2023 Автор: Sydney Black | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-05-22 00:51
Жылдыздардын эң ачык касиети-алардын жаркырашы, тагыраак айтканда, өзүнөн өзү жаркыраган денелер. Алардын энергия жоготуулары кантип жабылат? Бул суроо энергиянын сакталуу мыйзамы иштелип чыккандан кийин эле пайда болгон, бирок алар ага бир кылымдан кийин гана толук жооп таба алышкан.
Көбүнчө көйгөйдүн негизги кыйынчылыгы Күн менен жылдыздарга энергия бөлүүнүн эбегейсиз күчүндө деп ойлошот. Чынында, бул таптакыр андай эмес. Күндөгү жана жылдыздардагы энергия бөлүүнүн өзгөчө ылдамдыгы жөн эле эмес. Ошентип, Күн өзүнүн затынын граммына секундуна 2 эрг гана бөлүп чыгарат. Кадимки жердеги стандарттар боюнча, бул энергиянын бөлүнүшүнүн анча чоң эмес ылдамдыгы - чириген күзгү жалбырактардын үймөгүндөй. Адам денесинде энергия бөлүү ылдамдыгы Күнгө караганда төрт даражага (!) Жогору. Бирок, энергия өндүрүүнүн бул деңгээлин сактап калуу үчүн, биз күнүнө үч маал тамактануубуз керек. Ал эми Күн (жана жылдыздар) миллиарддаган жылдар бою тамактандырбай жарык чачат.
Чыныгы көйгөй - бул жылдыздар абдан көп убакыттан бери жаркырап турат. Бул убакыттын ичинде алар чынында эле чоң энергияны жарыктандырууга жетишет. Ал кайдан келет?
Жогоруда айтылгандай, суроо XIX кылымдын 40 -жылдарында, энергиянын сакталуу мыйзамынын ачылышы менен көтөрүлгөн. Энергиянын булагы, негизинен, тартылуу күчү болушу мүмкүн экени дароо белгилүү болду. Ошентип, Роберт Мейер, энергиянын сакталуу мыйзамынын аталарынын бири, күн метеордук заттын кинетикалык энергиясынан улам жаркырайт деп ишенет. Көптөгөн ондогон жылдар бою Мейердин гипотезасы дээрлик күлкүлүү деп эсептелип, тарыхый кызыгуу катары гана айтылып келгени кызык. Бирок, биз азыр билебиз, Мейер механизминин модернизацияланган версиясы - акреция - жылдыздар дүйнөсүндө маанилүү роль ойнойт.
Энергияны үнөмдөө принцибинин дагы бир пионери Герман Гельмгольц Күндүн жарыгын анын жай секулярдык кысылышы менен колдоого болорун айткан, бул албетте гравитациялык энергияны бөлүп чыгарууга алып келет. Көп өтпөй Гельмгольцтон кийин Дж. Томсон (бизге Лорд Келвин деген ат менен белгилүү; ал илимий эмгеги үчүн Теңир титулун алган) күндүн таралышынын бирдей эместигин эске алуу менен мындай кысуу убактысын тактады. радиус Ушундан улам, биз азыр айткандай, Келвиндин кысылышы, Күн эч өзгөрбөстөн, он миллиондогон жылдар бою гана жаркырай алат. Келвиндин өзү жана анын артынан көптөгөн башка кишилер муну дарвинисттердин биологиялык эволюция жөнүндөгү пикирлеринин тууралыгына каршы олуттуу аргумент катары караганы кызык. 19 -кылымдын аягында энергиянын сакталуу мыйзамына болгон ишеним өзгөрүлгүс болгон - жана жылдыздар үчүн тартылуудан башка энергия булагы көрүнгөн эмес. Туура, геологиянын жардамы менен алынган Жердин жаш курагы боюнча эсептөөлөр, жок эле дегенде, жүз миллиондогон жылдарды берди, бул күн энергиясынын кандайдыр бир кошумча булагын издөө зарылдыгын көрсөттү.
Радиоактивдүүлүк ачылгандан көп өтпөй кырдаал кескин курчуп кетти. Жердин жашынын эң ишенимдүү аныктамалары анын жашы кеминде 1,5 миллиард жыл экенин көрсөттү (азыркы баа 4,6 миллиард). Күндүн жана жылдыздардын энергия булагын табуу табият таануунун курч көйгөйлөрүнүн бири болуп калды.
