Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

На другом конце этого диапазона масс расположились звезды, масса которых более чем в сто раз превышает массу нашего Солнца, — они крайне неустойчивы. Как только образуется чрезвычайно массивная звезда, она неизбежно подвергается саморазрушению. Эта звезда либо генерирует так много энергии, что буквально разлетается на части, либо под действием собственного веса подвергается катастрофическому коллапсу и превращается в черную дыру.

Разрешенный диапазон масс звезд намного меньше потенциально возможного. Звезды живут в галактиках, имеющих массы порядка ста миллиардов (1011) солнечных масс, причем звезды состоят из атомов водорода, массы которых равны примерно 10-24 или 10-57 масс Солнца. Таким образом, в принципе, галактики могли бы создавать объекты в диапазоне от 10-57 до 1011 масс Солнца, т. е. значения в диапазоне масс могли бы изменяться с коэффициентом 1068! И все же звезды существуют только в диапазоне масс, значения в котором могут изменяться лишь с тысячным коэффициентом.

Столь скромному диапазону звездных масс можно противопоставить огромный диапазон масс земных форм жизни. Бактерия туберкулеза имеет размер около одного микрона, а следовательно, масса ее приблизительно равна 10-12 граммов. На другом конце спектра — голубые киты, имеющие массу около миллиарда граммов. Самые большие растения (например, непрерывная осиновая роща) и самый большой из известных грибов (подземный образец, растянувшийся на несколько миль на Верхнем полуострове штата Мичиган) могут достигать еще больших масс. Отдельные земные организмы простираются на более двадцати одного порядка по массе, т. е. в диапазоне, намного превышающем диапазон масс, отпущенный звездам.

На протяжении всей эволюционной фазы, связанной с горением водорода, массивные звезды светят намного ярче маленьких звезд. Звезда, масса которой в десять раз превышает солнечную (например, звезда Спика в созвездии Девы), в десять тысяч раз ярче Солнца, тогда как обычная малая звезда, масса которой равна всего лишь одной пятой массы Солнца (как, например, звезда Барнарда, почти красный карлик), тусклее более чем в сто раз. В силу того что массивные звезды светят настолько ярче и излучают больше энергии, чем их двойники с более низкой массой, именно они вносят основной вклад в общую мощность излучения галактики. В нашем ночном небе, к примеру, из пятидесяти самых ярких звезд все, кроме одной, имеют массу, превышающую массу Солнца.

Поскольку почти все звезды, которые можно увидеть невооруженным глазом, тяжелее Солнца, можно подумать, будто Солнце — достаточно маленькая звезда. Это предположение несмотря на всю свою разумность, попросту ошибочно. Из пятидесяти ближайших известных звезд Солнце занимает очень почетное четвертое место, и, вследствие этого, оно достаточно велико. Звезды с более низкой массой, главным образом красные карлики, масса которых не достигает даже половины массы нашего Солнца, численно преобладают в популяции звезд. Большая часть массы всей звездной популяции также содержится именно в этих звездах. Однако несмотря на свою вездесущность, более легкие соседи Солнца остаются практически незамеченными в небе. Их скудное излучение бледнеет по сравнению с редкими и более далекими массивными звездами.

Мы можем высказаться более точно в отношении масс звезд. Распределение, характеризующее процентное отношение звезд, которые рождаются в каждой части диапазона звездных масс, называется начальной функцией масс. Это распределение масс определяет мощность излучения галактик, их химическое содержание и, в конечном итоге, реестр звездных остатков, относящихся к концу эпохи звезд.

На протяжении всей своей молодости звезды ведут себя подобно пироманьякам, беспрестанно превращая водород в гелий в ходе реакций горения. Звезды с более низкой массой поглощают отведенное им водородное топливо крайне экономно и проживут очень долго. Массивные звезды, напротив, сгорают быстро и эффектно. В самом деле, красного карлика можно было бы сравнить с крайне бедным и скупым отшельником, который из года в год копит деньги и практически ничего не тратит. Наиболее массивные звезды, напротив, весьма напоминают богатых и расточительных наследников, которые самым бесстыжим образом за одни выходные проматывают состояние, исчисляемое многими миллионами долларов.

