Звезды: их рождение, жизнь и смерть

На рубеже XIX и XX вв. было сделано одно из величайших открытий в истории человечества — обнаружена радиоактивность. Тем самым открылся совершенно новый мир атомных ядер. Потребовалось, однако, не одно десятилетие, чтобы физика атомного ядра стала на прочную научную основу. Уже к 20-м годам нашего века стало ясно, что источник энергии Солнца и звезд следует искать в ядерных превращениях. Сам Эддингтон тоже так считал, однако указать конкретные ядерные процессы, происходящие в реальных звездных недрах и сопровождаемые выделением нужного количества энергии, тогда еще не было возможности. Насколько несовершенны были тогда знания природы источников звездной энергии, видно хотя бы из того, что Джинс — крупнейший английский физик и астроном начала нашего века,— полагал, что таким источником может быть... радиоактивность. Это, конечно, тоже ядерный процесс, но он, как легко показать, совершенно непригоден для объяснения излучения Солнца и звезд. Это видно хотя бы из того, что такой источник энергии совершенно не зависит от внешних условий — ведь радиоактивность, как хорошо известно, есть процесс спонтанный. По этой причине такой источник никак не мог бы «подстраиваться» под меняющуюся структуру звезды. Другими словами, отсутствовала бы «регулировка» излучения звезды. Вся картина звездного излучения резко противоречила бы наблюдениям. Первым, кто это понял, был замечательный эстонский астроном Э. Эпик, который незадолго до второй мировой войны пришел к выводу, что источником энергии Солнца и звезд могут быть только термоядерные реакции синтеза.

Только в 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звездной энергии. Что же это за реакции? В § 7 мы уже упоминали, что в недрах звезд должны происходить термоядерные реакции. Остановимся на этом немного подробнее. Как известно, ядерные реакции, сопровождающиеся превращениями ядер и выделением энергии, происходят при столкновении частиц. Такими частицами могут быть прежде всего сами ядра. Кроме того, ядерные реакции могут происходить и при столкновениях ядер с нейтронами. Однако свободные (т. е. не связанные в ядрах) нейтроны являются неустойчивыми частицами. Поэтому их количество в недрах звезд должно быть ничтожно мало [ 23 ] . С другой стороны, так как водород является самым обильным элементом в звездных недрах и он полностью ионизован, особенно часто будут происходить столкновения ядер с протонами.

23

В отдельных редких случаях при катастрофических процессах, являющихся причиной взрыва звезд, реакции с нейтронами, по-видимому, могут иметь существенное значение.

Для того чтобы протон мог при таком столкновении проникнуть в ядро, с которым он сталкивается, ему надо приблизиться к последнему на расстояние около 10^{– 13} см. Именно на таком расстоянии действуют специфические силы притяжения, «цементирующие» ядро и присоединяющие к нему «чужой», сталкивающийся протон. Но для того, чтобы приблизиться к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже заряжено положительно! Легко подсчитать, что для преодоления этой электростатической силы протону нужно иметь кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию электростатического взаимодействия

Между тем, как мы убедились в § 7, средняя кинетическая энергия тепловых протонов в солнечных недрах составляет всего лишь около 1 кэВ, т. е. в 1000 раз меньше. Протонов с нужной для ядерных реакций энергией в недрах звезд практически не будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам квантовой механики протоны, энергия которых даже значительно меньше 1000 кэВ, все же, с некоторой небольшой вероятностью, могут преодолеть кулоновские силы отталкивания и попасть в ядро. Эта вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, но она не равна нулю. В то же время число протонов по мере приближения их энергии к средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается, что в условиях звездных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеет такую энергию. И все же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звезд.

Мы остановили свое внимание на реакциях с протонами не только потому, что они — самая обильная составляющая вещества звездных недр. Если сталкиваются более тяжелые ядра, у которых заряды значительно больше элементарного заряда протона, кулоновские силы отталкивания существенно увеличиваются, и ядра при T

10⁷ К уже не имеют практически никакой возможности проникнуть друг в друга. Только при значительно более высоких температурах, которые в некоторых случаях реализуются внутри звезд, возможны ядерные реакции на тяжелых элементах.

Мы уже говорили в § 3, что сущность ядерных реакций внутри Солнца и звезд состоит в том, что через ряд промежуточных этапов четыре ядра водорода объединяются в одно ядро гелия (

– частицы), причем избыточная масса выделяется в виде энергии, нагревающей среду, в которой происходят реакции. В звездных недрах существуют два пути превращения водорода в гелий, отличающиеся разной последовательностью ядерных реакций. Первый путь обычно называется «протон-протонная реакция», второй — «углеродно-азотная реакция».