1920-жылдардын ортосуна чейин мындай булак, негизинен, суутектин гелийге айлануусуна алып келген ядролук реакциялар болушу мүмкүн экени белгилүү болду. Төрт протондун массасы гелий атомунун - альфа бөлүкчөсүнүн ядросунун массасынан бир аз ашат, андыктан мындай процессте энергия калган массанын 0,7% га жакынына айланат. Бирок Эйнштейндин E = mc2 катышы боюнча, абдан кичинекей массасы m энергияга айландырылганда, эбегейсиз энергия бөлүнүп чыгат, анткени пропорционалдык фактор - жарыктын c2 ылдамдыгынын квадраты - абдан чоң (CGS системасында - болжол менен 1021).1920 -жылдары жылдыздардын ички түзүлүшү теориясынын чыныгы жаратуучусу А. Эддингтон суутектин термоядролук күйүү идеясынын жалындуу жарчысы болгон. Бирок, адегенде, бул идея Резерфорд менен анын кесиптештеринин олуттуу каршылыгына туш болду. Эддингтон өзү эсептеген (20 миллион келвин) жана биз азыр билгендей, чыныгы температурага (15,5 миллион келвин) жакын болгон Күндүн борборундагы температура, протондор үчүн электростатикалык Кулондун температурасын жеңе албашы анык. жылуулук кыймылынын кинетикалык энергиясынан улам. ядролук күчтөрдүн ишке кириши үчүн жетиштүү жакындап, жакындап баратат. Дал келбөөчүлүк өтө олуттуу болгон - температуранын үч даражасы боюнча. "Ысык жер издегиле" - Эддингтон физиктерден дайыма угуп жүргөн …
Маселени чечүү кванттык механиканын өнүгүшү менен келди. Гейзенбергдин белгисиздик принцибине ылайык, бөлүкчөнүн так жайгашкан жери жөнүндө айтуунун эч кандай мааниси жок - бул, мейли, мейкиндиктин белгилүү бир жерине боёлгон жана ар кандай жерлерде ар кандай ыктымалдуулукта табылышы мүмкүн. Бул, атап айтканда, энергияны жана моментти сактоонун классикалык мыйзамдары буга катуу тыюу салган космостун аймактарында бөлүкчөнүн болушун мүмкүн кылат. Натыйжада, классикалык бөлүкчө үчүн көтөрүлгүс Кулон потенциалдуу тоскоол, "жарым тунук" болуп калат (туннелдик эффект деп аталат). 1929 -жылы жылдыз энергия булактарынын сырын чечүүдө бул эффектин ролун биринчи болуп Р. Аткинсон жана Ф. Хаутерманс белгилешкен. Болжол менен бир убакта Г. А. Гамов тарабынан түзүлгөн альфа -ыдыроо теориясы отузунчу жылдардын аягында коюлган математикалык аппаратты жылдыздардын ички термоядролук реакцияларынын сандык теориясынын негизи катары берген. 1937-1939-жылдары, акыры, жылдыз энергиясынын булагынын көптөн күткөн сырынын көптөн күткөн акыркы чечими пайда болот (Г. Бете жана-өз алдынча-К. Вейзсекер).
Бир протоколдо төрт протонду альфа бөлүкчөсүнө бириктирүү дээрлик мүмкүн эмес: төрт жолу кагылышуу ыктымалдуулугу анча чоң эмес, ошондуктан процесс бир нече кадамдарды жасайт. Космостук химиялык курамдагы газдагы 20 миллион келвин тартибиндеги бардык мүмкүн болгон ядролук реакциялардын деталдуу анализи протондордон альфа бөлүкчөсүн куруунун эки мүмкүн болгон жолун табууга алып келди.
Биринчиси - атактуу CN же Bethe цикли. Бул жерде реакциянын чынжыры:
→
__ 12C + 1H → 13N + γ
13N → 13C + e + + ν
13C + 1H → 14N + γ
14N + 1H → 15O + γ
15O → 15N + e + + ν
15N + 1H → 12C + 4He
__ __ __ __ _
Анын натыйжасы, албетте, төрт протондун а-бөлүкчөгө биригиши жана көмүр, азот жана кычкылтек катализатор катары гана иштейт. Акыркы билдирүүнүн ачык көрүнүшү үчүн астрономдор үчүн маанилүү болгон резервге муктажбыз: циклдин алгачкы стадиясында, стационардык режим али түзүлө элек кезде, көмүртектин көбү азотко айланат. калган көмүртек Жерде жана Күндүн атмосферасындагылардан кескин айырмаланган белгилүү бир изотоптук курамга ээ болот. Бул өзгөчөлүктөрү менен CN циклинде иштетилген затты ишенимдүү түрдө аныктоого болот.
