§2. Звездный (солнечный) тип эволюции протовещества

С единых позиций универсальности вещества при разнообразии масс мы должны подходить к проблеме строения и эволюции Солнца и звезд с массой, близкой солнечной. Современное состояние этого астрономического объекта также находится в полном соответствии с его гигантской массой, равной 210³³ г и заключающей более 99% всей массы вещества Солнечной системы. В центре такой массы развивается давление в сотни миллиардов атмосфер, а температура достигает более 15 млн. градусов Кельвина. Пусковой температурой, с которой термохимические реакции перерастают в реакции термоядерного синтеза, является, как известно, температура 10 млн. градусов Кельвина. С этого момента тело вступает на звездный путь эволюции.

Концепция полностью водородного состава Солнца была выведена из анализа звездных атмосфер. Их преимущественно водородный состав был перенесен и на весь объем Светила. В этой модели мы встречаемся с теми же трудностями, что и при реконструкции истории планет. Не ясно, как и почему произошла фрагментация гетерогенного по составу материнского облака на газовую и твердомонолитную фракции и каким образом легчайший газ водород был сконденсирован в самую большую массу, в то время как на строительство планет пошел более тяжелый железокаменный материал? Механизм конденсации центральной и периферийных масс был неизбежно общим. Различным было лишь количество вещества, заключенное в области гравитационного захвата каждой из спиралей (см. гл. XV), т.е. конденсация главной массы системы происходила по тем же законам, что и конденсация планет, особенно на начальной стадии аккреции.

Центром конденсации быстро вращающейся туманности стали наиболее крупные и массивные фрагменты реликтового материала преимущественно металлического состава, обедненные радиоактивными элементами. Они образовали гигантское металлическое ядро будущей звезды, которое стало центром стремительной аккреции газопылевой фракции небулярного облака. Вращение прототуманности и растущего зародыша не должно было быть большим. В противном случае центробежные силы, уравновешивая силы гравитационного притяжения, помешали бы конденсации масс. Так, при несоблюдении неравенства Пуанкаре   2G, где  – угловая скорость вращения тела;  – средняя плотность вещества, конденсация не состоится совсем. По этой же причине физически никак не обосновывается конденсация в звездную массу легчайшего водорода. Так, по закону Стокса, железные частицы материнского облака будут падать на поверхность ядра в миллионы раз быстрее силикатных и тем более газовых.

После образования крупного металлического ядра, масса которого во много раз превышала массу Земли, процесс гравитационного захвата частиц неизбежно принял лавинообразный характер. Первоначально он сопровождался выделением большого количества тепла при столкновении особенно крупных частиц с поверхностью массивного ядра, достаточного для расплава формирующейся оболочки. По мере вычерпывания материнского облака в главном витке спирали туманности размеры падающих частиц и их масса постепенно уменьшались. Вместе с ними уменьшалась и кинетическая энергия захватываемых частиц, поэтому верхние слои протосолнца формировались холодными.

Таким образом, первоначальная структура протосолнца мало чем отличалась от современного Юпитера, кроме, конечно, размеров. Над мощным металлическим ядром располагалась зона расплава, перекрытая холодной внешней оболочкой. По мере возрастания гравитационного сжатия, происходившего не только за счет наращивания массы, но и благодаря уменьшению угловой скорости вращения протосолнца за счет роста радиуса и тормозящего эффекта магнитного поля, появившегося одновременно с образованием внешнего жидкого ядра, возникли благоприятные условия для запуска термохимического реактора взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов. Процесс этот термодинамически был возможен лишь на внешней границе расплава или даже в верхней оболочке. Он должен был инициировать мощный вулканизм. Горячая газовая атмосфера на десятки тысяч километров простиралась над поверхностью протосолнца. По мере возрастания гравитационного сжатия и роста температуры за атомный порог 10 млн. градусов Кельвина химические процессы стали перерастать в термоядерные. Как известно, наиболее вероятна в термодинамических условиях протосолнца реакция превращения четырех ядер атомов водорода в гелий с выделением энергии, реакция протон-протонного (РР) цикла:

4Н  ⁴Не + 28,5 Мэв.

Только за счет гравитационного сжатия время активной жизни Солнца было бы не более 30 – 40 млн. лет. Однако в последние годы стало известно, что кроме протон-протонной реакции при более низких температурах порядка 110⁶ К могут идти реакции протонов с ядрами легких элементов – дейтерия, лития, бериллия и бора – типа ⁶Li + ¹H  ³Не + ⁴Не. Поэтому на самых ранних стадиях существования Солнца, когда температура под действием силы тяжести в сжимающейся звезде достигла 1 млн. градусов Кельвина, первые ядерные реакции начинались на легких ядрах. По мере их выгорания и теперь уже более быстрого роста температуры до атомного порога 10 млн. градусов Кельвина включаются реакции РР-цикла.

