1.2. Почему звёзды не взрываются подобно гигантским водородным бомбам?

Согласно современным представлениям звезда образуется в результате гравитационного сжатия газового облака. С одной стороны, давление газа внутри облака стремится увеличить его размеры. С другой стороны, гравитационные силы притяжения между молекулами газа стремятся сжать облако. И если силы гравитации преобладают над силами давления, то облако начинает сжиматься. По мере сжатия облако нагревается всё сильнее и сильнее и, в конце концов, начинает светиться. Дальнейшая судьба облака зависит от его массы.

Если масса облака меньше, чем одна десятая массы Солнца, то такое облако сожмётся в газовую планету наподобие Юпитера и постепенно охладится. Если же его масса превышает 0,1 массы Солнца, то при сжатии температура в центре облака достигнет десятков миллионов градусов, начнутся термоядерные реакции превращения водорода в гелий, и сжатое газовое облако превратится в звезду.

Но если на звёздах идут реакции термоядерного синтеза, то почему звёзды не взрываются подобно гигантским водородным бомбам?

К счастью, есть две причины, мешающие звезде взорваться.

Первая причина.

Когда в 1920 году Артур Эддингтон предположил, что в звёздах водород превращается в гелий, ему никто не поверил [171,с.133], так как вычисления показывали, что недра звёзд не достаточно горячи для реакций термоядерного синтеза. Ядрам водорода – протонам, находящимся внутри звёзд, просто не хватит кинетической энергии для того, чтобы преодолеть электрические силы отталкивания, действующие между ними.

В качестве примера оценим среднюю температуру внутри Солнца исходя из того, что средняя скорость V теплового движения атомов водорода должна быть меньше второй космической скорости:

(1.2)

Здесь М  210 ³⁰ кг – масса Солнца, R  710 ⁸ м – его радиус, G  6,710 ^11 кг ^1м ³с ^2 – гравитационная постоянная. Получаем V < 400 км/с. Для атомов водорода такая скорость соответствует 8 миллионам градусов. Таким образом, средняя температура внутри Солнца меньше 8 миллионов градусов. Гравитационный потенциал в центре Солнца примерно в 1,5 раза больше, чем на его поверхности. Поэтому можно ожидать, что и температура в центре Солнца примерно в 1,5 раза выше средней.

Напомним, что ядерные силы гораздо сильнее электромагнитных, но действуют они на очень малых расстояниях. Для того чтобы два протона соединились друг с другом под действием ядерных сил, они должны сблизиться практически вплотную, на расстоянии х  10 ^12 см. Нетрудно оценить, какая температура необходима для этого (вычисления проще сделать в системе единиц СГСЭ). Тепловая энергия протона равна kT (k  1,410 ^16 эрг/К – постоянная Больцмана). При сближении протонов их тепловая энергия переходит в потенциальную кулоновскую энергию, равную (е  4,810 ^10 ед. СГСЭ  – заряд электрона):

kT + kT = (1.3)

Проделав вычисления, получаем температуру несколько сотен миллионов градусов.

Проделав примерно такие же вычисления, оппоненты Эддингтона и пришли к выводу о невозможности термоядерных реакций внутри Солнца. Но в дальнейшем, после создания квантовой механики, выяснилось, что оппоненты Эддингтона всё же были не правы, потому что протоны (как и любые другие субатомные частицы) – это не классические объекты, а квантовые. Они обладают неопределённостью в движении. Благодаря неопределённости в движении протон, не имея достаточной энергии для преодоления энергетического барьера электромагнитных сил, «просачивается» через этот барьер (перетекание частицы через потенциальный барьер подробно обсуждается в [193]). То есть существует небольшая вероятность того, что термоядерные реакции могут идти при относительно низких температурах. В 1939 году Х. Бете экспериментально доказал возможность таких реакций, за что впоследствии получил Нобелевскую премию.

Итак, первая причина, почему звёзды не взрываются, – температура в их недрах достаточна только для медленно протекающих термоядерных реакций, но не достаточна для взрыва.

А что мешает температуре в центре звезды повыситься, и звезде – взорваться? Этому мешает другая причина.