СЕЛФ

12

О.Н. Каравашкина и С.Б. Каравашкин

2.7. Химическая эволюция звезды

Для того, чтобы понять во всех аспектах дальнейшую эволюцию звезды, мы должны еще осветить (а во многом просто напомнить читателю) химические преобразования в ней и их взаимосвязь с другими проявлениями эволюции звезды. В данном пункте мы рассмотрим химическую эволюцию идеальной звезды, без учета налагающихся индивидуальных особенностей развития, которому будут посвящены дальнейшие пункты работы.

Начнем, как и в предыдущих пунктах, с общепринятого представления о процессе. Шкловский пишет: "Понимание сущности источников энергии совершенно необходимо для объяснения длительности существования звезд в почти неизменном состоянии. Еще более важно значение природы источников звездной энергии для проблемы эволюции звезд. … Майер полагал, что источником излучения Солнца является непрерывное выпадение на его поверхность метеорных тел. Расчеты, однако, показали, что этого источника явно недостаточно для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Гельмгольц и Кельвин пытались объяснить длительное излучение Солнца его медленным сжатием, сопровождавшимся освобождением гравитационной энергии. Эта очень важная даже (и особенно!) для современной астрономии гипотеза оказалась, однако, несостоятельной для объяснения излучения Солнца в течение миллиардов лет. … Уже к 20-м годам нашего века стало ясно, что источник энергии Солнца и звезд следует искать в ядерных превращениях. Сам Эддингтон тоже так считал, однако указать конкретные ядерные процессы, происходящие в реальных звездных недрах и сопровождаемые выделением нужного количества энергии, тогда еще не было возможности. … Джинс … полагал, что таким источником может быть… радиоактивность. … Э. Эпик … пришел к выводу, что источником энергии Солнца и звезд могут быть только термоядерные реакции синтеза. Только в 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звездной энергии" [1, с. 128- 129].

Рассмотрим, как происходит нуклеосинтез в описании Горбацкого. "Термоядерные реакции происходят в плазме лишь при определенных условиях, не реализующихся, например, во внешних слоях звезд или в межзвездной среде … Протоны как одинаково заряженные частицы испытывают действие электростатического отталкивания, тем большее, чем ближе они находятся друг к другу. Протон как бы окружен преградой, препятствующей сближению с ним другой положительно заряженной частицы. … Внутриядерные же силы притяжения очень быстро убывают с расстоянием и только при расстояниях между частицами порядка 10^-13 см   или меньших они превосходят силы электростатического отталкивания. Следовательно, ядро атома дейтерия образуется лишь в том случае, когда относительная скорость сталкивающихся протонов настолько велика, что соответствующая ей кинетическая энергия достаточна для преодоления потенциального барьера. … Если температура плазмы недостаточно высока, скажем, 3- 5 миллионов градусов, то протонов с необходимым для преодоления потенциального барьера значением скорости почти нет и протон-протонная реакция не идет. При температурах же, близких к 15 миллионам градусов, сравнительно большая доля частиц имеет энергию, позволяющую им подойти к другой частице достаточно близко для образования более сложного ядра. … С другой стороны, для того чтобы встречи протонов происходили часто, требуется высокая концентрация этих частиц. Оба эти условия выполняются в центральных областях Солнца и сходных с ним звезд" [11, с. 81].

В ядре звезды частицы приближаются друг к другу на расстояние, меньшее потенциального барьера, за счет давления среды. Скорость им придает тепловое возбуждение, а обеднённость ядра звезды электронами позволяет веществу эффективно компактизоваться. Вот почему концентрация частиц, способных объединиться в ассоциацию, в звезде очень велика и совокупность параметров давления и температуры достигается значительно проще, чем в искусственном синтезе. Поэтому не исключено, что Шкловский недалек от истины, полагая, что нуклеосинтез начинается уже при первых миллионах градусов. Да в данном рассмотрении нам и не важно точное значение температуры. Важно, что

а) в ядре звезды происходят ядерные реакции, и при этом начинается формирование нового структурного уровня звездного вещества, и

б) в процессе нуклеосинтеза образуются не атомы, но атомные ядра с небольшим количеством электронов, "вдавленных" в ядро и образовавших таким образом нейтроны. И в этом, пожалуй, единственное принципиально важное отличие от общепринятой теории. Напомним ее описание процесса.

Первые реакции нуклеосинтеза называются протон-протонными и имеют три ветви. К первой ветви относятся реакции образования дейтерия и/или гелия, которые стандартно описываются следующим образом (справа указана величина выделяемой энергии, а в скобках - расчетная скорость протекания реакции):