Строение типичной звезды

Источники энергии Солнца и звезд

Солнце — рядовая звезда нашей Галактики, горячий шар из плазмы. Его когда-то считали твердым шаром и даже пригодным для жизни. Радиус Солнца 6966000 км, масса 1,99 • 10³⁰ кг, средняя плотность 1,41 кг/м³. Его возраст оценивается в 4,6 млрд лет, как и у всех тел Солнечной системы. Для Земли Солнце — ближайшая звезда, источник жизни. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км или 1 а. е. Земля вращается, как и другие планеты, по эллиптической орбите, ее расстояние зимой меньше на 2,5 млн км, а в июле — на столько же больше. Мощность, излучаемая Солнцем, составляет 3,86 • 10⁴⁰ Дж/с, или 3,86 • 10²⁰ МВт, из которой до Земли доходит только одна двухмиллиардная часть. Эффективная температура поверхности Солнца равна 5806 К, оно относится к спектральному классу желтых карликов.

Современная структура Солнца возникла в результате эволюции (рис. 9.1, а, б). Наблюдаемые слои Солнца называют его атмосферой. Фотосфера — самая глубокая ее часть, и чем глубже, тем слои горячее. В тонком (порядка 700 км) слое фотосферы возникает наблюдаемое излучение Солнца. Во внешних, более холодных слоях фотосферы свет частично поглощается — на фоне непрерывного спектра образуются темные фраунгоферовы линии. В телескоп можно наблюдать зернистость фотосферы. Маленькие светлые пятнышки — гранулы (размером до 900 км) — окружены темными промежутками. Эта происходящая во внутренних областях конвекция вызывает движения в фотосфере — в гранулах горячий газ вырывается наружу, а между ними — опускается. Эти движения распространяются и в более высокие слои атмосферы Солнца — хромосферу и корону. Поэтому они горячее, чем верхняя часть фотосферы (4500 К). Хромосферу можно наблюдать во время затмений. Видны спикулы — язычки уплотненного газа. Изучение спектров хромосферы показывает ее неоднородность, перемешивание газа происходит интенсивно, и температура хромосферы достигает 10 000 К. Над хромосферой располагается самая разреженная часть солнечной атмосферы — корона, она все время колеблется с периодом 5 мин. Плотность и давление быстро нарастают внутрь, где газ сильно сжат. Давление превышает сотни миллиардов атмосфер (10¹⁶ Па), а плот-

ность до 1,5 • 10⁵ кг/м. Температура тоже сильно возрастает, достигая 15 млн К.

Магнитные поля играют на Солнце существенную роль, так как газ находится в состоянии плазмы. При росте напряженности поля во всех слоях его атмосферы возрастает солнечная активность, проявляющаяся во вспышках, которых в годы максимума бывает до 10 в сутки. Вспышки размером около 1000 км и продолжительностью порядка 10 мин обычно возникают в нейтральных областях между пятнами, имеющими противоположную полярность. Во время вспышки выделяется энергия, равная энергии взрыва 1 млн мегатонных водородных бомб. Излучение в это время наблюдается и в радиодиапазоне, и в рентгеновском. Появляются энергичные частицы — протоны, электроны и другие ядра, составляющие солнечные космические лучи.

Солнечные пятна перемещаются по диску; заметив это, Галилей заключил, что оно вращается вокруг своей оси. Наблюдения за пятнами показали, что Солнце вращается слоями: около экватора период около 25 сут, а у полюсов — 33 сут. Число пятен на Солнце колеблется в течение 11 лет от наибольшего к наименьшему. За меру этой пятнообразующей деятельности принимают так называемые числа Вольфа: W= 10g+f, здесь g — число групп пятен, f — общее число пятен на диске. При отсутствии пятен W= 0, при одном пятне — W= 11. В среднем пятно живет почти месяц. Размеры пятен порядка сотен километров. Пятна обычно сопровождаются группой светлых полосок — факелов. Оказалось, что в области пятен наблюдаются сильные магнитные поля (до 4000 эрстед). Видимые на диске волокна названы протуберанцами. Это массы более плотного и холодного газа, поднимающиеся над хромосферой на сотни и даже тысячи километров.

В видимой области спектра Солнце абсолютно доминирует на Земле над всеми другими небесными светилами, его блеск в 10¹⁰ раз больше, чем у Сириуса. В других диапазонах спектра оно выглядит существенно скромнее. От Солнца исходит радиоизлучение, по мощности одинаковое с радиоисточником Кассиопея А; на небе всего 10 источников слабее его в 10 раз. Оно было замечено только в 1940 г. военными радиолокационными станциями. Анализ показывает, что коротковолновое радиоизлучение возникает вблизи фотосферы, а на метровых волнах генерируется в солнечной короне. Аналогичная картина по мощности излучения наблюдается и в рентгеновском диапазоне — лишь у шести источников оно слабее на порядок. Первые рентгеновские снимки Солнца были получены в 1948 г. с помощью аппаратуры, находящейся на высотной ракете. Установлено, что источники связаны с активными областями на Солнце и расположены на высотах 10—1000000 км над фотосферой, в них температура достигает 3 — 6 млн К. Рентгеновская вспышка обычно следует за оптичес-

кой с запаздыванием в 2 мин. Рентгеновское излучение исходит от верхних слоев хромосферы и короны. Кроме того, Солнце излучает потоки частиц — корпускул. Солнечные корпускулярные потоки оказывают большое воздействие на верхние слои атмосферы нашей планеты.

