На уроке по химии вам рассказали, что для процесса горения необходим кислород. Потом вы перешли в кабинет физики, и там вам поведали о бескрайнем космосе, в котором, кстати, почти нет кислорода. И тут возникает немного детский, но гениальный вопрос: как же горят звезды? А никак — они не горят в «земном» смысле слова. В этом материале проникнем в самое сердце звезды и узнаем ее секрет — откуда столько энергии и почему гравитация не тушит этот «огонь».
Что такое звезда?
По традиции, начинаем издалека.
Звезда — это большой раскаленный шар из газа. Почти полностью он состоит из водорода и гелия, совсем немного приходится на другие вещества.
Каждой звезде, как и живому существу, свойственно проходить цикл жизни — от рождения до смерти. Только длится эта жизнь по сравнению с ничтожными нашими невероятно долго — от миллионов до триллионов лет! За это время звезда может сильно измениться: стать больше или меньше, горячее или холоднее, стать ярче или потускнеть. В общем, все как у людей.
Звезды рождаются внутри гигантских скоплений газа и пыли — это молекулярные облака. Они действительно огромны — их масса может быть в тысячи и даже миллионы раз больше, чем у нашего Солнца, а их размеры достигают сотен световых лет. А еще внутри них очень холодно, поэтому частицы газа начинают медленно притягиваться друг к другу и слипаться, образуя более плотные сгустки. Затем какие-то из них могут сталкиваться между собой или притягивать к себе еще больше вещества, постепенно наращивая свою массу. Чем больше масса, тем сильнее становится их гравитация.
Гравитация продолжает расти и в итоге становится настолько мощной, что сгусток под ее действием начинает очень быстро сжиматься. От этого сжатия вещество внутри сильно нагревается. Так возникает протозвезда — зародыш будущей звезды.
«Звездные ясли» — астрономическое название облаков, в которых идет активное образование звезд.
Как и почему звезды светятся?
Сначала молодая звезда (та самая протозвезда) получает энергию в основном от тепла, которое выделяется при ее первоначальном сжатии под действием собственной гравитации. Проходят миллионы лет, и в самом центре звезды давление и температура начинают чудовищно шкалить. Эти условия заставляют ядра атомов водорода с огромной силой сталкиваться и соединяться, превращаясь в ядра гелия. Этот процесс называется ядерным синтезом, или термоядерной реакцией.
Именно ядерный синтез и становится главным и мощнейшим энергетическим героем звезды. Выделяющееся колоссальное количество тепла раскаляет звезду изнутри и создает давление, которое может уравновесить силу гравитации, стремящуюся ее сжать. Наконец звезда обретает стабильность — внутренний «ядерный огонь» не дает ей сколлапсировать под собственным весом.
Коллапс — резкое и сильное сжатие космического объекта (звезды или облака газа) под действием собственной силы тяжести. Это похоже на воздушный шарик, из которого выпустили воздух, и он схлопнулся внутрь себя.
Как устроена термоядерная реакция?
Термоядерные реакции в звездах (особенно в нашем Солнце) — это процессы, превращающие массу в энергию. Эта энергия — основной источник, который поддерживает жизнь звезд на протяжении всего их существования. Солнце, относящееся к звездам главной последовательности, производит энергию главным образом за счет протон-протонной цепочки. Работает это так: четыре ядра водорода (протона) сливаются, формируют ядро гелия и высвобождают энергию в виде гамма-лучей и нейтрино.
Разумеется, для запуска таких реакций требуются экстремальные условия: температура около 15 миллионов кельвинов, колоссальное давление и очень высокая плотность частиц в солнечном ядре. Как уже говорилось, этот синтез не только питает Солнце, но и удерживает его от коллапса под собственной тяжестью. Давление, создаваемое выделяющейся энергией, действует наружу и уравновешивает гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду.
Энергетическая мощь Солнца огромна — около 3,83 × 10²⁶ джоулей. Это во много раз превышает потребности в энергии всего человечества.
Звезды с большей массой используют другой механизм термоядерного синтеза — углерод-азот-кислородный цикл. Он протекает при еще более высоких температурах (да, такое бывает), а это ведет к более быстрому расходу топлива и сокращению срока жизни звезды. В конечном счете жизненный цикл звезд может завершиться по-разному: образованием белых карликов или впечатляющими взрывами сверхновых, которые вносят вклад в космический синтез более тяжелых элементов.
Пульсары — нейтронные звезды, которые вращаются вокруг своей оси со скоростью около 500-700 метров в секунду.
Принципы термоядерных реакций важны не только для астрофизики. Именно они лежат в основе перспективных проектов по созданию управляемого термоядерного синтеза на Земле — потенциально неисчерпаемого источника энергии, использующего те же процессы, что питают звезды.
Словом, этот могучий природный процесс не огонь, а кое-что гораздо круче! Он поддерживает горение всех звезд во Вселенной, и он же — автор химических элементов, из которых состоим мы сами. Понимание природы термоядерного синтеза — это не только про космос, но и, возможно, про будущее чистой и неисчерпаемой энергии на Земле.