протона). Это сильное ядерное
взаимодействие распространяется как на
нейтроны, так и на протоны, но заметно лишь
на очень малом расстоянии. Если протоны
сталкиваются с достаточно большими
скоростями, они могут сблизиться настолько,
что сильное ядерное взаимодействие будет
возможно. В газе из водорода с высокой
температурой ядра движутся с большими
случайными скоростями и, несмотря на
электростатическое отталкивание, иногда
подлетают друг к другу так близко, что
сильное ядерное взаимодействие соединяет
их. Температуры в центрах звезд,
составляющие от 10 миллионов до 40 миллионов
градусов Цельсия, достаточно высоки, чтобы
ядра достигли скоростей, при которых
возможно их слияние, как и утверждал
Эддингтон. В основе современной теории
внутреннего строения звезд лежат четыре
уравнения Эддингтона плюс еще одно
уравнение, которое описывает скорость
выделения энергии в термоядерных реакциях
в центральных областях звезды. В 1938 году
Ганс Бете решил пятое уравнение и построил
полную модель звезды. Трудно переоценить
решающую роль гравитации в этих уравнениях.
Чтобы уравновесить гравитационное
притяжение и предотвратить
катастрофический гравитационный коллапс
Солнца, необходимы колоссальные силы
давления. Эти силы давления обусловлены
высокими температурами и плотностями.
Сжимающееся облако межзвездного газа
становится звездой в тот момент, когда
температура в его центре достигает
значения, достаточного для начала ядерных
реакций. При попытках достичь высоких
температур, подходящих для начала ядерных
реакций в земном реакторе, гравитация никак
не используется. В недрах Солнца она
сдерживает газ, в котором происходит бурное
выделение ядерной энергии. На Земле для
удержания горячего газа приходится искать
другие средства, например магнитное поле.
Эти опыты еще далеки от успешного
завершения. Чтобы больше узнать о влиянии
гравитации на звезды, проведем мысленный
эксперимент. Предположим, мы связали
горячую звезду с холодным проводником
тепла. Мы знаем, что тепло переходит от
горячего тела к холодному, поэтому и в нашем
мысленном эксперименте поток тепла потечет
от горячей звезды к холодной. Тем не менее
нас ждет сюрприз! В обычных условиях, если
тепло переходит от горячего тела к
холодному, температура горячего тела
понижается, а холодного растет. По мере
утечки тепла из горячей звезды ее
внутреннее давление будет падать и
равновесие нарушится, так что звезда
сожмется под действием сил гравитации. А
при сжатии звезды газ разогревается и
температура повышается! Что происходит с
другой, холодной звездой? Она получает
тепло, давление в ней растет, и ее
равновесие также нарушается. Звезда
расширяется, так как силы внутреннего
давления преобладают над силами гравитации.
Но с расширением звезды газ охлаждается,
поэтому холодная звезда становится еще
холоднее! Как ни странно такое поведение,
нечто подобное действительно происходит в
ходе звездной эволюции. Мы уже видели, что в
центральном ядре звезды, подобной Солнцу,
температура достаточно высока для
поддержания реакции синтеза гелия из
водорода. Что произойдет, когда водород в
ядре иссякнет? Из-за дефицита топлива
термоядерный реактор на время "выключится".
Это приведет к снижению выработки тепла и к
падению давления в ядре, поэтому ядро
сжимается и разогревается. Когда его
температура повысится примерно до 100
миллионов градусов Цельсия, реактор снова
оживет. Однако теперь топливом будет
служить уже не водород, а гелий. При такой
температуре три ядра гелия могут слиться и
образовать ядро углерода. Тем временем для
сохранения общего равновесия внешняя
оболочка звезды расширится и звезда станет
гигантом. Расширение оболочки ведет к
охлаждению, так что поверхностная
температура звезды упадет. Если
температура на поверхности Солнца около 5500oС,
то поверхностная температура звезды-гиганта
может понижаться до 3500oС. Поэтому наше
Солнце имеет желтоватый цвет, а цвет звезд-гигантов
приближается к красному. В ходе звездной
эволюции процессы сжатия и расширения
чередуются вновь и вновь. Пока есть топливо,
звезда его сжигает. Когда его запасы
иссякают, ядро сжимается и разогревается до
тех пор, пока не достигнет температуры,
достаточной для начала термоядерной
реакции с новым топливом. В этой
последовательности появляются ядра все
более тяжелых элементов: Гелий ъ Углерод ъ
Кислород ъ Неон ъ Кремний ъ Железо На каждом
этапе для сохранения равновесия внешняя
оболочка звезды расширяется все сильнее.
