Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
В других звездных скоплениях главная последовательность обрывается при иных значениях светимости, а значит, и массы. Так, например, в скоплении Плеяд существуют звезды главной последовательности со светимостью в 140 раз больше солнечной. Это соответствует звездам примерно в 6 солнечных масс, продолжительность жизни которых при сжигании водорода составляет только 100 миллионов лет. Звезды с наиболее высокой яркостью лежат на диаграмме Г — Р Плеяд не совсем точно на главной последовательности. Они немного смещены вправо. Это говорит о первых признаках исчерпания водорода. Таким способом мы можем установить, какие из звездных скоплений старше, а какие моложе. Для этого надо посмотреть на их диаграммы Г-Р и определить, до какой массы заполнена главная последовательность. На рис. 2.10 схематически показано для нескольких звездных скоплений, где прерывается у каждой из них главная последовательность: звездное скопление в созвездии Персея оказалось самым молодым. В этом скоплении главная последовательность заполнена вплоть до светимостей в 1000 раз больше солнечной. Поэтому возраст этого скопления составляет всего 10 миллионов лет. Затем идут Плеяды, еще старше Гиады, и, наконец, самое старое из этих скоплений шаровое скопление МЗ в созвездии Гончих Псов. В этом скоплении главная последовательность заполнена всего лишь до звезд, светимость которых близка к 3 светимостям Солнца. Наиболее яркая звезда главной последовательности всего в 1,3 раза тяжелее Солнца. Если такие небольшие звезды уже готовятся покинуть главную последовательность, то это значит, что возраст скопления МЗ составляет примерно 6-10 миллиардов лет.
Как узнать, на самом ли деле уход звезд в скоплениях с главной последовательности на диаграмме Г-Р означает, что в них исчерпались запасы водорода? Если это так, то мы уже в значительной мере знаем, как развиваются звезды. А именно, звезда остается на главной последовательности до тех пор, пока не исчерпаются запасы водорода в ее недрах. Затем она перемещается направо, в область красных гигантов. Поэтому звезды, покинувшие главную последовательность, находятся справа от нее. Если все это верно, то возникает новый вопрос: каков возраст самых старых звездных скоплений и насколько молоды самые молодые? Что происходит со звездами, когда в их недрах еще не началось ядерное горение водорода? Какие процессы протекают, когда запасы водорода заканчиваются? Хотя мы уже знаем, что уйдя с главной последовательности, звезды становятся красными гигантами, однако они не могут оставаться в этой области очень долго, поскольку их ядерная энергия уже в значительной мере израсходована.
При этом все время следует помнить: пока мы всего лишь предположили, что свойства звезд в звездных скоплениях объясняются исчерпанием запасов ядерной энергии. Хотя эта гипотеза хорошо согласуется с результатами наблюдений, однако мы все еще не можем уверенно сказать, достаточно ли велики температуры и плотности вещества в недрах звезд, чтобы там могли протекать ядерные реакции. Температура на поверхности звезд далеко не достаточна для этого. Откуда мы можем узнать, какие температуры достигаются в звездных недрах? Свет, который поступает к нам от звезд, несет информацию о тонком поверхностном слое. Так, например, у Солнца свет исходит из «атмосферы», масса которой составляет всего одну сотую миллиардной доли общей массы Солнца. Глубже этого слоя мы ничего не видим. И тем не менее мы можем сказать о недрах Солнца больше, чем о недрах нашей Земли. Чем объясняется такой парадокс, мы узнаем в следующей главе.
Глава 3
Звезды-ядерные реакторы
Пока мы еще не можем окончательно утверждать, что звезды светят за счет протекающих в их недрах ядерных реакций. Хотя до сих пор нам не было известно другого столь же мощного источника энергии, мы не вправе утверждать, что его не может быть. Разве нельзя предположить, что будущее развитие физики позволит открыть новые, неизвестные нам возможности получения энергии? Может быть, этот источник энергии уже описан в одном из научно-фантастических романов? В предыдущей главе мы показали, что некоторые свойства звезд хорошо описываются в предположении, что в их недрах происходят ядерные реакции с выделением энергии. В этой и следующей главах мы узнаем, что это предположение правильно. Нам не нужно искать новые, еще не известные источники энергии. Физики-ядерщики окончательно объяснили астрономам, почему светят звезды. При этом еще в начале 20-х годов физики не верили, что в звездных недрах могут идти ядерные реакции! Таков был уровень знаний того времени.
