Искатель, 1961 №5

ИСКАТЕЛЬ ПРИНИМАЕТ ГОСТЕЙ

Человек стремится в космос. Он хочет ступить на другие планеты, познать их природу, разгадать процессы, происходящие во вселенной. Он мечтает заглянуть в недра звезд.

Возможно ли это? Ведь температуры там измеряются многими миллионами градусов. Есть ли способ установить, какие реакции протекают внутри звезд, что происходит в этих гигантских огнях вселенной?

Мы беседуем об этом с нашим гостем, известным советским ученым, профессором Давидом Альбертовичем Франк-Каменецким.

— Звезды — настоящие фабрики химических элементов, — говорит ученый. — В их пламенных недрах более тяжелые атомы свариваются из легчайших. Все известные ныне 103 элемента таблицы Менделеева зарождаются там.

— Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.

— В начале прошлого столетия английский врач Вильям Праун высказал предположение, что все существующие химические элементы построены из водорода. Любопытно, что современная физика в известном смысле подтвердила эту догадку. Недавно ряд исследователей пришел к выводу, что вся обозримая астрономическими приборами вселенная состоит по весу на 76 процентов из водорода и на 23 процента из гелия. Только чуть больше одного процента приходится на все остальные элементы таблицы Менделеева. По-видимому, водород является своеобразным сырьем, из которого под влиянием высоких температур внутри звезд получается гелий, а при определенных условиях — и другие элементы.

— Ответьте, пожалуйста, еще на два вопроса, — просим мы ученого. — Нет ли в наши дни непосредственной возможности «заглянуть» в недра звезд, получить информацию из их глубин так же, как мы получаем ее с поверхности небесных тел при помощи оптических и радиотелескопов? И какие проблемы, связанные с процессами внутри звезд, в данное время вас больше всего интересуют?

— Представьте, на оба вопроса у меня один ответ! — сказал Давид Альбертович. — Больше всего меня в данный момент интересует проблема получения непосредственной информации из звездных недр. Именно этой проблеме были посвящены со общения члена-корреспондента Академии наук Б. М. Понтекорве и мое, сделанные недавно на расширенном заседании Комиссии по космогонии Астросовета Академии наук СССР. Я говорю о принципах нейтринной астрономии.

…Есть, оказывается, лучи, которые пробивают звездные оболочки. Они представляют собой поток особых элементарных частиц — нейтрино. Это частицы-призраки: их ничто не задерживает. Нужны миллиарды солнц, поставленных друг за другом, чтобы поглотить нейтрино!

Вот эти-то нейтрино и их близнецы — антинейтрино вырабатываются во время звездных процессов. Если подсчитать их долю в числе других частиц, можно получить довольно отчетливое представление о процессах, происходящих внутри звезд. Звезды как бы становятся прозрачными, астрономы получают возможность их изучать так же, как врачи — человека перед рентгеновским аппаратом.

Мы попросили Д. А. Франк-Каменецкого рассказать об энергии звезд поподробнее.

Д. А. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ,

профессор, доктор физико-математических наук

Вероятно, многим из вас приходилось по вечерам любоваться звездами. А задумывались ли вы, почему они светят? Такой вопрос не был бы проявлением праздного любопытства!

Звезда — гигантская силовая станция. Она непрерывно излучает в мировое пространство колоссальные количества энергии В общем энергетическом балансе мира энергия звезд стоит на первом месте.

Мы на Земле ищем новых источников энергии. Но важно поинтересоваться и тем, каковы ее основные источники за пределами нашей планеты: ведь изучение природы всегда указывает пути к развитию техники. Постараемся же проникнуть в суть тех таинственных процессов, которые рождают энергию звезд.

Заметим сразу же, что эта энергия имеет к нам, к жизни на Земле, прямое отношение. Самая близкая к нам звезда — наше Солнце. И вдумайтесь: все растения строят свое живое вещество за счет его энергии, поглощаемой хлорофиллом. Животные питаются растениями и получают с пищей эту накопленную солнечную энергию. Ископаемое топливо — каменный и бурый уголь, торф, нефть — остатки вымерших растений или животных. В них запасена для нас та же солнечная энергия, полученная Землей миллионы лет назад. Гидроэлектростанции тоже работают «за счет Солнца»: оно испарило воду в морях и океанах, вода сгустилась в облака и тучи, пролилась дождем, собралась в ручьи и реки и пришла к плотинам гидростанций. Даже энергия ветра рождена тем, что Солнце неравномерно нагревает разные участки земной поверхности.

Сейчас начинается эра атомной энергии. И вот ученые убеждаются: внутренним источником энергии Солнца оказывается та же атомная… Таким образом, техника движется к тому, чтобы воссоздать на Земле под контролем человека те самые процессы, которые рождают энергию в Солнце и других звездах.

Наше Солнце — всего лишь рядовая звезда. Но если перевести мощность этой космической силовой станции в технические единицы, то получится у нас умопомрачительная цифра — около трехсот тысяч миллиардов миллиардов киловатт. На Землю попадает лишь одна двухмиллиардная доля излучаемой Солнцем энергии. Но и это больше ста тысяч миллиардов киловатт!