Звезда-гигант становится все больше. Однако
ядерная физика учит, что процесс синтеза не
может продолжаться без конца, а
прекращается на ядрах группы железа.
Дальнейшее присоединение частиц к ядру
железа уже не может привести к выделению
энергии. К этому моменту температура ядра
достигает около 10 млрд. градусов Цельсия, и
звезда оказывается в катастрофическом
положении. Гравитации, которая до сих пор
регулировала равновесие горячей звезды,
это уже не под силу. В звезде развиваются
неустойчивости, вследствие которых внешняя
оболочка может быть сброшена. Эта
катастрофа наблюдается как вспышка
сверхновой звезды. Продуктами такого
взрыва являются атомные ядра (синтезированные
в звезде), электроны, нейтрино и излучения.
Ядра атомов образуют потоки космических
лучей, которые распространяются в нашей
Галактике на огромные расстояния. Для нас,
жителей Земли, было бы настоящей
катастрофой, если бы взрыв сверхновой
произошел на расстоянии, скажем, 100 световых
лет. Порожденные этим взрывом космические
лучи высоких энергий натворили бы страшных
бед в земной атмосфере. Они могли бы,
например, разрушить весь защитный слой
озона и тем самым открыть все живое на Земле
ультрафиолетовому излучению Солнца. К
счастью, взрыв сверхновой -- довольно редкое
явление. Частота таких взрывов по всей
Галактике -- примерно одно событие в 100-300 лет.
Поэтому вероятность взрыва сверхновой в
наших окрестностях не дальше 100 световых
лет в течение тысячи лет равна всего лишь
одной миллионной. При всей
разрушительности взрыва сверхновой
имеются данные, что это событие может в свою
очередь стимулировать образование звезды
из близлежащего газового облака.
Химический состав Солнечной системы
свидетельствует о том, что своим рождением
она могла быть обязана взрыву сверхновой.
Сталкиваясь с облаком межзвездного газа,
ударные волны от таких взрывов могут
способствовать началу сжатия. Не исключено,
что Солнце и планеты сконденсировались из
сжимающегося газового облака. Таким
образом, звездные катастрофы могут играть и
созидательную, а не только разрушительную
роль*. Установлено (как уже было сказано),
что все звезды живут своей долгой и
своеобразной жизнью. По крайней мере каждая
из них когда-то родилась и когда-то умрет. В.А.
Амбарцумян сформулировал дилемму,
возникшую в современной звездной
космогонии: что считать первичным при
образовании светил -- рассеянное ли (диффузное)
вещество или какие-то плотные (сверхплотные
образования). Хотя нет никаких прямых
доказательств возникновения звезд из
диффузного вещества (так же, как и прямо
противоречащих этому факту), то обычно
ссылаются на косвенные аргументы. В пользу
образования звезд из межзвездного
диффузного вещества говорят следующие
доводы. В нашей Галактике мы не наблюдаем
непосредственно никаких других, сколько-нибудь
значительных по массе объектов, кроме звезд
и диффузной материи. А так как формирование
звезд продолжается -- и это общепризнанный
факт, -- то они могли возникнуть только из
диффузного вещества. Для обоснования
противоположной гипотезы необходимо
предположить, что существуют какие-нибудь
неизвестные нам плотные "протозвезды".
Если сравнить распределение звезд и
диффузного вещества, то легко можно
убедиться, что молодые звезды расположены
главным образом в непосредственной
близости от плоскости Галактики. То же
самое характерно для диффузного вещества.
