CC BY
83
Аркадий Гуртовцев
ведущий научный сотрудник Белорусского теплоэнергетического института, кандидат технических наук
Земля — открытая часть космической системы, и ее прошлое, настоящее и будущее тесно связаны с движением вещества и поля во Вселенной.
К истокам вещества и энергии во Вселенной
Современная космогония рассматривает эволюцию Вселенной как результат Большого взрыва некоего зародыша скрытой формы материи бесконечной плотности (такое состояние материи назвали сингулярностью от англ. singular — странный, исключительный), произошедшего около 14 млрд лет назад. Благодаря этому образовались элементарные частицы материи (электроны, протоны и др.), а из них, по мере расширения и остывания горячей Вселенной, температура которой первоначально достигала многих миллиардов градусов, — ядра легких газов водорода и гелия — первых и самых распространенных химических элементов во Вселенной. Позже эти ядра, объединившись с электронами в процессе самоорганизации и усложнения вещества материи, породили атомы и молекулы, которые скапливались под действием гравитации в протогалактических водородно-гелиевых облаках. В течение сотен миллионов лет они проходили стадии самопроизвольной конденсации и гравитационного сжатия с формированием в них скоплений звезд, в недрах которых под воздействием нараставших сверхвысоких давлений и температур возникал вначале источник тепловой, а затем и термоядерной энергии.
В термоядерном источнике энергия выделяется за счет изменения энергии связи в сильном, или ядерном взаимодействии частиц, возникающем при их сближении на расстояния диаметра атомного ядра (порядка 10-13 см). Энергия связи — это разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих же частиц в свободном, не связанном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна, то есть энергия системы меньше суммы энергий несвязанных частиц, а по абсолютной величине тем больше, чем прочнее и устойчивее система. Масса устойчивой системы меньше суммарной массы несвязанных частиц, другими словами имеется дефект масс. В силу принципа эквивалентности массы и энергии, энергия связи ДЕ пропорциональна дефекту масс Дт: ДЕ=Дт ■ с2. Для наиболее устойчивых
ядер удельная энергия связи ДЕ/нуклон (нуклон — от лат. nucleus ядро, общее название нейтронов и протонов — частиц, из которых состоят атомные ядра) равна 8 106 электронвольт, или 8 МэВ (1 эВ=1,610-19 Дж, а 1 МэВ=1,610-"Дж).
Термоядерная энергия в недрах звезд выделяется при слиянии (синтезе) ядер водорода в ядра более сложных и тяжелых химических элементов — гелия, бериллия, углерода и др. В ходе ядерных реакций, и в этом их отличие от химических, образуются не соединения элементов, а одни химические элементы преобразуются в другие — простые в сложные. Этот процесс получил название «звездного нуклеосинтеза», или «нуклеогенеза» (от лат. nucleus и гр. genesis — происхождение). Именно звезды стали массовыми генераторами нового, более тяжелого, чем водород или гелий, вещества, которое в дальнейшем участвовало в космических процессах образования новых звезд и их планетных систем, звездных скоплений и галактик, а значительно позже — клеток и живых организмов. Можно без преувеличения сказать, что Вселенная состоит, главным образом, из атомных ядер, атомов, звезд и галактик, причем 98% всей массы ее видимого вещества сосредоточено в звездах.
