Путешествие по недрам планет

Рис. 1. Модели некоторых типов звезд.

а — красный гигант; б — Солнце; части главной последовательности; в — верхняя (бело-голубце звезды), г — нижняя (красные карлики); д — белый карлик; 1 — изотермическое гелиевое ядро; 2 — энерговыделяющий слой; 3 — зона переноса энергии излучением; 4 — конвективная зона (ядро); 5 — вырожденный электронный газ; 6 — идеальный газ

В нижней части той же последовательности, т. е. у красных карликов (рис. 1,г), роль этих зон, как видит читатель, меняется. У звезд типа Солнца (рис. 1, 6) толщина конвективной зоны составляет примерно одну седьмую радиуса звезды.

Несколько особняком стоят белые карлики (рис. 1,д). В основном они состоят из так называемого «вырожденного газа» — смеси свободных электронов, протонов и альфа-частиц. В этом газе главную роль играют электроны — ими определяется давление вырожденного газа, температура которого близка к 10 млн. градусов. Снаружи белый карлик окружен оболочкой из обычного идеального газа.[1]

Какие же процессы совершаются в недрах звезд? Общего ответа на этот вопрос пока нет. У разных звезд различны и термоядерные реакции.

Большинство современных астрономов считают, что в недрах Солнца при температуре около 14 млн. градусов водород «перегорает» в гелий за счет так называемого протон-протонного цикла ядерных реакций. Этот цикл состоит из трех этапов.

Этап первый. Водород ¹₁Н превращается в дейтерий D (изотоп водорода с атомной массой 2) с выделением позитронов β⁺ и нейтрино ν. Схематически это можно записать как ¹₁Н + ¹₁Н → D + β + ν.

Напомним читателю, что позитрон — это частица, по массе равная электрону, но имеющая положительный заряд, а нейтрино — электрически нейтральная частица исчезающе малой массы.

Этап второй. Дейтерий при взаимодействии с водородом превращается в изотоп гелия с атомной массой 3 (³Не). Этот процесс сопровождается гамма-излучением (γ) — электромагнитным излучением с очень малой длиной волны: D + ¹₁H → ³Не + γ.

Этап третий. Два атома изотопа гелиия превращаются в нормальный атом гелия ⁴Не и два атома водорода: 2³Не → ⁴Не + 2¹Н.

Таким образом, в ходе протон-протонного цикла ядерных реакций водород превращается в гелий. При синтезе ядер гелия часть вещества (за счет так называемого «эффекта упаковки») превращается в излучение. Количество выделяемой при этом энергии можно вычислить по формуле Энштейна: Е = mс², где Е — количество выделенной энергии; m — масса вещества, превратившегося в излучение; с — скорость света (300 000 км/с).

Таким образом, Солнце светит и… «тает», непрерывно уменьшаясь в массе. Каждую секунду Солнце превращает в излучение 4 млрд. тонн своего вещества. Тем не менее запасы вещества Солнца так велики, что термоядерные реакции могут обеспечить его свечение на миллиарды лет!

В центральных ядрах звезд-гигантов и сверхгигантов водорода практически нет, температура здесь достигает сотен миллионов градусов и источником энергии таких звезд служат процессы превращения гелия в углерод по схеме: 3⁴He → ¹²C + γ, где у — выделяемое в ходе ядерных процессов коротковолновое излучение. Расчеты для принятых звездных моделей показали, что запасов гелия в гигантских звездах хватит лишь на 10 млн. лет. После этого, если масса звезд достаточно велика, произойдет сжатие ядра звезды, сопровождающееся повышением температуры до 500 млн градусов. Наступит (продолжающийся несколько сотен тысяч лет) период синтеза все более сложных атомных ядер (с участием оставшихся в небольшом количестве ядер гелия). Схематически это можно изобразить так:

¹²С + ⁴Не → ¹⁶О + γ,

¹⁶O + ⁴He → ²⁰Ne + γ,

²⁰Ne + ⁴He → ²⁴Mg + γ

Чудовищная температура в 500 млн. градусов все же недостаточна для синтеза более тяжелых элементов. Требуются температуры более 3 млрд. градусов, чтобы начались, например, такие реакции:

¹²C + ¹²C → ²³Na + ¹H,

¹²C + ¹²С → ²⁰Ne + ⁴Не,

¹⁶O + ¹⁶O → ³²S + γ

Реакции этого типа в конце концов могут привести и к образованию ядер атомов железа. При сверхвысоких температурах в недрах звезд совершаются и такие процессы:

¹²C + ¹²C → ²³Mg + n

¹⁶O + ¹⁶O → ³¹S + γ,

где n — свободные нейтроны. Они играют весьма значительную роль. Попадая снова в ядро какого-нибудь элемента, нейтрон может превратиться в протон, при этом порядковый номер атомного ядра повысится. Так могут возникать тяжелые элементы до висмута ²⁰⁹Bi включительно.