Более того, в тех областях пространства, где
расположены группы молодых, недавно
возникших звезд, то есть в звездных
ассоциациях, мы часто наблюдаем диффузные
газовые туманности, которые следует тогда
рассматривать как материал для продолжения
процесса звездообразования или как остатки
этого процесса. Поскольку Галактика
состоит из спиральных ветвей, вдоль которых
и располагаются молодые звезды и звездные
ассоциации, постольку гораздо легче
предположить, что форма ветвей отражает
распределение газа, из которого звезды
возникли. Наблюдаемые газовые облака, по-видимому,
располагаются вдоль тех же спиральных
ветвей. Наконец, только диффузное тело
большого первоначального объема может
иметь большой момент вращения, каким
обладают, например, широкие звездные пары,
то есть те, составные части которых
расположены далеко друг от друга. Вот
вкратце аргументы В.А. Амбарцумяна в пользу
гипотезы о возникновении звезд из
диффузного вещества. Сторонники
противоположной точки зрения утверждают,
что диффузное вещество и звезды возникают
совместно из каких-то массивных
образований неизвестного нам типа. Этим
можно объяснить, что молодые звезды и
диффузное вещество встречаются в Галактике
большей частью совместно. Весьма часто мы
непосредственно наблюдаем в Галактике
явления расширения и рассеяния диффузного
вещества. При этом иногда это диффузное
вещество на наших глазах выбрасывается из
звезд. Так, во время вспышек новых и
сверхновых звезд выброшенное из звезды
вещество образует туманности, которые
расширяются и затем рассеиваются. Однако
нигде и никогда мы не наблюдали не только
сгущения диффузной материи в звезды, но и
вообще какого бы то ни было сжатия
разреженных газовых масс. Мы знаем, что
некоторые газовые туманности расширяются.
Примером может служить туманность Розетка
в созвездии Единорога. В центральной части
этой расширяющейся туманности находится
разреженная область, где, однако,
наблюдается группа молодых звезд.
Естественно допустить, что в результате
взрыва какого-то плотного массивного тела
образовалась эта группа молодых звезд и
одновременно были выброшены большие
газовые массы, которые продолжают до сих
пор расширяться. В центральной части
туманности Ориона находится кратная
звездная система, называемая Трапецией.
Звезды этой группы удаляются друг от друга
со столь значительными скоростями, что
должны выйти из-под влияния взаимного
притяжения. Если в обычном газе скорости
внутреннего движения настолько
уменьшилось, что он под воздействием
собственных сил тяготения собрался в эти
звезды, то непонятно, как у возникших звезд
могли появиться столь большие скорости.
Однако взрывом массивного плотного тела
можно объяснить и образование
расширяющейся Трапеции, и возникновение
окружающей ее туманности. Если прибавить к
этому то, что нам известно о расширяющихся
оболочках вокруг отдельных звезд и групп
молодых гигантов, то получается картина,
диаметрально противоположная той, которую
рисуют сторонники гипотезы конденсации.
Наконец, остается неясным, как сгущающаяся
в звезду газовая масса освобождается от
имеющегося у нее обычно избыточного
момента вращения. Конечно, представители
обеих точек зрения пытаются найти обходные
пути для решения встречающихся затруднений.
Однако самое важное при этом, на наш взгляд,
использование системного подхода к
исследованию проблемы, учет
закономерностей не только
звездообразования, но также и тех известных
процессов, которые происходят в галактиках
и, самое главное, на вакуумном уровне. Ибо
вакуум с его открытыми и еще не открытыми
свойствами, во-первых, заполняет большую
часть межзвездного и межгалактического
пространства, а, во-вторых, лежит в основе
всех астрофизических процессов (и не только
их одних), по поводу которых, собственно, и
ведутся дискуссии. Одно время
предполагалось, что все известные типы
звезд -- от голубого гиганта до белого
карлика -- это различные стадии общей для
всех звездной эволюции. Сегодня думают по-другому.
Считается, что звезды-гиганты завершают
свой жизненный цикл мощным взрывом.
