К XIX в. накопилось множество доказательств того, что Земля существует уже по крайней мере миллион лет, а может быть, и больше. А уж Солнце наверняка старше Земли! Затем в 1930-х гг. ученые поняли, что звезда является ядерной топкой, как огромная водородная бомба, взорваться которой не дают собственные силы тяготения. За счет ядерного синтеза Солнце может продолжать вырабатывать энергию не просто миллионы, а миллиарды лет, и не беспокоиться о собственном возрастном кризисе. По иронии судьбы такие гигантские объекты, как звезды, существуют благодаря самым крошечным структурам — атомным ядрам.
Обычный атом состоит из плотного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Ядро содержит электрически нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет характерные свойства атома: например, водород имеет 1 протон в ядре, гелий — 2, кислород — 8, а железо — 26. При определенных обстоятельствах (например, при сильном нагреве или поглощении ультрафиолетового излучения) атом может лишиться своих электронов, но именно число протонов в ядре делает его определенным атомом.
Как вы, возможно, помните из школьного курса, одноименные заряды отталкиваются. Если попытаться сжать два атомных ядра, их взаимно положительные заряды будут этому сопротивляться. Но температуры в недрах звезд достигают миллионов градусов — а значит, атомные ядра летают стремительно, поэтому часто и сильно сталкиваются, — а давление настолько высокое, что ядра очень сильно прижимаются друг к другу. Если электростатическое отталкивание удается преодолеть, в игру вступают новые ядерные силы, которые спаивают атомные ядра воедино.
Такое слияние ядер имеет два аспекта. Во-первых, синтезируется атом нового типа, так как в новом ядре будет больше протонов, чем в каждом из двух ядер до слияния. В общем случае, четыре атома водорода сливаются с образованием гелия (два протона водорода становятся нейтронами в новом ядре гелия), три атома гелия сливаются с образованием углерода и так далее. Реальный процесс на самом деле гораздо сложнее, но основной принцип такой.
Во-вторых, при слиянии ядер выделяется энергия. Если рассматривать ядерный синтез в целом, можно ожидать, что суммарная масса атома, образовавшегося в результате слияния, будет равна сумме масс атомов, участвующих в процессе синтеза, — если слепить два меньших комка глины в один, его масса будет суммой масс двух комков, разумеется. Однако физика атомного ядра отличается от того, что мы наблюдаем в привычном макроскопическом мире: атомы подчиняются законам квантовой механики, в которой объекты обладают причудливыми свойствами и ведут себя отрицающим здравый смысл образом.
В процессе слияния ядер небольшое количество массы преобразуется в энергию. По сравнению с этой массой, образующаяся энергия колоссальна; это вытекает из знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc2, согласно которому образующаяся энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате, а скорость света — очень большое число. Несмотря на это, в пересчете на один атом преобразуемая масса настолько крошечная, что выделяемая энергия невероятно мала — чтобы получить энергию, выделяемую при прыжке блохи, потребуется синтезировать миллионы атомов водорода в гелий.
Но звезды — это огромные хранилища водорода. Как мы обсуждали в главе 2, в ядре Солнца 700 млн т водорода сливаются с образованием 695 млн т гелия каждую секунду! Недостающие 5 млн т преобразуются в энергию, и ее достаточно для того, чтобы питать звезду, позволяя ей излучать тепло и свет, которые нужны нам для жизни. Фактически именно излучаемое тепло противодействует собственным силам тяготения звезды: давление излучения от выделяющейся энергии, направленное наружу, уравновешивает силы тяготения, пытающиеся раздавить звезду. Это равновесие сохраняется, пока не изменяются силы тяготения и выделяемая энергия.
В звездных масштабах Солнце — довольно большое (большинство звезд гораздо менее массивные, обладают меньшими энергией и яркостью); однако существуют звезды гораздо больших размеров и массы. Процесс ядерного синтеза в ядре звезды очень сильно зависит от ее массы, причем с ростом массы скорость реакций быстро увеличивается. В ядре звезды с массой, в два раза превосходящей массу Солнца, синтез гелия из водорода происходит в десять раз быстрее, чем в ядре Солнца, и, следовательно, ее светимость в десять раз больше. Звезда с массой, в 20 раз превышающей массу Солнца, а таких звезд существует немало, «сжигает» свое ядерное топливо в 36 000 раз быстрее, чем Солнце. Несмотря на то что у таких звезд больше топлива, они расходуют его так быстро, что продолжительность жизни у них гораздо короче; Солнце будет стабильно сплавлять водород миллиарды лет, а звезда с массой в 20 солнечных масс может прожить всего несколько миллионов.
Говорят, что даже самая яркая звезда не будет светить вечно. Но в действительности у самых ярких звезд самая короткая жизнь. Даже не знаю, какой вы жизненный урок извлечете из этого.
Что происходит, когда в звезде заканчивается водород? Следует отметить, что на самом деле у звезды, подобной Солнцу, водород не заканчивается никогда, поскольку большая часть массы звезды — это водород! Но слияния происходят только в ядре, где самые высокие давление и температура. Наружные слои звезды гораздо холоднее (десятки тысяч градусов в отличие от миллионов), поэтому ядерный синтез там невозможен. В любом случае этот газ в ядро не попадет, поэтому израсходовать его невозможно. Это вроде как иметь канистру с бензином на заднем сиденье автомобиля. Бензин у вас есть, однако вы не сможете воспользоваться им, пока не остановитесь.
Но водород в ядре звезды в конце концов заканчивается. По мере преобразования водорода в гелий, в самом центре звезды накапливаются ядра гелия. Так как у гелия два протона, его ядра сопротивляются сближениям еще сильнее, чем ядра водорода, поэтому для слияния ядер гелия требуются более высокие температура и давление. В звездах с массой меньше половины массы Солнца или еще меньшей таких условий не возникает никогда. В итоге у звезды заканчивается доступное топливо, и энергия перестает генерироваться.
Но в более массивных звездах гелиевая «зола» может продолжать накапливаться. Ядро звезды становится более массивным, ее собственные силы тяготения сдавливают его все сильнее и сильнее, и наконец наступает момент, когда возникают нужные условия для слияния гелия. В мгновение ока ядра гелия слепляются друг с другом с образованием как ядер углерода, так и кислорода. В этом процессе выделяется еще больше энергии, чем при слиянии ядер водорода, поэтому светимость звезды увеличивается — она буквально становится ярче. Все дополнительное тепло из ее ядра сбрасывается в окружающую водородную оболочку. Это нарушает баланс давления, распирающего звезду изнутри, и сил тяготения, стремящихся сжать ее, поэтому звезда реагирует как любой газ при нагревании: она расширяется, разбухает в грандиозных пропорциях.
Как ни странно, но наружные слои звезды остывают! Несмотря на то что суммарная энергия, излучаемая поверхностью звезды, увеличивается, площадь поверхности увеличивается еще больше. Каждый квадратный сантиметр звезды выделяет меньше энергии; просто этих квадратных сантиметров стало гораздо больше, чем раньше. Хотя светимость звезды увеличивается, она остывает, становясь красной. Из-за цвета и размера такую звезду называют красным гигантом.
