Все эти миры - ваши. Научные поиски внеземной жизни - Джон Уиллис

Совершенно другая судьба ожидает звезды большей массы. В белом карлике силам гравитационного сжатия противостоит принцип запрета Паули, согласно которому количество электронов, которое может находиться в определенном пространственном объеме внутри погасшей звезды, строго ограничено. Это свойство материи называют давлением вырожденного электронного газа. В более массивных звездах эта сила не может противостоять огромному гравитационному давлению. В таком случае коллапс останавливается на стадии нейтронной звезды диаметром всего несколько километров, поддерживаемой в равновесном состоянии давлением уже не электронного, а вырожденного нейтронного газа. Для сравнения можно указать, что радиус Солнца равен 700 000 км, что примерно в 100 000 раз больше радиуса нейтронной звезды. Когда внешние слои умирающей звезды сжимаются под влиянием гравитации, возникающая гигантская температура и плотность материи дают энергию для последнего, всепоглощающего взрыва. В его пламени происходят реакции синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до урана (а возможно, и больших), которые затем выбрасываются энергией взрыва в окружающий космос. Итак, вы только что наблюдали вспышку сверхновой!

Хоть в это трудно поверить, но сверхновые играют фундаментальную роль в истории зарождения жизни во Вселенной: они завершают ядерный синтез элементов периодической таблицы, а также служат механизмом их доставки, выбрасывая в окружающий космос богатое разнообразие новых элементов. Все атомы тяжелее водорода и гелия, которые необходимы для важнейших жизненных процессов (будь то атом железа в гемоглобине у нас в крови или атом магния в центре молекулы хлорофилла), ведут свою историю от термоядерной реакции в недрах звезд или от взрыва сверхновой.

Итак, мы выяснили, что возраст нашей Вселенной составляет 13,8 млрд лет. Она очень велика в объеме и даже, возможно, бесконечна. Множество химических элементов, возникших внутри звезд или при взрывах сверхновых, было распределено по всему космосу. Теперь я бы хотел затронуть вопрос, как наша Земля и Солнце с его Солнечной системой вписываются в этот обширный космический ландшафт. Как они возникли и было ли это редкой удачей или самым заурядным событием?

Мы остановились в истории расширяющейся Вселенной вскоре после образования первых звезд и сверхновых, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Словно бы в ответ на расширение Вселенной, вещество начало сжиматься под воздействием гравитации. Газовые облака коллапсировали и сталкивались, и таким образом начали формироваться ранние предшественники будущих галактик. Освещаемые изнутри первыми звездами, галактики постепенно превратились в огромные скопления огней, которые мы наблюдаем сегодня. Расстояния между галактиками колоссальны, и лишь в исключительно редких случаях они сталкиваются, происходят гигантские космические «крушения поездов». Большую часть своей истории галактики изолированы и замкнуты. Внутри каждого такого звездного скопления из облаков газа и пыли зарождаются новые поколения звезд, каждая из которых проходит стадию термоядерного синтеза, и каждая ядерная реакция заполняет новую ячейку в персональной периодической таблице этой звезды. Наиболее массивные звезды взрываются, обогащая галактику тяжелыми элементами, которые медленно аккумулируются в следующих поколениях звезд.

Наше Солнце зародилось уже после того, как сменилось несколько поколений звезд, но даже тогда тяжелые элементы составляли не более 2 % от общей массы газового облака, из которого сформировалось наше светило. Вы можете спросить, почему так мало? Почему не 10 %, не 50 % или даже больше? Ответ состоит в том, что большая часть вещества, из которого состоят звезды, не принимает участия в реакции термоядерного синтеза. Роль внешних оболочек звезды, находящихся за пределами ядра, заключается в создании гравитационного давления. Это давление приводит к тому, что температура и плотность внутри ядра непрерывно растут, пока не достигнут величины, достаточной для начала термоядерного синтеза. Со временем, когда в ядре закончится запас легких элементов, служащих топливом для поддержания термоядерной реакции, звезда может либо превратиться в белый карлик, либо вспыхнуть сверхновой. В последнем случае взрыв выбрасывает в окружающее пространство почти весь верхний слой звезды.

