У далекому минулому всі зірки Всесвіту були величезним гарячим хмарою молекулярного газу. Цим хмар доводилося постійно мати справу з гравітацією, яка хотіла стиснути кожне з них в точку. Їй заважали лише велика температура і тиск усередині хмари.
Гравітації на допомогу приходило інше явище - спалах наднової зірки. Цей вибух галактичного масштабу як вітер "здував" зоряні хмари в купи.
Через вибух хмара втрачає однорідну структуру: одна область неминуче матиме у собі більше маси, ніж інші навколо. А це як раз те, що потрібно гравітації для щастя. Гравітація має ланцюгову природу - більш масивний регіон починає притягувати все більше і більше маси, і з ростом маси, сила гравітації ставати все сильніше і сильніше. Сама ділянка, з якого все починалося, стискається, зменшуючись в об'ємі. Зрештою, гравітація знайде таку силу, що притягне до себе все, що було по сусідству.
На цьому етапі, наша хмара - це все ще темний згусток матерії. Але всередині вже щось відбувається. Температура і тиск усередині ростуть дуже швидко. Зовнішні області газу і пилу, як хмари, закривають видиме світло, але інфрачервоне випромінювання, що виходить з серцевини, говорить нам про народження нової зірки.
Маса подібного хмари набагато більша за масу Сонця - від тисячі до сотні тисяч Сонячних мас. Наше Сонце народилося в подібному хмарі десь 4.5 мільярда років тому. Найпотужніші і яскраві зірки вмирають дуже швидко, тому нам дуже пощастило, що Сонце є порівняно маленькою зіркою класу G - "жовтий карлик". Насправді, думка про те, що Сонце - це маленька зірка, не зовсім вірно. Воно входить в 10% найбільших зірок нашого Всесвіту, де абсолютна більшість зірок за розміром менше Сонця і належать до класів М і К. Цей "жовтий карлик" становить 99.86% всієї маси нашої Сонячної системи.
Зірки, подібні до Сонця, живуть довго, але і вони не вічні. Щоб розібратися, що є паливом Сонця, і як швидко воно його витратить, потрібно згадати про саму могутню силу в природі - сильній взаємодії, яке утримує ядра атомів разом.
Життя зірки - ядерний синтез
Все живе на нашій планеті існує завдяки енергії Сонця. Довгий час було абсолютною загадкою, звідки це щедре світило бере енергію. Наприклад, якби Сонце складалося повністю з вугілля, то воно б згасло за якісь то 6 000 років. Таємницю розгадав Альберт Ейнштейн своєї знаменитої формулою E = mc 2. Краса цієї формули в тому, що Ейнштейн зміг у такій простій і лаконічній формі висловити очевидну думку: маса і енергія - лише різні імена однієї сутності. Маса і енергія еквівалентні.
У ядрі Сонця умови по-справжньому пекельні. Гігантська маса під впливом власної гравітації тисне на ядро з неймовірною силою (тиск в ядрі в 260 мільярдів разів сильніше, ніж атмосферний тиск на Землі). Чим сильніше тиск, тим вище температура. Чим щільніше ставало ядро Сонця, тим сильніше воно розігрівалося, поки не досягло температури в 15 000 К (14 726 C). У настільки суворих умовах атоми водню втрачають свої електрони, і ядро Сонця перетворюється в кулю розжареної плазми, густий суп з субатомних частинок. Як ми пам'ятаємо, однаково заряджені частинки відштовхуються. І тому позитивно заряджені протони роблять все, щоб не бути разом.
Але маса атома гелію трохи менше маси двох атомів водню. H + H> He + n. Куди поділася ця маса? Вона можна конвертувати в виділилася кінетичну енергію відповідно до формули Ейнштейна E = mc 2.
Давайте для наочності продемонструємо, скільки енергії виділяється з одного грама речовини.
E = mc 2 = 1g * (299,792,458 m / s) 2 = 89.9 тераджоулей.
Якщо ця цифра вам нема про що не говорить, спробую навести приклад наочно: під час вибуху ядерної бомби виділяється порівнянне кількість енергії! Кожну секунду Сонце переводить 700 мільйонів тон водню в 650 мільйонів тон гелію. Відсутні 50 мільйонів тон перетворюються в енергію. Саме ця енергія живить нашу жовту зірку.
Процес, щомиті відбувається на Сонці, дорівнює вибуху 400 мільярдів ядерних бомб.
