Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Рис. 4.2. Внутреннее строение звезд разной массы, полученное с помощью компьютерной модели. Масса выражается в единицах массы Солнца М. Звезды в левой части рисунка (а, б, г) показаны в одинаковом масштабе. В этом же масштабе изображена и звезда на рис. в. Чтобы лучше показать внутреннее строение звезд, на рис. а и г изображения увеличены еще в 10 раз. На рис. б в 10 раз увеличена только внутренняя область, показанная на левом рисунке белым цветом. На трех плоскостях, образующих вырез, показан химический состав (внизу), выделение энергии (слева вверху) и характер переноса энергии (справа вверху). Точками на нижней плоскости показаны области с исходным химическим составом. Все изображенные на рисунке звезды образованы из исходной богатой водородом газовой смеси. Светлые области на левой верхней плоскости разреза показывают, где происходит выделение энергии за счет ядерной реакции. Волнистыми стрелками в правом верхнем секторе каждого рисунка обозначены области, где происходит перенос энергии с помощью излучения. «Облака» изображают области, где происходит конвективный перенос энергии из внутренних областей звезды к поверхности.
В центре звезды плотность вещества в нашей модели составляет около 100 граммов на один кубический сантиметр. Эта величина примерно в 13 раз выше плотности железа. Давление составляет 130 миллиардов атмосфер. Температура центральной области близка к 10 миллионам градусов. При этой температуре протекают ядерные реакции. Ядерная энергия выделяется в результате реакций протон-протонной цепочки! Таким образом, мы получили звезду, светимость которой объясняется превращением водорода в гелий! Энергия из внутренних областей звезды переносится наружу с помощью излучения. Однако во внешних слоях этот механизм переноса энергии работает недостаточно эффективно. Там энергия передается к поверхности с помощью конвекции. Массы газа поднимаются вверх и вновь опускаются вниз, точно как на поверхности Солнца, где эти потоки образуют так называемую грануляцию.
Сформулируем основные выводы. Мы взяли вещество с составом, близким к солнечному, и такой же массой и построили из него звезду, В результате получился объект, который находится на главной последовательности диаграммы Г-Р, в объеме которого водород превращается в гелий, во внешних слоях происходит конвективный перенос тепла, как на Солнце, а основные свойства этого объекта очень близки к свойствам Солнца.
Но почему же нам не удалось в точности повторить свойства Солнца, в чем кроется причина различий? Может быть что-то неправильно в нашей программе? Далее мы увидим, что отличие модельного Солнца от реального связано с тем, что в нашей модели мы предположили: состав солнечного вещества постоянен во всех точках. Однако настоящее Солнце светит уже более трех миллиардов лет. За это время в центральных областях Солнца накопился гелий, который образовался в результате ядерных реакций. Это обстоятельство мы не учли в нашей программе. Мы построили такое Солнце, в котором химический состав центральных областей не отличается от состава внешних слоев. Таким образом, мы построили Солнце, в котором реакция ядерного горения водорода только что началась — Солнце в самом начале его жизни. Следовательно, мы построили «молодое Солнце».[10] Прежде чем увидеть, как молодое Солнце превращается в Солнце наших дней, мы проведем численные эксперименты со звездами одинакового состава, но разной массы.
Численная модель позволяет построить «молодую» главную последовательность
Вновь возьмем вещество с химическим составом, характерным для Солнца. Зададим теперь нашему компьютеру, который только что построил модель Солнца, величину массы, которая в два раза превышает солнечную! Менее чем через минуту машина напечатает нам величины, описывающие новую звезду. Звезда, которая получается в результате расчета, тоже существует за счет превращения водорода в гелий. С помощью такого метода мы можем получить модели для целого ряда звезд различной массы. Что мы обнаружим? Все эти звезды существуют за счет превращения водорода в гелий. Если звезды с массой, равной солнечной, и более «легкие» звезды получают энергию за счет реакций последовательного присоединения протонов, то в «тяжелых» звездах водород превращается в гелий в реакциях углеродного цикла.