Жылдыздардагы альфа бөлүкчөлөрүн синтездөөнүн экинчи жолу pp-чынжыр деп аталат:
1H + 1H → 2D + e + + ν
2D + 1H → 3He + γ
3He + 3He → 4He + 21H
Биринчи эки реакция эки жолу болот, анткени 4He синтезделген акыркы реакцияга чейин эки 3He ядросу өндүрүлүшү керек.
Башында, биздин Күн энергияны биринчи схема боюнча өндүрөт деп ишенишкен, б.а. Бейт циклине байланыштуу. 1950-жылдары, бирок, андай эмес экени белгилүү болду жана pp-чынжырлар башкы ролду ойноду. Себеби, жакыныраак анализ көрсөткөндөй, Күндүн борбордук температурасы мурда болжолдонгондон бир аз төмөн жана Бете циклиндеги температура менен энергия бөлүү ылдамдыгынын жогорулашы pp-чынжырларга караганда алда канча ылдамыраак. Бирок, массасы 1,2 күн массасынан ашкан жылдыздарда, энергиянын чыгышында CN цикли үстөмдүк кылат.
Жөнөкөй энергия эсептөөсү көрсөткөндөй, Күндүн борбордук бөлүгүндө суутектин күйүшү болжол менен 10 миллиард жылга созулат. Күн энергиясынын жана жылдыздардын басымдуу көпчүлүгүнүн, айрыкча, негизги ырааттуулук деп аталган бардык жылдыздардын көйгөйү акыры чечилди. Бирок, анын чечими дароо эле бүт астрономия үчүн дагы бир, эң маанилүү натыйжаны берди: жылдыздардын төрөлүшү биздин көз алдыбызда болуп жаткан үзгүлтүксүз процесс экени белгилүү болду. Ядролук энергиянын запастары жылдыздын массасына пропорционалдуу болгондуктан жана анын чыгымдалышы - жылдыздын жаркыроосу пропорционалдуу, болжол менен айтканда, массанын кубуна, бардык массалык жылдыздар болушу керек экени түшүнүктүү. астрономиялык стандарттар боюнча абдан жаш. Үлкөн Y Cygnus жылдызын мисал катары алып, Бете өзүнүн доордук чыгармасында бул жылдыздын жашы 3,5 × 107 жаштан аз болушу керек деген жыйынтыкка келген. "Биз Y Cygnus жана башка массалык жылдыздар салыштырмалуу жакында эле төрөлгөн деп ойлошубуз керек", - деп жазган ал 1939 -жылы. Жылдыздардын энергия булактарын аныктоо жылдыздардын эволюциясын түшүнүүгө түз жол ачкан - табигый илимдин дагы бир чоң жетишкендиги 20 -кылымда.
Суутек жылдыз заттын негизги түзүүчүсү болгондуктан (массасы боюнча болжол менен 70%) жана гелийдин синтези затта сакталган өзөктүк энергиясынын көбүн бөлүп чыгаргандыктан, жылдыздар өмүрүнүн көбү суутекти күйгүзүү менен жаркырашат. Ядролук күйүүнүн кийинки этаптары, өтө анча маанилүү эмес процесстен башталат - үч альфа бөлүкчөсүнүн 12С ядросуна биригиши - балким, эң маанилүүсү, биринчи кезекте, энергия жагынан эмес, бул жагынан эч нерсе жок. бул жерде принципиалдуу түрдө жаңы. Дагы бир нерсе алда канча маанилүү: 1950 -жылдары белгилүү болгондой, жылдыздардын ядролук жашоосунун кийинки этаптарында суутек менен жарым -жартылай гелийден башка бардык "оор" элементтердин синтези болгон (жана дагы деле уланууда). Бул акыркылары бизге Биг Бенгден келген. Жашоонун негизин түзгөн оор элементтер болгондуктан, ааламда жашоонун пайда болуу мүмкүнчүлүгүн түзүүнүн биринчи негизги кадамы суутек күйгөндөн кийин жылдыздардын ичегисинде пайда болгон ядролук процесстер болгон деп апыртпай айтса болот. ал жерде Бирок бул башка тема.
