Многие представляют звезды как большие горящие газовые шары. Но на самом деле «горит» только ядро звезды. Оно многим отличается от внешних слоев звезды — как и физикой своей природы, так и составом.

Как образуется ядро?

Астрономы часто говорят, что любая звезда — это маленькая модель Вселенной. И недаром: процессы внутри и снаружи светил являются настоящим кладезем самых разнообразных физических процессов, которые существовали с первого дня возникновения нашего мира и двигали его вперед. Да и первыми объектами, возникшими после рождения Вселенной, были звезды-титаны галактических размеров.

С тех пор вещество во Вселенной распределилось куда равномернее. Сейчас большинство звезд — включая и наше Солнце — образуются из космических туманностей, оставшихся после сверхновых старых звезд. Однако гравитационный принцип, собирающий материю вместе, остался неизменным.

Астероид, планета или звезда — на всех них действует принцип дифференциации (разделения) недр. Это одно из главных последствий гравитационных законов в космосе. В результате дифференциации, легкие элементы выталкиваются наружу, когда самые тяжелые движутся в центр тела. Образование из тяжелых веществ внутри космического тела и называется ядром.

Для запуска такого процесса нужно сперва набрать значительную массу — иначе силы гравитации просто не смогут начать разделение веществ. Имеет дифференциация недр и свои последствия.

• Во-первых, тело разогревается (и чем массивней новообразованное ядро тем сильнее нагрев).
• Во-вторых, объект принимает сферическую форму — в том числе шарообразным становится и ядро.

Плотность ядра во много раз выше консистенции окружающих его слоев — связано это не только с физическими свойствами составляющих ядро элементов, но и с гравитационным сжатием. Оно неминуемо для всех тел во Вселенной, чья масса несоразмерна с их объемом.

Образования звезды и ее ядра проходит практически также — с поправкой на звездный состав. Как известно, все звезды в среднем состоят их 75% водорода, 23% гелия и еще 2% тяжелых веществ. Идентичное содержание имеют все известные сегодня звезды, за очень редкими исключениями. Наиболее массивный в этой смеси гелий — он в четыре раза тяжелее водорода. Именно из гелия и формируется ядро звезды. В нем также содержатся тяжелые элементы, которые были захвачены из «материнской» туманности, или же образуются во время термоядерных реакций.

Чем особенно ядро звезды?

«Постойте-ка! — скажете вы. — Раз все ядра образуются одинаково, почему тогда светятся и излучают сильный жар только звезды?» Действительно, ядро звезды — это нечто из ряда вон выходящее. Суть в том, что когда происходит формирование светила, гелий накапливается в очень больших количествах. Масса гелиевого зародыша ядра становится настолько большой, что силы гравитации начинают не просто сжимать и разогревать ядро — а накалять его до сверхвысоких температур.

Этот накал куда сильнее, чем нужно для обычной дифференциации гелия и водорода. Когда температура достигает около миллиона градусов Цельсия, водород в ядре вспыхивает — начинается термоядерная реакция по его преобразованию в гелий. Момент зажигания звезды считается начальной точкой ее существования.

Характеристики ядра

Гигантская масса и свободно протекающая ядерная реакция делают звездное ядро действительно уникальным объектом во Вселенной. Для наглядности примера возьмем наше Солнце — это рядовая звезда Главной последовательности. Рассказав о ней, мы расскажем о 90% обозримых звезд. А факты про ядро Солнца говорят сами за себя:

• Плотность ядра Солнца в самом центре — около 150г/см³. Это в 150 раз больше плотности воды, и в семь раз плотнее золота! Консистенция ядра другой звезды может быть как и в десятки раз плотнее, так и намного меньше. Предельной плотностью обладают нейтронные звезды, почти полностью состоящие из ядра — их усредненная плотность составляет 2,8·10¹⁴ г/см³
• Ядро Солнца вращается, причем независимо от его верхних слоев — когда оболочка Солнца проворачивается вокруг оси за 24 дня, ядро вертится в несколько раз быстрее. Чем ядро тяжелее, тем быстрее гравитация заставляет его крутиться — железные ядра красных гигантов крутятся в десятки раз быстрее их раздувшейся оболочки.
• Благодаря высокой плотности ядро светила очень массивное. К примеру, ядро Солнца в обхвате «всего» 350 тысяч километров, что равно 1/5 части диаметра звезды. При этом в нем содержится больше трети массы Солнца!
• Чем моложе ядро звезды, тем шире его обхват и тем меньше его плотность. Она растет в меру протекания ядерных реакций в ядре и накопления гелия и других тяжелых продуктов термоядерного синтеза.

Именно протекание ядерного синтеза в звезде отличает ее от других дифференцированных объектов Вселенной. Более того — атомная реакция в ядре является главным звездным критерием. Коричневые карлики, причисляемые к звездам, технически ими не являются в первую очередь из-за ядра — преобразования водорода в гелий в нем почти отсутствует. Поэтому коричневые карлики светят тускло и быстро гаснут.

Что излучает ядро?

Ядерный синтез — очень мощный источник энергии. Температура в центре ядра Солнца достигает около 15 миллионов градусов Цельсия — но это не самое жаркое звездное ядро. Нагрев в центре голубых гигантов, самых горячих во Вселенной звезд, достигает и 100 миллионов градусов — именно настолько раскалено ядро звезды Джета в созвездии Кормы.

Кроме того, именно атомный синтез в ядре является основным источником света и тепла звезды — внешние слои только передают энергию, но не создают ее. Излучение также удерживает звезду от гравитационного коллапса — сила частиц света, направленная в космос, преодолевает силу сжатия гравитации.

Внимательный читатель скажет: «Постойте! Ведь именно из-за гравитационного сжатия в ядре звезды такая высокая температура!» И будет прав — действительно, именно благодаря сжатию ядро столь горячо. Накал в миллионы градусов создает условия для термоядерной реакции. И только эта энергия может выйти за пределы ядра звезды.

Но для того чтобы пробиться сквозь силы притяжения и толщу звездного вещества, свет тратит десятки тысяч, а то и миллионы лет! У нашего Солнца этот срок колеблется около 200 тысяч лет. А гравитационная энергия, несмотря на всю свою силу, содержится только внутри звезды — и покинуть ее может только в виде сверхновой.

• Примечание — существуют еще гравитационные волны, вместе с которыми гравитационная энергия покидает ядро звезды. Но их сила несоизмеримо мала.

Откуда ученые узнали о термоядерных процессах внутри звезд сегодня, когда даже из ядра Солнца излучение пробивается тысячами лет? О происходящих внутри звезд реакциях нам рассказали нейтрино — микрочастицы, выделяющиеся при каждом объединении атомных ядер. Масса нейтрино настолько мала, что на них не действует гравитация и не останавливает столкновения с атомами солнечного вещества. Поэтому они беспрепятственно долетают до Земли, где их «ловят» с помощью специальных приборов.

Интересно, что непосредственно из ядра звезды исходит гамма-излучение, которое невидимо для человеческого глаза. Рентгеновские лучи, ультрафиолет и обычный видимый свет получаются после прохождения лучей из ядра через поверхностные слои звезды. Атомы различных веществ действуют подобно цветному стеклу. Когда в атом попадает луч «высшего» порядка — например, рентгеновский — он выпускает несколько «низших» лучей уже ультрафиолетового спектра. Более того, в спектре света остаются линии, несущие информацию о тех атомах в звезде, сквозь которые свет проходил.

Именно спектральный анализ позволил астрономам узнать о составе нашего Солнца и остальных звезд. Таким же образом было изучено множество удаленных объектов вроде планет и астероидов, материал которых сложно доставить на Землю.