Первый прибор для выяснения природы и строения звезд — полярископ, сконструированный Д. Араго после открытия хроматической поляризации света, появился в 1811 г. Араго обнаружил, что фотосфера Солнца состоит из нагретого до высокой температуры самосветящегося газа, о чем высказывал догадки еще Ломоносов. С этого времени ученые начали изучать и корону, которая была видна в периоды полных солнечных затмений. В 1860 г. английский астроном У.Хеггинс, сравнивая спектры Солнца, звезд и разных веществ, установил, что спектры Солнца и звезд идентичны. Через несколько лет итальянский ученый А.Секки, изучив спектры почти 4000 звезд, подтвердил этот вывод. Французский астроном П.Ж.Жансен, первым начавший изучать атмосферы планет, выяснил, что в состав Солнца входят многие элементы, которые встречаются на Земле. В 1869 г. английский астроном Дж.Н.Локьер обнаружил там неизвестный на Земле элемент, названный гелием. Он же установил существование 11-летнего цикла солнечной активности и предположил, что входящие в состав звезд элементы могут разлагаться под действием высоких температур. Локьер выделил этапы распада элементов, о каждом из которых можно судить по спектру, но позже установили, что изменение спектра определяется изменением температуры. В то же время Локьер и Жансен предложили (независимо друг от друга) новый метод наблюдения протуберанцев и хромосферы Солнца, позволяющий не дожидаться времени затмения.

Потенциальную энергию сжатия Гельмгольц считал источником энергии звезды. Температура даже внешних слоев Солнца порядка 6000 К, т. е. вещество находится там в газообразном состоянии. Движение частиц газа — основа тепловой энергии звезды, гравитационное притяжение частиц — основа ее потенциальной энергии. Чтобы компенсировать потери энергии на излучение, достаточно, чтобы диаметр Солнца уменьшался на 75 м в год. Тогда светимость Солнца удваивалась бы каждые 10 млн лет, но этого не происходит. Эти расчеты и оценка роли гравитационного сжатия оказались не бесполезными в дальнейшем.

Термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода объяснил энергию звезд английский астрофизик Эддинг-тон (1920), известный своими работами по теории гравитации и квантовой теории, обнаруживший экспериментально отклонение света звезды в поле тяготения Солнца (1919), предсказанное ОТО. В книге «Звезды и атомы» (1927) он показал, что масса ядра гелия не точно в четыре раза превышает массу ядра водорода, а несколько меньше. Если к незначительной разнице масс применить формулу Эйнштейна Е = тс², то окажется, что этот дефект массы эквивалентен огромной энергии. Тогда выводы Эдцингтона вызывали сомнения среди ученых.

Реакция синтеза ядер гелия из водорода возможна при условиях, реализуемых в центральной части Солнца, где температура составляет 10—13 млн К. Атомы теряют свои электронные оболочки, но этого недостаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Протон предохранен от взаимодействия с другим протоном потенциальным барьером в 2,24 • 10^-14 Дж (140 кэВ). Тепловая энергия протона при Т 10⁶ К составляет всего 1 кэВ, а суммарная энергия сталкивающихся протонов вдвое больше, т.е. барьер превышает в 100 раз среднюю энергию частиц. Необходимо сближение частиц на расстояние, меньшее 10^-15 м. С точки зрения классической механики, этот барьер непреодолим, но в законах квантовой механики существует вероятность преодоления — так называемый туннельный эффект. Протон должен успеть столкнуться с другим протоном, преодолеть барьер, окружающий его ядро, превратиться в нейтрон, и произойдет рождение тяжелого водорода — дейтерия (рис. 9.2). Так

начнется термоядерная реакция, являющаяся, по современным представлениям, источником энергии звезд. При условиях, типичных для недр звезд типа Солнца, возможны реакции двух типов.

Протон-протонный цикл ядерных реакций разработал американский физик-теоретик Г. Бете (1939). Ядро тяжелого водорода — дейтерия, соединяясь сначала с протоном, образует ядро изотопа гелия. Последняя реакция этого цикла состоит в слиянии ядер легкого гелия и освобождении двух протонов. Этот цикл обеспечивает выход энергии 3,16-10^-12 Дж (19,78 МэВ) и может идти при температурах порядка 13 млн К. Расчет показывает, что для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца достаточно, чтобы выделение энергии происходило лишь в 0,1 части массы Солнца. На Солнце это самый эффективный цикл.

