14.3. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И ЗВЕЗД. СТРОЕНИЕ ТИПИЧНОЙ ЗВЕЗДЫ

Солнце — рядовая звезда нашей Галактики. Это —

Поэтому они горячее, чем верхняя часть фотосферы

горячий шар из плазмы. Долгое время его считали твердым

(4500 К). Хромосферу можно наблюдать во время затмений.

шаром, и даже пригодным для жизни. Для Земли Солнце

Видны спикулы — язычки из уплотненного газа. Изучение

является ближайшей звездой, источником жизни. Его

спектров хромосферы показывает ее неоднородность,

возраст оценивается в 5 млрд лет, как и у всех тел солнечной

перемешивание газа происходит интенсивно, и температура

системы. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн

хромосферы достигает 10000 К. Над хромосферой распола-

км или 1 а.е. Поскольку Земля вращается, как и другие

гается самая разреженная часть солнечной атмосферы —

планеты, по эллиптической орбите, ее расстояние зимой

корона, она все время колеблется с периодом в 5 минут.

меньше на 2,5 млн км, а в июле — на столько же дальше.

Плотность и давление быстро нарастают внутрь, где газ

Радиус Солнца 6966000 км, масса 1,99 1030 кг, средняя

сильно сжат. Давление превышает сотни миллиардов

плотность 1,41 кг/м3. Полное количество энергии, излу-

атмосфер, а плотности до 1,5 105 êã/ì3. Температура тоже

чаемой Солнцем, составляет 3,86 1040 Äæ/ñ èëè 3,86 1020

сильно возрастает, достигая 15 млн К (рис.20).

МВт, из которой до Земли доходит только одна двух-

Магнитные поля играют на Солнце существенную

миллиардная часть. Эффективная температура Солнца

роль, так как газ находится в состоянии плазмы. При

равна 5806 К, оно относится к спектральному классу

возрастании напряженности поля растет солнечная актив-

желтых карликов.

ность во всех слоях его атмосферы. Проявлением солнеч-

Современная структура Солнца возникла в резуль-

ной активности являются вспышки, в годы максимума их

тате звездной эволюции (рис.21). Наблюдаемые слои

бывает до 10 за сутки. Вспышки размерами около 1000 км

Солнца называют его атмосферой. Наблюдаемое излучение

и длительностью порядка 10 мин, обычно возникают в

Солнца возникает в его тонком (порядка 700 км) внешнем

нейтральных областях между пятнами, имеющими противо-

ñëîå — фотосфере. Фотосфера — самая глубокая часть, и

положную полярность. Во время вспышки выделяется

чем глубже, тем ее слои горячее. Во внешних, более

энергия, равная энергии взрыва 1 млн мегатонных водо-

холодных слоях фотосферы происходит частичное погло-

родных бомб. Излучение в это время наблюдается и в

щение света — на фоне непрерывного спектра образуются

радиодиапазоне, и в рентгеновском. Появляются энер-

темные фраунгоферовы линии. В телескоп можно наблю-

гичные частицы — протоны, электроны и другие ядра,

дать зернистость фотосферы. Маленькие светлые пят-

составляющие солнечные космические лучи.

нышки — гранулы (размером до 700 км) окружены тем-

Солнечные пятна перемещаются по диску; заметив

ными промежутками. Это происходящая во внутренних

это, Галилей заключил, что оно вращается вокруг своей оси.

областях конвекция вызывает движения в фотосфере — в

Наблюдения за пятнами показали, что Солнце вращается

гранулах горячий газ вырывается наружу, а между ними —

слоями: около экватора период около 25 сут., а у полюсов —

опускается. Эти движения распространяются и в более

33 сут. Число пятен на Солнце колеблется в течение 11 лет

высокие слои атмосферы Солнца — хромосферу è корону.

