Лев Мухин - В нашей галактике
Законы физики одинаковы и для пневматической зажигалки малайцев, и для двигателя Дизеля, и для огромного межзвездного облака. Вот почему при сжатии облако начнет нагреваться. Вот почему возможно образование горячей звезды из холодного облака. Ну а энергия сжатия облака во многие миллиарды раз больше, чем во всех дизельных двигателях земного шара.
Энергия сжатия превращается в излучение, которое может свободно выходить из облака в космическое пространство, пока плотность облака невелика. Поэтому сначала и температура облака повышается очень незначительно. Но чем сильнее сжатие, тем больше плотность вещества и тем труднее излучению выходить из облака.
И когда на определенном этапе плотность увеличивается, облако становится непрозрачным, а температура его внутренних областей начинает повышаться. Что такое непрозрачность и почему должна повышаться температура?
Давайте включим электрическую лампочку. Она сконструирована так, чтобы нить накаливания работала как можно дольше. Когда лампочка включена, она горячая, ее не возьмешь в руки: она и светит и греет. Но воздух комнаты прозрачен и для видимого света, и для теплового излучения лампочки. Если теперь завернуть лампочку в хороший теплоизолирующий материал, например в асбест, выход тепловой энергии будет затруднен, температура лампочки повысится и она перегорит быстрее. Асбест непрозрачен для излучения.
Так же и в случае облака. Только роль асбеста здесь играют достаточно плотные наружные слои. А внутри облака — горячее ядро — протозвезда. Но она еще находится внутри родительского облака. Если провести здесь аналогию с живой материей, то протозвезду можно сравнить с клеточным ядром, окруженным протоплазмой.
Какова может быть величина протозвезды или прото-Солнца? Мы говорили о том, что начальные размеры сжимающегося облака велики. Но когда наступило время формирования прото-Солнца, ядра нашей Солнечной системы, облако занимало место протяженностью «всего» до орбиты Плутона.
А затем начали происходить удивительные вещи. Лишь за 10 лет прото-Солнце сжалось до орбиты Меркурия, то есть примерно в сто раз. Именно тогда оно и стало непрозрачным к собственному излучению. Энергия сжатия оказалась «запертой» внутри прото-Солнца, и в его жизни наступила знаменитая «стадия Хаяши» — этап развития протозвезд, получивший свое название в честь известного японского астрофизика С. Хаяши.
Поскольку сброс энергии, которая выделяется при сжатии, из-за непрозрачности затруднен, сжатие резко замедлялось. Но энергию-то сбрасывать все-таки надо. Так вот, Хаяши и показал, что в этой стадии сжатия энергия сбрасывается при помощи конвекции. Да, да, той самой конвекции, которую мы каждый день видим, когда кастрюля с водой или чайник стоят на плите и более горячие слои воды поднимаются снизу вверх. И в нашем случае внутренние, более горячие участки протозвезды начинают перемещаться наверх, а на их место стремится газ из наружных, более холодных районов. В это время температура протозвезды достигает нескольких тысяч градусов.
Понятно, что такой процесс, как конвекция, не может сразу охватить все прото-Солнце: она развивается постепенно даже в таком небольшом объеме, как чайник. Что здесь говорить о прото-Солнце! Но когда вся протозвезда вовлекается в этот процесс, энергия сжатия получает возможность «выйти наружу» и переизлучиться в мировое пространство. Поэтому-то развитие конвекции внутри прото-Солнца сопровождается короткой вспышкой светимости.
Уже после этого продолжается медленное сжатие охваченной конвекцией протозвезды. Радиус ее медленно уменьшается, неуклонно стремясь к сегодняшнему значению радиуса Солнца. Ну а поскольку температура поверхностных слоев протозвезды постоянна, то светимость ее будет падать. Эта стадия, как показывают расчеты, занимает уже десятки миллионов лет.
Наконец сжатие прекращается и прото-Солнце становится стабильной, обычной звездой, Солнцем, таким, каким мы его видим сегодня. Как говорят астрономы, оно садится на «главную последовательность» — столбовую дорогу жизни большинства звезд. Желтый карлик родился.
То, что происходило в природе в течение миллионов лет, я попытался изложить на нескольких страницах. Конечно, такой спринтерский темп заставлял опускать многие важные вещи. Здесь уж ничего не сделаешь. Важно то, что для современной физики возможно иногда почти, а иногда совершенно точно указать, что происходило во Вселенной за сотни тысяч световых лет от нас, что происходило миллиарды лет тому назад, что произойдет через миллиарды лет.
