§ 5.15. Источники энергии звезд

Любой мыслимый источник энергии звезды должен удовлетворять следующим условиям:

1. он должен обеспечить наблюдаемую мощность излучения звезды;

2. он должен действовать в течение длительного промежутка времени, измеряемого миллиардами лет;

3. источник должен действовать в тех физических условиях, которые наблюдаются вблизи центра звезды.

Запишем характеристики Солнца: светимость L_ = 3,8510²⁶ Дж/с, масса М_=210³⁰ кг.

Найдем количество энергии, которую излучает Солнце в единицу времени в расчете на единицу его массы (удельная мощность излучения Солнца).

Удельной мощностью источника энергии называют количество энергии, которую создает источник в единицу времени в расчете на единицу его массы. Для любого источника .

Существовало несколько гипотез об источнике энергии Солнца и звезд. В начале 20-го века возникла гипотеза, что источником энергии Солнца является ядерная энергия. В настоящее время предполагается 2 самых вероятных источника энергии звезд:

1. энергия гравитационного сжатия;

2. энергия термоядерного синтеза.

Потенциальная энергия: .

Из этой формулы следует, что при сжатии звезды за счет уменьшения запасов гравитационной энергии может происходить излучение звезды. Оценим, на сколько времени хватит гравитационной энергии, запасенной в звезде. . Если подставить параметры Солнца, то получится 50 млн. лет. Поэтому, хотя гравитационный источник энергии звезд действует в природе на определенных этапах развития звезды (в самом начале и в самом конце развития), в основной период жизни звезды действует термоядерный источник.

При таких физических условиях наиболее вероятны два так называемых термоядерных цикла:

Р–Р – цикл (протон-протонный цикл):

Расчеты на основе ядерной физики приводят к формуле для удельной мощности Р–Р– цикла:

где  – плотность вещества, х – концентрация водорода, T  температура. Применим формулу для Солнца: _= 10⁵ кг/м³, x = 0,8, T10⁷ , тогда _p-p = 210^-3 Дж/(кгс), т.е. для Солнца удельная мощность Р–Р– цикла примерно в 10 раз больше, чем удельная мощность его излучения. Поэтому Р–Р– цикл может быть источником энергии Солнца.

СN – цикл (углеродно-азотный цикл). Здесь также происходит превращение водорода в гелий. В качестве катализатора выступает ядро атома углерода.

Удельная мощность СN–цикла

где x_CN – концентрация совместно азота и углерода.

Формула (5.39) отличается от формулы (5.38) гораздо большей степенью зависимости от температуры. Если подставить в формулу параметры для Солнца: x_CN = 0,003, тогда _CN 10^-10 Дж/(кгс). Отсюда следует, что этот цикл не может быть основным источником энергии звезд типа Солнца. Однако если температура звезды в центре больше 15·10⁶ К, то становится значительно больше мощности Р–Р– цикла. Для таких горячих звезд CN– цикл является основным источником энергии.