Сейчас мы знаем, что Солнце — это лишь одна из множества звезд Галактики. Все они излучают видимый свет и другие электромагнитные волны благодаря термоядерным реакциям. Одни элементы преобразуются в другие, при этом часть массы преобразуется в энергию. Но путь к этому знанию был длинным и очень непростым.
Почему светит Солнце?
С давних времен люди знали, что наше светило является главным источником света и тепла на Земле. Именно они обеспечивают существование растений и животных, благодаря которым люди не умирали с голода. Не зря во многих мифологиях именно с исчезновением Солнца были связаны легенды о гибели мира.
Однако вопрос о том, почему Солнце светит, много столетий оставался не просто без ответа, а так или иначе запретным. Все, что происходило на небесах, считалось делом божественных сил, а самым сакральным небесным объектом было именно Солнце.
Сама мысль о том, что в космосе действуют те же физические законы, что и на Земле, укоренилась в сознании ученых только в XVII веке. Приблизительно тогда же стало ясно, что другие звезды — такие же солнца, как и наше, поэтому все, что его касается, справедливо и для них.
Весь XVIII век пошел на то, чтобы окончательно выяснить, что энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает. Она только переходит из одной формы в другую или от одного тела к другому. Наконец, в XIX веке наука была готова к тому, чтобы серьезно задаться вопросом, какой источник энергии питает наше Солнце.
Почему Солнце не гаснет?
Первая попытка принадлежала немецкому физику Роберту Юлиусу Майеру. В 1848 году он подсчитал, что если бы источником энергии Солнца был уголь, то при той мощности излучения, которое наблюдается сейчас, он должен был закончиться всего за несколько тысяч лет.
Хотя в природе существует и более калорийное ископаемое топливо, уже Майеру было понятно, что ни одна химическая реакция необходимого количества энергии не дает. Поэтому он предложил альтернативную теорию: энергию Солнца выделяют сгорающие в его атмосфере метеориты. Но в таком случае они должны были бы вызвать настоящий ад также на Земле. Кроме того, масса светила должна стремительно расти и этого невозможно было бы не заметить.
Эта теория не устраивала никого, поэтому в 1853 году английский физик Уильям Томпсон, более известный как лорд Кельвин, и немецкий ученый Герман Гельмгольц выдвинули предположение, что основной источник энергии Солнца — гравитация. Сжатие постоянной массы газа под действием собственной силы тяжести вызывает его нагрев.
Механизм Кельвина — Гельмгольца действительно может приводить к выделению энергии. Так ее производят коричневые карлики и планеты-гиганты, подобные Юпитеру. Но по отношению к Солнцу даже у самих авторов идеи из расчетов получалось, что оно существует не более 20 млн лет и погаснет не позже, чем через 15 млн лет.
Это не согласовывалось с данными геологии, уже тогда установившей, что возраст горных пород на Земле измеряется сотнями миллионов лет. Но ничего лучше ученые тогда придумать не могли, так что теория Кельвина — Гельмгольца так и оставалась самым авторитетным объяснением механизма светимости Солнца и звезд до начала XX века.
Неуловимый гелий
Между тем спектроскопия подарила ученым новый способ определять, из чего состоит светящийся предмет, «не прикасаясь» к нему. Применив этот метод к Солнцу, ученые сразу же обнаружили немало линий, принадлежавших элементам, еще не найденным на Земле.
Один из них — гелий — был открыт во время полного солнечного затмения 18 августа 1868 года. Свое название он получил два года спустя в честь греческого бога Солнца. Тогда считалось, что этого элемента на Земле нет и он может быть как-то связан со свечением, но как именно — тогда догадаться не смогли, ведь атом все еще считался неделимым, а значит, идея термоядерных реакций тоже возникнуть не могла.
На Земле гелий обнаружили в 1881 году, однако тогда этого открытия не признали. Окончательно его присутствие на нашей планете было установлено в 1898 году. Это совпало с началом исследований атомного ядра, в которых этот элемент сыграл не последнюю роль.
В 1906 году Эрнест Резерфорд и другие ученые, занимавшиеся исследованиями только что открытой радиоактивности, обнаружили, что α-частицы представляют собой ядра гелия. Это стало одной из основ современной планетарной модели атома и, как следствие, учения о реакциях разделения и слияния атомных ядер.
