т.5 No 1

15

Часть 2. Гипотеза образования планетной системы (часть II)

Как видим, расчеты вошли в острое противоречие с возможностями феноменологии их объяснить, и появилась необходимость в новых гипотезах, которые позволили бы связать термоядерную эволюцию звезды с ее взрывами. Связь откровенно искусственная, ибо прежде количественных оценок следовало бы доказать эту связь феноменологически. Остается добавить, что в оболочке сверхновой 1006 года как раз в начале 20 века были обнаружены линии сильно ионизованного железа; поскольку эти линии было неожиданны, то гибель (как думали) звезды связали именно с достижением ею стадии железа. То есть фактически гипотезы данного периода исходили из заведомо заданного условия, что стадия железа является для звезды роковой. Вероятно, в пылу исследований как-то забылось, что данное предположение не имеет под собой оснований - а значит, всё построение может оказаться несостоятельным, если оно не подтвердится.

Это наложило отпечаток на все дальнейшие исследования в данной области. Даже те исследователи, которые отстаивали длительный синтез, тоже искали причину взрывов всего лишь в иной стадии нуклеосинтеза. Так, в продолжение гипотез данного направления, Бааде (который, кстати, потом обнаружил, что "сверхновая" 1006 года не погибла - эта звезда теперь носит его имя) в 1956 году предположил существование и распад в ядре звезды не железа, а гипотетического для Земли элемента калифорния ²⁵⁴Cf. "Ядра этого изотопа спонтанно делятся на осколки с энергией ~200 МэВ … На смену ²⁵⁴Cf пришли другие "рабочие вещества". В последние годы в качестве такого вещества теоретики используют радиоактивный изотоп никеля-56, дающий начало цепи -радиоактивных превращений:

[1, с. 275], в которых выделяется ~1 МэВ.

Существует еще несколько экзотических и еще менее обоснованных попыток объяснить процесс, на которых мы не будем останавливаться.

Существует попытка В.С. Имшенника и Д.К. Надеждина количественно оценить влияние ударной волны, идущей от центра взрывающейся звезды, какова бы ни была причина взрыва. Но ее максимальные оценки оказываются на несколько порядков слабее, чем наблюдаемый масштаб звездных взрывов [1, с. 273- 274]. И опять-таки, о причине явления эта теория ничего не говорит.

Главное же, теории этого ряда фрагментарны и рассматривают не столько взрыв, сколько коллапс - процесс с противоположным знаком направления силы. Собственно причину взрыва ученым так и не удалось обстоятельно объяснить. И следовательно, объяснение взрыва, ради которого делаются эти предположения, должно быть иным.

Особое место в ряду теорий коллапса занимает теория Шварцшильда, предсказывающая, что если в процессе гравитационного сжатия звезда достигнет определенного предела (т. наз. сферы Шварцшильда), то произойдет необратимый коллапс - превращение звезды в "черную дыру". Отсюда делается вывод, что не только ядерные, но и гравитационные силы могут оказаться причиной взрыва звезды. В [14] мы доказали несостоятельность теорий этого ряда и принципиальную невозможность образования черных дыр.

Отсюда следует непреложный вывод об искусственности и необоснованности теорий коллапса, а вместе с ним и теорий прерывистого, "мечущегося" химического развития звезд.

В то же время сам Шкловский отмечает важную особенность: "есть звезды с аномально высоким содержанием углерода, или встречаются удивительные объекты с аномально высоким содержанием редких земель. Если у подавляющего большинства звезд обилие лития совершенно ничтожно (~ 10^-11 от водорода), то изредка попадаются "уникумы", где этот редкий элемент довольно обилен … Есть звезды, в спектрах которых обнаружены линии не существующего на Земле в "естественном состоянии" элемента технеция" [1, с. 18]. Ниже, когда мы будем обсуждать звездный ветер и магнитные звезды, мы приведем еще одну цитату о наличии в зрелых звездах очень широкого спектра и обилия тяжелых элементов, вплоть до редких земель. Это данные наблюдений.

