Рудольф Киппенхан - Рудольф Киппенхан 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд
Через 10 миллиардов лет после начала горения водорода светимость Солнца будет всего в два раза выше нынешней. К этому времени человечество (если оно еще будет существовать на Земле) уже давно начнет испытывать климатические трудности. Однако потом станет еще хуже. А пока диаметр Солнца всего в два раза превышает нынешний.
Между тем, в недрах Солнца к этому времени уже произойдут существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная область целиком заполнена гелием (см. рис. 5.2, в). На этом рисунке изображена модель Солнца в возрасте 12 миллиардов лет. В центре не происходит ядерных реакций, поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод (см. рис. 3.4) температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там, где гелий граничит со слоем, богатым водородом, еще происходит сгорание водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в центре Солнца увеличивается. Если вначале у нашего Солнца было ядро, где происходили ядерные реакции превращения водорода в гелий, то теперь горение водорода происходит в тонкой сферической оболочке, которая постепенно расширяется и перемещается во внешние области, все еще богатые водородом. С течением времени диаметр гелиевого шара в центре Солнца становится все больше. На диаграмме Г-Р Солнце перемещается направо вверх, в область красных гигантов (как показано на рис. 5.1). Солнечный шар становится все больше и одновременно все холоднее. Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В то же время температура поверхности существенно снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов, т. е. на 1800 градусов меньше, чем теперь.
Но нас это уже не спасет. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся, а под палящими лучами Солнца будет даже плавиться свинец. Земля превратиться в горячую печь, на которой уже не сможет существовать жизнь. Над безжизненной поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба. Было бы, конечно, интересно узнать, насколько верны эти предсказания компьютерной модели.
Наши наблюдения неплохо описывают основные свойства нынешнего Солнца. Но можно ли сделать из этого вывод, что модель так же хорошо предсказывает и печальные для людей последствия его развития? У нас есть для этого прямое подтверждение. Если нанести на диаграмму Г-Р звезды из шарового скопления, то, как мы уже видели на рис. 2.9, на главной последовательности не окажется звезд, светимость которых в 3 раза и более превышает солнечную. Это соответствует примерно 1,3 массы Солнца. Дело в том, что наиболее яркие звезды шарового скопления из главной последовательности уже «сожгли» свой водород. Звезды, массы которых превышают солнечную в 1,3 раза и более, расположены на ветви, которая отходит от главной последовательности направо вверх, в область красных гигантов. Эти звезды развивались примерно так же, как предсказывает наша модель Солнца. Масса этих звезд совсем ненамного превышает солнечную.
На рис. 5.4 изображена диаграмма Г-Р для звезд главной последовательности шарового скопления МЗ. На этой диаграмме черной стрелкой изображен путь развития звезд, подобных Солнцу. Из рис. 5.4 хорошо видно, что звезды шарового скопления развиваются так же, как будет развиваться Солнце в будущем. На диаграмме показаны звезды, которые уже перемещаются по диаграмме направо вверх. Такая судьба постигнет и Солнце через 8 миллиардов лет. Более тяжелые звезды опережают Солнце, они уже сегодня показывают нам, что ожидает в будущем наше Солнце. И если на некоторых планетах, образующихся вокруг этих звезд, когда-то была жизнь, то теперь эта жизнь там уже не существует, и все ее следы давно сгорели в потоке тепла, который испускают эти звезды. Таким образом, астрономические наблюдения подтверждают, что наши предсказания дальнейшей судьбы Солнца, к сожалению, правильны.
Рис. 5.4. Диаграмма Г-Р звезд из шарового скопления МЗ, которая уже была приведена на рис. 2.9. На этом рисунке нанесен путь развития звезд главной последовательности (черная стрелка), который показывает, как звезды главной последовательности перемещаются в область красных гигантов. Массы звезд, покидающих главную последовательность, несколько отличаются от предсказанных (звезды с массами, равными солнечной, все еще находятся на главной последовательности). Химический состав звезд шарового скопления отличается от модельного. Кроме того, общая интенсивность излучения не совпадает с интенсивностью излучения в видимой области спектра, которая приведена на этом рисунке. Поэтому путь развития, показанный черной стрелкой, не удается количественно сопоставить с приведенным на рис. 5.1. Однако качественный вывод остается справедливым: большие звезды в этом шаровом скоплении находятся на стадии развития, в которую еще не вступило наше Солнце.