ПЕРВЫЕ ЗВЕНЬЯ ЦЕПИ
Звезды отличаются друг от друга по размерам: их диаметры изменяются в диапазоне от 10—20 км для нейтронных звезд и до сотен миллионов км для красных сверхгигантов. Но их эволюция и способности порождать для строительства Вселенной те или иные, все более сложные химические элементы, определяются не размерами, а их начальной критической массой (массы всех звезд находятся в пределах от 0,1 до 90 масс Солнца). Чем больше масса звезды, тем значительнее давление и температура в ее недрах, тем выше энергия частиц и их возможности сближения до ядерных расстояний, и тем более тяжелые элементы звезда способна создавать. Когда температура в ее недрах до-
стигает более 10 млн градусов по шкале Кельвина (1к=10С), а плотность вещества — 100 г/см3, начинается процесс генерации энергии в водородном цикле за счет протон-протонной реакции (рр-реакции). Ниже указанных значений температуры и плотности между исходными протонами доминирует электростатическое отталкивание, и оно может быть преодолено только за счет высокой энергии столкновения «горячих» протонов. При сближении протонов на радиус действия ядерных сил создается новая ядерная комбинация нуклонов с одновременным высвобождением энергии в виде электромагнитного излучения (фотона) и/или других частиц (позитронов, нейтрино). Хотя для создания условий слияния ядер и затрачивается значительная энергия, но высвобождающаяся энергия связи, в зависимости от типа конкретной реакции синтеза, превосходит потраченную в 2—130 и более раз. Такие реакции называют экзоэнергетическими (от греч. exo — вне, снаружи, то есть протекающие с выделением энергии), в отличие от эндо-энергетических (от греч. endon — внутри, то есть идущих с поглощением энергии). первые реакции позволяют синтезировать в недрах звезд ядра элементов вплоть до железа, а вторые — более тяжелые элементы, начиная с кобальта.
В ходе рр-реакции из двух протонов образуется дейтон — ядро тяжелого водорода дейтерия, содержащего два нуклона — протон и нейтрон (один из протонов распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино в реакции бета-распада). в ходе продолжающейся реакции водородного цикла дейтон вступает во взаимодействие с новым, третьим протоном с формированием ядра неустойчивого изотопа гелия-3 в составе 2-х протонов и нейтрона, излучая при этом гамма-фотон. Далее благодаря слиянию двух ядер гелия-3 появляется ядро стабильного изотопа гелия-4, или альфа-частица, содержащая 2 протона и 2 нейтрона. При полном цикле превращения водорода в гелий с образованием альфа-частицы излучаются два фотона (гамма-излучение), 2 нейтрино, 2 протона и 2 позитрона. Последние аннигилируют с электронами, которые были ранее оторваны от ядра водорода в процессе его ионизации в недрах звезды, порождая дополнительно 4 фотона. Масса синтезированной альфа-частицы составляет лишь 99,34% массы четырех формирующих ее протонов. Остальная масса — дефект массы — излучается в процессе реакции синтеза в виде фотонов и частиц с суммарной энергией 26,21 МэВ, или 4,193610-12 Дж.
ЧЕМ ДАЛЬШЕ, ТЕМ ТЯЖЕЛЕЕ...
Для синтеза более сложных и тяжелых элементов требуются более высокие температуры и плотности вещества в недрах звезды. Такие условия создаются в звездах, которые массивнее Солнца, или появляются в менее крупных звездах на стадии их старения, по мере того, как весь водород превращается в гелий, а в ядре накапливаются альфа-частицы, имеющие более высокий порог электростатического отталкивания, чем ядра водорода. Из-за снижения синтеза и выделяемой энергии увеличивается сжатие ядра с последующим его разогревом — гравитационная потенциальная энергия переходит в тепловую. Горячее ядро звезды разогревает внешний радиационный слой, где идет реакция ядерного синтеза, и оболочка звезды сильно расширяется — она превращается в красный гигант. Когда температура ядра достигает 100 млн 0К
Спиралевидная галактика «Туманность Андромеды» (М31), соседка и аналог нашей Галактики «Млечный Путь». Удалена от нас на 2, 2 млн.с.л., имеет диаметр и массу в 2 раза больше, чем у Галактики. Единственная на северном небе видимая невооруженным взглядом в созвездии Андромеды. Имеет в качестве спутников две небольших эллиптических галактики. В центре галактики находится супермассивная черная дыра с массой в 140 млн. масс Солнца
Смерть красного гиганта V838 Mon. Звезда V838 расположена на краю нашей Галактики в созвездии Единорога, удалена от нас на 20 тыс. с.л. Вспыхнула «от старости» в январе 2002 г. со светимостью в 600 тыс. раз ярче Солнца, став на короткое время самой яркой звездой Млечного Пути. Газопылевая «шапка» звезды диаметром около 6 с.л. видна за счет светового эха от вспышки. В процессе расширения поглотила несколько своих планет, обращавшихся вокруг звезды (такая участь ждет и Землю через несколько миллиардов лет)
Неправильная диффузная галактика «Малое Магелланово Облако». Ближайшая соседка Галактики, удалена от нас на 210 тыс. с.л. Под действием гравитации газ в галактике продолжает формировать звезды и ныне
и плотности 100 тыс г/см3, электростатическое отталкивание альфа-частиц преодолевается и начинается новый этап ядерного синтеза: образуется короткоживущий бериллий, а из него с добавлением альфа-частицы — углерод-12. Стабильные ядра углерода-12 реагируют далее с альфа-частицами, создавая ядра кислорода-16, а из них — ядра неона. В этих процессах высвобождается меньше энергии, чем в рр-реакциях, но они проходят быстрее — за миллионы лет против 10 млрд лет для рр-реакций. За счет энергии, выделяющейся в реакциях с участием альфа-частиц и при гравитационном коллапсе звездного ядра, его температура повышается до миллиарда градусов. Там начинаются реакции углеродно-азотного цикла. из ядер углерода и кислорода с альфа-частицами образуются магний, кремний, сера. Реакция с протонами порождает ядра фтора, натрия, алюминия и фосфора. Для слияния более тяжелых ядер требуется еще более высокая температура — 3—4 млрд градусов при плотности до 3 млн г/см3. В этих условиях образуются ядра железа, кобальта, никеля.
