Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/The%20Website/birth.html
Зірки утворюються, коли величезні хмари газу ( діаметром у світловий рік¹) руйнуються під дією власної сили тяжіння. Міжзоряні «хмари» створили б дуже, дуже хороший вакуум на Землі; але простір навколо них створює ще кращий вакуум, отже, вони хмари. Газ у спіральному рукаві галактики Чумацький Шлях, де розташована Земля, складається приблизно з 74% водню, 25% гелію та 1% усього іншого, таким чином приблизно такий склад Сонця, а також більшості новонароджених зірок у наш район.
Водень і гелій є залишками Великого вибуху; 1% "бруду" походить від самих зірок, і ми обговоримо цю цікаву частину самозбагачення пізніше. Термін «Великий вибух» спочатку був придуманий як висміювальний термін британським астрономом Фредом Хойлом, який не був завзятим прихильником апокаліптичних космічних вибухів. Однак вона була настільки описовою, що закріпилася і стала гордою назвою для цілого набору космологічних теорій, заснованих на ідеї про те, що вся маса та енергія у Всесвіті спочатку вибухнула внаслідок квантової флуктуації, у 10-30 разів меншої за протон . Остання точна робота з використанням космічних мікрохвиль показує, що Великий Вибух стався 13,7 мільярдів років тому. Спостережуваний вміст ізотопів водню та гелію 2у міжзоряних хмарах ретельно порівнювали з розрахунками того, які ізотопи мали бути створені протягом кількох годин після Великого вибуху, і згода дуже вражаюча. Це, по суті, доводить, що Великий вибух не міг утворити жодних елементів у кількості, крім водню та гелію, а також забезпечує потужне підтвердження самого Великого вибуху.
Більшість початкового водню та гелію, утворених у результаті Великого вибуху, давно розпалися на зірки. На даний момент галактика Чумацький Шлях складається, можливо, з 10% газу та 90% зірок. Проте 10% галактики — це все ще багато газу, якого достатньо, щоб утворити близько 30 мільярдів Сонць, тому нам не бракує новонароджених зірок для спостереження. (Дивіться табличку 5 для отримання додаткової інформації про хмари, що утворюють зірки.) І, як завжди, коли обговорюють зірки, перше запитання: як поводитимуться хмари, коли їх стискатиме сила тяжіння?
У цьому випадку ми перебуваємо в царині надто тонкого, а не ультрастиснутого. Атоми в міжзоряній хмарі знаходяться так далеко один від одного, що вони рідко стикаються один з одним на початкових стадіях колапсу. Ви можете думати, що вони діють як краплі дощу, що падають до центру хмари. Подібно до земних крапель дощу, вони набирають швидкість під час падіння. Ця кінетична енергія врешті-решт перетворюється на тепло, коли вони починають вражати один одного всередині міжзоряної хмари, що постійно зменшується. (Ефект нагрівання є цілком паралельним тому, що відбувається всередині поршня дизельного двигуна під час циклу стиснення, якщо ви хоч трохи знайомі з автомобільною механікою.) Близько половини тепла випромінюється під час стиснення хмари; інша половина залишається всередині протозірки. На початку колапсу, температура газової хмари зазвичай дуже холодна, лише кілька градусів Кельвіна (близько -450 F°), і спочатку вона має кілька світлових років у поперечнику. Згодом він зменшиться до кількох мільйонів миль у радіусі – об’єм зменшиться приблизно на 1018 разів – і температура його поверхні сягне приблизно 4000 К°. Температура в його ядрі зазвичай перевищує десять мільйонів K°.
Таким чином, новонароджена зірка є дуже гарячим сяючим об’єктом, як колись були планети в нашій Сонячній системі, оскільки планети, по суті, народжуються з тієї ж міжзоряної матерії, що колапсує, як і їхні батьківські зірки. Критична відмінність між новонародженими зірками та планетами полягає в наступному: планета просто охолоджується після свого формування, але зірка настільки масивна, що ескалація температури та тиску в її ядрі викликає ядерні реакції, і вона починає виробляти енергію .
Джерело енергії зірки
За визначенням, зірка - це об'єкт, який "спалює" водень за допомогою ядерного синтезу. Цей шлях вивільнення ядерної енергії відрізняється від того, який використовують люди для підводних човнів, електрики тощо. Ми використовуємо ядерний поділ. Шлях поділу використовує переваги величезних, роздутих, радіоактивних ядер у кінці періодичної таблиці елементів, таких як уран або плутоній (елементи № 92 і № 94). Ядерний поділ зображено на малюнку 2 . Коли важкі ядра розщеплюються (або розбиваються) на більш легкі ядра, такі як барій або криптон, вони буквально вибухають, виділяючи величезну кількість енергії. Шлях ядерної енергії поділу дещо схожий на розбиття резервуара з вибуховими хімікатами.
