Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

малоэффективный инструмент превращения лёгких элементов в более тяжёлые. В некотором смысле это хорошо. Ведь именно ядерное горение лёгких элементов даёт солнечный свет, энергия которого питает жизнь на Земле. А трудность или низкая вероятность реакций образования тяжёлых элементов как раз позволяет нам наслаждаться этой жизнью. Проходи эти реакции легко, Солнце сожгло бы весь запас своего водородного горючего гораздо быстрее, и мы не получали бы того устойчивого потока энергии, которым материнское светило обеспечивает нашу планету сотни миллионов лет.

Мурашки бегут по коже, как подумаешь, что углерод в наших телах и кислород, которым мы дышим, образовались в недрах предшествовавших поколений звёзд за миллиарды лет до того, как родилось наше Солнце! Более тяжёлые элементы, такие, как золото, из которого сделаны наши украшения, образовались в ходе самых бурных и неистовых событий во Вселенной – в конце жизни звёзд.

Об этих катаклизмах мы вскоре поговорим. Но во всех этих случаях суть процесса была одна: заставить отталкивающиеся друг от друга ядра сблизиться настолько, чтобы у них появился шанс на квантовый туннельный переход через последний энергетический барьер, за которым их надёжно свяжет сильное взаимодействие.

Всё вокруг, от атомов, существование которых определяет материальный мир вокруг нас и наше собственное бытие, до солнечного света, который согревает нас в летний день, возможно благодаря квантам.

Почему, умирая, звёзды взрываются?

Звёзды горят, образуя более тяжёлые элементы из более лёгких. Скорость и интенсивность ядерного горения зависят от условий в недрах звезды. Попросту говоря, чем выше там плотность и температура, тем быстрее преобразуются элементы и тем ярче может гореть звезда. Для отдельной звезды эти характеристики определяются её массой.[44] Чем больше масса звезды, тем сильнее гравитация сжимает её ядро, тем выше в нём плотность и температура и тем больше энергии звезда выделяет.

В самых маленьких звёздах, которые еле достигают условий, необходимых, чтобы в них начались ядерные реакции, водород преобразуется в гелий очень неторопливо. При массе всего около одной десятой доли массы Солнца эти красные карлики светят еле-еле, зато и горючего им хватит на сотню триллионов лет. Когда водородное горючее кончается, ядро красного карлика оказывается слишком холодным, чтобы в нём могли начаться реакции горения гелия с образованием более тяжёлых элементов – и звезда просто постепенно исчезает из виду, остывая и погружаясь во тьму.

Наше Солнце, более массивная звезда, может сильнее сжимать своё ядро, способное расходовать своё ядерное горючее всего около 10 миллиардов лет. Когда водород в недрах Солнца истощается, может произойти небольшое дополнительное сжатие – и тогда начнёт гореть гелий, образуя углерод и кислород. Это внутреннее преобразование окажет очень глубокое воздействие на Солнце: его внешние слои раздуются и остынут. В ходе этой фазы красного гиганта внешние оболочки Солнца увеличатся в объёме настолько, что захватят орбиты Меркурия и Венеры, а может быть, проглотят и Землю, и Марс. Но не переживайте: у нас ещё есть впереди несколько миллиардов лет прежде, чем начнутся эти радикальные преобразования.

В конце концов, в нашем Солнце и других звёздах похожей массы ядерное горючее истощится. Ядра звёзд станут слишком холодными, неспособными сжигать углерод и кислород, преобразуя их в более тяжёлые элементы. Когда запасы горючего кончатся, каждую звезду ждёт ещё полоса внутренней перестройки – ядерное горение станет беспорядочным, нерегулярным, звезда может начать пульсировать. Наконец, внешние слои звезды окажутся сброшены в окружающее пространство. Результат этого «последнего вздоха» может быть прекрасным: мы видим в телескопы великолепные планетарные туманности. По сути, они отмечают на небе места смерти звёзд.

Жизнь звезды, в несколько раз более массивной, чем Солнце, может быть гораздо более яркой и привлекающей внимание. Мощная гравитация этих гигантов создаёт в их недрах условия, когда для ядерного горения нет никаких барьеров. Водород очень быстро преобразуется в гелий, тот сгорает, образуя углерод и кислород – и так далее, ко всё более и более тяжёлым элементам. Очень массивные звёзды могут сжечь весь запас своего ядерного горючего за несколько десятков миллионов лет, постоянно перестраивая внутреннюю структуру по мере того, как материал, образованный в одном цикле ядерных реакций, сам становится горючим для следующего цикла.

Звезда с массой около десяти солнечных сожжёт весь водород в своём ядре примерно за 10 миллионов лет; ещё приблизительно миллион лет уйдёт на сжигание гелия. Горение углерода займёт всего несколько сотен лет, кислорода – не менее нескольких сотен дней. В финальной стадии горения кремния счёт пойдёт на часы. После этого ядерное горение прекратится.

В результате горения кремния образуется железо, а у него особое атомное ядро. Протоны и нейтроны в ядре железа очень тесно связаны. Если вы хотите преобразовать этот металл в другие элементы, понадобится значительная энергия, чтобы разорвать эту тесную связь. Значит, в отличие от других ядерных реакций, в которых энергия высвобождается, позволяя звезде сиять, ядерные реакции с железом её поглощают. И как только у звезды появляется железное «сердце», ядерный пожар полностью затухает.

С исчезновением давления излучения, которое отталкивает вещество звезды от её ядра, гравитацию уже ничего не уравновешивает и не останавливает. Внешние слои звезды обрушиваются внутрь неё в свободном падении, сокрушая мёртвое железное ядро. Когда это происходит, огромные разрушающие нагрузки ведут к повышению температуры и плотности до крайних значений, и энергии уже становится вполне достаточно для преобразования железа в более тяжёлые элементы. Ядро звезды разрушается. У самых массивных звёзд это разрушение переводит вещество в состояние чёрной дыры, а внешние слои выбрасываются в пространство могучим взрывом. Для звёзд поменьше всё заканчивается образованием невероятно плотного мёртвого звёздного остатка – нейтронной звезды.

В ходе мощнейшего сжатия звёздного ядра, вызванного коллапсом внешних слоёв, начинают происходить странные вещи. Плотность смеси протонов и нейтронов становится настолько огромной, что сильное взаимодействие, которое в нормальной ситуации удерживает атомные ядра, сохраняя их целостность, переходит в отталкивание. Падающие внутрь звезды её внешние слои отталкиваются обратно, и начинается взрыв. В этой сверхплотной и сверхгорячей среде выделяется такое фантастическое количество энергии, что даже железо может преобразовываться в более тяжёлые элементы.

Так происходит одно из самых грандиозных явлений во Вселенной – взрыв сверхновой. При этом свет одной умирающей звезды может на несколько недель затмить суммарное излучение миллиардов остальных звёзд в этой галактике. Взрывы сверхновых – невероятно мощные события, но такой грандиозный конец жизни звезды не обусловлен сверхтяжёлыми элементами, создаваемыми в этом аду или мощной вспышкой высокоэнергетического излучения. Нет, он вызывается крохотными, странными, призрачными частицами, которые, можно сказать, почти не существуют, – нейтрино. Как же могут эти невесомые «частички ничего» приводить к сверхмощному разрыву звезды на части?

Рецепт звёздного вещества

Чтобы понять, как это происходит, давайте мысленно