В массивных звездах процессы синтеза протекают гораздо интенсивнее, чем в более мелких, что укорачивает их «жизнь». Так, звезды с массой 15 масс Солнца растрачивают запасы своей энергии «всего» за 10 млн лет. Звезды же типа Солнца экономно используют свое ядерное «топливо» и могут стабильно светить более 10 млрд лет. В любом случае эволюция звезды проходит через стадию накопления в ее недрах ядер гелия, истощения запасов ядер водорода и превращения звезды в красный гигант. на более поздней фазе развития звезда в считанные дни сбрасывает в межзвездную среду свою газовую оболочку вместе с продуктами нуклеосинтеза и увеличивает свою светимость во много раз, вспыхивая как новая или сверхновая звезда. Выброшенное ею вещество превращается при более низких температурах в химические элементы в форме атомов, молекул и используется в процессах образования газопылевых туманностей, звезд и их планетных систем. Сама же звезда под воздействием гравитационного коллапса и в зависимости от собственной массы превращается на завершающей стадии своей «жизни» в белого карлика (при массе, не превышающей 1,4 массы Солнца), нейтронную звезду (от 1,4 до 5 масс Солнца) или черную дыру (более 5 масс Солнца).
ГДЕ ГУСТО, А ГДЕ И ПУСТО
Вещество, созданное Большим взрывом и звездами, распределяется в пространстве Вселенной неравномерно. Оно концентрируется в скопления, которые образуют различные космические структуры — звездные системы, галактики, туманности, удаленные друг от друга на расстояния, значительно превышающие размеры самих структур. Этот факт был обнаружен в начале XX столетия и стал основой важного открытия «островного» характера Вселенной. Скопления разделены между собой межзвездным и межгалактическим пространством, почти свободным от вещества. Его средняя плотность в межзвездной среде не превышает одного атома на см3, или, учитывая, что масса покоя ядра водорода (протона) равна 1,67 10-24 г, меньше, чем 10-24 г/см3. Для сравнения: вещество в одном из самых плотных объектов космоса — нейтронной звезде — имеет плотность более 1014г/см3, или 0,1 млрд тонн в см3. В то же время было открыто и явление расширения Вселенной — ускоренного «разбегания» скоплений галактик относительно друг друга, что подтверждало гипотезу
о Большом взрыве. Скорость удаления галактик пропорциональна расстоянию между ними, а коэффициент пропорциональности, или постоянная Хаббла, равен приблизительно 50 км/с на мегапарсек. Иными словами, чем дальше ушла от нас галактика, тем с большей скоростью она продолжает удаляться.
