Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу (см. приложение В). Масса Солнца, выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число. В этой солнечной массе запасена энергия, от которой зависит наша жизнь. Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз большую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счет питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого себя.
Что же является источником энергии, который позволяет Солнцу светить так долго и так ярко? Могут ли служить таким источником химические превращения? Возьмем для примера наиболее простой химический процесс горение. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.
К концу прошлого столетия были проделаны многочисленные исследования, авторы которых пытались найти источник энергии Солнца. Поскольку химических процессов на Солнце явно недостаточно, то возникал вопрос, не может ли Солнце разогреваться за счет внешних источников. В нашей Солнечной системе имеется множество небольших твердых тел, которые перемещаются между орбитами планет так называемых метеоритов. Мы знакомы с ними по появлению «падающих звезд». Такая «звезда» загорается на небе, когда метеорит влетает в земную атмосферу и, разогреваясь от трения, начинает ярко светиться. Некоторые метеориты не полностью сгорают в атмосфере, их остатки падают на Землю. Многие такие метеориты можно увидеть сегодня в музеях. Солнце из-за своего чрезвычайно большого гравитационного притяжения должно особенно сильно «бомбардироваться» метеоритами, с огромной скоростью прилетающими из нашей Солнечной системы. При падении метеорита на Солнце энергия его движения должна переходить в тепло. Может быть, это тепло и обеспечивает солнечное излучение? Метеориты, падающие на поверхность Солнца, должны приносить примерно 190 миллионов джоулей энергии на каждый грамм своей массы. Однако, чтобы обеспечить излучение Солнца, на него в течение года должно падать столько метеоритов, что их масса составит около сотой части массы Земли. Такое увеличение количества солнечного вещества было бы заметным, поскольку при этом увеличивалась бы сила гравитационного притяжения Солнца, а значит, изменялась бы и скорость движения Земли по орбите. Поэтому продолжительность года за последние 2000 лет должна была заметно уменьшиться. Однако данные о восходах и заходах Солнца и Луны известны с древнейших времен. И никаких заметных изменений в движении нашей планеты вокруг Солнца за это время не произошло. Поэтому «метеоритную гипотезу» пришлось отвергнуть. Солнце разогревается не за счет метеоритной бомбардировки поверхности.
Другим источником энергии Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами его вещества. На такую возможность указывал еще в прошлом веке Герман фон Гельмгольц, необычайно разносторонний ученый физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжималось бы. Его диаметр становился бы все меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении-с постоянной скоростью). Как и при падении метеоритов на Солнце, при этом процессе должна выделяться энергия, однако солнечное вещество «падает» в отличие от метеоритов «само в себя». Поэтому масса Солнца и его воздействие на Землю не будут изменяться. Однако расчеты показывают, что этот процесс мог поддерживать существующую светимость Солнца примерно 10 миллионов лет в 100 раз меньше срока, в течение которого светит наше Солнце. Таким образом, собственная гравитация тоже не может объяснить излучение Солнца.
Атомная энергия Солнца и звезд
Сегодня мы знаем, что атомные и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые ядра атомов урана распадаются на ядра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Еще больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние ядер водорода.
Солнце, как и почти все звезды, состоит в основном из водорода. Естественно возникает вопрос, может ли светимость Солнца поддерживаться за счет ядерных реакций слияния водорода в его недрах? Позже мы увидим, что эти реакции действительно являются источником энергии Солнца. В гл. 3 мы подробно обсудим ядерные реакции, протекающие в недрах звезд. Но прежде чем убедиться, что Солнце, а, следовательно, и мы, обязаны своей жизнью ядерным реакциям, попытаемся понять, что следует из предположения о том, что Солнце и звезды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а освобождающаяся энергия поддерживает свечение звезд.
Пусть атомные ядра одного грамма водорода превратятся в ядра гелия, тогда из этого грамма вещества освободится 630 миллиардов джоулей энергии: в 20 миллионов раз больше, чем при сгорании такой же массы каменного угля. Таким образом, ядерная энергия Солнца позволяет ему существовать в 20 миллионов раз дольше, чем если бы Солнце получало свою энергию за счет сжигания угля. Это означает, что продолжительность жизни Солнца составляет около 100 миллиардов лет. Наконец мы нашли источник энергии, который может поддерживать светимость Солнца в течение миллиардов лет: это ядерная энергия, освобождающаяся при превращении водорода в гелий. Энергия, запасенная в водороде нашего Солнца, позволяет ему светить целых 100 миллиардов лет. На самом деле эта оценка завышена, поскольку Солнце состоит из водорода лишь примерно на 70 %, а, следовательно, оно содержит меньше ядерного «горючего», чем мы предполагали. Далее мы увидим, что ядерная реакция в недрах звезд начинает затухать, уже когда израсходовано 10–20 % всего водорода. Отсюда следует, что Солнце может существовать примерно семь миллиардов лет. Это тоже достаточно большой срок, и Земля (если на ней еще будет существовать жизнь) еще очень долго будет освещаться лучами Солнца.
Солнце — это примерно одна из 7 тысяч звезд, видимых на небе невооруженным глазом. С помощью телескопа можно увидеть неизмеримо больше звезд. И все они, за редкими исключениями, состоят в основном из водорода. Если все эти звезды черпают свою энергию из превращения водорода в гелий, то для всех них можно рассчитать, на сколько лет хватит этого водорода, чтобы поддерживать их светимость. Для Солнца этот срок составляет 7 миллиардов лет. Но можно найти и звезды, в которых водород существенно раньше подойдет к концу. Возьмем к примеру звезду под названием Спика, самую яркую в созвездии Девы. Вокруг нее обращается звезда-спутник, поэтому мы можем определить массу Спики (см. приложение В). Масса Спики примерно в 10 раз превышает солнечную. Мы знаем также, что она светит в 10 тысяч раз ярче Солнца. Таким образом, хотя в объеме Спики содержится в 10 раз больше водорода, чем в Солнце, она светит так ярко, что этого водорода хватит всего на одну тысячную срока жизни Солнца. Следовательно, Спика может светить ненамного дольше нескольких миллионов лет. Это очень короткий промежуток времени по космическим масштабам. Действительно, миллион лет назад на Земле уже существовали высокоразвитые млекопитающие, а в лесах острова Ява уже жили предки человека питекантропы.[1]
Хотя запасы энергии у Солнца и других звезд очень велики, однако и они постепенно истощаются со временем. Звезды должны стареть. Можно ли обнаружить прямые свидетельства эволюции звезд? Можем ли мы увидеть на небе, как звезда с течением времени исчерпывает свои энергетические запасы и гаснет? Мы уже показали выше на примере Солнца и Спики, что человеческая жизнь слишком коротка по сравнению с временем жизни звезд. Действительно, свойства звезд, видимых невооруженным глазом, всегда были одинаковыми, начиная с тех времен, когда их впервые описал греческий астроном Гиппарх, живший за 150 лет до нашей эры. Мы видим, что за время существования астрономической науки на нашей планете человек не смог зарегистрировать признаки процессов развития звезд. Некоторые звезды, однако, периодически изменяют свою яркость. Но эти флуктуации не связаны прямо с процессами развития. Такие колебания яркости можно сравнить с мерцанием свечи, они не вызваны исчерпанием энергетических запасов. У этих звезд тоже не удается наблюдать видимых признаков старения. Но тем не менее звезды стареют, и если бы мы могли достаточно долго ждать, то мы бы это увидели.
