Анатолий Томилин - Занимательно о космогонии
Расчеты А. Эддингтона примирили физиков с астрономами.
Теперь тепла хватало, чтобы «высидеть» реакцию термоядерного синтеза. Оставалось только выбрать подходящий тип этой реакции. Дело в том, что написать их можно довольно много. Но поскольку все данные спектрального анализа в один голос твердили, что Солнце почти целиком состоит из водорода и только чуть-чуть из гелия, то немецкий физик Ганс Альбрехт Бете, работавший с 1939 года в США, попробовал приспособить для Солнца реакции термоядерного синтеза гелия из водорода через промежуточные превращения. Написал. Проверил. Вроде подходило. Скорости, с которыми реакции протекали, вполне обеспечивали общее количество излучения. Тогда Г. Бете переписал свои уравнения и скромно признался коллегам, что, похоже, он открыл единственно пока возможный источник солнечной энергии.
Коллеги удивились тому, что это не пришло в голову им самим. Коллеги восторгались тем, что в работе Г. Бете остались возможности дальнейшего совершенствования теории и бросились наперегонки реализовать эти возможности.
Сегодня представления Г. Бете лежат в основе классической теории звездной эволюции. Они разработаны настолько тщательно, что нужно быть очень смелым человеком, чтобы поднять голос против. Многие предсказания теории получили подтверждение наблюдателей. А сам Г. Бете в 1967 году получил Нобелевскую премию.
Теперь самое время задать главный вопрос, после которого должны исчезнуть последние сомнения: «А как эксперимент, непосредственный эксперимент, подтвердил гипотезу Г. Бете? Ведь водородные бомбы взрывались над Землей уже не раз и над, и под…»
Увы! Как говорится, «прямых экспериментальных доказательств термоядерной природы солнечной энергии пока нет». Более того, теоретики уже рассчитали не одну, а несколько непротиворечивых моделей Солнца. Факт довольно удручающий. Лучше бы одну. Но для этого нужно твердо знать, что у Солнца внутри. А пока, пока какая бы то ни было точная информация о солнечном ядре отсутствует. Ведь и герр Г. Бете, предлагая свою глубокую теорию, основывался только на «поверхностных» данных. Имеются, конечно, в виду данные спектрального анализа. Чего бы, кажется, не отдали астрофизики за то, чтобы хоть одним глазом заглянуть внутрь нашего светила…
Если Г. Бете прав, то обстановку внутри Солнца представить себе можно. Ядерные реакции в центре порождают мощное гамма-излучение, которое, пробиваясь сквозь толщу солнечного вещества, преобразуется в более длинноволновое — рентгеновское. Однако недра нашего светила одинаково непрозрачны как для гамма-, так и рентгеновского излучения. И потому последнее, поднимаясь все выше и ближе к поверхности, претерпевает новое превращение — переходит в еще более длинноволновое излучение видимого света. Лишь после этого лучи покидают Солнце и через восемь с небольшим минут любезно предоставляют земным наблюдателям всю заложенную в них информацию. Но только о той области, которая их породила, — о поверхности Солнца.
Как же тут быть? Световые лучи не годятся, радиоизлучение и рентгеновские лучи, которые приходят от нашего светила к нам, тоже не несут информации о глубоких недрах. И все-таки есть выход! Нутряные реакции порождают еще один вид излучения — нейтринное. А для нейтрино что Солнце, что Земля, что пустой космос — все едино. Они почти беспрепятственно сквозь них проходят, ни с чем не реагируя. Может быть, попробовать поймать их?
В 1964 году американский физик Р. Дэвис приступил к таким опытам. Работники сферы бытового обслуживания с ума бы посходили от зависти, знай они, сколько канистр с бесцветной жидкостью, применяемой для чистки одежды, были опущены в одну из шахт отдаленных золотых приисков. Однако Р. Дэвис не собирался устраивать подпольную, точнее, подземную химчистку. Громадная цистерна, наполненная тетрахлорэтиленом, должна была задерживать солнечные нейтрино. А под землю полезли физики, чтобы избежать ненужного фона от других частиц.
