Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Как же чудовищный шар водорода и гелия вырабатывает постоянный поток энергии? Очень просто, в процессе термоядерного синтеза. Ладно, не так уж это и просто, – чтобы выяснить все в деталях, американский физик Ханс Бете трудился до конца 1930-х гг. Но, если отрешиться от подробностей, картина ясна. В ядре Солнца газ сильно сжат весом верхних слоев; плотность там в 13 раз выше плотности свинца. В этих экстремальных условиях атомные ядра начинают сливаться – это и есть ядерный синтез. Если вы видели киносъемку первого испытания американской водородной бомбы, взорванной в начале 1950-х гг., то знаете, что при термоядерном синтезе выделяется энергия. Огромная энергия.

Поставим мысленный эксперимент. Представим, что можем запустить реакции термоядерного синтеза в ядре Солнца всего на одну секунду, а затем остановить их. Что произойдет в эту самую секунду? (Готовьтесь удивиться: последующее трудно вообразить, однако это правда.)

Всего за одну секунду 570 млн тонн газообразного водорода вступает в реакции термоядерного синтеза. Его масса примерно равна массе бетонного куба с длиной стороны более 600 м. Специально для настоящих любителей больших чисел: это порядка 3,4 × 10³⁸ атомов водорода. За одну-единственную секунду! Легкие ядра водорода (по сути, единичные протоны) сливаются в более массивные ядра атомов гелия. Ядро атома гелия примерно в 4 раза тяжелее протона, таким образом, из каждых четырех ядер водорода, поступающих в «черный ящик» термоядерного синтеза, получается одно ядро гелия. (Это тоже очень много, в чем вы убедитесь, разделив 3,4 × 10³⁸ на 4, – результат составит 8,5 × 10³⁷.)

Кстати, я только что воспользовался принятым в науке способом представления больших чисел. Для тех, кто с ним не знаком, поясняю, что он связан со сдвигом запятой, отделяющей десятичную дробь от целой части: запись «3,4 × 10³⁸» означает, что нужно взять число 3,4 и сдвинуть запятую на 38 позиций вправо, всякий раз добавляя нуль. Получится 340000000000000000000000000000000000000. Аналогично 3,4 × 10^–20 означает, что нужно сдвинуть запятую на 20 позиций влево, что в результате даст 0,000000000000000000034. Астрономия – наука больших чисел, и если бы в книгах по астрономии не использовалась сокращенная запись, то на них уходило бы слишком много деревьев.

Итак, каждую секунду огромное количество протонов (ядер водорода) сливаются в ядра гелия. Теперь начинается интересное. Я только что сказал, что масса ядра гелия почти в 4 раза больше массы протона. В действительности разница на ничтожную величину меньше. Входит 570 млн тонн водорода, выходит «почти» 566 млн тонн гелия – на 0,7 % меньше. Куда делись еще 4 млн тонн? Возможно, вы догадались: они преобразовались в энергию. E = mc² – снова Эйнштейн.

Таким образом, во время нашего мысленного эксперимента продолжительностью в одну секунду Солнце потеряло 4 млн тонн массы. Вот что я называю эффективной потерей веса! Если вы удивляетесь, как от него что-то еще остается при таких темпах, сделайте расчеты. Если потеря массы остается постоянной в течение жизни Солнца, составляющей 4,6 млрд лет (145 квадриллионов секунд), то Солнце сегодня на 6×10²³ тонн легче, чем было в момент рождения. Но это всего лишь 0,03 % его общей массы в 2×10²⁷ тонн – ничего особенного. Я беру назад слова о том, что это эффективная потеря веса: для человека в 100 кг сброшенные 0,03 % веса составляют каких-то 30 г.

Не вся теряемая масса превращается в энергию. При слиянии 4 ядер водорода в одно ядро гелия также образуются два позитрона и два нейтрино. Но в совокупности два позитрона весят меньше 0,1 % ядра водорода, а нейтрино фактически не имеет массы. Пока мы можем пренебречь этими частицами (хотя к нейтрино еще вернемся). В общем, Солнце каждую секунду преобразует 4 млн тонн своей массы в энергию. Это очень большая энергия: 400 квадриллионов ГДж – примерно в 1 млн раз больше ежегодного потребления энергии всем человечеством. В секунду! Если бы мы могли овладеть энергией одной секунды термоядерного синтеза Солнца, то не знали бы, что такое энергетический кризис, до 1 002 000 года.

Наш мысленный «эксперимент одной секунды» завершен, и реакции термоядерного синтеза чудесным образом остановлены. Что происходит с энергией? Она была выделена в форме энергичных гамма-лучей, которые, однако, в значительной мере заперты во внутренней области Солнца. Помните, плотность его ядра очень высока и газ, разогретый до 15 млн °С, практически непрозрачен. Фотоны гамма-лучей не могут продвинуться далеко. Они активно взаимодействуют с частицами газа. В результате энергия, выделившаяся за одну секунду, многократно поглощается, переизлучается и рассеивается в разных направлениях внутри Солнца. Это длительный процесс.