Напротив, небольшие звезды, вроде нашего
Солнца, после того, как спустя примерно 10
миллиардов лет выгорает все содержавшееся
в них ядерное топливо, сжимаются и
превращаются в белые карлики. Те также
постепенно угасают и становятся абсолютно
безжизненными телами. Сказанное выше --
всего лишь некоторые из обсуждаемых в
настоящий момент гипотез. Пройдет немного
времени -- и ситуация может радикально
измениться. Собственно, альтернативный
подход сформулирован давно -- еще в середине
нынешнего века. "Крамольная" точка
зрения принадлежит выдающемуся
отечественному космисту Н.А. Козыреву. Он
считал, что объяснить энергетические
процессы, происходящие внутри звезд и
обусловливающие их эволюцию, на основе
термоядерных реакций, конечно, возможно. Но
это -- всего лишь дань времени. Так было
всегда. Господствующая научная парадигма
накладывала отпечаток на картину мира и
становилась "палочкой-выручалочкой"
для истолкования любых малоизученных
явлений. Во времена господства
механистического мировоззрения небесные и
космогонические явления
интерпретировались в духе классической
физики, сдобренной термодинамикой. Затем
старые и казавшиеся незыблемыми взгляды
потеснил электродинамический подход. Затем
-- квантово-механический и релятивистский. В
настоящее время ускоренно набирает силу (фактически
-- уже набрал!) информационно-голографический.
В итоге, с учетом колоссальных достижений и
практических результатов в области ядерной
физики, восторжествовало мнение, что
свечение звезд да и само их существование
обусловлено термоядерными реакциями.
Выглядит подобное объяснение
правдоподобно и даже привлекательно,
однако оставляет многие традиционные
вопросы без ответа. Козырев скрупулезно
перечисляет их: 1) фазовое состояние
звездного вещества (газ Больцмана и Ферми);
2) характер переноса энергии --
лучеиспусканием или конвекцией; 3) роль
лучевого давления внутри звезд; 4) значение
коэффициента поглощения; 5) химический
состав звезд, "то есть среднее значение
молекулярного веса газов внутри звезд"; 6)
механизм выделения звездной энергии*. В
анализе перечисленных проблем пулковский
астроном шел не от умозрений и не от моды, а
от фактов. Главный среди них: температура в
звездах ниже, чем это необходимо для
термоядерных реакций. Их светимость
зависит только от массы и радиуса. Наконец,
самый непостижимый с точки зрения здравого
смысла вывод: в звездах вообще нет никакого
собственного источника энергии. Звезда
излучает так, -- пояснял Козырев, -- как будто
она, остывая, никак не может остыть. Потеря
энергии должна неизбежно приводить к
необратимым результатам в строении звезды:
она должна сжиматься. Но этого не
происходит! В недрах звезд происходят не
термоядерные, а неведомые пока процессы,
которые компенсируют все потери энергии. По-видимому,
считал ученый, мы имеем дело с механизмом
выделения энергии совершенно особого рода,
"неизвестного земной лаборатории".
Вселенная -- своего рода "вечный
двигатель". Механизм свечения Солнца
такой же, как и у любой другой звезды
подобного типа: по собственным расчетам
русского космиста, температура внутри
нашего светила слишком мала, чтобы оно
могло быть термоядерным реактором. Хотя
такая точка зрения на сегодня считается
общепризнанной. Крамольные тезисы следует
толковать с точки зрения общего понимания
Козыревым фундаментальных закономерностей
целостной Вселенной. Таковыми он считал
законы времени, о чем подробно говорилось в
первой части настоящей книги. Доподлинно же
известно немногое. Например, совершенно
точно установлено: звезды с наибольшей
яркостью имеют самую короткую
продолжительность жизни. Установлена так-
же зависимость сгорания звезд от их массы.
