«Цикл питания» звезд

Уже с тридцатых годов астрофизики не сомневались, что из ядерных реакций у легких элементов единственной, способной достаточно долго и энергично поддерживать излучение звезд главной последовательности диаграммы спектр — светимость, является образование гелия из водорода. Другие реакции либо продолжаются слишком короткое время (конечно, в космическом масштабе!), либо дают слишком малый выход энергии.

Однако путь прямого объединения четырех ядер водорода в ядро гелия оказался невозможным: реакция превращения в недрах звезд водорода в гелий должна идти «окольными путями».

Первый путь состоит в последовательном соединении сначала двух атомов водорода, потом присоединения к ним третьего и т. д.

Второй путь заключается в преобразовании водорода в гелий с «помощью» атомов азота и особенно углерода.

Хотя первый путь, казалось бы, более прост, в течение довольно длительного времени он не пользовался «должным уважением», и астрофизики считали, что основной реакцией, питающей звезды энергией, является второй путь — «углеродный цикл».

На постройку ядра гелия идет четыре протона, которые сами по себе ни за что не желают сложиться в α-частицу, если бы им не помогал углерод.

В цепи этих реакций углерод играет роль необходимого пособника и как бы организатора. В химических реакциях тоже встречаются такого рода пособники, называемые катализаторами.

При постройке гелия энергия не только не затрачивается, а наоборот, освобождается. Действительно, цепь превращений сопровождалась выбросом трех γ-квантов и двух позитронов, тоже превратившихся в γ-излучение. Баланс составляет: 10^-5 (4·1,00758—4,00390) =0,02642·10^-5 единиц атомной массы.

Энергия, связанная с этой массой, и освобождается в недрах звезды, просачиваясь медленно к поверхности и излучаясь затем в мировое пространство. Фабрика гелия работает в звездах непрерывно до тех пор, пока не иссякнут запасы сырья, т. е. водород. Что происходит потом, мы скажем дальше.

Углерода, как катализатора, хватит на неограниченно долгий срок.

При температурах порядка 20 млн. градусов действие реакций углеродного цикла пропорционально 17-й степени температуры! При некотором удалении от центра звезды, где температура ниже только на 10%, выработка энергии падает в 5 раз, а где она ниже в полтора раза — падает в 800 раз! Поэтому уже недалеко от центральной, наиболее раскаленной области образования гелия за счет водорода не происходит. Остальной водород обратится в гелий после того как перемешивание газов внесет его на территорию «фабрики» — к центру звезды.

В начале пятидесятых годов выяснилось, что при температуре в 20 млн. градусов, а тем более при более низких температурах еще эффективнее оказывается протон-протонная реакция, также приводящая к потере водорода и к образованию гелия. Вероятнее всего она протекает в такой цепи превращений.

Два протона, столкнувшись, испускают позитрон и квант света, превращаясь в тяжелый изотоп водорода с относительной атомной массой 2. Последний после слияния с другим протоном превращается в атом легкого изотопа водорода с относительной атомной массой 2. Последний после слияния с другим протоном превращается в атом легкого изотопа гелия с относительной атомной массой 3, испуская при этом избыток массы в форме излучения. Если таких атомов легкого гелия накопилось достаточно, их ядра при столкновении образуют нормальный атом гелия с относительной атомной массой 4 и два протона с квантом энергии в придачу. Итак, в этом процессе потерялось три протона, а возникло два — один протон убыл, но зато трижды излучалась энергия.

По-видимому, Солнце и более холодные звезды главной последовательности диаграммы светимость — спектр черпают энергию из этого источника.

Когда весь водород превратится в гелий, звезда может еще существовать за счет превращения гелия в более тяжелые элементы. Например, возможны процессы:

⁴₂He + ⁴₂He →⁸₄Be + излучение,

⁴₂He + ⁸₄Be →¹²₆C + излучение.

Одна частица гелия дает при этом выход энергии, в 8 раз меньший, чем ее дает та же частица при углеродном цикле, описывавшемся выше.

В последнее время физики находят, что в некоторых звездах физические условия допускают возникновение и еще более тяжелых элементов, таких, как железо, и вычисляют пропорцию возникающих элементов в согласии с той распространенностью элементов, которую мы встречаем в природе.

У звезд-гигантов средняя отдача энергии на единицу их массы гораздо больше, чем у Солнца. Однако общепринятой точки зрения на источники энергии в красных звездах-гигантах еще нет. Источники энергии в них и их строение нам еще не ясны, но, по-видимому, скоро станут известны. По расчетам В.В. Соболева красные гиганты могут иметь такое же строение, как горячие гиганты, и иметь те же самые источники энергии. Но они окружены обширными разреженными и холодными атмосферами, которые и придают им вид «холодных гигантов».

Ядра некоторых тяжелых атомов могут образоваться в недрах звезд за счет соединения более легких атомов, и при некоторых условиях, даже в их атмосферах.