Ядерний синтез діє в прямо протилежному напрямку: дуже легкі та абсолютно стабільні ядра на початку періодичної таблиці зливаються (об’єднуються) у важчі ядра, що забезпечує вивільнення енергії навіть більш величезне, ніж при ядерному поділі. Як і більшість зірок, Сонце зливає найлегший елемент, водень, у другий за легкістю елемент, гелій. Атомна вага водню дорівнює одиниці, а атомна вага гелію дорівнює чотирьом, отже, це означає, що чотири ядра водню повинні бути злиті, щоб утворилося одне ядро гелію. Як це відбувається? Чи існує жахлива аварія водневого поїзда, де чотири атоми водню стикаються в одному місці одночасно?
Не зовсім. Це було б вкрай малоймовірно. Злиття водню відбувається поетапно, наприклад:
Етап 1) Два протони, які називаються ядрами водню, стикаються. Трапляється, що два протони неможливо злити один з одним (їх електростатичне відштовхування занадто велике), але не хвилюйтеся. Час від часу, перш ніж стикаються протони можуть розділитися, ядерні сили 3 змушують один із протонів перетворюватися на нейтрон! Як я вже згадував раніше (у попередньому розділі), протони та нейтрони мають власні квантові стани. Я не сказав вам, що протон і нейтрон є квантовими станами, а тому можуть поміняти тотожності! Без обману 4. Таким чином, ядро, яке виникає в результаті зіткнення, є протонно-нейтронною парою. Це ізотоп водню, який можна назвати воднем-2, але фізики зазвичай називають його дейтерієм. У символах, де p позначає протон, а n позначає нейтрон, реакція виглядає так: p + p ---> np + енергія + (інші частинки, які називаються нейтрино, тут нас не стосуються; я обговорю їх пізніше).
Крок 2) Протон стикається з дейтерієм. Він прилипає, даючи нам 2 протони + 1 нейтрон = гелій-3. Символами:
np + p ---> ppn + енергія .
Крок 3) Два гелію-3 стикаються. У вогняній кулі, що утворилася, ядра гелію-3 перегруповуються в один гелій-4 і два протони. У символах: ppn + ppn ---> pnpn + p + p + енергія . Злиття протона з гелієм-3 може здатися більш вірогідним третім кроком, але це створить ppn + p ---> pppn , який є літієм-4, а не гелієм-4. Літій-4 настільки нестабільний, що він майже розпадається до того, як він утвориться, тому цей шлях реакції практично не впливає на вихід енергії Сонця.
Кінцевим результатом є те, що чотири атоми водню стали одним гелієм. Цей триетапний процес називається ланцюгом pp і показано вище. Це основне джерело енергії для більшості зірок.
Хтось може задатися питанням, чому ConEd, ВМС США тощо використовують ядерний поділ, а не ядерний синтез, враховуючи, що: 1) синтез виробляє більше енергії, 2) синтез спалює водень = H 2 O = вода як паливо, тоді як поділ використовує рідкісні , дорогі , радіоізотопи, 3) водневий синтез утворює набагато менше радіоактивних відходів, ніж поділ, оскільки продукт його реакції є нерадіоактивним, і 4) процеси синтезу не можуть призвести до аварій «плавлення», як це може бути при поділі.
Проста відповідь полягає в тому, що ядерний синтез страшенно важко ініціювати. Під час поділу все, що потрібно, це єдине ядро, яке вже є нестабільним (тобто радіоактивним), а потім ви можете «розбити» його ударом швидкого нейтрона, як показано на малюнку 2 . Нейтрони не мають електричного заряду, тому ніщо не заважає їм наблизитися до будь-якого атома. За допомогою синтезу ви повинні взяти ядра, які є легкими, стабільними і, що найгірше, позитивно зарядженими, і переконати їх об’єднатися. Ядра електростатично відштовхуються одне від одного, і чим ближче вони зближуються, тим лютіше вони відштовхуються. (Див. таблицю 6 для ілюстрації.) Оскільки ядерні сили мають дуже короткий радіус дії, вони можуть подолати електростатичне відштовхування та ініціювати термоядерний синтез лише тоді, коли ядра буквально знаходяться одне на одному. Отже, атоми в термоядерному газі повинні рухатися з неймовірною швидкістю, щоб досягти такого близького наближення, тобто газ потрібно підняти до неймовірних температур і тиску, перш ніж у вас з’явиться будь-яка надія отримати з нього будь-яку енергію.
На даний момент єдиний спосіб ініціювати водневий синтез — це використання ядерного поділу: так звана «воднева» бомба використовує вибух плутонієвої бомби, щоб (дуже коротко) спалахнути неконтрольований синтез ізотопів водню дейтерію та тритію. Ми не можемо контролювати термоядерний синтез, хоча за останні 40 років було проведено багато досліджень на цю тему. Сонце уникає цих проблем і зливає водень через його чисту, величезну масу. Тиск у його центрі стискає газ до щільності, яка в чотирнадцять разів перевищує густину свинцю. Температура 15 мільйонів K°.