Казалось бы, чем больше вещества, тем больше
запасов топлива и тем дольше оно должно
гореть. Оказалось, все наоборот: массивные
звезды сгорают гораздо быстрее, время их
жизни, скорее всего, несколько десятков
миллионов лет. Это обусловлено
закономерностями ядерных реакций,
происходящих в недрах звезд. Так, если
звезда в 10 раз массивнее Солнца, то она
расходует свои запасы ядерного топлива в 1000
(!) раз быстрее, чем Солнце. Такая звезда,
хоть и обладает первоначальным запасом
протонов, десятикратно превышающим
солнечный, будет жить в 100 раз меньше Солнца
(в общем случае говорят: продолжительность
жизни звезд обратно пропорциональна
квадрату их масс). Затем происходит
мощнейший космический взрыв, который гасит
звезду подобно тому, как сильное дуновение
гасит пламя свечи. Здесь мы вновь вернулись
к традиционному для конца ХХ века
представлению о термоядерных источниках
энергии звезд. Хотя в прошлом, до открытия
ядерной энергии, астрономы и космологи, как
мы помним, считали, что к мощнейшему
разогреву звезды приводит гравитационное
сжатие ее вещества. Известный американский
ученый Г. Рессел сформулировал пять условий,
которым должны удовлетворять источники
энергии звезд. Во-первых, они должны
действовать при очень высоких давлениях и
температурах, существующих именно в недрах
звезд. Во-вторых, выделение звездной
энергии не должно ускоряться, иначе это
приведет к быстрым взрывам и на ночном небе
вместо неподвижных светил наблюдалась бы
огненная вакханалия. В-третьих, звездная
энергия должна за счет чего-то
компенсироваться. В-четвертых, как бы не
подпитывалась энергия звезды, она в течение
весьма продолжительного времени обязана
иссякнуть, а звезда превратиться в белого
карлика. В-пятых, сами белые карлики,
которых во Вселенной более чем достаточно,
должны обладать собственным запасом
энергии, дабы обеспечить длительность
своего существования. Основная информация,
которую мы получаем от звезд, переносится
на Землю в виде света. Дальше к делу
подключаются приборы и аналитическое
мышление. Так, чтобы определить температуру
на поверхности звезды, с помощью
спектрографа устанавливают ее спектр, то
есть частоты и длины волн. По частоте
определяется энергия звездных фотонов и
делается вывод о температуре на
поверхности самой звезды. Разные спектры --
разные звезды. Но все они входят в те или
иные спектральные классы. Еще один
важнейший параметр, который можно
установить по излучаемому свету, -- видимый
блеск звезды. В зависимости от него
строится шкала звездных величин, где самым
ярким звездам присвоена первая звездная
величина, а самым слабым из видимых
невооруженным глазом -- шестая. Другими
словами, чем слабее звезда, тем больше ее
звездная величина. Звездная величина
ничего не говорит нам о расстоянии до
светила. Когда такое расстояние
установлено, возникает необходимость
ввести понятие светимости, которая имеет в
виду блеск звезд каким бы он виделся, если
бы все звезды находились на равном
расстоянии от наблюдателя. Светимость --
типичное отвлеченное (абстрактное) научное
понятие, но без него трудно составить
правильное представление о мире звезд.
Разброс в светимостях звезд, находящихся на
разном расстоянии от Земли, оказался
огромным. Так, наше Солнце находится где-то
посередине общей шкалы светимостей. При
этом светимость некоторых гигантов
превышает солнечную в 100 000 раз. И во столько
же светимость слабейших белых карликов
ниже солнечной. В зависимости от своей
светимости и поверхностных температур все
звезды были распределены на одной из самых
удобных астрономических диаграмм,
названной по фамилиям открывших ее (независимо
друг от друга) ученых диаграммой
Герцшпрунга--Рессела (рис. 70). На приведенной
ниже таблице хорошо видно: у большинства
звезд поверхностные температуры и
абсолютные звездные величины таковы, что
эти звезды (включая Солнце) кучно
располагаются по диагонали диаграммы. Эта
насыщенная часть "картинки" именуется
в астрономии главной последовательностью.
Для входящих в нее звезд характерна четкая
связь между поверхностными температурами и
светимостями: чем выше поверхностная
температура звезды, тем больше ее
абсолютная звездная величина, или
светимость. Звезды главной
последовательности (а их большинство во
Вселенной) на протяжении почти всей своей
эволюции активно выделяют энергию, не меняя
при этом существенно свои размеры. Но есть в
звездном мире объекты, которые не
вписываются в традиционные каталоги. К ним,
в частности, относятся так называемые
сверхновые звезды, или просто -- Сверхновые.
Природа их стала проясняться не так давно.
