ГЕЛИЙ ЗВЁЗДНОЕ ГОРЮЧЕЕ
И гелий-6,и гелий-8 оставались лишь лабораторным феноменом из-за своей нестабильности. Конечно, они рождались в процессе многочисленных ядерных превращений, происходящих в природе, но их кратковременное существование не могло приводить к принципиально новым событиям ни в микро-, ни в макромире. Возможно, эти изотопы играют далеко не последнюю роль в процессах, протекающих в недрах звезд, выступая лишь в качестве промежуточного звена в цепочке ядерных превращений. Поэтому при рассмотрении процессов, которые могут разыгрываться в недрах звезд, мы ограничимся анализом стабильных изотопов гелия.
Состав звездного вещества
Оглядываясь назад с высоты наших сегодняшних знаний, можем сказать: нет ничего удивительного в том, что гелий открыли не на Земле, а на Солнце. На Земле гелия очень мало. Почему это так, мы будем обсуждать в последующих главах. Что касается Солнца, то оно в основном состоит из водорода (74 % по массе) и гелия (23,5 % по массе).
Наше Солнце — весьма типичная для Галактики звезда, относящаяся к так называемым желтым карликам. Таких звезд в нашей Галактике насчитывается несколько миллиардов. Очевидно, для них характерен сходный с солнечным химический состав. А в современной Вселенной большая часть вещества сосредоточена в звездах, т. е. сцементированные гравитацией огненные шары отражают наиболее распространенное состояние вещества.
Практически у всех (за небольшим исключением) звезд сходный химический состав. В среднем на 10 000 атомов водорода приходится около 1000 атомов гелия, 10 атомов кислорода и 1 атом железа, других химических элементов еще меньше. Правда, состав звезд определяется многими факторами: и их возрастом, и их космической предысторией, и их местом образования и т. д. Но вся эта информация относится лишь к звездным атмосферам. А что делается за раскаленной непрозрачной оболочкой, никто не знал, и пессимисты предполагали, что разгадать эту тайну человечество не сможет.
«Не очень хотелось бы думать, что наша Галактика полна вещества, находящегося в ненаблюдаемом состоянии, но современные данные о массе всей Галактики и ее наблюдаемых частей не исключают такой возможности»,— писал известный английский астрофизик Р. Дж. Тейлер. Звездные недра прямому наблюдению недоступны. И о том, что происходит в них, долгое время приходилось только догадываться.
Почему светят звезды
Один из основных вопросов, на который призвана ответить астрофизика, касается источников звездной энергии. Чем объяснить удивительную стабильность звезд (речь идет, конечно, не о взрывающихся объектах типа сверхновых звезд), подтверждаемую как наблюдениями за многими объектами Галактики, так и всей геологической историей Земли?
Еще один вопрос: имеет ли какое-либо отношение к горению Солнца и звезд их химический состав? Один из основоположников термодинамики Ю. Р. Майер. предполагал, что источником солнечного излучения является непрерывная бомбардировка его поверхности метеоритами. Однако расчеты показали, что этот источник энергии не может обеспечить наблюдаемое выделение солнечной энергии.
Другая научная попытка объяснения светимости Солнца была сделана в XIX веке Г. Гельмгольцем и У. Кельвиным, которые предположили, что столь длительное излучение Солнца объясняется его медленным гравитационным сжатием. Однако этого запаса энергии могло хватить лишь на 30 млн. лет. Такая оценка удивила прежде всего биологов, которые располагали данными о том, что эволюция жизни на нашей планете потребовала гораздо большего времени.
После открытия явления радиоактивности источник солнечной энергии стал видеться в радиоактивных распадах и в реакциях развала тяжелых ядер. Этой точки зрения придерживался, в частности, английский астроном Джеймс Джине — автор известной гипотезы о происхождении Солнечной системы.
В 20-х годах нашего столетия интуиция заставила другого английского астронома Артура Эддингтона обратиться в поисках источника неиссякаемой энергии звезд к ядерным превращениям. А. Эддингтон считал, что ответственным за выделение солнечной энергии должен быть не распад ядер, а их уничтожение. Согласи» созданной А. Эйнштейном теории относительности, масса и энергия связаны определенным соотношением: Е — mс². Все вещество, из которого состоит Солнце, постепенно аннигилирует и переходит в излучение. Однако этой энергии хватилобы на 150 млн. лет. Дело осложнялось тем, что такой аннигиляции, т. е. взаимного «съедания» или уничтожения вещества, никто не наблюдал. И не было особых оснований предполагать, что при высоких температурах, господствующих в звездных недрах, эти процессы могут протекать .
Начиная с 30-х годов ученые начали склоняться к мысли, что в звездах должны происходить ядерные реакции, при которых и высвобождается энергия. Все более настойчивой становилась мысль о термоядерном источнике звездной энергии.
Какие же именно реакции протекают в звездах? Попытка отыскать их натолкнулась на трудности . Было ясно, что сущность ядерных процессов в звездах, всяком случае на первом этапе, заключается в объединении четырех ядер водорода в одно ядро гелия:
4р → ⁴He + 2e⁺ + Q.
При этом избыточная масса и выделяется в виде энергии Q. Но прямые реакции синтеза оказывались слишком маловероятными, а последовательный синтез был просто невозможен из-за нестабильности промежуточных продуктов.
Протон, объединившись с протоном, должен был образовать «бипротон», тот самый, который распадается за предельно короткое время:
p + p → ²Не + γ.
Если протон заставить объединиться не с протоном, а с ядром гелия, то должен получиться изотоп литий-5, а на массовое число пять природа тоже наложила запрет. Реакция слияния водорода с гелием не могла осуществиться.
р + ⁴Не → ⁵Li + γ.
И наконец, слияние двух альфа-частиц давало жизнь изотопу бериллий-8, который приблизительно через 10⁻²⁰ с снова превращался в альфа-частицы.
Физик Ханс Бете, приступивший в 30-х годах текущего столетия к решению этой проблемы, по его словам, «…перебрал всю периодическую таблицу, но всюду получил бессмыслицу, какой бы атом ни взял, будь то литий, бериллий и т. д., он обязательно разрушался в реакциях. К тому же согласно таблице распространенности этих элементов чрезвычайно мало как на Земле, так и в звездах. Поэтому они, по-видимому, не могли дать нужного выделения энергии за промежуток времени существования Вселенной». Термоядерные реакции казались нереальными. Может быть, термоядерный синтез требует температур гораздо выше, чем это имеет место в звездах? И гелий, который наблюдается в атмосфере звезд и который хотелось бы считать верным спутником термоядерного синтеза, первой его ступенькой, отражает лишь предысторию межзвездного вещества, из которого звезды в свое время сконденсировались. Видимо, прав был А. Эддингтон, когда говорил: «Гелий, который мы имеем, должен быть изготовлен в какое-то: время в каком-то месте… Иди и найди более горячее место!»
Статья на тему Гелий звёздное горючее