Искатель, 1961 №5

Наше Солнце — всего лишь рядовая звезда. Но если перевести мощность этой космической силовой станции в технические единицы, то получится у нас умопомрачительная цифра — около трехсот тысяч миллиардов миллиардов киловатт. На Землю попадает лишь одна двухмиллиардная доля излучаемой Солнцем энергии. Но и это больше ста тысяч миллиардов киловатт!

Откуда же она берется? Пятьдесят лет назад это было неразрешимой загадкой. Классическая физика XIX века могла указать в данном случае только один источник энергии — нагревание от сжатия силой тяжести. Но этого источника Солнцу Хватило бы только на тридцать миллионов лет, а оно освещает и греет нашу планету несколько миллиардов лет.

Итак, классическая физика становилась в тупик. Выход из него указала новая — атомная — физика.

Теперь мы знаем, что мельчайшая частица вещества — атом — состоит из ядра и окружающих его электронов. Ядра одних атомов обладают большим, других — меньшим запасом энергии. Первые могут превращаться во вторые, и при этом выделяются громадные количества энергии. Ядерные реакции — вот источник энергии звезд.

Какое же именно вещество играет роль ядерного горючего в звездах? Спектральный анализ показал, что самым распространенным во вселенной веществом является легчайший элемент — водород. Ядро атома водорода — это простейшая ядерная частица — протон. Если четыре протона соединятся в ядро гелия, то выделится около двадцати восьми миллионов электроновольт энергии. Много это или мало? Чтобы сравнить теплотворную способность ядерного и обычного горючего, заметим, что при сгорании атома углерода выделяется всего около четырех электроновольт энергии. Теплотворная способность ядерного горючего в миллионы раз больше, чем у обычного.

Что нужно, чтобы четыре протона соединились в ядро гелия?

Они должны встретиться между собой, обладая при этом достаточно высокой скоростью. Маловероятно, чтобы четыре человека, не сговариваясь, встретились случайно все в одном месте. Не так часты были бы и встречи частиц вещества… Но реакция образования гелия в звездах идет не прямо, а в несколько актов. В каждом акте участвуют по две частицы. Несколько актов образуют так называемую цепочку. Простейшая цепочка — водородная. Она начинается с соединения двух ядер водорода (протонов) в ядро тяжелого водорода — дейтон. Дейтон, сталкиваясь еще с одним протоном, дает ядро легкого гелия (гелия-3). А если два ядра гелия-3 столкнутся между собою, то получится обычный гелий-4 и два протона отщепятся.

Так легкий водород превращается в более тяжелый гелий, а в результате превращения выделяется солнечная энергия.

Мы говорили: для того чтобы произошла ядерная реакция, сталкивающиеся частицы должны обладать достаточной скоростью. И вот почему. Все атомные ядра имеют положительный электрический заряд. А одноименно заряженные тела отталкиваются. Значит, чтобы сблизиться, они должны иметь достаточную скорость, позволяющую с разлету преодолеть силы электрического отталкивания.

Представьте себе лыжника, которому нужно преодолеть снежный бугор. Если есть возможность разогнаться, лыжник может не тратить на это дополнительных усилий. Электрическое отталкивание атомных ядер создает между ними как бы такой бугор. Его называют потенциальным барьером.

Разогнать частицы до больших скоростей можно, нагревая их до высокой температуры. Достаточны ли для этого температуры звезд?

Высчитано, что температура в центре Солнца равна примерно 10–15 миллионам градусов. С точки зрения классической механики такая температура недостаточна для того, чтобы придать ядрам необходимую скорость.

Но иначе говорит рожденная атомной физикой новая, так называемая квантовая механика. Она говорит: потенциальный барьер мы не должны представлять себе как непроницаемый бугор. Он скорее похож на сугроб рыхлого снега. Пусть скорость лыжника недостаточна для того, чтобы взлететь на вершину бугра: он может пробить себе отверстие (тоннель) сквозь рыхлый снег… Такой процесс в атомной физике называется подбарьерным, или тоннельным, переходом. И в этом случае оказывается, что температура Солнца как раз достаточна для водородного цикла.

Итак, источник энергии Солнца перестал быть загадкой. Мы имеем все основания считать этим источником ядерные реакции, происходящие в водороде при температурах в миллионы градусов.

Надолго ли хватит Солнцу водородного ядерного горючего? За миллиард лет там выгорит всего лишь около процента водорода.

Но есть звезды, в которых выгорание должно происходить гораздо быстрее. Это гигантские, сравнительно молодые солнца…

Что будет со звездой, когда водород выгорит? Выгорание начинается в центре. Там образуется выгоревшее ядро. В этом ядре вещество сжимается до громадных плотностей. Если масса звезды мала, то она вся сжимается. Такие сверхплотные звезды называются белыми карликами. Если масса звезды велика, то вокруг ядра остается разреженная оболочка очень больших размеров. Такие громадные звезды называются красными гигантами.