Но астрономы сталкиваются с этими
необычными небесными явлениями вот уже
почти тысячелетие. Первыми были китайцы и
японцы. Они первыми зафиксировали на небе в
1054 году необычно крупную и доселе
неизвестную звезду, превосходившую
яркостью Венеру и видимую даже днем. Одна из
вспышек сверхновых звезд была
зарегистрирована китайскими хронистами
свыше 900 лет назад; 23 дня сияла на небе
красно-белая звезда, немеркнущая даже при
солнечном свете. Так продолжалось 23 дня,
после чего яркость стала постепенно
уменьшаться. Через полтора года небесная
гостья вообще исчезла с небосклона, что
немало озадачило ученых. Уже в наши дни было
определено, что "звезда-гостья"
взорвалась в созвездии Тельца, и информация
об этом событии достигла Земли спустя шесть
тысяч лет (столько потребовалось свету,
чтобы достичь окрестностей Солнечной
системы). На месте, где сияло необычное
светило, сейчас находится Крабовидная
туманность -- все, что осталось от
взорвавшейся звезды. Если бы она находилась
ближе к нам, то по ночам 1054 года можно было
бы вполне читать книги: светимость
Сверхновой (а это была именно она!)
равнялась примерно 500 миллионам солнц.
Сверхновые -- не частые гостьи на земном
небосклоне. Европейцам они стали известны
со времени феноменального открытия Тихо
Браге в 1572 году. А спустя чуть больше
четверти века -- в 1604 году -- такое же
открытие сделал Кеплер. Затем наступила
пауза продолжительностью в три века. Теперь
Сверхновые открываются регулярно -- от 20 до
30 ежегодно. Но все они располагаются в
других галактиках. Каждая такая вспышка
превосходит сияние миллиардов звезд,
составляющих Галактику. Подсчитано, что в
любой из галактик одна Сверхновая
рождается раз в 100-300 лет. Естественно, что
колоссальный космический взрыв приводит к
гибели самой звезды и катастрофическим
последствиям в ее ближайших окрестностях.
Однако сам факт космического взрыва, скорее
всего, является закономерным, а не
случайным в рамках сохранения и
перераспределения энергетического баланса
галактик. Как именно это происходит (и тем
более -- почему), можно только догадываться...
Появление и внедрение новых методов
исследования, создание мощных
радиотелескопов раздвинули горизонты
звездного мира, обогатили науку новыми,
доселе неведомыми объектами -- такими,
например, как пульсары или квазары.
Название последних происходит от
английского quasar, сокращенно от quasistellar
radiosource -- "квазизвездный источник
радиоизлучения". Они были впервые
открыты в 1960 году и являются самыми мощными
источниками излучения во Вселенной.
Мощность их излучения (светимости), включая
радио, инфракрасный, оптический,
ультрафиолетовый и рентгеновский
диапазоны (а в отдельных случаях и g-диапазон),
достигает 1046-1047 эрг/сек. В настоящее время
открыты уже многие тысячи квазаров. И все
они отстоят от нашей Галактики на миллиарды
световых лет. Природа их во многом неясна, а
те объяснения, которые даются в рамках
концепции "Большого взрыва", выглядят
более чем неубедительными. По мнению
известного английского космолога Фреда
Хойла, квазары -- осколки, появившиеся в
результате галактического взрыва и
разлетающиеся с колоссальной скоростью.
Необходимо также отдавать себе отчет и в
том, что все известное о квазарах на сегодня
может подвергнуться серьезной
корректировке в будущем. Один из главных
исследователей сверхдальних космических
объектов Патрик Озмер предупреждает: "Следует
помнить, что, как бы правдоподобно ни
выглядели наши современные представления о
квазарах, остается некоторая вероятность
того, что они совершенно неверны в важных
деталях. Некоторые астрономы выражают
сомнение, что квазары действительно так
далеки, как указывают их красные смещения.
Другие ставят под вопрос реальность
высокой пространственной плотности
квазаров при больших красных смещениях и
предполагают, что квазары в
действительности ярче и что их
интенсивность усиливается в результате
прохождения излучения вблизи галактик,
лежащих на луче зрения и действующих как
гравитационные линзы. В науке редко бывает (если
бывает вообще), чтобы большой объем
собранных данных был сразу же объяснен
теоретически. Вероятно, также дело обстоит
и с квазарами"*.
|
