Смерть с небес

Что происходит, когда в звезде заканчивается водород? Следует отметить, что на самом деле у звезды, подобной Солнцу, водород не заканчивается никогда, поскольку большая часть массы звезды — это водород! Но слияния происходят только в ядре, где самые высокие давление и температура. Наружные слои звезды гораздо холоднее (десятки тысяч градусов в отличие от миллионов), поэтому ядерный синтез там невозможен. В любом случае этот газ в ядро не попадет, поэтому израсходовать его невозможно. Это вроде как иметь канистру с бензином на заднем сиденье автомобиля. Бензин у вас есть, однако вы не сможете воспользоваться им, пока не остановитесь.

Но водород в ядре звезды в конце концов заканчивается. По мере преобразования водорода в гелий, в самом центре звезды накапливаются ядра гелия. Так как у гелия два протона, его ядра сопротивляются сближениям еще сильнее, чем ядра водорода, поэтому для слияния ядер гелия требуются более высокие температура и давление. В звездах с массой меньше половины массы Солнца или еще меньшей таких условий не возникает никогда. В итоге у звезды заканчивается доступное топливо, и энергия перестает генерироваться.

Но в более массивных звездах гелиевая «зола» может продолжать накапливаться. Ядро звезды становится более массивным, ее собственные силы тяготения сдавливают его все сильнее и сильнее, и наконец наступает момент, когда возникают нужные условия для слияния гелия. В мгновение ока ядра гелия слепляются друг с другом с образованием как ядер углерода, так и кислорода. В этом процессе выделяется еще больше энергии, чем при слиянии ядер водорода, поэтому светимость звезды увеличивается — она буквально становится ярче. Все дополнительное тепло из ее ядра сбрасывается в окружающую водородную оболочку. Это нарушает баланс давления, распирающего звезду изнутри, и сил тяготения, стремящихся сжать ее, поэтому звезда реагирует как любой газ при нагревании: она расширяется, разбухает в грандиозных пропорциях.

Как ни странно, но наружные слои звезды остывают! Несмотря на то что суммарная энергия, излучаемая поверхностью звезды, увеличивается, площадь поверхности увеличивается еще больше. Каждый квадратный сантиметр звезды выделяет меньше энергии; просто этих квадратных сантиметров стало гораздо больше, чем раньше. Хотя светимость звезды увеличивается, она остывает, становясь красной. Из-за цвета и размера такую звезду называют красным гигантом.

Такова грядущая судьба Солнца. Со временем в его ядре накопятся углерод и кислород, а как уже было сказано, для их слияния требуется больше тепла и давления, чем для слияния гелия. У Солнца нет ресурсов для слияния углерода или кислорода, поэтому процесс на этом закончится[20].

У звезд с массой, превышающей две массы Солнца, есть то, что требуется для этого третьего раунда ядерного синтеза. В их ядрах из атомов углерода может синтезироваться неон, при этом выделяется еще больше энергии. Но для слияния атомов неона в магний и кислород звезда должна быть еще больше, а слияние атомов кислорода в кремний происходит в еще более массивных звездах[21].

Кремний превратится в железо, но для этого нужны огромные давление и температура, а такие условия возможны только в звездах с массой в 20 раз превышающей массу Солнца. Все эти этапы происходят в такой звезде по порядку, один за другим. Однако каждый следующий этап этой цепочки занимает все меньше и меньше времени, так как с каждым процессом существенно увеличиваются температуры и, следовательно, скорость реакций синтеза. Звезда с массой 20 масс Солнца будет расходовать водород на реакции синтеза много миллионов лет, гелий — один миллион лет, углерод — тысячу лет, а неон израсходуется всего за год (в более массивных звездах эти этапы протекают даже еще быстрее).

В результате ядро массивной звезды становится похоже на луковицу: водород образует наружный слой, окружающий слой из гелия, окружающий слой из углерода, затем неона, затем кислорода, затем кремния. Наконец в самой сердцевине находится сфера из раскаленного добела железа. Безусловно, эти слои немного перемешиваются, но в целом они достаточно четко выражены. Но это только ядро: наружные слои звезды вплоть до поверхности по-прежнему практически полностью состоят из водорода, слияний ядер которого не происходит. Эти слои поглощают все тепло, генерируемое в ядре звезды, и, как и у ее менее массивных сестер, эта газовая оболочка разбухает и становится огромной. Однако звезды в этом диапазоне масс гораздо больше увеличиваются в размерах, чем красные гиганты. Они могут разбухнуть так, что их диаметр составит сотни миллионов километров, поэтому мы называем таких раздутых чудовищ красными сверхгигантами.