Звезды. 
Астрономия

Природа звезд. Источник энергии

Из общего курса физики известно, что в зависимости от температуры и давления вещество может принимать разные агрегатные состояния. При наиболее низкой температуре тело твердое, так как молекулы вещества выстраиваются в кристаллическую решетку. При нагревании, или процессе плавления, тело становится жидким, т. е. теряет форму и приобретает такое свойство, как текучесть, — кристаллическая решетка разрушается, молекулы начинают свободно перемещаться, находясь при этом в достаточно тесном контакте. При последующем нагревании запускается процесс кипения — тело переходит из жидкого состояния в газообразное, а молекулы движутся ускоренно и хаотично, максимально, насколько это представляется возможным, заполняя объем сосуда, — плотность вещества уменьшается.

Именно эти три состояния привычных нам веществ мы зачастую наблюдаем на Земле. В космическом пространстве же условия совершенно иные, соответственно, вещества ведут себя иначе. Так, при сильном нагреве и высоком давлении, как в недрах звезд, газ переходит в состояние плазмы: прежде нейтральные молекулы теряют свою устойчивость, связи распадаются, и образуются свободные ионы с положительными или отрицательными зарядами. Таким образом, звезда представляет собой гигантский постоянно кипящий нагретый газ, высокоэнергетические заряженные частицы которого непрерывно сталкиваются, объединяются или вылетают наружу в виде солнечного ветра.

Источником энергии звезд служат реакции термоядерного синтеза в ядре, т. е. превращения легких химических элементов в более тяжелые путем столкновения и присоединения протонов.

Однако это стало известно относительно недавно. Долгие годы люди гадали, что же является истинным источником горения звезд. Рассматривались такие версии, как горение угля и т. д., но ни одна из предложенных гипотез не позволяла соотнести источник энергии с продолжительностью существования звезды. В лучшем случае недра Солнца истощились бы за 1 тыс. лет.

За счет термоядерного синтеза звезды не только светят, но и удерживают свою шарообразную форму, сопротивляясь силам гравитации.

Дело в том, что массы звезд настолько велики, что звездное вещество стремится под действием гравитации упасть на центр. В процессе термоядерного синтеза вырабатывается достаточно энергии для того, чтобы удерживать звездное вещество от падения многие миллионы, а то и миллиарды лет. Однако когда топливо для реакции истощается, гравитация побеждает — звезда погибает.

Большинство звезд, похожих на наше Солнце по возрасту и массе, состоят на 75% из водорода Н и на 25% — из гелия Не (а также из примесей более тяжелых элементов, но их доля ничтожно мала по сравнению с долей первых двух). Основную часть своей жизни звезды перерабатывают водород в гелий. Такая модель называется протон-протонным циклом¹: из четырех атомов водорода образуется гелий-4 (рис. 8.1). Суть модели в том, что в результате столкновения двух атомов водорода образуется атом дейтерия (тяжелый изотоп водорода, ядро которого состоит не из одного протона, а из протона и нейтрона), а также высвобождаются нейтрино и позитрон (положительно заряженная античастица электрона). При столкновении дейтерия с водородом образуется изотоп гелия-3 (ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона), а также высвобождается гамма-квант (фотон — частица света).^[1][2]

Рис. 8.1. Термоядерная реакция превращения водорода в гелий с выделением энергии1 2.

В более массивных звездах термоядерный синтез протекает по CNO- циклу (произносится «Цэ-Эн-О-цикл», рис. 8.2). Ранее этот цикл также носил название «углеродный», поскольку в нем участвуют углерод, азот, кислород и фтор, которые выступают в качестве катализаторов. Из-за высоких температур в недрах массивных звезд CNO-цикл более эффективен, чем протон-протонный цикл, вследствие чего термоядерные реакции протекают активнее и продолжительность существования массивной звезды сокращается. По словам Д. К. Надежина, «посредством У. ц. (углеродного цикла. —Авт.) водород превращается в гелий не только в недрах массивных звезд, но и на поверхности звезд, где могут происходить вспышки термоядерного горения»^[3].

Рис. 8.2. Термоядерный синтез в массивных звездах, протекающий.

по CNO-циклу.

• [1] В советских научных работах протон-протонный цикл также назывался водородным.
• [2] Подробнее см. здесь: Термоядерные реакции на Солнце // Химия — просто. URL: https://www.youtube.com/watch?v=IzlBLS3hoig&t= 182s; Стригун Д. Термоядерныйсинтез: чудо, которое случается // Naked Science. 9 янв. URL: https://naked-science.ru/article/sci/termoyadernyy-sintez-chudo-kotoroe?page=10; Чернова К. Что нужно знатьо термоядерном синтезе // Футурист. 29 авг. 2016. URL: https://futurist.ru/articles/373-chto-nuzhno-znaty-o-termoyadernom-sinteze.
• [3] Надежин Д. К. Углеродный цикл // Физика космоса. М., 1986. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1 188 751.