Рис. 8а

По мере того как раскрывается долгосрочное будущее звезд, фундаментальную роль начинают играть их базовые характеристики: масса, светимость и температура. Одним из наиболее практичных методов отображения хода звездной эволюции является диаграмма Герцшпрунга-Рессела — частная разновидность графа, которую в начале двадцатого века независимо друг от друга создали астрономы Генри Норрис Рессел и Эйнар Герцшпрунг. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела выражает связь между светимостью, или мощностью излучения, откладываемой по вертикали, и температурой звезды, откладываемой по горизонтали. По историческим причинам значения температуры по горизонтальной оси откладываются в обратном направлении, так что увеличение происходит справа налево.

На данной диаграмме Герцшпрунга-Рессела мощность излучения звезд увеличивается к верхней части диаграммы, а температура поверхности звезд — к левой части диаграммы. Здесь изображены пятьдесят ближайших звезд, причем их физические размеры выражены через размеры сфер. Обратите внимание, что большинство ближайших соседей Солнца — небольшие звезды (называемые красными карликами), а следовательно, Солнце светит достаточно ярко по сравнению с большинством его соседей.

Когда мы отображаем на диаграмме Герцшпрунга-Рессела различные звезды, многие из них оказываются вдоль четко определенной линии, называемой главной последовательностью. Это не простое совпадение. Звезды, входящие в главную последовательность, имеют такую внутреннюю конфигурацию, которая позволяет поддерживать термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Большую часть своей жизни звезды проводят именно в этом состоянии, поддерживающем горение водорода, вследствие чего в пределах главной последовательности находится подавляющее большинство звезд.

Судьба Солнца и Земли

С точки зрения обитателя Земли, самым острым вопросом эволюции звезд является будущее, уготованное нашему Солнцу. Солнце светит неизменно в силу того, что его центральная область достаточно горяча и плотна, чтобы поддерживать ядерные реакции преобразования водорода в гелий (см. рисунок 9). Ядерный синтез — это именно тот процесс, в результате которого в термоядерной бомбе происходит высвобождение колоссального количества энергии. Поскольку процесс ядерного синтеза происходит в недрах Солнца, а не на атолле Бикини, Солнце надежно управляет процессом превращения своего водорода в гелий. Ядерный синтез, происходящий в недрах Солнца, является саморегулирующимся, в том смысле, что в его результате вырабатывается ровно столько энергии, сколько необходимо для компенсации непрекращающегося гравитационного сжатия. В отсутствие ядерного синтеза Солнце сжалось бы за несколько миллионов лет, превратившись в очень горячего и плотного белого карлика.

Рис. 9. Стандартная протон-протонная цепочка, изображенная на этом рисунке, — одна из главных последовательностей термоядерных реакций, с помощью которых Солнце вырабатывает свою энергию. Окончательным результатом этого процесса является превращение четырех протонов в одно ядро гелия плюс высвобождение дополнительной энергии, остающейся для питания Солнца

Согласно датированию по радиоактивным изотопам самые старые метеориты, а значит, Солнце и планеты, образовались четыре с половиной миллиарда лет назад. После образования нашей Солнечной системы Солнце продолжало сжиматься на протяжении еще нескольких миллионов лет, пока его ядро не стало горячим настолько, чтобы начались реакции горения водорода. Таким образом, эти ядерные реакции питают Солнце на протяжении последних четырех с половиной миллиардов лет. Температура центра Солнца равна шестнадцати миллионам градусов Кельвина. Пока что в гелий превратилась примерно половина всего водорода, который имеется в центре Солнца. В увеличившейся центральной области остается достаточно водорода, чтобы Солнце продолжало светить на протяжении еще шести миллиардов лет. Полная мощность его излучения должна постепенно возрастать по мере увеличения концентрации гелия в его центре. Это увеличение светимости невозможно заметить за время жизни человека. И все же через шесть миллиардов лет Солнце будет светить примерно в два раза ярче, чем сегодня.

Более яркое и горячее Солнце имеет серьезные последствия для жизни на Земле. Как только возрастет поток солнечной энергии, попадающей на Землю, усилится глобальное потепление вместе с его неприятными побочными эффектами. Как только потеплеет вода в океанах, в ней уменьшится содержание растворенного диоксида углерода (углекислого газа). Снижение содержания диоксида углерода в воде приведет к возрастанию его содержания в воздухе. И хотя содержание углекислого газа в атмосфере незначительно, такое увеличение его концентрации будет иметь серьезные последствия.