От чёрных облаков к чёрным дырам

Приведённый пример показывает, какие грандиозные возможности таят в себе термоядерные реакторы, если только земная технология продвинется достаточно далеко и сумеет их создать. Пока что технология преуспела лишь в создании водородной бомбы. Разница между термоядерным реактором и бомбой заключается в том, что в обоих случаях используется одна и та же реакция синтеза, но в реакторе энергия выделяется контролируемым образом с постоянной скоростью, а в бомбе в виде взрыва.

Звёзды способны достичь состояния контролируемого ядерного синтеза благодаря большим давлениям в центральных областях, порождённым тяготением. Земная технология должна искать другие пути осуществления управляемого синтеза, поскольку невозможно воспроизвести звёздный сценарий: нет той гигантской силы тяготения, которая доступна звёздам.

Глава 7 ЗВЁЗДЫ КАК ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

В предыдущей главе мы убедились, что источник энергии излучения звёзд находится в её центре и представляет собой термоядерный реактор. Посмотрим теперь, как меняется этот реактор в процессе старения звезды и как эти изменения влияют на её внешний вид и размеры. ЗВЁЗДЫ ГЛАВНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

В гл. 7 мы обсудили простейший ядерный реактор. Его топливом являются ядра водорода, т. е. просто протоны. Четыре протона, соединяясь вместе, образуют ядро гелия. И в этом процессе синтеза выделяется энергия.

До того, как стал известен этот процесс, уравнения звёздной структуры Эддингтона были неполны в том смысле, что не хватало одного уравнения. В такой ситуации лучшее, что могли сделать астрофизики, это вычислить светимость звезды L, задав два основных параметра звезды — её массу М и радиус R. Как только решилась проблема генерации энергии за счёт ядерного синтеза, появилась возможность сделать лучше: вычислить как светимость L, так и радиус R как функции одного единственного параметра — массы звезды М. Так как астроному значительно легче определить светимость звезды, чем её радиус, соотношение между массой и светимостью стало главным результатом этих вычислений, имеющим прямое отношение к наблюдениям. Мы поясним это с помощью диаграммы Г—Р.

Есть две важнейшие причины, по которым масса звезды существенно определяет её внутреннее строение. Первая из них заключается в том, что масса определяет, каким образом энергия переносится из глубин звезды к её внешней поверхности.

Вообще говоря, существуют три пути, по которым теплота может передаваться от одной точки к другой. При теплопроводности теплота передаётся от соседа к соседу атомами и молекулами нагретого вещества, хотя эти частицы остаются на своих местах. Такой процесс действует, например, в твёрдых металлах. При конвекции, обычно в жидкостях и газах, малые количества нагретого вещества целиком перемещаются от одного конца тела до другого, перенося теплоту с собой. Такое движение можно заметить, например, при нагревании воды до кипения. Наконец, третий путь связан с излучением, когда энергия переносится фотонами. В гл. 5 мы уже видели, каким образом два последних процесса доминируют на разных стадиях процесса образования звезды.

В звезде также имеют место два последних процесса, причём опять они действуют с неодинаковой эффективностью. Может случиться, что в некоторых частях звезды условия более подходящие для того, чтобы частицы газа двигались целиком и переносили теплоту путём конвекции из внутренней области во внешнюю. Это происходит тогда, когда некоторое количество частиц газа, получив теплоту от центрального источника, расширяется и становится легче своего окружения, так что в результате всплывает наверх, как показано на рис. 43. В других случаях это может быть не лучшим путём переноса теплоты и излучение (в форме световых фотонов) становится более эффективным механизмом. Но, как мы видели в гл. 5, в некоторых случаях непрозрачность звёздного вещества препятствует выходу фотонов наружу.

Рис. 43. Когда какой-то объём газа, показанный заштрихованным квадратом на рисунке, получает извне порцию теплоты (стрелка на рис. а), он расширяется и всплывает наверх (как показано на рис. б). Условия во внешних слоях определяют, сможет ли этот объём газа выйти наружу

Таким образом, оба процесса имеют свои за и против. Если имеется достаточно резкое падение температуры от центра наружу, то конвекция может преобладать, а если непрозрачность невелика, то основным станет излучение. Количественный анализ (который позволяет продвинуться значительно дальше наших качественных аргументов) показывает, что масса звезды определяет, в какой зоне доминирует один из конкурирующих процессов.