Тому навіть на відстані 150 мільйонів кілометрів Сонце світить настільки яскраво, що ми не можемо на нього дивитися, але відчуваємо його тепло.
Що трапиться, якщо згасне Сонце?
В один прекрасний день зоряне паливо, водень, закінчиться, а точніше, повністю синтезується в гелій. Що тоді?
Зірки завжди знаходяться в рівновазі між двома постійно протиборчими силами. З одного боку, сила, з якою вся маса зірки під дією гравітації прагне стиснути зірку в одну точку (сила F1). А з іншого сила, породжена жаром термоядерного синтезу, яка виходить із двигуна зірки - ядра (сила F2). Завдяки цьому наше Сонце підтримує одну й ту форму (радіус).
Як тільки Сонце спалить весь водень в ядрі (це станеться приблизно через 5-7 мільярдів років), ядро, тепер складається з гелію, почне стискатися і запуститься процес горіння водню в зовнішніх шарах, прилеглих до ядра.
Потім, від зростання тиску і температури, в ядрі Сонця почнеться процес ядерного синтезу гелію. Енергії буде виділятися набагато більше і сила (F2) виходить із ядра зросте. Сонце почне розширюватися і перетворитися в результаті в "Червоного гіганта". Зростаючи, воно поглине найближчі планети - Меркурій, Марс і можливо Землю.
Період, протягом якого Сонце спалює водень, називається головною послідовністю. У цій стадії зірки проводять 90% свого життя.
Після того, як зірка виходить з головної послідовності, все відбувається дуже швидко. В ядрі починається синтез важких елементів - з простих утворюються складні. Гелій синтезується в більш важкий вуглець, а потім вуглець синтезується в ще більш важкий кисень. Для нашого Сонця це означає, що кінець близький, так як його маси не вистачає, щоб продовжувати синтезувати елементи, які важче кисню. Після цього Сонце перетвориться в "Білого карлика" - зірку в кінцевій стадії свого життя.
Втім, у Всесвіті зустрічаються і досить масивні зірки (приблизно, одна з 800), здатні синтезувати і важчі елементи таблиці Менделєєва аж до заліза, нікелю і кобальту. Зірка приймає шарову структуру, схожу на цибулину. І починаючи з ядра, в кожному наступному шарі синтезується все більш легкі елементи.
Правда є одне "Але", коли зірка доходить до такого стану, подальший синтез вже не виділяє енергію і їй залишається жити лічені години, а може бути навіть секунди.
Чому так відбувається?
Чим важче елемент, тим менше енергії виділяється при його синтезі. І коли справа доходить до синтезу заліза, виділення енергії взагалі припиняється. На ядро Сонця залізо діє приблизно так само як попіл на вогнище. Якщо ми кидаємо в вогонь поліна, він розгорається. Киньте в багаття жменю попелу і ви нічого не отримаєте крім гарячого попелу. Вогонь не розгориться.
Це не означає, що синтез більш важких елементів неможливий, врешті-решт, періодична таблиця налічує понад сто елементів, а залізо це тільки 26-ій елемент таблиці. Просто створення елементів важче залоза не виділяє енергію, а навпаки поглинає.
У цих елементів при розпаді ядер виділяється енергія, на цьому принципі працюють наші атомні станції.
Сила радіаційної енергії (F2), що виходить зсередини, різко падає. Ядро зірки раптово виявляється беззахисним перед власною масою. Сила, з якою гравітація обрушує масу на залізне ядро, колосальна. Під таким божевільним тиском електрони починають "карбується" в протони, утворюючи нейтрони. При цьому відбувається виділення величезної кількості енергії. Спалах, утворена згодом, своїм світінням затьмарює галактики. Ми свідки спалаху наднових зірки.
Такий викид енергії розкидає зовнішні шари зірки на світлові роки навколо, одночасно створюючи всі відомі елементи періодичної таблиці. Після спалаху наднових зірки на її місці залишається або нейтронна зірка (один з найбільш щільних об'єктів всесвіту, невдала чорна діра), або чорна діра.
Процес смерті зірки одночасно є процесом зародження всіх елементів періодичної системи, за винятком водню і частини гелію (які існували з часів народження Всесвіту). Як колись сказав Карл Саган: "Ми - зоряний пил, яка взяла долю в свої руки". І це зачаровує і викликає смиренність історія про те, як з'являлися, жили і вмирали зірки для того, щоб створити елементи, з яких зроблені Ми.