Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

Другие места создания элементов

Энергия, выделенная при взрыве ядра массивной звезды, становится одним из инициаторов звездного взрыва. Однако есть и второй взрывной механизм, способный как порождать множество новых элементов, так и распространять их в межзвездном пространстве. Мы уже говорили о том, что белые карлики имеют предел максимальной массы. Давление всех электронов, занимающих определенное место на их уникальных квантовых уровнях, – давление вырождения электронов – способно удержать звезду с массой менее 1,4 солнечной массы. Однако если добавить гравитационное притяжение чуть большей массы, это вытолкнет звезду за грань стабильности. Белые карлики, как правило, чувствуют себя вполне комфортно – они находятся ниже этого предела, поэтому просто тихо остывают и исчезают. Но если у белого карлика есть близкая звезда-спутник, которая может увеличивать массу до тех пор, пока карлик не достигнет ее предела, то в конце нас ждет грандиозный фейерверк.

У большинства звезд, в отличие от Солнца, есть звезда-спутник или даже несколько, поэтому то, что они обмениваются массой, хорошо известно. Однако на поверхности белых карликов вследствие этого постепенно накапливается слой нового материала, полученного от звезды-донора. Так продолжается до тех пор, пока толщина этого слоя не достигает примерно километра. В этот момент на поверхности запускается термоядерный взрыв, не только порождающий новые элементы, но и сметающий силой взрыва слой вещества, как минимум равный тому количеству, которое изначально украдено у звезды-спутника, а возможно, и превосходящий его, после чего масса белого карлика остается практически неизменной (или немного уменьшается). Впрочем, иногда она возрастает, и что становится тому причиной – то ли масса, пожертвованная нормальной звездой-спутником, то ли слияние двух белых карликов, движущихся по орбите вокруг друг друга, – нам еще предстоит определить. Но превышение предела в 1,4 солнечной массы вызывает волну ядерного горения, которая проносится по всей звезде, создавая новые элементы и разнося звезду на мелкие осколки.

В то время как массивные сверхновые производят много Кислорода и продуктов его горения, таких как Неон, Магний, Сера и Кремний, термоядерные сверхновые, о которых мы говорим сейчас, производят больше элементов, близких в Периодической таблице к Железу, поскольку синтез продолжается до самой стабильной ядерной формы во всей звезде. И хотя и в том и в другом случае образуются небольшие количества элементов тяжелее Железа, мы так и не можем с уверенностью судить о происхождении большинства более тяжелых элементов. Элементы с атомными номерами свыше 26-го распространены в гораздо меньшей степени, чем их собратья с малой массой (например, на каждые 1–10 атомов элементов с номерами от 44 до 94 приходится около 1 миллиона атомов Железа и 10 миллиардов атомов Водорода), поэтому процессы, порождающие их, могут быть достаточно редкими. Недавнее открытие, совершенное благодаря детекторам гравитационных волн⁶, убедительно подтверждает существование как минимум одного нового источника тяжелых элементов.

Описывая выше смерть звезды массой 25 солнечных масс, я не упомянул о драматичной судьбе коллапсирующего ядра. Оно стремительно сжимается, минует порог вырождения электронов, не позволяющий погибнуть белому карлику, и все они сливаются с протонами, образуя нейтроны. Так рождается нейтронная звезда. Если белый карлик подобен гигантскому макроскопическому атому, то нейтронная звезда – это гигантское макроскопическое атомное ядро. Оно имеет ту же плотность, что и обычное атомное ядро, около 1 миллиарда тонн на кубический сантиметр (это все автомобили, грузовики и внедорожники в мире, сжатые до размеров кубика сахара), а радиус ее составляет примерно 10 километров (а не 10^–14 метра). Поскольку нейтроны принадлежат к фермионам (частицы, которые имеют спин = ½ и сопротивляются тесному общению; см. гл. 3), подчиняются тому же закону, что и электроны, и занимают одинаковые квантовые состояния очень неохотно, – они делают это только в условиях, когда плотность гораздо выше и «давление вырождения нейтронов» останавливает неизбежный в противном случае гравитационный коллапс.

