Это действительно хороший вопрос! Солнце явно горячее. Только посмотрите на него! (Примечание: пожалуйста, не смотрите на Солнце). Но... Почему так жарко?
Ответ одновременно невероятно прост и не так прост, как обычно думают. Очень соблазнительно сказать, что звёзды горячие, потому что в их ядрах идёт ядерный синтез, который преобразует накопленную энергию в тепло. Это правда… до некоторой степени.
Совершенно верно, что это действительно процесс, который происходит в центре звезды. И именно этот процесс производит энергию, пока звезда соединяет элементы, которые легче железа.
Но. Физики боролись с этим годами, и ядерный синтез действительно сложно осуществить! Чтобы два элемента слились, вам нужно заставить соответствующие ядра соединиться, пока они не «соприкоснутся» в квантовомеханическом смысле. Проблема в том, что ядра отталкиваются друг от друга — они оба имеют положительный заряд. Это означает, что для начала термоядерного синтеза необходима невероятно высокая температура воспламенения.
Для текущих проектов термоядерного синтеза эта температура возгорания составляет несколько миллионов градусов по Кельвину. Как только вы начнёте этот процесс, вы сможете сделать его самоподдерживающимся и выделять некоторое чистое количество энергии. Но эту начальную фазу воспламенения не обойти.
Итак, чтобы ядерный синтез начался на Солнце, оно уже должно быть горячим! Порядка миллионов градусов. Используя эту информацию, мы можем понять, почему аргумент о ядерном синтезе на самом деле не является ответом на поставленный вопрос.
- Почему звёзды горячие? Из-за ядерного синтеза.
- Почему у звёзд есть ядерный синтез? Потому что они горячие.
Как видите, с этим аргументом мы только ходим по кругу...
Так как же звёзды вообще становятся горячими? Давайте вернёмся в прошлое, к формированию нашего Солнца. Наше Солнце когда-то было просто большим газовым облаком, плавающим в космосе.
Теперь мы предполагаем, что это облако довольно далеко от всего остального — поблизости нет других звёзд. Что происходит, когда вы помещаете кучу частиц в свободное пространство? Гравитация: это облако начинает сжиматься под действием собственной силы тяжести.
Что будет дальше? У нас есть куча крошечных частиц, движущихся очень быстро. Ничто не мешает им двигаться, поэтому они просто продолжают двигаться. Облако газа снова расширяется?
Допустим, газовое облако будет продолжать сжиматься и расширяться. Энергия продолжает переключаться между кинетической и гравитационной. Нет ничего, что могло бы забрать энергию из этого процесса переключения между кинетической и гравитационной энергией? Кроме одного. Происходят столкновения частиц друг с другом. Частицы не могут проходить сквозь друг друга, облако не может просто так «вывернуться наизнанку».
Реальная картина такова, что частицы ускорятся. По мере того, как они набирают скорость, они всё также сталкиваются друг с другом. Что мы связываем со скоростью и силой частиц, движущихся в случайном направлении? То, что мы называем температурой и давлением.
Температура (грубо говоря) — это кинетическая энергия, связанная со случайным движением частиц в теле. Давление — это сила, возникающая из-за этого движения.
Итак, частицы преобразуют свое гравитационное движение в случайное (это называется «термализацией»). Это случайное движение нагревает облако газа. По мере того как облако газа нагревается, давление увеличивается, что замедляет сжатие облака. Самое прекрасное в этом процессе то, что он самоуправляемый.
Если облако схлопывается слишком быстро, скорость частиц возрастает, и (как только оно термализуется) температура и давление также повышаются, замедляя схлопывание. Если температура повышается, облако расширяется, что отнимает энергию у частиц, замедляя их и уменьшая давление, в результате чего облако снова начинает схлопываться.
Благодаря этому соотношению мы можем показать, что температура такой системы является функцией массы облака, его радиуса и состава. Вкратце: чем тяжелее облако, тем оно горячее.
Так что же происходит с нашим облаком? Ядро облака, где давление и температура максимальны, наконец, достигает критической температуры, необходимой для начала ядерного синтеза. Наше облако теперь наконец звезда! Когда ядерный синтез начался, звезда остается стабильной из-за тех же процессов, которые и заставили её воспламениться.
Так почему же звёзды горячие? Из-за гравитационного сжатия, потому что изначально они были большими облаками газа. Следовательно, окончательный ответ на вопрос, почему звезды такие горячие... Звёзды горячие, потому что звёзды большие!
По материалам публикации (англ.).