Итак, картина рождения Солнца, пусть несколько схематичная, нарисована. Но ведь это теория, и все то, о чем мы сейчас говорили, базировалось на оценках, приведенных, в частности, в замечательной книге советского астрофизика И. Шкловского «Звезды, их рождение, жизнь и смерть». А соответствуют ли эти оценки действительности? Можно ли наблюдать все эти процессы, эти вспышки «закипающих» звезд в Галактике? Да. Астрономам известны звезды на небе, хаотически меняющие свой блеск, а это как раз и может свидетельствовать о том, что их атмосферы находятся в бурной конвективной стадии. Звезды эти получили название «звезд типа Τ Тельца». Таким образом, у нас есть все основания считать, что этот «сценарий» рождения Солнца действительно имел место около 5 миллиардов лет тому назад.
Читателям, которые захотят более подробно узнать о рождении звезд и посерьезнее познакомиться с астрофизикой, я посоветую обратиться к упомянутой уже книге И. Шкловского.
Было бы несправедливо не сказать об альтернативной точке зрения по поводу рождения звезд. Ее автор — известный советский астрофизик академик В. Амбарцумян. Он считает, что во Вселенной существуют сверхплотные образования — Д-тела. Природа этих тел неизвестна. Астрономы их не наблюдали. Так вот, при распаде этих Д-тел и рождаются звезды. Гипотеза В. Амбарцумяна не имеет большого числа сторонников. Но следует помнить о том, что он не раз оказывался прав, вступая в спор с устоявшимися концепциями.
Итак, все вспышки и катаклизмы завершены. Солнце стало стабильно, и стабильно оно уже в течение почти 5 миллиардов лет. А откуда мы знаем об этом? Прежде всего у нас есть такой чувствительный «индикатор», как живые организмы на Земле. Из палеологических данных известно, что жизнь на Земле существовала три с половиной миллиарда лет тому назад. А должно было уйти время еще и на возникновение этой жизни. Но если она уже существовала три с половиной миллиарда лет тому назад, то на ее зарождение остается не более миллиарда лет, поскольку возраст Земли около 4,5 миллиарда лет.
Отсюда следует, что если бы светимость Солнца уменьшилась, скажем, в несколько раз, то на Земле не могла бы зародиться жизнь, так как на поверхности нашей планеты из-за сильного холода не было бы жидкой воды. А если бы Солнце было заметно горячей, то мы бы имели сегодня Землю, похожую на Венеру, где ни о какой жизни не может быть и речи. Поэтому если Солнце и могло менять свою светимость за такой большой промежуток времени, как 5 миллиардов лет, то можно говорить лишь о незначительных изменениях, порядка нескольких процентов, не более. Вот тут-то мы и подходим к очень интересному, важному и отнюдь не простому вопросу: почему, собственно говоря, Солнце светит, светит долго с удивительным постоянством? Откуда берется такое гигантское количество энергии?
Замечательную, немного грустную историю об одном известном человеке, решившем эту загадку, рассказал лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман. Этот человек (мы будем о нем еще говорить) отправился поздно вечером гулять с девушкой. А накануне он понял, что заставляет светить звезды. Влюбленные всегда говорят или о погоде, или о красотах ночного неба. «Посмотри, как чудесно сияют звезды», — сказала она. «Да, чудесно. А ведь сегодня я — единственный в мире человек, который знает, почему они сияют», — ответил он. Она лишь рассмеялась. «Что ж, как это ни печально, быть одиноким, непонятым — в порядке вещей», — меланхолически заканчивает Р. Фейнман свой рассказ.
Но посмотрим, что думали об этом ученые до исторической прогулки с недоверчивой девушкой. Солнце светит потому, что на него падают кометы, считал великий Ньютон. Правда, его натуре не была свойственна категоричность, а количественных оценок этого «факта» в его работах мы не найдем.
Первый, кто попытался с чисто научных позиций проанализировать этот вопрос, был немецкий врач Ю. Майер. Имя его навсегда сохранилось для человечества отнюдь не из-за его успехов в медицине. Он обессмертил себя, открыв в 1842 году закон сохранения энергии. (Кстати, в этом же году произошло полное солнечное затмение, принесшее астрономам массу новой информации о Солнце.) Установив закон сохранения энергии для земных явлений, Майер задался таким вопросом. Если на Земле непрерывно происходят превращения одних форм энергии в другие, то любой достаточно серьезный анализ проблемы неуничтожимости энергии с неизбежностью ставит задачу: где источник солнечного излучения? Как может Солнце излучать огромное количество энергии со столь завидным постоянством?