Идея эксперимента заключалась в поимке солнечных нейтрино, которые могли бы рассказать о процессах внутри Солнца. К сожалению, несмотря на три года работы и непрерывного совершенствования методики измерений нейтринный детектор (или «нейтринный телескоп») упрямо показывал поток частиц в десять раз меньший, чем ожидалось по теоретическим расчетам. Было от чего прийти в уныние. Говорят, желая утешить Р. Дэвиса, рабочие говорили: «Не огорчайтесь, док. Нынешнее лето было таким облачным…» Однако шутки помогали мало. Налицо было вопиющее противоречие опыта и признанной теории. Теоретики, правда, недолго унывали. Они тут же предложили множество спасительных гипотез, среди которых, конечно, были такие, что таили в себе нарушения и некоторых фундаментальных законов природы либо исходили из столь ультрановых допущений о существовании явлений, которых никто и никогда не наблюдал. Авторов этих работ не смущало, что такого рода гипотезы среди серьезных специалистов успехом не пользовались.
Простой и многообещающий путь к решению проблемы нейтринного дефицита предложил американский астрофизик У. Фаулер из Калифорнийского технологического института. Он обратил внимание коллег прежде всего на то, что между потоком нейтрино и световым потоком (потоком фотонной светимости, если выражаться научно) существует в принципе большое различие. Частицы нейтрино не задерживаются солнечным веществом и потому, родившись в недрах светила, они через восемь с небольшим минут уже могут быть в шахте в цистерне с жидкостью для химчистки. И совсем другое дело — свет. Пока та же волна термоядерной энергии, породившая только что пойманные нами нейтрино, доберется из центра Солнца до его поверхности и родит фотоны, пройдет довольно много времени. Физики называют его «временем Кельвина — Гельмгольца». О длительности его единой точки зрения нет. У. Фаулер считает его равным примерно тридцати миллионам лет. Другие специалисты убеждены, что оно порядка на три меньше… Но так или иначе, а появление фотонов должно довольно сильно отставать от появления нейтрино, рожденных одним и тем же процессом.
Конечно, солнышко наше — звезда довольно спокойная («тьфу, тьфу, чтобы не сглазить»). Но и у него в центре могут происходить перемены. Какие? У. Фаулер говорит, например: перемешивание. Да, довольно быстрое перемешивание внутренних горячих и наружных более холодных слоев. Как только оно произойдет, температура в центре Солнца падает. А количество высокоэнергетических нейтрино очень сильно зависит от температуры. Значит, и поток нейтрино резко сокращается. Со временем уменьшится, конечно, и световой поток. Но далеко не сразу…
Получается, что, произойди такое перемешивание в солнечном ядре, через считанные минуты земные приборы должны зафиксировать уменьшение потока нейтрино. А свет от Солнца еще будет долгое время литься нам на головы в неизменном количестве.
На страницах журнала, в котором У. Фаулер опубликовал свою гипотезу, еще не успела высохнуть типографская краска, а специалисты исследовательских групп США и Англии, в распоряжении которых были компьютеры и соответствующие программы для расчета процессов в звездах, уже принялись считать. Это говорит о том, что вопрос о солнечных реакциях стоит сейчас чрезвычайно остро.
Результаты расчетов пока оценивать рано. Во многом они расходятся друг с другом. Но то, что идея У. Фаулера плодотворна, сомнений нет ни у кого.
Правда, может возникнуть и такой вопрос: а почему бы вдруг недрам солнечным начать перемешиваться? Пока большинство астрофизиков на эту тему предпочитает не высказываться. Но вот совсем недавно в одной из статей, подписанной теоретиками из Кембриджского института Ф. Дилком и Д. Гу, гипотеза возможных причин перемешивания все-таки была предложена. Смысл ее заключался в том, что примерно за каждые 250 миллионов лет «спокойной жизни» в недрах Солнца накапливается слишком много «шлака». Химический состав вещества настолько изменяется под действием идущих там реакций, что происходит срыв, перемешивание, которое продолжается в течение примерно миллиона лет или меньше. Естественно, что после такого события, как после инфаркта, Солнцу нужно примерно до десяти миллионов лет на то, чтобы прийти в себя, после чего снова наступает период спокойной жизни.
Расчеты на ЭВМ показывают, что во время перемешивания должно происходить резкое увеличение потока нейтрино, после чего его интенсивность также резко спадает и потом в течение длительного срока постепенно нарастает снова, подбираясь к нормальному уровню.
А теперь представим себе, что сравнительно недавно в недрах Солнца произошло перемешивание. Наши приборы должны регистрировать уменьшившийся поток нейтрино. (Как это было в опыте Р. Дэвиса.) А свет? Свет мы еще долгие годы будем получать от Солнца прежний, пока результаты процесса перемешивания не скажутся на внешней оболочке светила. Но наступит время, когда его количество начнет уменьшаться, а поток нейтрино к той поре, возможно, восстановится.
