Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
Зато углеродный «конвейер» очень чувствителен к переменам температуры и интенсивно развивается при ее повышении. Видимо, в звездах, более горячих, чем Солнце, он играет основную роль.
Подводим итоги
Итак, экспериментальная и теоретическая ядерная физика с помощью астрономии разгадала тайну солнечной «кухни». Из исходного продукта — водорода—там готовится одно-единственное «блюдо» — гелий, а свет и тепло представляют собой не что иное, как отходы производства, вроде картофельных очисток и яичной скорлупы. Правда, эти отходы совсем не бесполезный материал, как на настоящей кухне. Тепло солнечных недр и вызывает ядерные реакции, которые поэтому называются термоядерными: от слова «термо» — тепло.
Взглянув на памятный нам график удельных масс нуклонов в разных ядрах (стр. 47), мы убедимся, что разница масс нуклонов до и после синтеза в несколько раз больше, чем при расщеплении ядер урана. В грамме делящегося урана освобождается 23 тысячи киловатт-часов энергии, а при синтезе грамма гелия — 175 тысяч киловатт-часов. Столь резкое различие следует из неодинаковой сущности процессов ядерного деления и синтеза.
Деление осуществляется в конечном итоге электростатическим отталкиванием (оно-то и разбрасывает осколки ядер). А при синтезе работают ядерные силы притяжения. Схватывая сблизившиеся частицы, они заставляют их стремительно «падать» друг на друга. Такое падение можно сравнить с ударом о землю гигантского метеорита. Но ядерные силы очень велики — в миллиарды раз больше сил тяготения. Поэтому работа ядерных сил сопровождается колоссальным выделением энергии.
Мы видели, что синтез гелия совершается на Солнце двумя путями — двумя конвейерами термоядерных реакций. Один из них как бы автоматический. Ядра сливаются сами собой, без посторонней помощи:
Этот трехступенчатый конвейер хотя и движется очень медленно, но охватывает огромную массу солнечного вещества и поэтому играет главенствующую роль.
Вспомним еще, что энергия синтеза выделяется не только при непосредственном слиянии ядерных частиц. Ядерные силы «трудятся» и при перестройках атомных ядер, лишь бы из менее прочных комбинаций протонов и нейтронов получились более прочные комбинации. Несколько упрощая явление, можно сказать: энергия, оставшаяся «безработной» внутри ядра, неизбежно обретает свободу и работает вне ядра. Дело происходит так, как если бы мы сначала «разорвали» ядра, растянули в стороны их протоны и нейтроны, а потом сделали из этого «строительного материала» новые ядра. Если на разрушение уходит энергии меньше, чем выделяется при последующем синтезе, то излишек энергии освобождается. Именно это происходит во второй цепочке солнечных реакций. Цепочку эту можно уподобить неавтоматическому, ручному конвейеру, ибо его обслуживают «повара» — ядра углерода. Процесс состоит из шести звеньев:
Из-за нехватки «рабочей силы» — углеродных ядер-«поваров» — этот конвейер на Солнце не слишком мощный, а может быть, и совсем слабенький, несмотря на то что движется он сравнительно быстро.
Мы знакомы теперь с подробностями грандиозного солнечного «пожара», энергия которого поддерживает температуру Солнца и не дает затухнуть термоядерному процессу в его недрах.
Нам важно отметить и еще один факт.
Лучистые потоки в основной своей массе сосредоточены внутри светила. Наружу, через поверхность, вырывается лишь ничтожная их часть. Родившись в виде фотонов высоких энергий, луч нескончаемо долго блуждает по закоулкам солнечных недр, с трудом продираясь в бурлящей чаще метущегося роя частиц. При этом бесчисленные излучения и поглощения лучистой энергии приводят к тому, что рентгеновские лучи и гамма-фотоны как бы дробятся на части. Мало-помалу образуются электромагнитные кванты, соответствующие ультрафиолетовым лучам, и, наконец, видимому свету. Видимый свет — этот «постаревший», «потрепанный» поток энергии солнечных недр — и составляет главную долю излучения, испускаемого Солнцем наружу, в окружающее пространство. Ведь энергия квантов видимого света гораздо меньше, чем у квантов коротковолновых излучений.