Проте, якими б екстремальними не були ці цифри, вони все ще недостатньо великі, щоб швидко спалахнути синтез водню. Насправді вони ледь достатньо великі, щоб запалити будь-який водневий синтез взагалі! Ви можете задатися питанням, що я маю на увазі під «ледве», враховуючи, наскільки яскраве Сонце, і я маю на увазі наступне: Сонце світить 4,5 мільярда років, 5 але воно спалило лише 5% свого водневого палива! Якби ви ніколи не їздили на машині, а щодня відкривали кришку бензобака на одну секунду, щоб випустити пару, ви витрачали б паливо швидше, ніж Сонце. Важко досягти злиття. Ось кілька цифр, щоб проілюструвати те, що я маю на увазі:
A) Світність Сонця (загальна вихідна потужність) = 3,86 X 10 23кіловат. За нинішнього глобального рівня споживання, населенню світу знадобилося б 792 000 років, щоб використати енергію, вироблену Сонцем за одну секунду. Астрономи позначають цю потужність як L o , або одну сонячну світність.
B) Енергія, вироблена ядерним синтезом одного кілограма (двох фунтів, 3 унцій) водню, становить 177 720 000 кіловат-годин (!!). Це являє собою достатню кількість електроенергії для забезпечення середньостатистичного американського домогосподарства протягом 3000 років.
C) Якщо поділити сонячну яскравість (A) на енергію, отриману від одного кілограма водню (B), ми отримаємо, скільки кілограмів водню потрібно спалювати щосекунди, щоб забезпечити енергію Сонця: 603 мільярди. Щоб видобути такий тоннаж, вам потрібно буде розкопувати весь штат Іллінойс на глибину 1000 футів щодня. Приблизно.
D) Маса Сонця становить 1,99 X 10 30 кілограмів = 332 900 маси Землі. Розділивши це на 603 мільярди кілограмів, обчислених у (C), ми отримаємо частку Сонця, яка спалюється щосекунди: 3 X 10 -19. Це приблизно таке ж співвідношення, як порівняння одного пенні з валовим економічним продуктом усього світу за наступні 1000 років. Таким чином, ми бачимо, як Сонцю парадоксальним чином вдається випромінювати стільки енергії, але при цьому не спалювати (майже) жодного палива порівняно зі своїм розміром. Його величезна маса перетворює навіть наноскопічні відсотки спалювання водню в еквівалент мільйонів вибухів H-бомб за секунду.
Таким чином, такі зірки, як Сонце, використовують тиск перегрітих газів, щоб стримувати невпинну силу тяжіння. Ще краще і веселіше (якщо ви астроном), джерелом тепла для газів є природний ядерний реактор. Це означає, що зірки набагато жорстокіші та динамічніші, ніж планети, і в наступному розділі ми розглянемо деякі наслідки цього.
Таблиця 5
Таблиця 6
Малюнок 2
1 – світловий рік – це відстань, яку світло проходить за один рік. Багато людей вважають, що світловий рік є одиницею часу, але це не так. Це одиниця відстані. Швидкість світла становить 186 282 миль/сек, отже, світловий рік дорівнює (186 282 миль/сек) x (сек/рік) = 5,878 трильйонів миль. Астрономи також використовують світлові хвилини (відстань, яку світло проходить за хвилину), світлові години тощо. Таким чином, відстань між Землею та Сонцем становить 93 мільйони миль або 8,3 світлових хвилин, як вам заманеться.
2 – Ізотопи – це ядра з однаковою кількістю протонів (це один і той же елемент), але з різною кількістю нейтронів. Ізотопи позначаються цифрою в назві елемента: наприклад, вуглець-14, де 14 означає, що кількість протонів і нейтронів дорівнює 14. Водень є винятком: водень-2 називається дейтерієм, а водень- 3 називається тритій.
3 – Є дві ядерні сили, уявно позначені як «сильна» і «слабка» відповідно, тому що сильна приблизно в мільярд разів потужніша за іншу. На відміну від сили тяжіння чи електромагнетизму, діапазон дії ядерних сил різко обмежений ядерними відстанями, але в межах ядра сильна сила є набагато потужнішою, ніж будь-яка інша. Сильна сила відповідає за велику потужність ядерних реакцій; слабка сила є більш тонкою і відповідає за декілька типів радіоактивного розпаду.
4 – Кварки – це субядерні частинки, які утворюють, серед іншого, протон і нейтрон. Кваркидуже раді обмінятися ідентичностями, як актори, що змінюють костюми, і зроблять це відразу, якщо їм не заборонить брак енергії. У цьому випадку протон є єдиною комбінацією кварків, яка є стабільною як вільна частинка, з тієї простої причини, що це найлегша (найменш енергетична) комбінація кварків із можливих. Оскільки кварки не можуть утворити іншу комбінацію, якщо не додати енергії, протон не може змінитися, якщо він не бере участь у сильному зіткненні. Однак після початку термоядерного синтезу кварки можуть змінитися, і, таким чином, протон може раптово перетворитися на нейтрон.
5 – Якщо вам цікаво, звідки береться це число, воно походить з астрофізичної теорії, віку Землі, визначеного з геофізичних міркувань, а найточніше – з радіоактивного датування найдавніших відомих метеоритів.
StudyBounty has prepared this translation to aid students globally. Our platform is a database of free essay examples that cater to every academic subject. Our collection of essays is vast and ideal for students seeking inspiration.