Строение атома
Все, что нас окружает, горные породы и минералы, вещества в атмосфере и в морях, клетки растений и животных, газовые туманности и звезды во Вселенной во всем их многообразии все это состоит из 92 элементарных кирпичиков, химических элементов. Этот факт был установлен наукой девятнадцатого столетия, которая тем самым сильно упростила картину окружающего нас мира. Ученые нашего века в свою очередь показали, что существует всего три типа элементарных частиц, из которых построены атомы этих 92 элементов: протоны, нейтроны и электроны. Так, например, атомы гелия отличаются от атомов углерода только тем, что они состоят из разного количества этих элементарных частиц (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Схема строения атомов водорода, гелия и углерода. Протоны изображены красными шариками, нейтроны — серыми. Траектории электронов (показаны светло-серыми шариками), обращающихся вокруг ядер, изображены в другом масштабе. Шесть электронов, обращающихся вокруг ядра углерода, не показаны.
Атом гелия состоит из ядра, которое содержит два протона и два нейтрона. Протон-это положительно заряженная частица. Поэтому ядро атома гелия тоже заряжено положительно. Вокруг него стремительно вращаются две отрицательно заряженные легкие частицы, два электрона. Они образуют электронную оболочку атома гелия. Атомы углерода обладают более сложной структурой. Они тоже состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны. Однако в ядре атома углерода уже шесть протонов и шесть нейтронов, а в электронной оболочке находятся шесть электронов. Самым простым атомом является атом водорода. Его ядро состоит всего из одного протона, вокруг которого обращается один электрон.
Протон и нейтрон имеют почти одинаковые массы. Их называют тяжелыми частицами, хотя по сравнению с обычными предметами, которые нас окружают, эти «тяжелые» частицы почти ничего не весят. Если бы мы могли положить на чашу весов триллион таких тяжелых частиц, то они весили бы всего одну триллионную долю грамма. Масса электрона еще в две тысячи раз меньше массы протона. Протон заряжен положительно, электрон — отрицательно. При этом заряды электронов и протонов в точности равны друг другу. Образованный из протона и электрона атом водорода электрически нейтрален. Нейтрон не имеет электрического заряда. Существует также элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным электрическим зарядом: позитрон. Однако время жизни позитрона невелико: если он приблизится к какому-либо электрону, то электрон и позитрон тут же сливаются друг с другом и аннигилируют с образованием кванта света.
Все атомы и ядра состоят из определенного количества протонов и нейтронов. Сколько протонов находится в ядре, столько же электронов обращается вокруг ядра в электронных оболочках. Поэтому положительный заряд протонов ядра в точности компенсируется отрицательным зарядом электронов. Собственно говоря, дело обстоит еще проще. Если быть точным, то атомы состоят не из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, а всего из двух. В атомных ядрах протоны и электроны могут превращаться в нейтроны. За пределами атомного ядра нейтрон примерно через 17 минут распадается на протон и электрон. Поэтому можно считать, что окружающий нас мир во всем его многообразии построен только из протонов и электронов. Сумма количества протонов и нейтронов в атомном ядре называется массовым числом ядра, а количество протонов — зарядом ядра. Таким образом, атом водорода имеет массовое число 1 и заряд ядра 1. У гелия массовое число равно 4, а заряд ядра 2. Наиболее распространенный тип атомов железа имеет массовое число 56, а заряд ядра 26. Заряд ядра показывает также, сколько электронов должно обращаться вокруг ядра, чтобы атом был полностью электрически нейтральным. Строение электронных оболочек определяет химические свойства веществ. Вещества с различными зарядами ядра различаются по химическим свойствам из-за того, что у атомов этих веществ разные электронные оболочки. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но с различным числом нейтронов, не различаются по химическим свойствам. Они различаются только массовым числом. Такие атомы называются изотопами одного и того же элемента. Так, например, кроме обычного водорода существует так называемый тяжелый водород. В ядре этого изотопа кроме одного протона есть еще и один нейтрон. Такой изотоп водорода называется дейтерием. Он в небольших количествах встречается в природе.
