Звезды не останутся вечно такими же, какими мы их видим сейчас. Во Вселенной постоянно рождаются новые звезды, а старые умирают. Чтобы понять, как эволюционирует звезда, как меняются с течением времени ее внешние параметры - размер, светимость, масса, необходимо проанализировать процессы, протекающие в недрах звезды. А для этого надо знать, как устроены эти недра, каковы их химический состав, температура, плотность, давление. Но наблюдениям доступны лишь внешние слои звезд - их атмосферы. Проникнуть в глубь даже ближайшей звезды - Солнца - мы не можем. Приходится прибегать к косвенным методам - расчетам, компьютерному моделированию. При этом пользуются данными о внешних слоях, известными законами физики и механики, общими как для Земли, так и для звездного мира.

Условия в недрах звезд значительно отличаются от условий в земных лабораториях, но элементарные частицы - электроны, протоны, нейтроны - там те же, что и на Земле. Звезды состоят из тех же химических элементов, что и наша планета. И к ним можно применять знания, полученные в лабораториях.

Наблюдения показывают, что большинство звезд устойчивы, т. е. они заметно не расширяются и не сжимаются в течение длительных промежутков времени. Как устойчивое тело звезда может существовать только в том случае, если все действующие на ее вещество внутренние силы уравновешиваются. Какие же это силы?

Звезда - раскаленный газовый шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объем. Это стремление вызвано давлением газа и определяется его температурой и плотностью. В каждой точке внутри звезды действует сила давления газа, которая старается расширить звезду. Но в каждой же точке ей противодействует другая сила - сила тяжести вышележащих слоев, пытающаяся сжать звезду. Однако ни расширения, ни сжатия не происходит, звезда устойчива. Это означает, что обе силы уравновешивают друг друга. А так как с глубиной вес вышележащих слоев увеличивается, то давление, а следовательно, и температура возрастают к центру звезды.

Звезда излучает энергию, вырабатываемую в ее недрах. Температура в звезде распределена так, что в любом слое в каждый момент времени энергия, получаемая от нижележащего слоя, равняется энергии, отдаваемой вышележащему слою. Сколько энергии образуется в центральных частях звезды, столько же должно излучаться ее поверхностью, иначе равновесие нарушится. Таким образом, к давлению газа добавляется еще и давление излучения.

Лучи, испускаемые звездой, черпают свою энергию в недрах, где располагается ее источник, и продвигаются через всю толщу звезды наружу, оказывая давление на внешние слои. Если бы звездное вещество было прозрачным, то продвижение это осуществлялось бы почти мгновенно, со скоростью света. Но оно непрозрачно и тормозит прохождение излучения. Световые лучи поглощаются атомами и вновь испускаются уже в других направлениях. Путь каждого луча сложен и напоминает запутанную зигзагообразную кривую. Иногда он "блуждает" сотни и тысячи лет, прежде чем выйдет на поверхность и покинет звезду.

Излучение, испускаемое поверхностью звезды, качественно (но не количественно) отличается от излучения, рождающегося в источнике звездной энергии. По мере движения наружу длина волны света увеличивается. Поверхность Солнца, например, излучает в основном световые и инфракрасные лучи, а в его недрах возникает коротковолновое рентгеновское и гамма-излучение. Давление излучения для Солнца и подобных ему звезд составляет лишь очень малую долю от давления газа, но для гигантских звезд оно значительно.

Оценки температуры и плотности в недрах звезд получают теоретическим путем, исходя из известной массы звезды и мощности ее излучения, на основании газовых законов физики и закона всемирного тяготения. Определенные таким образом температуры в центральных областях звезд составляют от 10 млн градусов для звезд легче Солнца до 30 млн градусов для гигантских звезд. Температура в центре Солнца - около 15 млн градусов.

При таких температурах вещество в звездных недрах почти полностью ионизовано. Атомы химических элементов теряют свои электронные оболочки, вещество состоит только из атомных ядер и отдельных электронов. Поскольку поперечник атомного ядра в десятки тысяч раз меньше поперечника целого атома, то в объеме, вмещающем всего десяток целых атомов, могут свободно уместиться многие миллиарды атомных ядер и отдельных электронов. При этом расстояния между частицами вопреки высокой плотности будут все еще велики по сравнению с их размерами. Вот почему вещество, плотность которого в центре Солнца в 100 раз превышает плотность воды (более плотное, чем любое твердое тело на Земле!), тем не менее обладает всеми свойствами идеального газа.

Для оценки температуры внутри звезды важно знать, из каких элементов образована газовая смесь. Средний молекулярный вес газа, состоящего из атомов водорода, равен 1, из атомов гелия - 4, натрия - 23, железа - 56. В ионизованном газе число частиц увеличивается за счет электронов, а общая масса вещества сохраняется неизменной. Поэтому молекулярный вес ионизованного водорода будет 1/2 (две частицы: протон и электрон), ионизованного гелия - 4/3, натрия - 23/12 = 1,92, железа - 56/27 = 2,07. Таким образом, в звездном веществе все химические элементы, за исключением водорода и гелия, имеют средний молекулярный вес, равный примерно 2.

