§ 5. НЕСОСТОЯТЕЛЬНОСТЬ ОБЪЯСНЕНИЯ ЗВЕЗДНОЙ ЭНЕРГИИ ТЕРМОНУКЛЕАРНЫМИ РЕАКЦИЯМИ БЕТЕ

Может казаться, что существование отмеченного выше основного направления, по которому располагаются звезды, говорит в пользу механизма выделения энергии типа реакций. На самом же деле уравнение этого направления (1.28) противоречит кинетике любой возможной реакции. Действительно, уравнение (1.28) может вытекать из условия (1.13) в случае

т. е. когда при понижении температуры или при понижении плотности увеличивается выход энергии. Не только ход е (1.29), но и численное значение е« 103 — 104 у гигантов и сверхгигантов при низких температурах этих звезд (порядка сотен тысяч градусов) не может быть, как хорошо известно, объяснено ядерными реакциями. Поэтому возможность ядерных реакций сразу же ограничивается областью главной последовательности звезд.

Изображенная на диаграмме кривая протон-протонной реакции не проходит через область главной последовательности. Чтобы сдвинуть эту кривую, придется или изменить постоянную А уравнения реакции (1.16), или изменить принятые нами физические характеристики центра Солнца (1.26). Из уравнения (1.18) видно, что сдвиг кривой реакции вдоль оси плотностей равен корню квадратному из изменения постоянной А. Следовательно, согласовать протон-протонную реакцию с главной последовательностью звезд можно, принимая Л = 105, 106 вместо 4 • 103. Столь большая неточность в теоретической оценке постоянной реакции А кажется едва ли допустимой. Поэтому остается отказаться от принятых нами центральных характеристик Солнца и, следовательно, игнорировать, всю аргументацию первой части работы в пользу водородного состава звезд и перечисленные там наблюдательные данные, показывающие малую степень концентрации материи в звездах. Тогда для звезд главной последовательности можно получить температуры около 20 миллионов градусов, при которых будет идти не только протон-протонная реакция, но и углеродно-азотный цикл Бете.

В настоящее время все теоретические исследования по внутреннему строению звезд следуют этому пути. Единственный довод, который приводится в пользу большой концентрации материи в звездах, — это медленные движения линий апсид тесных звездных пар. Однако сводка движений линий апсид, опубликованная Лейтеном, Струве и Морганом [10], показывает полное отсутствие корреляции между скоростью этого движения и отношением радиуса звезды к полуоси орбиты. Между тем эта корреляция должна быть обязательно, если движение апсид связано с деформацией фигур тела. Поэтому можно вполне согласиться с заключением упомянутых авторов, что не существует теории, удовлетворительно объясняющей наблюдаемые движения апсид. Допустим все же, что кривая ядерных реакций может пройти через область главной последовательности. Тогда остается еще объяснить, почему звезды не следуют этой кривой, а заполняют некоторую область. Это обстоятельство относят на счет дисперсии параметров, входящих в основные уравнения, т. е. допускают различие химического состава звезд, их структур и т. п. Остановимся несколько подробнее на возможности такого рода объяснений.

Идея переменного химического состава звезд была введена в теорию внутреннего строения звезд Стремгреном [11] в 1932 г., еще до появления гипотезы ядерных источников энергии. Теоретически было известно лишь условие теплоотдачи (1.13), которое для идеального газа приводило к зависимости «масса — абсолютная яркость» (1.7а). В главе 2, ч. I, было подробно показано, что теоретическая зависимость (1.7а) согласуется в пределах точности материалов Стремгрена с наблюдаемой зависимостью простейшим предположением рассеивающих звезд, состоящих из водорода (томсоновский коэффициент рассеяния, не зависящий от физических условий). В силу некоторых априорных представлений (см. гл. 2, ч. I, § 7) Эддингтон, Стремгрен и другие авторы пошли иным путем, относя непрозрачность звездной материи за счет тяжелых элементов, образующих так называемую ресселову смесь. Однако теория поглощения этой смеси дает такую зависимость х(р, В), которая, ■будучи подставлена в формулу (1.7а), не приводит к удовлетворительному согласию с наблюдениями. Стремгрен показал, что выход из этой трудности получается при предположении различного процентного содержания в звездах тяжелых элементов (I—X), от которого зависит результирующий эффект поглощения х. Содержание легких элементов X может при этом рассматриваться как процентное содержание водорода. Согласование теоретической формулы с наблюдаемой зависимостью «масса — яркость» позволяет вычислить функцию Х(р, В) или Х(М, R). С физической точки зрения эта поверхность Стремгрена может иметь следующий смысл. Как мы знаем, уравнение теплоотдачи накладывает определенное условие на теплообразование. Это условие вида (1.13), которое через х и д. зависит от химического состава звезды. Допустим, что состав характеризуется одним параметром X. Тогда