от наибольшего к наименьшему. За меру этой пятно-

образующей деятельности принимают так называемые

13 млн К. Расчет показывает, что для обеспечения наблю-

числа Вольфа: W = 10g + f, здесь g — число групп пятен, f —

даемой светимости Солнца достаточно, чтобы выделение

общее число пятен на диске. При отсутствии пятен W = 0,

энергии происходило лишь в 0,1 его массы. На Солнце этот

при 1 пятне — W = 11. В среднем пятно живет почти месяц,

цикл эффективнее второго цикла, типичного для более

размеры их порядка сотен км. Пятна обычно сопровож-

тяжелых звезд.

даются группой светлых полосок — факелов. Оказалось, что

Азотно-углеродный öèêë состоит из шести реакций.

в области пятен имеют место сильные магнитные поля

Бете открыл его, независимо от физика и астрофизика

(до 4000 эрстед). Наблюдаемые на диске волокна названы

К. фон Вейцзеккера. Этот цикл требует температур порядка

протуберанцами. Это массы более плотного и холодного

20 млн К. Углерод играет в нем роль катализатора реакций,

газа, поднимающиеся над хромосферой на сотни и даже

и его количество остается неизменным. Реакции этого

тысячи километров.

цикла тоже происходят на Солнце, но идут медленно. Два

От Солнца исходит и интенсивное радиоизлучение.

протона не образуют связанной системы (нет изотопа Не2).

Рентгеновское излучение исходит от верхних слоев хромо-

При столкновении один из протонов превращается в нейт-

сферы и короны. Кроме того, Солнце излучает потоки

рон с излучением позитрона и нейтрино. За большие

частиц — корпускул. Солнечные корпускулярные потоки

научные заслуги в области звездной энергетики Бете стал

оказывают большое воздействие на верхние слои атмо-

лауреатом Нобелевской премии по физике за 1967 г.

сферы нашей планеты.

Количество освобожденной энергии оценивалось по

Термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода

формуле Эйнштейна E = mc2. Дефект массы для слияния

объяснил энергию звезд английский астрофизик Эддингтон

четырех протонов и образования ядра атома гелия (альфа-

(1920 г.), известный своими работами по теории гравитации

частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов)

и квантовой теории, обнаруживший экспериментально

составляет 0,02863 а.е. Соответствующая ему энергия

отклонение света звезды в поле тяготения Солнца (1919 г.),

излучается, что дает энергию E = 4,3 10–12 Дж. Поскольку

предсказанное ÎÒÎ. В книге «Звезды и атомы» (1927 г.) он

Солнце излучает энергию L = 3,86 1026 Äæ/ñ, òî èç îòíî-

показал, что масса ядра гелия не точно в четыре раза

шения (L/E), примерно равного 1038, можно заключить, что

превышает массу ядра водорода, а несколько меньше. Если

в недрах Солнца за 1 с образуется около 1038 ядер гелия. Но

к незначительной разнице масс применить формулу Эйн-

тогда должно образовываться вдвое больше нейтрино.

штейна E = mc2, то окажется, что этот дефект массы

Обнаружение нейтрино — этих неуловимых частиц —

эквивалентен огромной энергии. Тогда выводы Эддингтона

подтвердило осуществимость таких реакций на Солнце.

вызывали сомнения среди ученых.

Оценки показывают, что длина пробега нейтрино порядка

Реакция синтеза ядер гелия из водорода возможна

1015 м. Это в сотни раз превышает размеры всей солнечной

при условиях, которые реализуются в центральной части

системы, а на расстоянии 150 млн км от Земли до Солнца

Солнца, где температура достигает 10–13 млн К. Атомы

поток нейтрино должен бы составлять 65 млрд на квад-

теряют свои электронные оболочки, но этого недостаточно

ратный сантиметр в 1 с.