Если исходить из гипотезы полностью водородного состава Солнца, то при наблюдаемой энергии излучения время активной жизни его составит:

лет,

где М₀ = 210³⁰ кг, I₀ = 410²⁶ Вт.

Этот вывод, кстати, приводимый в учебниках, явно неприемлем, так как продолжительность излучения светила оказывается сравнима или даже больше времени существования самой Метагалактики. Кроме того, полная расчетная мощность излучения водородного Солнца оказывается много выше наблюдаемой (310²⁷ Вт против 410²⁶ Вт). Это значит, что кроме водорода вещество Солнца содержит значительное количество других элементов, не участвующих напрямую в реакции ядерного синтеза, – это металлическое ядро, различные катализаторы и др. Если же исходить из представлений об универсальности строения протовещества Солнечной системы, тогда количество водорода в общей массе протосолнца должно быть не более 2% (Кесарев, 1976). В этом случае масса Н₂ будет 410³¹ г и при наблюдаемой мощности излучения 410⁴¹ эрг/год его продолжительность составит 410⁹ лет. Возраст Солнца сегодня оценивается в 510⁹ лет. Спрашивается, как соотнести эти цифры? Почему светило не погасло?

Дело в том, что Солнце, как мы видели, не сразу стало звездой. Первые примерно 500 млн. лет ушли на формирование туманности, аккрецию массы, запуск и развитие термохимических реакций и краткую протопланетную стадию развития. Переход термохимической реакции в термоядерную также произошел не сразу и не повсеместно в гигантской массе протосолнца.

Само время протон-протонного цикла занимает не менее 1 млн. лет. Постепенное вовлечение в него все больших масс вещества сопровождалось нагреванием и последующим проплавлением всей вышележащей плотной оболочки с постепенным замещением холодной газовой атмосферы горячей плазменной за счет выносимого к поверхности все большего количества лучистой энергии. В ходе этого процесса Солнце из протопланетной стадии стало переходить в протозвездную стадию развития. В ходе эволюции оно неизбежно должно было пройти по меньшей мере три стадии – красного спектрального класса с температурой поверхности 3500 К, оранжевого спектрального класса с температурой 5000 К и, наконец, современную стадию – желтого спектрального класса с температурой поверхности 6000 К. Мы уже говорили, что смена последней стадии предположительно произошла 350 млн. лет назад в карбоновый период, вызвав на Земле повсеместное бурное развитие наземного растительного мира. Таким образом, из своих 5 млрд. лет жизни Солнце первые примерно 500 млн. лет находилось в дозвездной стадии. Значит, ему остается пребывать в стадии светящейся звезды около нескольких сот миллионов лет. Такова характерная продолжительность жизни звезд-карликов, к каковым относится наше светило. Вот уж действительно: звездами не рождаются, а становятся, и путь этого становления довольно долог.

Остановимся еще на одном принципиальном вопросе – о месте, где возможны ядерные реакции. Распространенно мнение, что они идут в центре звезды, некоторые авторы (Кесарев, 1976) предполагают их зарождение в атмосфере звезды. Если быть последовательным, то, согласно изложенной здесь схеме эволюции протосолнца, широкомасштабные термоядерные реакции стационарного характера не могут идти ни в ядре, ни в атмосфере звезды. Ядро состоит из металлов и поэтому не содержит необходимого количества водорода, а в верхних слоях оболочки и в атмосфере Солнца давление еще невелико. Поэтому температура здесь много ниже атомного порога 10 млн. градусов. Следовательно, существует термодинамически обусловленная зона между ядром и оболочкой звезды, где давление обеспечивает необходимый атомный порог (10⁷ К) и выше. Этим замечанием мы еще раз хотим подчеркнуть мысль о том, что между планетой и звездой, особенно на начальной стадии, лежит не пропасть, а «всего лишь» различие масс!

Тем не менее внеатмосферные исследования с американского спутника «OSO-7» обнаружили во время ярких вспышек на Солнце признаки ядерных реакций образования дейтерия из протонов и нейтронов и аннигиляцию электронов с позитронами. Вероятно, не следует придавать этому атмосферному синтезу большого значения. Он носит ограниченный (например, спикулами) и эпизодический характер. В противном случае атмосфера Солнца в результате всеобъемлющих ядерных реакций давно бы расширилась, достигнув орбиты Земли.