При процессах типа реакций теплообразование е будет зависеть от тех же переменных по закону данной реакции:

Получается условие fi = fz, которое будет тождественно выполняться лишь при определенной зависимости Х(р, В). Параметр X меняется в ограниченных пределах: 0 ^ X ^ 1, и соответственно звезды будут заполнять некоторую область плоскости р, В. Некоторые детали диаграммы Рессела—Гертцшпрунга могут получиться в результате дополнительного условия, налагаемого на Х(М, R). Так, Стремгрен показал, что кривые Х = = const напоминают отчасти распределения звезд на этой диаграмме. В этом направлении были особенно интересны исследования Койпера [12], который нашел, что звезды открытых скоп-

лений располагаются по одной из кривых Стремгрена Х = const и значения X различны для разных скоплений. В этом результате, показывающем, что скопления звезд отличаются процентным содержанием водорода, можно было видеть глубокий эволюционный смысл — указание на роль ядерных превращений в жизни звезд.

Работа Стремгрена подготовила возможность проверки выдвигаемых гипотез звездной энергии: подставляя в уравнение реакции (II) найденную зависимость Х(р, В), мы должны получить хорошо известную зависимость (I). Уравнение ядерных реакций (1.16), в которое через А входит X, не выдержало этого контроля. Поэтому в теорию пришлось ввести второй независимый параметр У— процентное содержание гелия. Теперь получается возможность каждую функцию fi и f2 в отдельности приравнять функции е(р, В), известной из наблюдений. Производя такие вычисления для многих звезд, можно в идеале получить две поверхности: Х(р, В) и У(р, В). Однако существование этих двух поверхностей уже не вытекает из условия равновесия звезд. Остается непонятным, почему такие поверхности существуют, т. е. почему наблюдаемое е является однозначной функцией р и В. Такой результат очень трудно объяснить и эволюционными изменениями X и У при одностороннем превращении элементов. Конечно, для малого избранного участка плоскости (р, В) эволюционное толкование изменений X и У может оказаться удовлетворительным. Так, например, в расчетах А. Г. Масевич [13] для некоторым образом расположенных звезд между спектральными типами В и G получилось монотонное убывание водорода. Вместе с тем далее от типа G к М содержание водорода опять увеличивается (см. цитированную выше работу Ломанна, табл. 5). Придется считать, что эволюция идет разными путями; но тогда результат, согласно которому химический состав полностью определяется физическими условиями, может быть естественным лишь при равновесном превращении элементов. В этом случае механизм свечения звезд становится тем же процессом Гельмгольца — Кельвина. Ядерные превращения будут при этом обстоятельством второстепенным, изменяющим только теплоемкость газа. Но равновесное превращение элементов совершенно исключается, так как оно возможно при температурах в десятки миллиардов градусов, которые заведомо не осуществляются в звездах.

Изложенное показывает, что полученные поверхности ^(р, В) и У(р, В) являются, скорее всего, вычислительным результатом, результатом подгонок формул (I) и (II) к наблюдаемой зависимости е(р, В). Следуя этому пути, мы едва ли придем к решению загадки энергетики и эволюции звезд. Приведенные соображения относятся не только к ядерным реакциям; они показывают также малую правдоподобность любых источников энергии,   производительность   которых не зависит от условий

теплоотдачи. Действительно, совпадение поверхностей (I) и (II) говорит об их математической тождественности, т. е. что второго условия просто не существует.* Мы возвращаемся к заключению предыдущего параграфа: существуют некоторые специальные физические условия — основное направление (1.28) и основная точка плоскости р, В, вблизи которых материя звезды может производить столько энергии, сколько требуется на покрытие расхода. Иными словами, звезды — это машины, вырабатывающие энергию; теплоотдача же является регулятором мощности этих машин.