Нейтрино, образующиеся на Солнце
Мы сравнили полученные нами результаты моделирования с наблюдаемыми свойствами звезд. Диаграмма Г-Р звезд из шарового скопления показала нам, что наша модель правильно предсказывает будущее развитие Солнца, хотя оно и не слишком приятно для человечества. С точки зрения астрофизика наступил полный порядок. Однако осталось одно небольшое несоответствие, которое позволяет специалисту в области ядерной физики утверждать, что, может быть, далеко не все правильно в наших представлениях о жизни и развитии звезд и что наша компьютерная модель может быть полностью неверна.
Причиной для такого сомнения служат практически ненаблюдаемые элементарные частицы, которые возникают при превращении водорода в гелий и почти никак не влияют на процессы, происходящие на Солнце. Это сомнение возникло в результате эксперимента, который был проведен в заброшенной шахте по добыче золота в штате Южная Дакота (США).
Этой частицей является нейтрино. Оно не имеет электрического заряда и практически лишено массы. Нейтрино перемещается со скоростью света. При описании протон-протонной цепочки реакций мы видели, что всякий раз, когда сливаются два ядра водорода, возникают позитрон и нейтрино (см. верхнюю схему на рис. 3.3). Позитрон очень быстро аннигилирует с электроном, в результате чего возникает квант света. Другая судьба у нейтрино. Нейтрино не реагирует с другими элементарными частицами и улетает из места своего возникновения по прямолинейной траектории, нигде не отклоняясь. Окружающее солнечное вещество никак не влияет на нейтрино. Для возникшей новой частицы солнечное вещество как бы не существует. Чтобы полностью защититься от прилетающих к нам нейтрино, потребовалось бы воздвигнуть стену, толщина которой, выраженная в километрах, составляет пятнадцатизначное число. К счастью, от нейтрино не нужно защищаться, поскольку они пролетают сквозь нас, не взаимодействуя ни с одним атомом нашего тела.
Таким образом, нейтрино, возникшие в центре Солнца, улетают по прямолинейным траекториям в пространство и некоторые из них могут достичь поверхности Земли. Для этих частиц не имеет значения, ночь или день стоит в это время на Земле. Днем они прилетают сверху, а ночью — снизу, свободно пронзая земной шар. Если бы у нас был нейтринный телескоп, то с его помощью мы могли бы увидеть в центре Солнца маленькое яркое пятно. Это — область, в которой происходят ядерные реакции водородного цикла и где возникают нейтрино. С помощью такого телескопа мы могли бы увидеть это яркое пятно и ночью, после захода Солнца. Нужно было бы только направить наш телескоп не на небо, а вниз, к Земле, вслед за суточным движением Солнца, так как Земля прозрачна для нейтринного излучения.
Но, к сожалению, нейтринного телескопа не существует, поскольку, чтобы его построить, нужно уметь отклонять нейтрино от прямолинейного пути с помощью линз или зеркал, как отклоняют свет в фотоаппарате или электроны в электронном микроскопе. Но нейтрино всегда летят прямолинейно.
К счастью, существуют изотопы, с помощью которых можно устроить хотя и очень небольшое, но заметное препятствие для нейтрино. Наиболее известным из них является изотоп элемента хлора Сl37. Если атомы вообще могут останавливать нейтрино, то легче всего это сделать с помощью изотопа Сl37. В тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с ядром атома хлора, это ядро испускает электрон и возникает атомное ядро элемента аргона (рис. 5.5). В результате реакции возникает не обычный атом этого благородного газа, а изотоп, который распадается приблизительно через 35 дней. На этой реакции основана идея известного эксперимента Раймонда Девиса по изучению солнечных нейтрино.[13] Этот эксперимент известен главным образом тем, что он поставил перед астрофизиками чрезвычайно затруднительные вопросы. Но прежде чем рассказать о нем, мы обсудим еще некоторые трудности.