Возникают два вопроса: во-первых, чтобы на видимую поверхность звезды вышли и стали наглядны на большом расстоянии столь тяжелые элементы (атомный вес технеция 98, а обнаруженного в спектрах прометия - 145), в ее ядре должны присутствовать значительно более тяжелые элементы. И во-вторых, в природе Земли известны элементы с атомными весами более 230. Не будем фантазировать, что они синтезировались в недрах планет, но где же тогда они образовались, если не в звезде, давшей начало планетам нашей системы? А ведь в метеоритах найдены характерные "продукты распада короткоживущих радиоактивных нуклидов (²⁶Al, ¹⁰⁴Pd, ²⁰²Pb, ²⁴⁷Cm и др.)" [28, с. 485], которым также негде образоваться, кроме как в ядрах звезд. Выходит, мы обязаны предполагать и перемешивание вещества в недрах звезды (иначе тяжелые элементы не могли бы выйти на поверхность), и значительно более углубленный синтез, не прерывая его взрывом или коллапсом именно на стадии железа. Тем более, что физические условия в каждой звезде свои индивидуальные, ввиду чего представляется несколько сомнительным разрушение вещества непременно после стадии железа. И, с другой стороны, нам неизвестен предел состояния вещества, ограниченный температурой в 810⁹ K. Скорее даже, при нормальном земном давлении предел мог бы наступить раньше; давление недр звезды вносит свою коррективу, - а оно, опять-таки, у каждой звезды свое. И в этом рассуждении нет ничего нового, Ярошевский так и объясняет самарий в метеоритах как возникший "в последнем процессе нуклеосинтеза за 100- 200 млн. лет до образования твердой фазы в Солнечной системе" [28, с. 485]. При всей сомнительности его численной оценки, само предположение представляется логичным и естественным.

Попробуем учесть еще один аспект ядерных процессов - а именно то, что атомы и ядра являются дискретными системами, и каждая такая система самостоятельно реагирует на внешние воздействия. С учетом этого,

1. Давление превышает потенциальный барьер одновременно для всех атомов, находящихся в равных условиях в центре протозвезды, и эта одновременность обусловливает вспышку. Но это ничтожно малая часть всей массы звезды.

2. Когда некоторая конкретная пара протонов объединяется, новое ядро занимает меньшее пространство, чем ранее занимали атомы этой суммы. Этот микроколлапс на мгновение сбрасывает давление в окрестности нового ядра и слегка замедляет процесс в данной микроокрестности, но давление быстро выравнивается общим давлением окружающих атомов; в результате в процессе нуклеосинтеза на каждом макроуровне происходит непрерывная компактизация вещества.

3. Аналогично, вряд ли есть резкая граница процессов синтеза двойных, тройных и т.д. ассоциаций. Скорее, это определяется локальными условиями в каждом уровне и даже в каждой конкретной точке системы, а также индивидуальным потенциальным барьером каждого протона и ассоциации. Следовательно, мы не можем жестко разделять этапы синтеза двойных, тройных и так далее систем, а должны скорее говорить о плавности нарастания ассоциаций и о процессах, которые преимущественно протекают на той или иной стадии развития звезды.

4. Из сказанного следует, что энергия, выделяющаяся в синтезе каждого отдельного ядра, непрерывно повышает температуру (и соответственно давление) в недрах и на макроуровне приводит к непрерывному созданию условий для нового усложнения ядер.

5. Если бы распределением вещества в звезде руководили только гравитационные силы, то в силу гравитационной дифференциации вещества, синтезирующиеся в ядре новые и более тяжелые атомы никогда не покинули бы центр звезды, и мы не увидели бы на ее поверхности никаких иных элементов, кроме самых лёгких. Когда в центре исчерпается запас водорода, термоядерный синтез остановился бы уже на первой-второй стадии, и звезды в том виде, в котором мы их наблюдаем, не состоялись бы. Сам факт продолжения синтеза говорит о существовании силы перемешивания - такой силой с очевидностью должны быть тепловая конвекция и центробежная сила вращения, добавляющаяся к тепловой.

Всё сказанное в пунктах 1- 5 говорит о непрерывном и плавном, а вовсе не о зигзагообразном и прерывистом нарастании процесса. Соответственно, сами себя отменяют представления о прерывности эволюции и все численные характеристики приведенной Шкловским зигзагообразной диаграммы. Хотя в дальнейшем, на стадии пульсара, мы и увидим некоторую ступенчатость, она не будет связана ни с перерывом эволюции, ни с изменением знака процесса, но будет иметь совершенно иную причину, объясненную в соответствующем пункте.

В качестве следствий указанного взгляда, здесь уместно упомянуть в качестве примера, почему атмосферы некоторых звезд - например, звезд типа Т Тельца, отличающихся бурной конвекцией - столь богаты бериллием, бором и литием; как пишет Шкловский [1, с.100], их там в сотни раз больше, чем в атмосфере Солнца. Эти звезды проходят этап эволюции, на котором названные элементы уже вытеснены из недр в оболочку звезды как легчайшие, а следовательно, в их недрах происходит синтез значительно более тяжелых ядер; но в то же время количество тяжелых элементов в этих молодых звездах еще не столь велико, и названные легкие элементы пока значительно выделяются на общем фоне.

