Белые карлики. Будущее Вселенной

Всем известно, что излучение звезд обеспечивается термоядерной энергией. Когда и как астрофизика дошла до понимания этого? Эти вопросы имеют прямое отношение к нашим дорогим белым карликам. В ходе термоядерных реакций синтезируется гелий, которым заполнены некоторые белые карлики, а также углерод с кислородом, из которых состоит большинство угасающих звезд. Поэтому стоит на этом остановиться.

Начать придется вновь с Эддингтона. Дело в том, что именно он построил теоретические модели звездных структур, которые подвели науку к проблеме космического нуклеосинтеза (или, что то же самое, нуклеогенеза). Его великая книга о внутреннем строении звезд[24] вышла в свет в 1926 г. В ней, в частности, сказано, что центр Солнца нагрет до 40 млн K. К этой оценке Эддингтон пришел на основании газовых законов, общих принципов термодинамики, теории излучения и теории тяготения. Ядерная физика существовала тогда лишь как экспериментальная наука, и своей теории у нее еще не было.

Сейчас понятно, что оценка Эддингтона сильно завышена (правильный ответ — 15 млн K), но порядок величины он определил верно. Немедленно возник вопрос, какое топливо обеспечивает такую температуру. В принципе, ответ Эддингтону был известен — трансформация водорода в гелий. В 1919 г. эту гипотезу высказал французский физик Жан Батист Перрен, и она отнюдь не была чисто умозрительной. К этому времени сотрудник Кавендишской лаборатории Фрэнсис Астон изобрел масс-спектрограф и с его помощью весьма точно определил, что масса альфа-частицы (а это и есть ядро гелия) меньше массы четырех протонов (ядер водорода). Поэтому, если объединить четыре ядра водорода в одно ядро гелия, появится излишек энергии. Пользуясь результатами Астона, Эддингтон с помощью формулы Эйнштейна вычислил, что за одну секунду в недрах Солнца в гелий превращается 400 млн тонн водорода.

Надо сказать, что 80 лет назад астрономы ничего не знали о звездных недрах. Считалось, что в состав звезд входят те же элементы, что доминируют на Земле: кислород, кремний, натрий, калий, алюминий, магний, кальций и железо. В 1925 г. американский астроном Сесилия Пейн пришла к выводу, что водород и гелий составляют 98 % массы Солнца, однако никто ей не поверил, да и сама она сочла это не особенно вероятным. Ее идея восторжествовала лишь в начале 1930-х гг., а до этого считалась полной ересью. Эддингтон во время работы над своей книгой исходил из соображения, что водорода в нашем светиле никак не больше 7 %. В соответствии с его моделью Солнцу хватило бы и такого количества на 10 млрд лет.

После публикации книги Эддингтона могло показаться, что проблема источников звездной энергии в целом решена. Однако не тут-то было. Основанные на тогдашних представлениях о ядерных силах вычисления свидетельствовали, что для слияния протонов температура в десятки миллионов градусов слишком мала — потребны миллиарды. Эддингтона эти возражения не слишком огорчали. Интуиция подсказывала ему, что его теория принципиально верна, а вот физики чего-то не знают или не учитывают. Самое интересное, что он оказался прав, однако выяснилось это лишь в конце 1930-х гг.

14. Пришествие квантовой механики

Все началось с совместной работы молодого немецкого физика Фридриха Хоутерманса и его коллеги из Англии Роберта Аткинсона. Весной 1929 г. они приступили к анализу внутрисолнечного синтеза гелия на основе теории альфа-распада, которую незадолго до этого предложили Георгий Гамов и, независимо, Рональд Гёрни и Эдвард Кондон. Эта теория объясняет, как альфа-частицы покидают радиоактивные ядра, чему, казалось бы, однозначно препятствует закон сохранения энергии. Дело в квантовом туннельном эффекте, который делает возможными процессы, «запрещенные» классической физикой. Аткинсон с Хоутермансом показали, что этот эффект позволяет некоторым протонам сливаться в тетрады при температурах, на три порядка меньших, нежели считалось ранее. Правда, для этого нужны посредники — легкие ядра, временно захватывающие протоны и удерживающие их вплоть до образования альфа-частицы. Информацией о таких ядрах партнеры не располагали, но полагали, что со временем эта проблема как-то разрешится.

Вскоре возникло еще одно препятствие. В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл новую элементарную частицу — нейтрон. Физики немедленно пришли к выводу, что альфа-частица состоит не из четырех протонов, а из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку тогда считалось, что в центре Солнца свободных нейтронов нет (они отсутствуют там и в свете современных представлений), спасти модель Хоутерманса и Аткинсона могло лишь предположение, что плененные протоны каким-то образом превращаются в нейтроны.