Чем больше водорода и гелия по сравнению с более тяжелыми элементами, тем ниже температура в центре звезды. Чисто водородное Солнце, например, имело бы температуру в центре 10 млн градусов, гелиевое - 26 млн градусов, а состоящее целиком из более тяжелых элементов - 40 млн градусов.

Чтобы получить представление о структуре звезды, пользуются методом последовательных приближений. Задавая некоторое соотношение водорода, гелия и более тяжелых элементов и зная массу звезды, вычисляют ее светимость. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока для определенной смеси вычисленная и полученная из наблюдений светимости не совпадут. Данный состав и считается близким к реальному. Оказалось, что для большинства звезд на долю водорода и гелия приходится не менее 98%.

Определение химического состава и физических условий в центральных частях звезд позволило решить вопрос об источниках звездной энергии. При температуре 10-30 млн градусов и наличии большого числа ядер водорода протекают термоядерные реакции, при которых образуются ядра различных химических элементов. Не все возможные ядерные реакции годятся на роль источников звездной энергии, а только такие, которые выделяют достаточно большую энергию и могут продолжаться в течение нескольких миллиардов лет жизни звезды.

После длительных поисков было установлено, что звезды большую часть своей жизни светят за счет совершающихся в них преобразований четырех ядер водорода (протонов) в одно ядро гелия. Масса четырех протонов больше массы ядра гелия, этот избыток массы и превращается в энергию в термоядерных реакциях. Такая реакция идет медленно и поддерживает свечение звезды на протяжении миллиардов лет.

По современным представлениям, звезды образуются из космических газопылевых облаков. При сжатии под действием тяготения сгустка газа его внутренняя часть постепенно разогревается. Когда температура в центре достигнет примерно миллиона градусов, начинаются ядерные реакции - образуется звезда.

Строение звезд зависит от массы. Если звезда в несколько раз массивнее Солнца, то глубоко в ее недрах происходит интенсивное перемешивание вещества (конвекция), подобно кипящей воде. Такую область называют конвективным ядром звезды. Чем больше звезда, тем большую ее часть составляет конвективное ядро. Остальная часть звезды сохраняет при этом равновесие. Источник энергии находится в конвективном ядре. По мере превращения водорода в гелий молекулярный вес вещества ядра увеличивается, а его объем уменьшается. Внешние же области звезды при этом расширяются, она увеличивается в размерах, а температура ее поверхности падает. Горячая звезда - голубой гигант - постепенно превращается в красный гигант.

Строение красного гиганта уже иное. Когда в процессе сжатия конвективного ядра весь водород превратится в гелий, температура в центре повысится до 50-100 млн градусов и начнется горение гелия. Он в результате ядерных реакций превращается в углерод. Ядро горящего гелия окружено тонким слоем горящего водорода, который поступает из внешней оболочки звезды. Следовательно, у красного гиганта - два источника энергии. Над горящим ядром находится протяженная оболочка.

В дальнейшем ядерные реакции создают в центре массивной звезды все более тяжелые элементы, вплоть до железа. Синтез элементов тяжелее железа уже не приводит к выделению энергии. Лишенное источников энергии ядро звезды быстро сжимается. Это может привести к взрыву - вспышке сверхновой. Иногда при взрыве звезда полностью распадается, но чаще всего, по-видимому, остается компактный объект - нейтронная звезда или черная дыра.

Вместе с оболочкой взрыв уносит в межзвездную среду различные химические элементы, образовавшиеся в недрах звезды за время ее жизни. Новое поколение звезд, рождающихся из межзвездного газа, будет содержать уже больше тяжелых химических элементов.

Срок жизни звезды напрямую зависит от ее массы. Звезды с массой в 100 раз больше Солнца живут всего несколько миллионов лет. Если масса составляет 2-3 солнечных, срок жизни увеличивается до миллиарда лет.

В звездах-карликах, массы которых меньше массы Солнца, конвективное ядро отсутствует. Водород в них горит, превращаясь в гелий, в центральной области, не выделяющейся из остальной части звезды наличием конвективных движений. В карликах этот процесс протекает очень медленно, и они практически не изменяются в течение миллиардов лет. Когда водород полностью сгорает, они медленно сжимаются и за счет энергии сжатия могут существовать еще очень длительное время.

Солнце и подобные ему звезды представляют собой промежуточный случай. У Солнца имеется маленькое конвективное ядро, но не очень четко отделенное от остальной части. Ядерные реакции горения водорода протекают как в ядре, так и в его окрестностях. Возраст Солнца примерно 4,5-5 млрд лет, и за это время оно почти не изменило своего размера и яркости. После исчерпания водорода Солнце может постепенно вырасти в красный гигант, сбросить чрезмерно расширившуюся оболочку и закончить свою жизнь, превратившись в белый карлик. Но это случится никак не раньше, чем через 5 млрд лет.