Кстати, почему наш глаз воспринимает именно эти лучи, а не рентгеновские и не ультрафиолетовые? Как раз потому, что Солнце испускает их больше, чем любых других. Обитатели Земли за миллионы лет жизни приспособили свое зрение именно к лучам с длиной волны от 0,4 до 0,8 микрона, что соответствует видимому свету. Это лишнее доказательство того, что Солнце уже многие миллионы лет выбрасывает в пространство лучистые потоки одинакового спектрального состава1 .
Вот и вся разгадка могучей силы нашего лучезарного творца, разгадка, к которой так долго и с такими трудностями стремилась пытливая человеческая мысль.
1 Ярко и образно о соотношении зрения и света рассказывается в научно-популярной книге академика С. И. Вавилова «Глаз и Солнце» (есть несколько изданий).
ВЧЕРА И ЗАВТРА
Мы разобрались вкратце, что такое Солнце сегодня.
Л каким оно было вчера?
История светила запечатлена в его нынешнем состоянии.
Располагая хоть и огромным, но не безграничным запасом водорода, оно не могло вечно гореть своим неземным огнем, и, по всей видимости, жизнь его исчисляется несколькими миллиардами лет.
Как же образовалось Солнце, как начало светить? Вот нам еще одна труднейшая проблема науки. Но в наши дни и она начинает получать разрешение.
Солнце — всего лишь рядовой член многочисленной звездной семьи, подробно изученной астрономами. Астрофизик находит в этой семье и глубоких старцев, и представителей среднего возраста, и совсем еше юных младенцев. Обо всем этом говорит характер излучения светил. Есть, например, звезды, расточающие энергию столь щедро, что они не могли делать это дольше нескольких миллионов лет.
Получены и снимки, в которых некоторые астрономы видят самое рождение звезд: выход их из «пеленок» — туманностей.
По мнению ряда исследователей (в том числе большой группы советских астрофизиков), жизненный путь звезды, подобной Солнцу, разворачивается следующим образом.
Сначала где-то, под действием силы взаимного тяготения, происходит скопление частиц межзвездной газопылевой материи. Она собирается в какое-то подобие более или менее уплотненных клубков, которым обычно присуще вращательное движение. Таких клубков в одном облаке космической пыли и газа может образоваться несколько.
Постепенно газо-пылевое скопление густеет, частицы его, влекомые тяготением, как бы падают к центру. Клубок уменьшается в размерах и поэтому вращается все быстрее (словно конькобежец-фигурист, начавший крутиться, а потом прижавший руки к груди). Центральные части скопления сжимаются, уплотняются. И тогда начинает сказываться то самое явление, которым наука XIX века пыталась объяснить солнечное лучеиспускание: возникает нагрев вещества. Энергия гравитационного сжатия переходит в теплоту.
Недра нашего клубка мало-помалу раскаляются, И если не прекращается поступление космического вещества извне и сжатие продолжается, то в один прекрасный день в глубинах небесного тела начинаются, пока еще редкие, реакции слияния атомных ядер. Поскольку в межзвездной среде чаще других встречаются атомы водорода, то наиболее вероятным процессом в недрах клубка следует признать синтез ядер гелия из протонов.
А снаружи тем временем наваливаются новые и новые миллионы тонн космического вещества. Все жарче, плотнее делается сердцевина клубка. Ядерные реакции там становятся чаще, освобождающаяся энергия, в свою очередь, повышает температуру недр и вырывается мощным потоком наружу. В конце концов термоядерный синтез охватывает наибольшее доступное количество вещества. Пробуждается самоподдерживающийся термоядерный процесс, развертывается цепь ядерных превращений, вызванных теплом.
Гигантский шар раскаленного газа, быстро вращающийся, источающий потоки фотонов высокой энергии и частиц вещества, — таким, видимо, было наше Солнце в первоначальный период своей жизни..
Но бурная молодость светила длилась, по астрономическим масштабам, недолго—всего несколько сотен миллионов лет. Изливая из себя свет и вещество, оно мало-помалу уменьшалось в размерах. В недрах расходовался водород, накапливался гелий, а поток энергии сокращался. Силой отдачи выбрасываемых частиц вещества и света вращение Солнца понемногу тормозилось. И вот оно стало таким, каким мы его видим сейчас, — уравновешенным, не склонным к неожиданным переменам светилом «зрелого возраста».
Долго ли суждено ему пробыть в этом состоянии?
