Вселенная. Вопросов больше, чем ответов

«Газовый шар, находящийся в состоянии равновесия», — отвечают на этот вопрос астрофизики, понимая, конечно, что данное условие является необходимым, но не достаточным. Не всякий газовый шар, находящийся в равновесии, — звезда. Планеты-гиганты, например, звездами не являются, хотя состо­ят из газа и не обнаруживают намерения ни катастрофически сжаться, ни, наоборот, самораспылиться в космическом про­странстве. Строго говоря, звезды также не являются шарами из- за собственного вращения или тяготения звезды-компаньонки в двойных системах. Дотошный придира укажет и на то, что равно­весие тут, в общем-то, относительное, имея в виду конвективные движения звездного вещества, протуберанцы и корональные выбросы. Нечего и говорить о переменных звездах, особенно не­правильных переменных и выпыхивающих звездах, чрезвычай­но распространенных среди маломассивного населения глав­ной последовательности. Аккуратно пульсирующие цефеиды и долгопериодические мириды также пребывают в лучшем случае в состоянии квазиравновесия.

Однако все эти оговорки не играют серьезной роли. Более того, сама переменность звезд прямо указывает на то, что звезда пытается как-то подстроить свою структуру к меняющимся вну­тренним условиям, а испытываемые звездой автоколебания все- таки не приводят к ее разрушению.

«Нет ничего более простого, чем звезда», — утверждал сто лет назад «отец» современной астрофизики А.С. Эддингтон, ров­ным счетом ничего не зная о природе энерговыделения внутри звезд. Этого знания для объяснения стабильности большинства звезд и не требовалось. Достаточно было знать, что звезды со­стоят из газа и что в их недрах происходит выделение энергии, а уж причина его могла быть любой, вплоть до гельмгольцевского сжатия.

144

Сила, удерживающая вещество в звезде, более чем очевид­на — это тяготение. Не будь его, звезда вела бы себя точно так же, как обыкновенный горячий газ в пустоте, т. е. весьма быстро рас­сеялась бы в пространстве. И.С. Шкловский приводит простей­ший расчет, согласно которому типичная звезда с температурой поверхности ю тыс. К увеличилась бы в размере вдесятеро всего- навсего за ю суток, если бы сила гравитации вдруг исчезла. На самом деле это время будет еще меньше, поскольку внутренние слои звезды, конечно же, значительно горячее наружных.

Обратному процессу — сжатию звезды в «точку» — мешает единственная причина: давление газа, стремящегося к неогра­ниченному расширению. При отсутствии давления газа звезда, подобная Солнцу, катастрофически «схлопнется» за считаные минуты. Из классического «единства и борьбы противополож­ностей» гравитации и газового давления получается устойчивое образование — звезда.

Конечно, устойчивым оно будет оставаться лишь до поры до времени, поскольку ядерные источники энергии звезды — прин­ципиально исчерпаемый ресурс. Финал жизни звезды в конце концов один — сжатие либо до нового равновесного состояния, либо катастрофическое, с образованием черной дыры, но об этом ниже.

Предположим, что какой-то объем газа внутри звезды стал горячее окружающих его областей. Что произойдет? Если этот объем не сможет моментально сбросить в окружающие его обла­сти излишки своей тепловой энергии, то он увеличится в объеме, за счет чего его температура понизится, а плотность уменьшится. В результате данный объем газа начнет «всплывать» к поверхно­сти. Это есть не что иное, как конвекция вещества, возникающая, когда лучеиспускание не справляется с переносом энергии, ины­ми словами, когда вещество звезды непрозрачно к ее излучению.

Может показаться странным, что газовая смесь, составляющая вещество Солнца, непрозрачна, но это так. Более того, внешние слои Солнца непрозрачны в чрезвычайной степени! Между про­чим, это делает спектр Солнца похожим — конечно, в первом

145

приближении — на спектр абсолютно черного тела. Причина не­прозрачности заключается в низкой температуре внешних слоев Солнца по сравнению с внутренними. Сравнительно холодный, но еще достаточно плотный газ жадно поглощает кванты, не спе­ша отдавать их и, следовательно, нагреваясь. Основной вклад в поглощение квантов вносят элементы, более тяжелые, чем водо­род и гелий. Нагретое вещество, как было проиллюстрировано выше и как любой может убедиться на примере воды в кастрюле, стоящей на плите, будет подниматься вверх, а холодное веще­ство — опускаться вниз, в результате чего возникнет конвекция.

А что же в более глубоких слоях? Там газ горяч, полностью ио­низован и прозрачен для излучения. Можно считать, что Солнце состоит из трех слоев, и радиус каждого слоя составляет пример­но треть радиуса Солнца.

В центральной трети — зона энерговыделения. Там идутядер- ные реакции, а транспортировка энергии вовне осуществляется лучистым переносом.

Во втором, среднем, слое температура вещества уже мала для ядерных реакций, но еще достаточна для лучистого переноса. Из этого не следует, что там, как и в центральной зоне, нет переме­шивания вещества, — очень может быть, что перемешивание в какой-то мере происходит, однако не оно ответственно за транс­портировку энергии.