Солнце как термоядерный реактор
Сам Резерфорд выдвинул гипотезу, что звезда светит благодаря реакции радиоактивного распада. Это значительно увеличивало возможное время ее существования, но непонятным оставалось, где на Солнце уран (его спектральные признаки долго не могли обнаружить). Однако уже в 1920 году появилась гораздо более интересная и реалистичная идея.
В 1920 году Артур Эддингтон обратил внимание, что четыре ядра водорода, то есть протоны, имеют суммарную массу чуть больше одного ядра гелия. Согласно теории относительности Эйнштейна, разница масс могла бы превратиться в энергию, и именно ее должно было хватить для того, чтобы объяснить свечение Солнца и звезд.
И водород, и гелий на Солнце были. Но физикам понадобилось более тридцати лет, чтобы понять, как они превращаются друг в друга. В процессе этого стало ясно, что в глубинах звезд не только происходит выделение энергии, но и образуются химические элементы, из которых состоят планеты и живые организмы.
Протон-протонный цикл
Для звезд, похожих на Солнце, основным способом получения энергии является тот, на который указал Эддингтон. Он называется протон-протонным циклом и состоит из нескольких взаимосвязанных реакций. На первом этапе два протона объединяются в дейтрон — ядро тяжелого стабильного изотопа водорода. При этом образуются позитрон, нейтрино и некоторое количество энергии.
На втором этапе дейтрон присоединяет к себе протон и превращается в ядро гелия-3. При этом выделяется гамма-частица и гораздо больше энергии. Наконец, последняя реакция заключается в том, что два ядра гелия-3 сливаются вместе и превращаются в ядро «обычного» гелия, два протона и большое количество энергии.
Приблизительно в одном случае из 400 на первом этапе вместо излучения позитрона поглощается электрон. При этом производится немного больше энергии, чем в обычном варианте первого этапа цикла.
Но цикл на этом не заканчивается. Два ядра гелия могут слиться, образовав бериллий. Из него же при экстремальных температурах образуются литий и бор. Кроме того, в результате реакций протон-протонного цикла могут образовываться кислород, азот и углерод, являющиеся его конечными продуктами.
CNO-цикл
Протон-протонный цикл является основным источником энергии для звезд с массой, как у Солнца или легче его. Более массивные светила, которые все еще остаются на главной последовательности, то есть не потратили свои запасы водорода, используют преимущественно CNO-цикл.
Свое название этот цикл получил от углерода, азота и кислорода, являющихся в нем главными «действующими лицами». Именно они присоединяют к себе протоны, превращаясь при этом в другие элементы и выделяя энергию.
Энергии в CNO-цикле выделяется значительно больше, чем в протон-протонном. Однако и условия для протекания таких реакций требуются более жесткие. Именно поэтому на Солнце они практически не проходят.
«Горение» тяжелых элементов
Когда на звезде заканчивается водородное «топливо» и она начинает сходить с главной последовательности, возникают условия для совсем других термоядерных реакций. Как только температура в ядре звезды превышает 100 млн кельвинов, становится возможным цикл «горения» гелия. Он не выделяет столько энергии, как реакции с водородом, и звезда может им питаться в 100 раз меньше времени, чем предыдущими способами. Однако он позволяет ей просуществовать еще немного.
Сначала два ядра гелия-4 объединяются в ядро бериллия-8. Дальше последний мог бы присоединить к себе еще одно ядро гелия-4 и превратиться в привычный нам углерод-12. Но он нестабильный, и ему для этого обычно не хватает времени жизни.
Однако с повышением температуры все больше ядер гелия сталкиваются между собой и образуют углерод в стабильном состоянии. А он, в свою очередь, начинает присоединять к себе следующие гелиевые ядра, превращаясь сначала в кислород, а потом в неон.
Для большинства звезд на этом все и заканчивается. Но самые большие из них, по массе, по крайней мере, в 10 раз превышающие Солнце, способны разогреваться до температуры, при которой последовательно начинают «гореть» углерод, неон, кислород и, наконец, кремний. Энергии от этих реакций становится все меньше и меньше, но в ходе них способны образовываться химические элементы вплоть до железа.
Остальные элементы периодической таблицы образуются при значительно более экстремальных процессах — например, при сверхновых вспышках. Но там уже о получении энергии речь не идет. Теоретически также источником энергии звезд могут быть и вовсе экзотические процессы типа аннигиляции, то есть реакции обычного вещества с антивеществом. Но до сих пор ни одного наблюдательного подтверждения существования таких светил не найдено.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