Видимая часть Вселенной — космическая система, в которую входит более миллиарда галактик и других космических объектов, — получила название Метагалактика. Наша галактика Млечный Путь является частью Метагалактики и содержит около 150 млрд звезд до 21-й звездной величины включительно. Она имеет форму двояковыпуклого диска со спирально закрученными относительно центра газовыми рукавами. Ее диаметр равен приблизительно 100 тыс., а толщина в центре достигает 10 тыс. с.л. (с.л. — световой год — расстояние, проходимое лучом света за год, что составляет около 10 тыс. млрд км, или более 1666 диаметров Солнечной системы). Самая старая часть Галактики — это ее ядро, или балдж (от англ. bulge — выпуклость), в котором преобладают шаровые звездные скопления. Здесь плотность концентрации звезд в десятки миллионов раз выше, чем в окрестностях Солнца. Самая молодая часть — это периферийная плоскость диска с газовыми рукавами, в которых протекает современный процесс образования горячих ярких звезд. Эти спиральные рукава представляют собой волны плотности тяготения звезд и порождают в галактическом диске ударные волны газа, стимулирующие процессы звездообразования. Волны газа отсутствуют только в особой удаленной от центра зоне этого движения — корота-ционном круге (от англ. ^rotation — совместное вращение), где угловые скорости обращения звезд и вращения самого круга совпадают, в результате чего и звезды, и волны плотности движутся синхронно.
КРОХОТНАЯ ЧАСТЬ ВСЕЛЕННОЙ
Солнечная система расположена в межгалактической плоскости между ее двумя спиральными ветвями на расстоянии около 10 килопарсек, или 2/3 радиуса от центра Галактики. Важно, что орбита Солнечной системы находится как раз в районе коротационного круга, что позволяет ей избежать воздействия газовых ударных волн. Поперечная плоскость диска Галактики видна с Земли в виде широкой слабосветящейся полосы звезд (по ее имени — Млечный путь — и названа космическая система в целом), центр которой находится в направлении созвездия Стрельца на юге, в самой яркой части этой полосы. Млечный Путь образует совместно с 30—40 соседними галактиками, включая две ближайшие небольшие неправильные галактики Большое и Малое Магеллановы Облака, а также крупную галактику Туманность Андромеды, местную группу галактик. Первые две галактики удалены от нас соответственно на 1,5 и 2 диаметра, а третья — на 20 диаметров Галактики. Млечный Путь и похожая на него Туманность Андромеды принадлежат к классу спиральных галактик, которые в Метагалактике составляют среди нескольких тысяч ярчайших галактик до 80% их количества. Ближайшая же к нам «чужая» звезда—это Альфа созвездия Центавра, или Проксима, находящаяся на расстоянии «всего» 4,3 с.л.
Всей Галактике и ее объектам свойственна под влиянием сил гравитации основная форма механического движения вещества—вращение космических тел и их скоплений вокруг собственной оси и обращение—
орбитальное движение — вокруг господствующих в скоплениях локальных центров гравитации, или центров масс. Галактический диск вращается не как единое целое, а дифференциально, то есть его объекты имеют различные угловые скорости обращения, уменьшающиеся по мере их удаления от центра вращения. Солнечная система движется почти по круговой орбите в плоскости и вокруг центра Галактики со скоростью порядка 250 км/с, совершая один полный оборот за 225 млн лет. Земля, вращаясь вокруг собственной оси, обращается по эллиптической орбите вокруг вращающегося Солнца (средний период его вращения по экватору 27 земных суток) со средней скоростью около 30 км/с. Минимальное (в перигелии) удаление планеты от звезды составляет 147,1, а максимальное (в афелии) — 152,1 млн км. Световой луч преодолевает среднее расстояние от Солнца до Земли — одну астрономическую единицу (1 а.е.), или 149,6 млн км, или 107,5 диаметров Солнца — за 8 минут и 20 секунд. Помимо вращательных движений Солнечная система совершает под влиянием массы галактического диска колебательные движения относительно его плоскости, пересекая при этом периодически массивные газопылевые комплексы, расположенные в зоне диска, которые могут приводить к нарушениям химического и теплового баланса Земли. Эти, а также другие, более сложные движения космических объектов влияют через гравитацию и излучение на все земные процессы.
