Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Миттон Саймон

Воображаемые астрономы других планетных систем наблюдали бы через 5 млрд. лет на Солнце драматические изменения. При сжатии ядра внешние слои сильно расширятся, в результате чего Солнце станет огромным красным шаром с диаметром, в 10 раз большим диаметра сегодняшнего Солнца. Такая звезда — красный гигант на диаграмме Г—Р, поток энергии от нее в тысячи раз больше нормального. Ее излучение принесет на планеты иссушающий зной. Здесь играют роль некоторые тонкие физические эффекты. Коллапсирующее (сжимающееся) ядро сохраняет почти неизменную температуру. Для этого оно должно избавиться от части своей внутренней энергии, которая передается внешним слоям или оболочке, приводя к ее резкому расширению. Парадоксальное золотое правило звездной эволюции состоит в том, что сжатие внутренних слоев приводит к расширению внешних. Другой эффект состоит в том, что более холодное и более красное Солнце будет посылать на планеты больше тепла. Это объясняется увеличением поверхности звезды и, следовательно, ее видимого размера, по крайней мере раз в сто. Такое увеличение

с избытком компенсирует уменьшение светимости на единицу площади. Что же произойдет с Землей? Океаны и реки закипят, ледяные шапки растают, атмосфера улетит в космическое пространство. Бесплодная скалистая поверхность нашей планеты будет обдуваться яростным солнечным ветром, дующим снова с огромной скоростью. Каждый год Солнце — красный гигант — будет терять одну миллионную (10^{– 6} своей массы. Во внешних частях Солнечной системы гигантские планеты Юпитер и Сатурн будут освобождены от глубокого льда, покрывавшего их поверхности в течение 10 млрд. лет. Ледяной покров, состоящий из метана, аммония и водорода, толщиной в десятки тысяч км испарится. Возможно, обнажатся их скальные ядра. А во внутренней части Солнечной системы Меркурий будет вращаться почти внутри Солнца.

Будут иметь место и другие эффекты: Солнце будет видно так далеко в Галактике, как никогда раньше. На астрономическом языке это означает, что его видимая звездная величина увеличится на 6^m. Подобно тому как в настоящее время красный гигант Бетельгейзе ( Ориона) является одной из самых ярких звезд нашего неба, так Солнце будет господствовать на чужом небе неизвестных планет далеко в космическом пространстве на расстояниях в тысячи световых лет.

В масштабах астрономического времени это расширение можно назвать непродолжительным. Подобно большинству внезапно развивающихся природных явлений, рассмотренный процесс зайдет слишком далеко. Высокая светимость приведет к невосполняемому расходу теперь уже ограниченного резерва топлива. В оболочке водород будет сгорать все быстрее, сброс продукта горения — ядер гелия — в солнечное ядро будет продолжаться, и когда в центре Солнца накопится достаточное количество гелиевой золы, ее температура начнет расти. Когда температура достигнет 100 млн. градусов, начнется процесс слияния трех ядер гелия (-частиц), в результате которого образуются ядра атомов углерода. Ядерная топка выйдет из-под контроля, так как температура будет продолжать расти по мере ускорения ядерных реакций, а рост температуры только ускорит темпы сгорания гелия. Условия будут совсем отличными от условий в звездах главной последовательности, когда дополнительный нагрев, приводящий к увеличению давления, компенсируется небольшим расширением — важным стабилизирующим фактором. Нет, конечная стадия солнечной эволюции совсем не мирная, так как давление в ядре будет нечувствительно к температуре. Стадия, на которой возникает гелиевая вспышка, приводящая к образованию углерода (и азота) в ядре, является вершиной эволюции красного гиганта. Конечная вспышка отодвинет, по всей вероятности, внешнюю границу Солнца до положения теперешней орбиты Земли.

Вопреки общераспространенному мнению наше Солнце не станет ни новой, ни сверхновой звездой. Так, вспышка гелия не вызовет внезапного уярчения или нечто похожего на взрыв звезды. Ведь ядро, в котором все это происходит, экранировано протяженной оболочкой.

Дальнейшее поведение Солнца не может быть предсказано с большой определенностью. В конце своего существования как красного гиганта оно может стать неустойчивым. Если на границе ядра создается тонкий слой, где сгорает гелий, могут происходить частые вспышки. Солнце будет в этом случае сокращаться в размерах и становиться горячее, пока давление излучения умирающего ядра не станет достаточно сильным, чтобы рассеять атмосферную оболочку в космическое пространство со скоростью в несколько десятков километров в секунду. Мы не знаем, потеряет ли Солнце свою оболочку сразу целиком или в результате ряда выбросов. Но что известно вполне определенно, это то, что звезды с массой, близкой массе Солнца, образуют планетарную туманность, в которой кольцо светящегося водорода и гелия окружает крошечную очень горячую звезду с температурой поверхности около 100 000 градусов. Эта центральная звезда фактически представляет собой звездное ядро, горячую, но уже мертвую ядерную станцию звезды.

Конечная судьба солнц удивительно проста. Оболочка туманности постепенно расплывается в межзвездном пространстве, где в конечном итоге объединяется с газовыми туманностями, в которых в далеком будущем могут возникнуть новые поколения звезд и планет. Тем временем горячее ядро, излучая в пространство, постепенно охлаждается. Все это время на диаграмме Г—Р оно передвигается вниз, оказываясь слева от главной последовательности. Оно превратится в белого карлика. Значительная часть массы Солнца будет утрамбована в шар размером в Землю. Белый карлик не сжимается, несмотря на то что его внутреннее гравитационное поле очень сильно. Электроны, эти маленькие заряженные частицы, образующие внешние облака вокруг атомов, сжаты так сильно, что их давление может противостоять гравитации. Это электронное давление возникает не из-за отталкивания электронов, как вы можете предположить. Это особая сила, похожей на которую нет в нашем обычном мире. Эта сила имеет квантовую природу и проявляется только в микромире элементарных частиц.