для преодоления силы кулоновского отталкивания между

Для регистрации нейтрино предложено много методов,

ядрами. Протон предохранен от взаимодействия с другим

строятся специальные установки, но точных результатов

протоном потенциальным энергетическим барьером в

по их обнаружению пока нет. То, что нейтрино не удавалось

140 кэВ. Тепловая энергия протона при 10 млн К составляет

уловить, создало проблему «солнечного кризиса». Выход

всего 1 кэВ, а суммарная энергия сталкивающихся протонов

был найден в резком перемешивании солнечного вещества,

вдвое больше. Это значит, что потенциальный барьер

которое происходит периодически. Дело в том, что цент-

превышает в 100 раз среднюю энергию частиц. Необходимо,

ральные части Солнца должны вращаться быстрее, чем

чтобы частицы смогли сблизиться на расстояние, меньшее

поверхностные. Поэтому в область, где происходят термо-

10–15 м, т.е. попасть в область сильного взаимодействия.

ядерные реакции, втягиваются слои плазмы с повышенным

С точки зрения классической механики этот барьер непрео-

содержанием изотопа Не3, что расширяет область реакции

долим, но в законах квантовой механики всегда существует

и замедляет ее ход. Накопление вращательного момента,

определенная вероятность преодоления. Это так называ-

вызывающего эти процессы, продолжается 10 млн лет.

åìûé туннельный эффект. Протон должен успеть столк-

Потом происходит передача избытка его центральным

нуться с другим протоном, преодолеть барьер, окружающий

областям звезды, и все повторяется. При перемешивании

его ядро, превратиться в нейтрон, и произойдет рождение

светимость уменьшается, поток нейтрино ослабевает.

тяжелого водорода — дейтерия. Так начнется термоядерная

Возможно, с этим связаны причины оледенений на Земле.

реакция, являющаяся, по современным представлениям,

Внутренние области Солнца, где должны происхо-

источником энергии звезд. При условиях, типичных для

дить термоядерные реакции, изучал Эддингтон, и строил

недр звезд типа Солнца, возможны реакции двух типов.

их модели. Он считал, что звезды — это шары из газа в

Протон-протонный цикл ядерных реакций разра-

состоянии плазмы, находящиеся в состоянии лучистого

ботал американский физик-теоретик Г.Бете (1939 г.). Ядро

равновесия. Эддингтон определил «время жизни» Солнца,

тяжелого водорода — дейтерия, соединяясь сначала с

температуру его недр, вычислил предельные массы звезд,

протоном, образует ядро изотопа гелия. Последняя реакция

обеспечивающие их устойчивость. В 1924 г. он установил

этого цикла состоит в слиянии ядер легкого гелия и осво-

связь между массой и светимостью звезд, подсчитал, что

бождении двух протонов. Этот цикл обеспечивает выход

силу тяготения должна уравновешивать направленная

энергии 19,78 МэВ и может идти при температурах порядка

наружу сила, которая могла возникнуть благодаря стрем-

лению газа расшириться под действием высокой темпе-

конвекции дробление квантов резко ослабевает, лишь малая

ратуры. Исходя из значений для массы Солнца и его

часть энергии уносится в инфракрасной и радиообласти

размеров, Эддингтон получил значение температуры в

спектра. Конвекционная зона — источник энергии, обеспе-

центре газового шара 15 млн градусов.

чивающий нагревание солнечной короны è хромосферы.

Активная область, где идут термоядерные реакции,

КПД переноса энергии в солнечную корону всего 0,01. Газ

занимает центральную шаровую зону с радиусом 230 тыс.

короны непрерывно истекает в межпланетное прост-

км. Эту область окружает зона лучистого переноса энергии

ранство, где дует сильный солнечный ветер, сметающий

протяженностью 280 тыс. км, в которой температура

микрометеорные частицы и испаряющиеся из атмосфер

достигает 5 млн К, поэтому в ней не могут происходить

планет газы, формирует планетные хвосты. На расстоянии

термоядерные реакции: атомы здесь не полностью иони-

земной орбиты скорость солнечного ветра составляет

зованы, поглощение гамма-излучения переводит какие-то

около 400 км/с, а Солнце теряет 0,01 своей массы за 5 млрд

их электроны на более высокие орбиты, а возвращаются

ëåò (èëè 4,3 ìëí ò çà 1 ñ).