Азотно-углеродный цикл состоит из шести реакций. Этот цикл типичен для более тяжелых звезд, он требует температур порядка

20 млн К. Углерод играет в нем роль катализатора реакций, т. е. его количество остается неизменным. Реакции этого цикла тоже происходят на Солнце, но идут медленно. Два протона не образуют связанной системы (нет изотопа Не²). При столкновении один из протонов превращается в нейтрон с излучением позитрона и нейтрино.

Количество освобожденной энергии оценивалось по формуле Эйнштейна. Дефект массы для слияния четырех протонов и образования ядра атома гелия (а-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов) составляет 0,02863 а. е. Соответствующая ему энергия излучается, что дает энергию Е = 4,3 • 10^-12 Дж. Поскольку Солнце излучает энергию L = 3,86-10²⁶ Дж/с, то из отношения L/E, примерно равного 10³⁸, можно заключить, что в недрах Солнца за 1 с образуется около 10³⁸ ядер гелия. Но тогда должно образовываться вдвое больше нейтрино.

Обнаружение нейтрино подтвердило бы осуществимость таких реакций на Солнце. Оценки показывают, что длина пробега нейтрино порядка 10¹⁵ м. Это в сотни раз превышает размеры всей Солнечной системы, а на расстоянии 150 млн км от Земли до Солнца поток нейтрино должен бы составлять 65 млрд на 1 см² в 1 с.

Для регистрации нейтрино предложено много методов, строятся специальные установки, но точных результатов по их обнаружению пока нет. То, что нейтрино не удавалось уловить, создало проблему «солнечного кризиса». Выход был найден в резком перемешивании солнечного вещества, которое происходит периодически. Дело в том, что центральные части Солнца должны вращаться быстрее, чем поверхностные. Поэтому в область, где происходят термоядерные реакции, втягиваются слои плазмы с повышенным содержанием изотопа Не³, что расширяет область реакции и замедляет ее ход. Накопление вращательного момента, вызывающего эти процессы, продолжается 10 млн лет. Потом происходит передача избытка его центральным областям звезды, и все повторяется. При перемешивании светимость уменьшается, поток нейтрино ослабевает. Возможно, с этим связаны причины оледенений на Земле.

Внутренние области Солнца, где должны происходить термоядерные реакции, изучал Эддингтон и строил их модели. Он считал, что звезды — это шары из плазмы, находящиеся в состоянии лучистого равновесия. Эддингтон определил «время жизни» Солнца, температуру его недр, вычислил предельные массы звезд, обеспечивающие их устойчивость (см. рис. 9.1, а). В 1924 г. он установил связь между массой и светимостью звезд, подсчитал, что силу тяготения должна уравновешивать направленная наружу сила, которая могла возникнуть благодаря стремлению газа расшириться под действием высокой температуры. Исходя из значений массы Солнца и его размеров Эддингтон получил значение температуры в центре газового шара 15 млн К.

Активная область, где идут термоядерные реакции, занимает центральную шаровую зону с радиусом 230 тыс. км. Ее окружает зона лучистого переноса энергии радиусом 280 тыс. км с млн К,

в которой не могут происходить термоядерные реакции: атомы здесь не полностью ионизованы, поглощение у-излучения переводит какие-то их электроны на более высокие орбиты, а возвращаются они уже в несколько ступеней, т.е. испускаются кванты меньших энергий. Зону лучистого переноса окружает зона конвекции, в которой энергия переносится к поверхности путем конвекционного движения солнечной плазмы. Скорости конвекционных движений невелики, порядка 100 — 500 м/с, но эти «под-фотосферные» слои порождают солнечную активность.

Теория зоны конвекции описывает не только состояние вещества, но и строение звезд на ранних этапах их эволюции (до выхода на Главную последовательность), и строение ядер массивных звезд. В зоне конвекции дробление квантов резко ослабевает и лишь малая часть энергии уходит в инфракрасной и радиочастотной областях спектра. Конвекционная зона — источник энергии, обеспечивающий нагревание солнечной короны и хромосферы. КПД переноса энергии в солнечную корону всего 0,01. Газ короны непрерывно истекает в межпланетное пространство, где дует сильный солнечный ветер, сметающий микрометеорные частицы и испаряющиеся из атмосфер планет газы, формирует планетные хвосты. На расстоянии земной орбиты скорость солнечного ветра составляет около 400 км/с, а Солнце теряет 0,01 своей массы за 5 млрд лет (или 4,3 млн т за 1 с).

У голубых звезд и белых гигантов, и сверхгигантов радиус активной зоны составляет 0,2 радиуса звезды, конвекционная зона практически отсутствует, а весь остальной объем занимает зона лучистого переноса энергии. Красные гиганты имеют очень малое, радиусом до 0,001 радиуса звезды, изотермическое ядро, полностью состоящее из гелия, образовавшегося в прошлом из водорода. Поэтому термоядерные реакции идут уже не в ядре, а рядом с ним. Зона переноса излучения имеет небольшую относительную протяженность, а конвекционная зона занимает почти весь огромный объем этих звезд.