Заметим также, что давление в ядре соответствует условию стабильности любых элементов, которые оно вырабатывает. Те сложные ядра, для устойчивого существования которых условия недостаточны, просто не станут образовываться, и нет очевидной причины, не обусловив падение давления, предполагать распад в ядре. Если в процессе конвективного перемешивания данное вещество выйдет на поверхность, оно будет распадаться или нет в зависимости от условий на поверхности. Следовательно, ограничением развития термоядерного синтеза является не железо или какой-либо другой расчетный элемент, и даже не самарий или калифорний, но только масса звезды, способная уплотниться до того или иного предельного для данной звезды давления и обеспечить синтез того или иного химического элемента. Вплоть до этого предела процесс непрерывно нарастает, затем котел некоторое время работает стабильно, пока в самом центре звезды не завершится образование всех ассоциаций, максимально возможных при давлении и температуре, которое способна обеспечить данная масса, и далее начинается процесс затухания звезды. (Напомним, что в данном пункте мы рассматриваем только идеальный ход процесса. Возможные варианты неустойчивости будут рассмотрены ниже).

В качестве иллюстрации общей картины химической эволюции внешних, наблюдаемых слоев звезд, приведем общепринятую гарвардскую спектральную классификацию звезд:

Классы R, N, S являются ответвлениями класса К; к ним относятся немногочисленные холодные звезды, температура которых ниже 3000^о; для их спектров характерны полосы поглощения молекул углерода, циана, окиси титана и циркония" [29, с. 58].

Как видим, процесс эволюции прослеживается непрерывно, и после закономерного появления и развития линий металлов наблюдается столь же закономерное образование их соединений, соответствующее понижению поверхностной температуры звезд.

Здесь уместно было бы добавить, что именно в спектрах звезд класса S наблюдаются линии редкоземельных металлов и технеция, о которых Шкловский пишет, будто их наличие можно объяснить только тем, что термоядерные реакции протекают там сейчас в поверхностных слоях [1, с. 135]. Однако в классификаторе звезд мы видим, что у звезд этого класса температура поверхности совсем холодная, ниже 3000^о, - а это неблагоприятно для термоядерных реакций, особенно при условии невысокого давления на "поверхности" звезды. Шкловский также выдвигает и другое предположение - что более или менее сложно организованные атомы образуются только в ударной волне в оболочках сверхновых в процессе их взрыва и что тяжелые (трансурановые) элементы есть продукт самых первых, самых мощных взрывов во вселенной [1, с. 264], а в наше время их образование уже невозможно. Следовательно, они - реликт и раритет вселенной. Действительно, какая-то версия необходима, если мы в своих расчетах исключаем возможность образования тяжелых элементов непосредственно в ходе эволюции нуклеосинтеза в ядре звезды. Но здесь нелишне было бы учесть, что в процессе взрыва газ оболочки стремительно расширяется и охлаждается, следовательно, термоядерные реакции при этом происходить принципиально не могут. Скорее даже, в "мировом яйце" должен был бы существовать некий единый "мировой атом", который бы распадался в процессе разлета вещества до некоторого весьма тяжелого атомного веса - до того предела, на котором "протоны" этого супер-ядра перестали бы оказывать друг на друга избыточное давление, и в дальнейшем мы бы имели готовые моноатомные небесные тела. Ничего подобного в природе не наблюдается. Таким образом, предложенная Шкловским версия не может объяснить происхождение тяжелых элементов.

Мы же в проведенном здесь рассуждении показали, что перемешивание вещества в звезде происходит и нуклеосинтез продолжается достаточно долго, что он идет непрерывно в одном направлении и нарабатывает атомные ядра столь тяжелые, сколь большое давление может обеспечить массив данной звезды. То есть предел, до которого могут усложняться атомные ядра, индивидуален для каждой звезды так же, как и ее масса. Отсюда, тяжелые элементы закономерно нарабатываются в ядрах звезд, и к стадии развития S в недрах старых звезд уже наработан такой запас гораздо более тяжелых элементов, что редкоземельные уже вытесняется в конвективные слои как более легкий элемент.

Но если процесс нуклеосинтеза непрерывен, то причина взрывов, которую исследователи искали в ядерной химии процесса - не там. Ее нужно искать в до сих пор не учтенных физических особенностях процесса. Перейдем теперь к рассмотрению этих аспектов.