мир огромных ЭНЕРГИЙ
Галактики — это мощные источники первичных космических лучей (потоков стабильных элементарных частиц и ядер элементов высоких энергий) и электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн и частот. Источниками излучения в галактиках являются плазменные и газовые атмосферы звезд, нагретый ионизированный межзвездный газ или, наоборот, холодные газопылевые облака, быстровращающиеся нейтронные звезды (пульсары), квазизвездные источники радиоизлучения (квазары) и другие объекты. Только центр нашей Галактики генерирует суммарное излучение мощностью более 1039 ГВт, которое обладает губительным биологическим действием. Чем короче длина волны и выше частота излучения, тем большую энергию оно переносит и, наоборот, при увеличении длины волны энергия излучения понижается. Благодаря поглощению излучений в межгалактической и межзвездной среде газопылевыми туманностями, а также вследствие «разбегания» галактик и смещения при этом генерируемых ими электромагнитных волн, согласно эффекту Доплера, в длинноволновую область (так называемое «красное смещение») действие суммарного излучения в каждой точке космического пространства ослабляется. Атмосфера нашей планеты дополнительно снижает действие излучений на биосферу.
СЧАСТЛИВЫЙ СЛУЧАЙ
Жизнь и органические ресурсы на планете Земля существуют вследствие, по меньшей мере, трех благоприятных космических обстоятельств: а) нахождению Солнечной системы в коротацион-ном круге и ее безопасному удалению от центра Галактики, где сосредоточена основная масса старых звезд и рождается опасное для жизни сверхмощное галактическое излучение; б) безопасному расположению Солнечной системы между двумя газовыми рукавами Галактики, что оберегает Землю от влияния гравитации и излучения молодых звезд, существующих и рождающихся в этих
рукавах; в) оптимальному удалению планеты от Солнца, что позволяет земной биосфере поддерживать благоприятный для жизни диапазон температур.
Заметим, что хотя человек обоснованно опасается губительного воздействия звезд, сам он — продукт звездной эволюции и состоит из вещества, рожденного ранее в недрах звезд. Мы и все наши механизмы построены из атомных ядер и электронов. можно в буквальном смысле сказать, что мы — дети звезд.
Все земные энергоресурсы обязаны своим происхождением Галактике и, в частности, ее сверхмассивным звездам-прародительницам, сгенерировавшим еще на досолнечной стадии тот первоначальный богатый перечень химических элементов, в том числе и радиоактивных, которые вошли в состав протосолнечной газопылевой туманности. Пять миллиардов лет назад она породила в процессе своей физической эволюции Солнце и Солнечную систему, включая Землю. Большинство ископаемых и возобновляемых источников земной энергии существуют благодаря Солнцу. Запасы ядерного топлива (урана, тория) и внутренней термотектонической энергии Земли возникли в связи с гравитационным воздействием Солнца на стадии формирования Солнечной системы и планеты Земля из вышеуказанной газопылевой туманности. Резервы органического топлива обусловлены накоплением в течение сотен миллионов лет солнечной радиации в земной биомассе и метаморфическими преобразованиями последней в осадочных породах земной коры. Текущее солнечное излучение обеспечивает энергией все возобновляемые земные энергоисточники в атмосфере и гидросфере, а также саму возможность существования жизни на Земле. Если бы Солнце погасло или значительно уменьшило свою радиацию, то жизнь на планете прекратилась бы в кратчайшие сроки, несмотря на наличие мощной земной энергетики. Прообразом такого состояния может быть любая дальняя внешняя планета Солнечной системы, например Нептун, температура поверхности которого даже при действующем Солнце ниже минус 218 °С.
ПУТЬ В КОСМОС
Жизнь Земли и состояние ее энергоресурсов, обеспечивающих существование человечества, тесно связаны с космическими факторами как по происхождению, так и по их текущему состоянию. Они в длительной перспективе неустойчивы и подвержены значительным колебаниям, способным в любой момент прекратить, как это уже неоднократно было в истории нашей планеты, развитие жизни. По выражению К.Э. Циолковского, «Земля является космической колыбелью человечества, но человек не может всю жизнь оставаться в колыбели». для того чтобы колыбель не стала и местом упокоения, люди должны открыть и освоить совершенно новые источники энергии, которые позволили бы им обживать вначале ближнее, а затем и дальнее космическое пространство, делая пригодным для своего существования не только Солнечную, но и другие звездные системы нашей Галактики. Такая цель придает дополнительный смысл существованию человечества, но требует уже сейчас интенсивного развития фундаментальных исследований в земной и космической энергетике.