Она возникает вследствие того, что все электроны внутри звезды должны обладать различными по величине энергиями.

При дальнейшем остывании белый карлик медленно гаснет. В конце концов он остынет настолько, что не будет ничего излучать в видимом свете. Он превратится в черного карлика, почти необнаружимую груду ядерных отходов, состоящих в основном из гелия, углерода, азота и кислорода. Все вещество, в нем содержащееся, на этой стадии достигло конца космической дороги, если иметь в виду предсказуемое будущее Вселенной. Через шесть миллиардов лет Солнце и Земля безусловно будут мертвы.

Исследование эволюции звезд, более горячих чем Солнце, окружным путем приводит нас снова, как мы увидим, к проблеме зарождения Солнечной системы. Не место в книге о Солнце вдаваться во второстепенные детали эволюции звезд, поэтому мы подчеркнем только основные моменты. У звезд с большей массой и, следовательно, более горячих, чем Солнце, процесс превращения водорода в гелий идет другим путем, через углеродно-азотный цикл. Эта реакция состоит из шести стадий, и в ней ядра углерода и азота используются лишь как вспомогательные звенья для образования гелия из самых легких элементов. Сами углерод и азот не расходуются. Внутри Солнца температура недостаточно высока, чтобы углеродно-азотный цикл мог эффективно осуществляться, но он работает внутри более горячих звезд, центральная температура которых превышает 16 млн. градусов. Вклад этого цикла в энергию, выделяющуюся внутри Солнца, составляет всего около 2%.

Одной из наиболее важных характеристик звезд с большей, чем у Солнца, массой является меньшая продолжительность жизни. Это может показаться немного странным: ведь у более крупных звезд больше топлива и поэтому они должны вроде бы жить дольше. Верно, у них больше топливных запасов, но они расходуют их гораздо быстрее. Так, звезда с массой в 5 раз большей солнечной имеет в 5 раз больше водорода для ядерного реактора. Однако большая масса приводит к большему сжатию и, следовательно, к более высоким значениям температуры и давления в центре звезды. В результате скорость ядерных реакций увеличивается примерно в тысячу раз. В итоге смерть звезд наступает в двести раз быстрее, примерно через 50 млн. лет. Теперь задумайтесь над следующим вопросом. Человек появился только через 5 млрд. лет после образования прото-Солнца. Могла ли разумная жизнь развиться на планетах, вращающихся вокруг звезд большой массы? Вряд ли, ведь время жизни этих звезд слишком мало.

И все же самое удивительное, что именно эти расточительные звезды сделали возможным зарождение жизни. Когда звезда типа Солнца умирает, она сбрасывает газовую оболочку в космическое пространство и сжимается в шар, содержащий легкие элементы: гелий, углерод, азот. Но когда умирает массивная звезда, она делает это гораздо эффектнее. Объект в 10 раз массивнее Солнца просто не может погаснуть тихо. При истощении запасов топлива, ядро такой звезды очень быстро сжимается, возможно в течение секунды, превращаясь или в небольшой нейтронный шар диаметром 10 км, или, может быть, даже в черную дыру. В результате такого направленного внутрь взрыва, или имплозии, возникает ударная волна, пересекающая внешнюю оболочку в то время, когда она начинает обрушиваться на ядро. Ударная волна сжимает газ, и в течение следующей секунды его температура возрастает до значения, достаточного для ядерного взрыва. Решающий момент во всем этом процессе — внезапная смерть ядра в результате эффекта гравитации, которому уже не может противостоять давление. Это лишает оболочку звезды возможности спокойно перестроиться. Умирающей массивной звезде ничего не остается, как превратиться в сверхновую звезду.

Взрыв звезды большой массы создает благоприятные условия для образования тяжелых элементов. В горячей богатой гелием оболочке звезды образуются изотопы таких элементов, как неон, магний, кремний, сера и других, еще более тяжелых, вплоть до железа (такие процессы происходят также и в центре массивных звезд). Элементы тяжелее железа образуются путем захвата ядер гелия и, что еще важнее, свободных нейтронов.

Взрыв сверхновой выбрасывает газ в космическое пространство. Этот газ обогащен тяжелыми элементами, образованными либо в ядерном очаге, либо во взрывающейся оболочке. Это вещество уносится в пространство со скоростями, превышающими 10 млн. км/час. За миллионы лет скорость их уменьшается, и они незаметно сливаются с веществом газовой туманности межзвездного пространства. Теперь сцена готова для нового действия — для образования нового поколения звезд, обогащенного «золой» своих предков. Таким образом, все вещество Земли и наших тел создано в конечном счете из водорода и гелия во время ядерных взрывов, имевших место задолго до рождения Солнца. Ведь первое поколение звезд, образовавшихся на ранней стадии эволюции нашей Галактики, не могло бы иметь планет. Планеты могут возникать лишь у звезд, которые, подобно Солнцу, содержат некоторую долю вещества, уже участвовавшего в одном из циклов.

Наша дневная звезда служит астрономам-теоретикам легко доступным испытательным стендом для проверки их моделей. Действительно, в самой основе моделей звездных структур лежат солнечные модели. Поэтому вполне понятно, что, когда подвергают сомнению правильность моделей Солнца, это очень сильно волнует теоретиков.

Именно такая ситуация в конечном счете привела к открытию дрожаний или колебаний Солнца. Открытие таких дрожаний аризонским исследователем Генри Хиллом является одной из самых интересных (в том числе по своему неправдоподобию) страниц истории астрономии.