Чому виблискує Сонце?

Так вийшло, що час між двома світовими війнами виявився часом зростання і дозрівання ядерної фізики. Ідеї сипалися одна за одною, як з рогу достатку, а якщо на горизонті починали маячити якісь труднощі, то тут же вдавалося знаходити нові шляхи і залишати ці труднощі осторонь. Одна з таких ідей дозволила відповісти на питання: звідки береться енергія Сонця?

І питання це зовсім не було академічним. Адже від енергії, випромінюваної нашим світилом, залежить весь хід процесів на Землі, в тому числі і наше з вами життя у всьому його різноманітті.

Вирішити цю загадку допомогла молода ядерна фізика. Зовсім незадовго до цього Ейнштейн запропонував свою знамениту формулу взаємозв’язку маси та енергії. До кінця двадцятих років вже були відомі досить точно маси ядер різних елементів періодичної системи. Значення мас недвозначно вказували на те, що ядра елементів в середині таблиці Менделєєва упаковані щільніше, ніж ядра дуже легких або дуже важких елементів. Значить, якби одні ядра могли перетворюватися в ядра інших елементів, то при переходах “пухких” надлегких або надважких ядер в більш щільні ядра могла б виділятися енергія.

Так, двом фізикам — австрійцю Хоутермансу та англійцю Аткінсону — прийшла в голову ідея про термоядерні реакції як джерело енергії нашого Сонця і взагалі всіх зірок. З цього і почався цикл робіт з теорії термоядерних реакцій всередині зірок. Через десятиліття, в 1939 році, відомий німецький фізик-теоретик Ганс Бете підбив підсумок цих робіт, виклавши їх у вигляді стрункої концепції ланцюгів і циклів термоядерних реакцій.

Взагалі кажучи, зірки бувають різні. Найбільш загальним є поділ зірок на різні класи за їх розмірами та світністю. Одні потрапляють в гіганти, інші в карлики, але велика частина залишається десь між тими й іншими. Ці зірки, що займають проміжне положення, називають зірками «головної послідовності». Всередині кожної з цих трьох великих груп зірки ділять ще на різні спектральні класи. Так що серед світил бувають і червоні гіганти, і білі карлики, і блакитні зірки головної послідовності…

У зірок різних спектральних класів максимум випромінювання припадає на різні довжини хвиль. Це говорить про те, що ядерні процеси всередині них йдуть при різній температурі.

Звичайно ж, нас в першу чергу цікавить Сонце. Воно відноситься до зірок головної послідовності і є «жовтою» зіркою. На 80 відсотків Сонце складається з водню, 18,5 відсотка гелію, решта 1,5 відсотка припадають на частку вуглецю та інших важких елементів. Тому на Сонці, як і на інших зірках головної послідовності, найбільш важливими можуть бути або ланцюжок так званої «протонної реакції», або замкнута група реакцій, що отримала найменування «вуглецевого циклу».

В ході «протонної реакції» ядра водню, протони, перетворюються в ядра гелію (альфа-частинки). В залежності від температури це перетворення може відбуватися різними шляхами; інакше кажучи, реакція йде по трьох каналах. Кожен канал має свої особливості, але для нас зараз важливий їх основний, загальний підсумок: чотири протони перетворюються на альфа-частинку з випусканням позитронів, гамма-квантів і — увага! — двох нейтрино.

На Сонці є і вуглець, тому крім «протонної реакції» може йти ще замкнена циклічна реакція з участю вуглецю, який виступає при цьому в ролі каталізатора: сприяє протіканню процесу, не зменшуючись і не накопичуючись.

Відбувається це наступним чином. Ядро атома вуглецю С12, захоплюючи протони, послідовно перетворюється в більш важкі ядра. І, нарешті, з захопленням четвертого протона вже ядро азоту N15 розпадається на ядро С12 і ядро Не4. Цикл замикається, знову виникає вихідне ядро ізотопу вуглецю, але в результаті чотири протона переходять в альфа-частинку з випромінюванням позитронів, гамма-квантів і, знову ж таки, двох нейтрино. Неважко підрахувати, скільки енергій вивільняється при кожному з цих перетворень.

При температурі всередині Сонця близько 13-15 мільйонів градусів (в даний час прийнята саме ця величина) вихід енергії в результаті «протонної реакції» більше, ніж від «вуглецевого циклу», але в загальному-то вони близькі один до одного. Однак з зростанням температури вихід енергії від «циклу» підвищується значно швидше, ніж від «протонної реакції» (для «циклу» кількість енергії пропорційна температурі, зведеної у вісімнадцяту ступінь, а для протонної реакції — «всього лише» в четверту). Це означає, що для всіх більш гарячих зірок основне значення має саме «вуглецевий цикл», тоді як у більш холодних — «протонна реакція». Таким чином, температура близько 16 мільйонів градусів є в деякому роді розділовим кордоном. Ось чому надзвичайно важливими є будь-які, навіть, здавалося б, не дуже значні уточнення в оцінці температури всередині Сонця.