Наше Солнце и его планетная система начинали свою жизнь как медленно клубящееся газопылевое облако. По мере того как облако остывало, его материя начинала сжиматься под воздействием гравитации, в нем возникло ускоряющееся вращение вокруг центра, и со временем оно приняло форму уплощенного диска. Большая часть вещества постепенно сосредотачивалась в центре, где в конечном итоге под воздействием высокой плотности и температуры началась реакция термоядерного синтеза. Так зародилось наше Солнце. Солнечное излучение подняло температуру в прилегающих к нему слоях газопылевого диска, и все легкоплавкие летучие вещества просто испарились в пространство. Оставшиеся тяжелые элементы постепенно стали слипаться в микроскопические крупинки. Достаточно большие агрегаты уже могли притягивать мелкие крупинки силой гравитации, а также поглощать другие агрегаты, беспорядочно сталкиваясь с ними, как автомобильчики в парке аттракционов.

Победители этого раунда превратились в планеты, какими мы их знаем сегодня: каждая планета поглощала на своем орбитальном пути вещество, словно прожорливый космический хищник. Внешние планеты, которым посчастливилось достичь больших размеров, захватив огромные количества замерзших газов в холодной части Солнечной системы, превратились в газовые гиганты, такие как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Во внутренней Солнечной системе легкоплавкие летучие вещества просто испаряются в пространство под воздействием солнечного тепла, поэтому ближние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — состоят из относительно плотных веществ. Остальное — просто космические обломки: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера за орбитой Нептуна.

Можно ли утверждать, что история Солнечной системы уникальна? В том, что касается деталей, — да, данное конкретное расположение планет, вероятно, уникально для нашей планетной системы. В том, что касается общих признаков, — нет, вокруг многих молодых звезд можно наблюдать вращающиеся газопылевые облака. Многие из них имеют форму диска, а на некоторых можно даже заметить широкие орбитальные кольца, которые, по-видимому, представляют собой участки роста планет. Согласно современной точке зрения, планеты формируются вместе со своими молодыми звездами из газовых облаков, обогащенных тяжелыми элементами. Астрономы обобщенно называют эти тяжелые элементы металлами. Твердые планеты и ядра газовых гигантов состоят из этих металлов. Подобно строительным материалам, металлы могут стать основой как большего количества, так и большего разнообразия планет. Мы пока этого просто не знаем. Но мы можем предположить, что, поскольку металлы — это материал для создания планет, чем больше их будет, тем лучше. Но на этом наши познания о процессах образования планет практически заканчиваются.

Могла ли Земля возникнуть в более ранний период истории Вселенной? С каждым последующим поколением звезд насыщенность межзвездного газа металлами все больше увеличивается, но мы пока не знаем, существуют ли определенные пороговые значения содержания металлов, необходимые для образования планет. Если исходить из общих соображений, то на более ранних этапах существования Вселенной, когда металлов было мало, собрать в одном месте материал для создания планеты было довольно затруднительно. Но образовавшиеся массивные звезды должны были относительно быстро взорваться и осыпать прилегающие к ним участки космоса дождем тяжелых элементов. Так что на сегодняшний день мы можем только сказать, что с определенной долей вероятности на более ранних этапах существования Вселенной создание планетных систем было затруднено. Однако, учитывая отвратительную привычку ученых избегать категоричных утверждений, мы и это не можем утверждать наверняка. Но в одном мы можем быть твердо уверены: пока будут существовать звезды, будет происходить обогащение Вселенной химическими элементами. Хоть это пока и не органические соединения, но кирпичики для их создания встречаются в галактике Млечный Путь в больших количествах, равно как и в любой другой галактике существующей на данный момент Вселенной.