ВВЕДЕНИЕ

Энергия, посылаемая в пространство Солнцем и звездами, поддерживается особыми источниками, которые должны обеспечить свечение звезд по крайней мере в течение нескольких миллиардов лет и должны зависеть от физических условий состояния материи, как это следует из соображений устойчивости звезд. За последние годы успехи атомной физики привели к открытию термонуклеарных реакций, которые могут являться источником энергии, удовлетворяющим указанным требованиям. Эти реакции между протонами и различными легкими ядрами, в результате которых происходит преобразование водорода в гелий, могут происходить при температурах, вероятных для

внутренних областей звезд, — порядка двадцати миллионов градусов. Сравнительное изучение различных термонуклеарных реакций привело Бете (Bethe) к заключению, что энергия Солнца и звезд основной последовательности вырабатывается в результате циклических реакций, в которых главную роль играет захват протона ядрами азота и углерода с последующим образованием ядра гелия [1]. Эта теория Бете, получившая за последнее время широкое признание, до сих пор не имеет прямых астрофизических подтверждений. Звезды, вырабатывающие особенно много энергии, т. е. звезды последовательности гигантов, вероятно, имеют температуры, значительно более низкие, чем температура, необходимая для термонуклеарных реакций. Кроме того, наличие бурной конвекции в наружных слоях звезд, вспышки новых, особенный ультрафиолетовый спектр говорят за то, что выделение энергии происходит и в наружных слоях звезд и в ряде случаев имеет характер взрывов. Естественное желание видеть во всех этих явлениях общую причину заставляет относиться с осторожностью к теории термонуклеарных реакций. Можно без преувеличения сказать, что уже в течение ста лет, начиная с контракционной гипотезы Гельмгольца (Helmholtz), ни одно новое принципиальное открытие физики не проходило без попытки применения его к объяснению звездной энергии, причем каждый раз вопрос считался решенным, несмотря на отсутствие подтверждений астрофизическим материалом. По-видимому, мы имеем дело с механизмом выделения энергии совершенно особого рода, неизвестного земной лаборатории. Но это обстоятельство нельзя относить за счет наличия внутри звезд каких-то совершенно исключительных условий. Действительно, весьма вероятно, что для ряда звезд (например, инфракрасный спутник е Aurigae) условия внутри них близки к тем, которые могут быть осуществлены в лаборатории. Причина того, что такой тип выделения энергии не был обнаружен земным экспериментом, надо полагать, лежит в своеобразии необходимой постановки опыта, а также малости доступных на земле масштабов. Что касается физических теорий, которые столь часто позволяют далеко экстраполировать данные опыта, то их несостоятельность в данном вопросе связана, вероятно, с тем, что основные принципы теории взаимодействия материи и лучистой энергии нуждаются в дополнениях и дальнейшем развитии.

Многочисленные явления и эмпирические закономерности, открытые наблюдательной астрофизикой, связаны с вопросом происхождения звездной энергии, а потому и не имеют удовлетворительной интерпретации. В первую очередь это относится к вопросам поведения звезды в целом, т. е. к вопросам теории внутреннего строения звезд. Существующие теории строятся на основе априорных допущений относительно поведения материи й энергии в звезде, справедливость которых проверяется из сравнений результатов теоретического анализа с данными наблюдений. Это путь построений различных звездных моделей, широко используемый в настоящее время в теории внутреннего строения звезд. Такой метод исследования вряд ли может быть плодотворным, ибо законы природы часто столь неожиданны, что можно произвести многочисленные пробы и все же не найти единственно правильного решения. Поскольку эмпирические закономерности, относящиеся к звезде в целом, выявлены наиболее четко, в теории внутреннего строения звезд можно пытаться радикально изменить постановку задачи и формулировать ее следующим образом: рассматривая звездный мир как гигантскую лабораторию, в которой материя и лучистая энергия могут изучаться в грандиозном диапазоне состояний, исходя из анализа полученных в ней эмпирических закономерностей и не делая произвольных допущений, найти условия поведения материи и энергии в звездах как некоторые неизвестные в математически сформулированных равенствах. Такая задача может казаться безнадежно трудной из-за большого числа неизвестных. Действительно, нам неизвестны: 1) фазовое состояние материи (газ Больцмана (Boltzman), Ферми (Fermi) и др.); 2) характер переноса энергии — лучеиспусканием или конвекцией, возможной при соответствующем механизме выделения энергии; 3) роль лучевого давления внутри звезд и связанное с ней; 4) значение коэффициента поглощения; 5) химический состав звезд, т. е. среднее значение молекулярного веса газов внутри звезд, и, наконец, 6) механизм выделения звездной энергии. К счастью, основная закономерность астрофизики — соотношение между массой и абсолютной яркостью звезд, не давая никакого ответа на вопрос о природе звездной энергии, удовлетворительным образом дает представление о других неизвестных. Используя далее соотношение период — средняя плотность Цефеид, можно уточнить наши представления о структуре звезд. В результате получается возможность, еще не зная природы звездной энергии, в первом приближении рассчитывать физические условия внутри звезд, исходя из наблюдаемых характеристик: L, М и R. На этой основе возможна физическая интерпретация другой закономерности астрофизики — диаграммы Ресселла—Гертцшпрунга (Russell—Hertzsprung), т. е. соотношения между эффективными температурами и абсолютной яркостью звезд, которая почти исключительно зависит от нашего последнего неизвестного. Этот анализ приводит к определенным зависимостям, характеризующим те особые условия состояния материи и лучистой энергии, при которых и происходит выделение энергии. Полученные выражения оказываются совершенно неожиданными с точки зрения теоретической физики и столь характерными, что появляется возможность исследования физической сущности процесса выделения звездной энергии.

На этом пути индуктивного решения задачи о природе звездной энергии нам неизбежно придется пользоваться определенными физическими посылками, кажущаяся очевидность которых при дальнейших исследованиях может и не подтвердиться. Это обстоятельство, однако, не порочит принятого нами чисто астрофизического метода и лишь вызывает необходимость применения естественного приема последовательных приближений; излагаемые в первой части результаты следует рассматривать как первое приближение.

Вопрос о внутреннем строении звезд чрезвычайно осложнен и запутан в многочисленных теоретических исследованиях. Поэтому в первую очередь необходимо внести в этот вопрос максимальную четкость, проведя его рассмотрение с самых основ. Наблюдения показывают, что звезда обычно находится в равновесном или квазиравновесном состоянии. Таким образом, поведение материи внутри звезд должно, хотя бы приближенно, удовлетворять условиям механического и теплового равновесия. Отсюда получаются два основных уравнения, при помощи которых и осуществляется математическая формулировка нашей задачи. В простейшей задаче мы будем пренебрегать эффектами вращения звезды и считать, что звезда обладает сферической симметрией.