они уже в несколько ступеней, т.е. испускаются кванты

У голубых звезд и белых гигантов и сверхгигантов

меньших энергий.

радиус активной зоны составляет 0,2 радиуса звезды,

Зону лучистого переноса окружает зона конвекции, â

конвекционная зона практически отсутствует, а весь

которой энергия переносится к поверхности путем конвек-

остальной объем занимает зона лучистого переноса энер-

ционного движения солнечной плазмы. Скорости конвек-

гии. Красные гиганты имеют очень малое, радиусом до 0,001

ционных движений невелики, порядка 100–500 м/с, но эти

радиуса звезды, изотермическое ядро, полностью состоя-

подфотосферные слои порождают солнечную активность.

щее из гелия, образовавшегося в прошлом из водорода.

Теория зоны конвекции описывает не только состоя-

Поэтому термоядерные реакции идут уже не в ядре, а рядом

ние солнечного вещества в ней, но и строение звезд на

с ним. Зона переноса излучения имеет небольшую относи-

ранних этапах их эволюции (до выхода на Главную последо-

тельную протяженность, а конвекционная зона занимает

вательность), и строение ядер массивных звезд. В зоне

почти весь огромный объем этих звезд.

Цефеиды являются важным типом физически пере-

высокое содержание тяжелых элементов, чем в старых.

менных звезд. Они названы по звезде дельта Цефея. Пери-

Вспышки сверхновых наблюдали примерно раз в 150–

оды блеска цефеид от нескольких часов до нескольких

300 лет в каждой галактике.

суток. Изучение спектров цефеид показывает, что вблизи

В максимуме новая звезда достигает абсолютной звезд-

максимального блеска звезда приближается к нам с наи-

ной величины М = –8. Такая яркость длится всего несколько

большей скоростью, а вблизи минимума — удаляется

дней. Может случиться, что она за несколько месяцев

(эффект Доплера). Значит, цефеиды периодически сжима-

вернет свои прежние характеристики, и в звездных прос-

ются и расширяются, т.е. это нестационарные пульси-

торах это не выглядит катастрофой, но через сто или тысячу

рующие звезды.

лет она может вновь взорваться (как вулкан имеет склон-

Радиус цефеиды почти в 30 раз больше солнечного, и

ность к повторным извержениям). В 1885 г. взорвалась

зона двукратной ионизации гелия, составляющая всего 1–2%

Новая S Андромеды: будучи слабой звездочкой 7-й вели-

от радиуса, при средней температуре в 40000 К и плотности

чины, она вдруг стала светить ярче звезды 6-й величины.

3 10–8 ã/ñì3 составляет 10–6 всей массы. Но именно эта,

С учетом расстояния до нее, она стала ярче всей галактики

казалось бы, незначительная зона приводит к пульсациям,

Андромеды, ее блеск достигал миллиона простых новых

работая как поршневой двигатель: освобождение энергии

звезд, или в 10 млрд раз превышал блеск Солнца. Это была

при сжигании горючего (или приобретение энергии сис-

вспышка сверхновой звезды. Похоже, что в нашей Галак-

темой) происходит в момент максимального сжатия в

тике за всю историю наблюдений вспыхивали кроме нее

цилиндре. В зоне ионизации Не-II за счет поглощения

четыре сверхновые (1054, 1572, 1604, 1987), и, кроме того,

энергии растет давление, газ расширяется и уменьшается

найдены около десяти туманностей — остатков от вспышек

плотность. Слой становится прозрачней, запасенная в нем

сверхновых. Сверхновая СН 1987А была видна невоо-

энергия начинает усиленно высвечиваться. При достижении

руженным глазом, она находится в большом Магеллановом

наибольшего расширения внешние слои под действием

облаке — спутнике нашей Галактики — на расстоянии в

тяготения начнут падать вниз, но равновесное положение

160 тыс. св. лет. Ее наблюдали со всех крупнейших телес-

«проскользнут», произойдет сжатие, и цикл повторится.

копов на Земле, а также рентгеновским телескопом на

Более детальный анализ показал, что пульсировать спо-

модуле «Квант» орбитальной станции «Мир».