Нейтронные звезды – поразительные объекты, способные создавать множество явлений самого исключительного характера, обнаруженных нами во Вселенной за последние полвека. Более того, мне удалось сделать карьеру на изучении этих экзотических звезд, и я легко мог бы написать о них пару сотен страниц. К счастью для вас, дорогой читатель, я устою перед искушением. Однако недавний прорыв в создании тяжелых элементов связан именно с нейтронными звездами, поэтому сделать небольшое отступление все же придется.

О нейтронных звездах заговорили менее чем через два года после открытия самого нейтрона. Их существование предсказали Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, которые, проявив удивительный талант к предвидению, написали в 1934 году: «Со всей возможной сдержанностью мы выдвигаем идею, согласно которой сверхновая представляет собой переход обычной звезды в нейтронную звезду»⁷. Тридцать четыре года спустя Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, обнаружила некую странность в показаниях ленточного самописца, прикрепленного к ее радиотелескопу. Самописец служил для оценки мерцания внегалактических радиоисточников, сигналы которых проходили через межпланетную среду. Ускорив его, она увидела, что «странность» представляла собой последовательность пульсаций, разделенных на удивление постоянным периодом в 1,33733 секунды. Подтвердив, что этот сигнал действительно пришел с неба, и даже уделив внимание гипотезе о «маленьких зеленых человечках», команда из Кембриджа обнаружила в разных частях неба еще три импульсных сигнала с разными периодами и пришла к выводу, что они, должно быть, являются естественным астрономическим явлением. Объяснение появилось менее чем за год: источником сигналов были стремительно вращающиеся нейтронные звезды с магнитным полем, излучение которых, подобно лучу маяка, проходило над Землей один раз за оборот. Эти замечательные новые обитатели нашей Галактики получили имя пульсаров. Когда в центре остатка сверхновой, взорвавшейся в 1054 году нашей эры, был обнаружен такой пульсар, вращавшийся невероятно быстро, гипотеза Бааде и Цвикки подтвердилась.

Когда я поступил в аспирантуру, моим коллегой стал студент постарше, Рассел Халс. Свои диссертации мы защищали под научным руководством Джозефа Тейлора. Тогда прошло всего пять лет с тех пор, как были открыты пульсары, и многие вели поиск этих экзотических звезд. Халс и Тейлор задумали провести в обсерватории Аресибо, где находился крупнейший в то время радиотелескоп, самый чувствительный поиск за всю историю исследований. В частности, они пытались найти нейтронную звезду со спутником. Как отмечалось выше, у звезд довольно часто есть спутники, и в таких случаях у нас появляется возможность довольно точно измерить массы обеих звезд. В течение года ученые достигли своей цели, обнаружив PSR1913+16, пульсар с периодом вращения 0,059 секунды, совершающий оборот вокруг невидимого спутника (в роли которого, что практически несомненно, выступала еще одна нейтронная звезда) за каждые 7,75 часа. Это позволило измерить массу нейтронной звезды: она составила 1,441 солнечной массы, что, как и ожидалось, превышает максимальный предел для белых карликов.

Однако важнее то, что обнаружение двух объектов такой плотности, орбиты которых располагались так близко друг к другу, позволило провести новую проверку общей теории относительности. Революционные взгляды на гравитацию, представленные в публикации Эйнштейна в 1916 году, предполагали, что взаимное притяжение объектов, обладающих массой, возникает в результате искажений в ткани пространства-времени, которые и создаются этими массами. Представьте себе батут (как пространство-время), посреди которого находится шар для боулинга (массивный объект). Если мы покатим по батуту маленький шарик, он сам собой направится к шару для боулинга, но не из-за какого-то магического притяжения между двумя объектами, а потому, что он вынужден путешествовать по искривленному пространству-времени, созданному большим шаром. Более того, при движении объектов от них должны исходить волны зыби, расходясь по пространству-времени, как круги от камня, брошенного в пруд. Эйнштейн признал, что такие волны, наличие которых подразумевала его теория, действительно существуют, – но, вычислив их амплитуду, решил, что они слишком слабы и нам никогда не удастся их обнаружить. Однако он не учел ошеломляющего технического прогресса, которого нам предстояло достичь за столетие, и не думал, что мы, помимо прочего, сможем находить в космосе звезды размером с город на расстоянии тысяч световых лет.