Гравитационная энергия в теле с массой около 0,02 солнечной в состоянии инициировать термоядерные процессы экзотермического характера. В телах меньшей массы термохимические процессы не переходят в ядерные вследствие недостаточности гравитационной энергии сжатия.

Рис. 109. Энергетика космических тел в зависимости от их массы

Каково будущее Солнечной системы? Не приходится сомневаться, что ее дальнейшая история всецело зависит от продолжительности звездного этапа активности светила. Если на начальном этапе аккреции мы видим много общего в становлении планет и Солнца, то в дальнейшем, с запуском в одной системе термохимического, а в другой – термоядерного реакторов их пути эволюции и финал становятся существенно различными.

По мере выработки протовещества и финальной океанизации (криогенизации – для внешних планет) внутренняя активность планет будет падать и они постепенно превратятся в обезвоженные, холодные, безжизненные тела.

По мере выработки протовещества на Солнце, где стационарность энергоизлучения поддерживается равенством сил гравитационного сжатия F₀ и газового противодавления Р₀, направленного из центра: F₀ = Р₀ – сила F₀ превысит силу Р₀ и равенство их нарушится: F₀  Р₀. Больше не сдерживаемые газовым давлением верхние оболочки звезды под действием силы тяжести рухнут на металлическое ядро – возникнет коллапс звезды. В результате понизившаяся было температура вновь повысится до 10⁸ К, а внешняя газовая оболочка вместе с остатками испарившейся твердой оболочки расширится до орбиты Земли. В центре системы обнажится горячее белое ядро Солнца – белый карлик. Энергетика коллапсирующей звезды столь велика, что ударная волна взрыва может обратить в космическую пыль всю планетную систему. Начнется ли в дальнейшем акт нового творения – мы никогда не узнаем. Можно лишь напомнить, что, по современным данным изотопных исследований метеоритов (Рудник, Соботович, 1984), наше Солнце – звезда третьего поколения. Это значит, что наша система построена из осколков прошлых миров.

Таким образом, если исходить из представлений о единстве химического состава протовещества во всех объектах Солнечной системы и окружающем космическом пространстве, то намечаются два пути его развития – звездный и планетный. В основе каждого из них лежат не различия химического состава исходных космических образований, а различие масс.

Особенности термодинамики недр планетных тел способствуют развитию лишь термохимических процессов разложения протовещества. В массивных протозвездных телах вследствие более высоких давлений и температур термохимические реакции на определенном этапе перерастают в термоядерные.

Как было установлено (Орлёнок, 1980, 1985), одной из интересных особенностей планетного типа развития протовещества является спонтанная (т.е. не зависящая от внешних условий) дегидратация недр, наступающая в финале эволюции системы. Внешним проявлением этого процесса будет океанизация – в условиях, близких к земным, или криогенизация поверхности удаленных от Солнца планет и их наиболее крупных спутников, на которых возможен запуск термохимического реактора.

Видимо, идет близкий к протопланетной форме процесс эволюции в начальной стадии развития звезд с массой, близкой к солнечной и меньше ее. До запуска термоядерного реактора синтеза на легких элементах при температуре в недрах протозвезды меньше 10⁷ К неизбежен первоначальный запуск термохимического реактора, которым вслед за сжатием и начинается разогрев протозвездных недр выше центрального металлического ядра.

Лишь после того как эти реакции, давление и начавшийся синтез на легких элементах запустят реакции протон-протонного цикла и они примут всеобъемлющий, стационарный характер, эволюция протовещества переходит на звездный путь развития. Следовательно, планеты не становятся звездами вследствие недостатка сконцентрированных в них масс вещества. Вот почему Земля не стала звездой. Но, как мы знаем, Юпитеру, например, не хватило немного до 0,02 М₀, чтобы стать звездой. Это, по существу, несостоявшаяся вторая звездная система рядом с Солнечной.

И, наконец, можно было бы выделить еще один тип эволюции протовещества – кометный, объединяя под этим названием системы малой массы. Сюда входят также метеориты, небольшие астероиды и спутники планет. В таких системах РТ-условия внутри их тел практически не отличаются от термодинамики на поверхности и, следовательно, температура недр не превышает несколько десятков градусов Кельвина.

Некоторые изменения ударного и термохимического характера на малых телах отмечены лишь на их поверхности – за счет столкновения с метеорным веществом, нагревания солнечным теплом и т.д. Поэтому правильнее было бы говорить не о кометном типе эволюции протовещества, а о кометном типе его состояния. Правда, газопылевые кометные льды в конце концов распадаются, но это не меняет существа вопроса.