Откуда же она берется? Пятьдесят лет назад это было неразрешимой загадкой. Классическая физика XIX века могла указать в данном случае только один источник энергии — нагревание от сжатия силой тяжести. Но этого источника Солнцу Хватило бы только на тридцать миллионов лет, а оно освещает и греет нашу планету несколько миллиардов лет.

Итак, классическая физика становилась в тупик. Выход из него указала новая — атомная — физика.

Теперь мы знаем, что мельчайшая частица вещества — атом — состоит из ядра и окружающих его электронов. Ядра одних атомов обладают большим, других — меньшим запасом энергии. Первые могут превращаться во вторые, и при этом выделяются громадные количества энергии. Ядерные реакции — вот источник энергии звезд.

Какое же именно вещество играет роль ядерного горючего в звездах? Спектральный анализ показал, что самым распространенным во вселенной веществом является легчайший элемент — водород. Ядро атома водорода — это простейшая ядерная частица — протон. Если четыре протона соединятся в ядро гелия, то выделится около двадцати восьми миллионов электроновольт энергии. Много это или мало? Чтобы сравнить теплотворную способность ядерного и обычного горючего, заметим, что при сгорании атома углерода выделяется всего около четырех электроновольт энергии. Теплотворная способность ядерного горючего в миллионы раз больше, чем у обычного.

Что нужно, чтобы четыре протона соединились в ядро гелия?

Они должны встретиться между собой, обладая при этом достаточно высокой скоростью. Маловероятно, чтобы четыре человека, не сговариваясь, встретились случайно все в одном месте. Не так часты были бы и встречи частиц вещества… Но реакция образования гелия в звездах идет не прямо, а в несколько актов. В каждом акте участвуют по две частицы. Несколько актов образуют так называемую цепочку. Простейшая цепочка — водородная. Она начинается с соединения двух ядер водорода (протонов) в ядро тяжелого водорода — дейтон. Дейтон, сталкиваясь еще с одним протоном, дает ядро легкого гелия (гелия-3). А если два ядра гелия-3 столкнутся между собою, то получится обычный гелий-4 и два протона отщепятся.

Так легкий водород превращается в более тяжелый гелий, а в результате превращения выделяется солнечная энергия.

Мы говорили: для того чтобы произошла ядерная реакция, сталкивающиеся частицы должны обладать достаточной скоростью. И вот почему. Все атомные ядра имеют положительный электрический заряд. А одноименно заряженные тела отталкиваются. Значит, чтобы сблизиться, они должны иметь достаточную скорость, позволяющую с разлету преодолеть силы электрического отталкивания.

Представьте себе лыжника, которому нужно преодолеть снежный бугор. Если есть возможность разогнаться, лыжник может не тратить на это дополнительных усилий. Электрическое отталкивание атомных ядер создает между ними как бы такой бугор. Его называют потенциальным барьером.

Разогнать частицы до больших скоростей можно, нагревая их до высокой температуры. Достаточны ли для этого температуры звезд?

Высчитано, что температура в центре Солнца равна примерно 10–15 миллионам градусов. С точки зрения классической механики такая температура недостаточна для того, чтобы придать ядрам необходимую скорость.

Но иначе говорит рожденная атомной физикой новая, так называемая квантовая механика. Она говорит: потенциальный барьер мы не должны представлять себе как непроницаемый бугор. Он скорее похож на сугроб рыхлого снега. Пусть скорость лыжника недостаточна для того, чтобы взлететь на вершину бугра: он может пробить себе отверстие (тоннель) сквозь рыхлый снег… Такой процесс в атомной физике называется подбарьерным, или тоннельным, переходом. И в этом случае оказывается, что температура Солнца как раз достаточна для водородного цикла.

Итак, источник энергии Солнца перестал быть загадкой. Мы имеем все основания считать этим источником ядерные реакции, происходящие в водороде при температурах в миллионы градусов.

Надолго ли хватит Солнцу водородного ядерного горючего? За миллиард лет там выгорит всего лишь около процента водорода.

Но есть звезды, в которых выгорание должно происходить гораздо быстрее. Это гигантские, сравнительно молодые солнца…

Что будет со звездой, когда водород выгорит? Выгорание начинается в центре. Там образуется выгоревшее ядро. В этом ядре вещество сжимается до громадных плотностей. Если масса звезды мала, то она вся сжимается. Такие сверхплотные звезды называются белыми карликами. Если масса звезды велика, то вокруг ядра остается разреженная оболочка очень больших размеров. Такие громадные звезды называются красными гигантами.

Много еще неясного для нас в жизни звезд. Например, мы можем строить лишь догадки, как рождаются в звездах элементы более тяжелые, чем гелий. Но основной источник энергии для большинства звезд может считаться несомненным: это ядерные реакции, превращающие водород в гелий.

Этот процесс, когда человек научится управлять им, даст нам новый богатейший источник энергии.