собны только звезды, в которых зона ионизации попадает

Пульсарами назвали источники пульсирующего излу-

â резонанс со всей звездой. Это возможно только для

чения, характер которого был не похож на известный ранее

гигантов и сверхгигантов, а при движении вправо от них

(типа цефеид). Радиоастрономы А.Хьюиш, С.Белл, И.Пил-

отстройка от резонанса приводит к неправильностям в

кингтон, П.Скотт и Р.Коллинз обнаружили на λ = 3,68 ì

блеске звезды. Возможно, многие звезды проходят подоб-

необычные радиосигналы, длящиеся 0,3 с (1968). Сигналы

ные стадии эволюции.

с точностью до 10–8 с повторялись через 1,337 с в течение

Вспышки новых звезд (в нашей Галактике до сотни за

полугода, но амплитуда сигнала менялась. Такой характер

год) происходят сравнительно часто, но видеть удается

сигнала напоминал передачи земных радиостанций, в

только одну-две из них. В последние годы установили, что

которых на строго ритмичные высокочастотные сигналы

новые — это тесные двойные системы, состоящие из звезды

накладываются колебания звуковой частоты.

позднего класса и горячей звезды, окруженной оболочкой

К настоящему времени открыто уже более двухсот

плотного газа. Эта двойственность — причина вспышки,

пульсаров. Регистрируя их излучение на различных, но

причем вспыхивает звезда с меньшей массой. Перетя-

близких частотах, удалось по запаздыванию сигнала на

гивание части массы к ней разогревает ее и приводит к

большей длине волны (при предположении о некоторой

взрыву. Термин «новые» ввел Тихо Браге, наблюдавший

плотности плазмы в межзвездной среде) определить рас-

вспышку в 1572 г., и, хотя это название не из удачных,

стояние до них. Оказалось, что все пульсары находятся на

поскольку вспышка свидетельствует не о рождении, а о

расстояниях 100 25000 св. лет, т.е. принадлежат нашей

гибели звезды, оно сохранилось. К новым относят звезды,

Галактике, группируясь вблизи ее плоскости. Предпо-

которые после вспышки возвращаются в свой прежний

лагают, что большинство открытых пульсаров находится в

стабильный режим. Самой яркой была вспышка в 1975 г. в

том же спиральном рукаве, что и Солнце. Пульсар NP 0531

созвездии Лебедя, которая в течение 20 суток светила в

в центре Крабовидной туманности отождествляли со

1 млн раз ярче обычного, но быстро и потеряла блеск.

звездой, которую считают остатком от вспышки сверх-

До сих пор зарегистрировано около 170 новых звезд в

новой в 1054 г. С развитием рентгеновской астрономии

нашей Галактике и около 200 — в галактике Андромеды.

было замечено, что основную долю энергии пульсары

Сверхновыми звездами стали называть уже по ана-

излучают в рентгеновском диапазоне, и возрастание пери-

логии звезды, производящие наиболее мощные взрывы.

ода излучения пульсаров со временем позволяет оценить

Вспышка сверхновой наблюдалась китайскими астроно-

их возраст. Пульсирующий характер излучения объясняют

мами еще в 1054 г. в созвездии Тельца, и сейчас остатки

быстрым вращением звезды и наличием сильного магнит-

оболочки этой взорвавшейся звезды наблюдаются в виде

ного поля с индукцией до 100 млн Тл. Если магнитная ось

Крабовидной туманности. Со временем она рассеется в

не совпадает с осью вращения, то образуется «магнитный

пространстве, но при вспышках образуются изотопы многих

конус», попав в который заряженная частица может уско-

элементов с массовыми числами, большими 60. Именно эти

риться до скоростей, близких к световым, излучая энергию

вспышки обогащают газопылевые комплексы тяжелыми

в направлении своего движения. Возникает узконаправ-

элементами, поэтому в молодых звездах наблюдается более

ленный пучок нетеплового излучения, и этот радиоимпульс