Эскизы. 44. Еда, жизнь, старение и смерть звезд.
16.4. Основное топливо звезд.
Межзвездный газ, из которого через механизм гравитационной неустойчивости газовых облаков образуются звезды, состоит в основном из водорода с небольшой примесью гелия и очень малыми примесями элементов второй и третьей строк таблицы Менделеева, выброшенных в пространство предыдущими поколениями звезд. По мере сжатия газового облака в звезду температура в недрах звезды повышается до десятка и более миллионов градусов.
В этих условиях скорости очень малой доли протонов становятся настолько большими, что при лобовом столкновении с другими протонами они оказываются способными преодолеть силы электростатического отталкивания. Зажигается термоядерная реакция синтеза ядер гелия из ядер водорода (протонов). В ходе которой из четырех протонов и превращения двух из них в нейтроны образуется ядро гелия (см раздел 5.1.).
Энергия всех гамма-квантов, излучаемых при синтезе одного ядра гелия оказывается порядка 0,7% массы покоя всех участвующих в реакции частиц или примерно 50 масс покоя электрона. Эти гамма-кванты, непрерывно рассеиваясь на протонах и электронах плазмы звезды и теряя при этом свою энергию, медленно просачиваются к поверхности звезды и излучаются в пространство в видимой части спектра и близких ней ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. За счет чего звезды освещают и греют окружающие их пространство и объекты.
§17. Старение и смерть звезд.
Основную часть своей жизни звезды проводят на главной последовательности. Питаясь энергией пережигания ядер водорода (протонов) в ядра гелия (альфа-частицы). Но запасы протонов не бесконечны.
И звезды нашли, пусть и кратковременный, выход. Переходя на питание энергией пережигания ядер гелия в ядра элементов второй и частично третьей строк таблицы Менделеева. Вплоть до железа (атомный номер 26). Почему железа? Потому, что процесс образования ядер массивнее ядер железа идет не с выделением, а с поглощением энергии. И, следовательно, такая термоядерная реакция не может быть самоподдерживающейся.
Поэтому посмотрим, как протекает старость и наступает смерть звезд. И каковы мумии умерших звезд. Разумеется, на качественном уровне. Без излишних подробностей, выявленных в модельных расчетах и наблюдениях.
17.1. Старение звезд.
Когда запас протонов в центральной части звезды истощается, термоядерная реакция образования ядер гелия из протонов прекращается. Прекращается выделение энергии и эта часть звезды начинает охлаждаться. Падает и давление в ней, поддерживающее равновесие недр звезды от их гравитационного сжатия. Сжатие центральной части звезды в свою очередь ведет росту температуры и плотности плазмы в ней.
В результате этих процессов температура в недрах звезд не слишком малой массы в какой-то момент начинает превышать величину порядка 100 миллионов градусов. В таких условиях начинаются термоядерные реакции, в результате которых из ядер гелия и протонов начинают рождаться ядра элементов второй строки таблицы Менделеева.
Ядра лития, бериллия и бора в условиях недр звезды малоустойчивы и быстро разрушаются. Поэтому распространенность этих элементов в природе весьма мала. Зато ядра основных биогенных элементов (кислорода, углерода и азота) достаточно устойчивы. Общая картина распространенности в природе элементов таблицы Менделеева видна из следующей диаграммы (по вертикали логарифмический масштаб):
Рис. 4.2. Распространенность элементов во Вселенной (из https://ru.wikipedia.org).
Обращает на себя внимание любопытный факт - ядра элементов с четными номерами (четным числом протонов) распространены в природе на порядок-полтора изобильнее, чем соседствующие с ними ядра элементов с нечетными номерами.
В целом процессы старения звезд оказались гораздо плодотворнее их основного цикла жизни. Именно они создали элементную базу для зарождения жизни на планетах звезд второго и последующих поколений и дали высшим проявлениям этой жизни приличный запас элементов для развития цивилизаций.
17.2. Смерть звезд.
Как далеко заходят процессы наработки более тяжелых элементов из ядер гелия в недрах звезд? Это зависит от массы звезды. В недрах самых маломассивных звезд термоядерные реакции такого типа могут вообще не начаться. В более массивных они генерируют ядра части элементов второй строки таблицы Менделеева. В самых массивных такие реакции генерируют ядра всех элементов вплоть до железа (№ 26). Но в любом случае после прекращения этих реакций наступает смерть звезды. А вот форма мумии умершей звезды зависит от ее первоначальной массы. Рассмотрим все три формы возможных мумий звезд - белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.