Опишем сначала протон-протонную реакцию.

Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в результате которых получается ядро тяжелого водорода — дейтерия. Даже в условиях звездных недр это происходит очень редко. Как правило, столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы просто разлетаются в разные стороны. Для того чтобы в результате столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо, чтобы при таком столкновении выполнялось два независимых условия. Во-первых, надо, чтобы у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия раз в двадцать превосходила бы среднюю энергию тепловых движений при температуре звездных недр. Как уже говорилось выше, только одна стомиллионная часть протонов имеет такую относительно высокую энергию, необходимую для преодоления «кулоновского барьера». Во-вторых, необходимо, чтобы за время столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Ибо только протон с нейтроном могут образовать ядро дейтерия! Заметим, что длительность столкновения всего лишь около 10^{– 21} секунды (оно порядка классического радиуса протона, поделенного на его скорость). Если все это учесть, то получается, что каждый протон имеет реальные шансы превратиться таким способом в дейтерий только раз в несколько десятков миллиардов лет. Но так как протонов в недрах звезд достаточно много, такие реакции, и притом в нужном количестве, будут иметь место.

По-другому складывается судьба вновь образовавшихся ядер дейтерия. Они «жадно», всего лишь через несколько секунд, «заглатывают» какой-нибудь близкий протон, превращаясь в изотоп гелия ³Не. После этого возможны три пути (ветви) ядерных реакций. Чаще всего изотоп гелия будет взаимодействовать с подобным себе ядром, в результате чего образуется ядро «обыкновенного» гелия и два протона. Так как концентрация изотопа ³Не чрезвычайно мала, это произойдет через несколько миллионов лет. Напишем теперь последовательность этих реакций и выделяющуюся при них энергию.

Таблица 8.1:

Здесь буква

означает нейтрино, а

 — гамма-квант.

Не вся освободившаяся в результате этой цепи реакций энергия передается звезде, так как часть энергии уносится нейтрино. С учетом этого обстоятельства энергия, выделяемая при образовании одного ядра гелия, равна 26,2 МэВ или 4,2

10^{– 5} эрг.

Вторая ветвь протон-протонной реакции начинается с соединения ядра ³Не с ядром «обыкновенного» гелия ⁴Не, после чего образуется ядро бериллия ⁷Ве. Ядро бериллия в свою очередь может захватить протон, после чего образуется ядро бора ⁸В, или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае образовавшийся радиоактивный изотоп ⁸В претерпевает бета-распад: ⁸B

⁸Be + e⁺ +

. Заметим, что нейтрино, образовавшиеся при этой реакции, как раз и обнаружили при помощи уникальной дорогостоящей установки. Об этом важном эксперименте подробно будет рассказано в следующем параграфе. Радиоактивный бериллий ⁸Ве весьма неустойчив и быстро распадается на две альфа-частицы. Наконец, последняя, третья ветвь протон-протонной реакции включает в себя следующие звенья: ⁷Ве после захвата электрона превращается в ⁷Li, который, захватив протон, превращается в неустойчивый изотоп ⁸Ве, распадающийся, как и во второй цепи, на две альфа-частицы.

Еще раз отметим, что подавляющее большинство реакций идет по первой цепи, но роль «побочных» цепей отнюдь не мала, что следует хотя бы из знаменитого нейтринного эксперимента, который будет описан в следующем параграфе.

Перейдем теперь к рассмотрению углеродно-азотного цикла. Этот цикл состоит из шести реакций.

Таблица 8.2:

Поясним содержание этой таблицы. Протон, сталкиваясь с ядром углерода, превращается в радиоактивный изотоп азота ¹³N. При этой реакции излучается

– квант. Изотоп ¹³N, претерпевая

– распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в изотоп углерода ¹³С. Последний, сталкиваясь с протоном, превращается в обычное ядро азота ¹⁴N. При этой реакции также испускается

– квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода ¹⁵O и

– квант. Затем этот изотоп путем

– распада превращается в изотоп азота ¹⁵N. Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное «утяжеление» ядра углерода путем присоединения протонов с последующими

– распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образование нового ядра гелия за счет четырех протонов, которые в разное время один за другим присоединились к ¹²С и образующимся из него изотопам. Как видно, никакого изменения числа ядер ¹²С в веществе, в котором протекает эта реакция, не происходит. Углерод служит здесь «катализатором» реакции.