Вычислительная машина определяет нам в каждом случае светимость и температуру поверхности звезды. Поэтому мы, пользуясь нашими моделями, можем нанести на диаграмму Г-Р значения светимости и температуры поверхности для звезд разной массы, существующих за счет сжигания водорода (рис. 4.3). При этом мы увидим, что все эти звезды лежат на одной линии, которая опускается слева направо. Наиболее массивные звезды расположены наверху, более легкие — внизу. Таким образом мы снова получили главную последовательность, но на этот раз не из наблюдений звездного неба. Мы обнаружили эту последовательность на распечатках компьютера, которые описывают звезды разной массы, существующие за счет сжигания водорода. Раньше мы могли только предполагать, зная продолжительность жизни Солнца и других звезд главной последовательности, что их излучение объясняется сжиганием водорода, теперь же это предположение обрело силу уверенности. Главная последовательность — это такое место на диаграмме Г-Р, где располагаются звезды, существующие за счет ядерной энергии превращения водорода в гелий!
Рис. 4.3. Точками показаны данные для звезд с разной массой, полученные с помощью компьютерной модели. Все звезды состоят из богатой водородом смеси одинакового состава. На диаграмме Г-Р они образуют главную последовательность со всеми свойствами наблюдаемой главной последовательности. Массы звезд выражены в единицах массы Солнца М. Видно, что светимость звезд главной последовательности резко падает с уменьшением массы.
Теоретическая модель строения звезд предсказывает и другое свойство главной последовательности. О нем уже говорилось выше. Речь идет о наблюдаемой зависимости между массой звезды и ее светимостью. Если мы построим модель для звезды, масса которой в 10 раз превышает солнечную, то ее светимость будет существенно выше светимости модельной звезды с солнечной массой. Это возрастание светимости звезд с увеличением массы хорошо согласуется с наблюдаемой зависимостью светимости от массы (см. рис. 2.4).
Для всех модельных звезд разной массы, полученных с помощью расчетов на ЭВМ, справедливо одно обстоятельство, о котором мы уже говорили. Модель дает свойства этих звезд в начале их жизни, когда только началась реакция превращения водорода в гелий. Таким образом, речь идет о «молодых звездах». Поэтому построенная нами главная последовательность — это не та главная последовательность звезд, которую мы наблюдаем сейчас на небе, а главная последовательность молодых звезд, «молодая главная последовательность». Однако в большинстве звезд реальной главной последовательности запасы водорода еще не слишком истощены. Поэтому реальные звезды не слишком сильно отличаются по своим свойствам от «молодых».
Мы видим, что если вести речь о свойствах звезд, доступных для наблюдения с Земли, наша модель дает хорошее согласие теоретических предсказаний с наблюдаемыми свойствами. Поэтому мы можем надеяться, что и внутреннее строение звезд, предсказанное с помощью компьютерной модели, не слишком сильно отличается от внутреннего строения реальных небесных тел. Это означает, что теоретическая модель позволяет нам заглянуть в недра звезд. Такой возможности лишена наблюдательная астрономия. Мы уже обсудили внутреннее строение Солнца. Посмотрим теперь, как устроены другие звезды, масса которых больше или меньше солнечной.
Строение Спики (Альфы Девы)
Рассмотрим для примера звезду, масса которой в 10 раз превышает солнечную. Поскольку Спика (Альфа Девы) как раз имеет примерно такую массу, наша компьютерная модель должна описывать ее свойства. Действительно, температура поверхности и светимость, полученные с помощью расчета, хорошо согласуются с соответствующими величинами для Спики. Как устроена такая звезда внутри? Температура в центральной области составляет 28 миллионов градусов. Выделяющаяся в центральной части энергия возникает в реакциях углеродного цикла. Ядерная реакция протекает в пределах сферы, диаметр которой в 5 раз меньше внешнего диаметра звезды. Там выделяется такое количество энергии, что излучение не может справиться с ее переносом. Поэтому возникает конвекция. Примерно 22 % массы во внутренней части звезды находится в состоянии конвективного движения (см. рис. 4.2, б). За пределами этой области энергия переносится с помощью излучения. Кванты света на своем пути к поверхности поглощаются и переизлучаются атомами и электронами. Достигнув поверхности, эти кванты излучаются в космическое пространство. Плотность в центре такой звезды не превышает 8 граммов на кубический сантиметр. Таким образом, газообразное звездное вещество в центре Спики близко по плотности к железу. Давление в центре звезды составляет 35 миллиардов атмосфер. Таково внутреннее строение Спики, самой яркой звезды в созвездии Девы.
