Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
В Соединенных Штатах Джордж Гамов знал о расчетах Эддингтона. Соображения английского астронома побуждали его найти другой плавильный тигель, достаточно горячий, чтобы в нем можно было выпекать элементы. И вскоре он нашел такой тигель: огненный шар Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), работавший в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, открыл, что галактики (это тоже «кирпичики», но уже большой Вселенной, их миллиарды и миллиарды, и наш Млечный Путь лишь один из них) разлетаются друг от друга, подобно космической шрапнели, несущейся во все стороны после взрыва титанического фугаса. Мы живем в расширяющейся Вселенной. И поскольку она расширяется, следует неизбежный вывод: в прошлом Вселенная была гораздо меньше. Если вообразить, что это расширение идет в обратном направлении, словно бы нам стали показывать фильм задом наперед, мы, по сути, придем к некоей точке во времени, когда все мироздание было сжато в бесконечно малом объеме. Это и есть момент рождения Вселенной в Большом взрыве, случившемся, как представляется сегодня, 13,7 миллиарда лет назад.
Гамов подхватил идею Большого взрыва и развил ее. Если в прошлом Вселенная была меньше, рассуждал он, следовательно, она должна была быть горячее (вновь все тот же старый эффект — воздух, нагревающийся в велосипедном насосе). Получается, что Большой взрыв, помимо прочего, был очень «горяч». А если этот самый Большой взрыв был очень горяч, то не могли он стать тем плавильным тиглем, где из нескольких простеньких базисных ингредиентов и выпекались химические элементы? Но вот проблема: Большому взрыву явно не хватало на это времени. Когда Вселенной было всего десять минут от роду, она уже расширилась и остыла до такой степени, что процессы формирования элементов благополучно заглохли. Это даже не пощечина мирозданию — это две пощечины подряд. Спустя десять минут после Большого взрыва огненный шар был уже не такой плотный, чтобы ядра могли часто сталкиваться друг с другом, а когда они все же сталкивались, то двигались слишком медленно и взаимное отталкивание было непреоборимо. Однако Гамова это не смутило. Десяти минут должно хватить, вот и весь сказ! «Элементы были приготовлены быстрее, чем готовится утка с жареной картошкой», — утверждал он[63].
Впрочем, оптимизм Гамова был неуместен. Существовало более серьезное препятствие для формирования элементов, чем ограниченность по времени. В природе нет стабильных ядер, содержащих пять или восемь базисных кирпичиков. Это означает, что практически невозможно построить ядро, которое было бы тяжелее ядра гелия. Как же так? Ведь если один ядерный кирпичик — протон либо нейтрон — столкнется и склеится с ядром, именуемым гелий-4, то получится ядро с массой 5? Нет, стабильных ядер с такой массой не существует. Ну хорошо, тогда столкнутся и склеятся два ядра гелия — получится ядро с массой 8. Опять-таки нет, не получится: таких стабильных ядер тоже не существует. Отсутствует даже малейшая возможность формирования ядер элементов, следующих за гелием. К большому разочарованию Гамова, Большой взрыв не мог быть тиглем, в котором выпекались природные элементы [64].
И вот тут на сцене появляется британский астроном Фред Хойл (1915–2001). По Хойлу, звезды — куда более привлекательны в качестве плавильных тиглей для выпекания элементов. В конце концов, они остаются плотными и горячими миллионы, если не миллиарды лет, а это уже не сравнишь с жалкими десятью минутами, «разрешенными» Большим взрывом. Поскольку времени было более чем достаточно, появилась возможность, что весьма нечастые ядерные процессы все же возьмутся за свое волшебство. Главное — чтобы какой-нибудь эдакий редкий процесс перепрыгнул через зловредные барьеры «масса-5» и «масса-8», и тогда дорога к выпеканию тяжелых элементов будет открыта. Проблема в том, что для любого такого процесса, вне всякого сомнения, нужна очень высокая температура. А ведь Эддингтон убедительно показал, что, по мере того как звезды синтезируют гелий из водорода, они постепенно остывают и в результате вообще испускают дух. Однако Хойла это не обескуражило. В космосе есть огромные звезды — могучие крепкие здоровяки, которые так и пышут жаром, выделяя в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце. Само существование таких «красных гигантов» (первейший пример — это Бетельгейзе, сверкающая, словно бриллиант, в созвездии Ориона) — доказательство того, что звезды нашли способ избежать той постыдной кончины, которую наметил для них Эддингтон.
Например, как понял Хойл, звезда может выжить, если ее сердцевина будет в большей степени насыщена тяжелыми элементами, чем внешняя оболочка. За счет этого центральная область станет более плотной, чем периферия, и собственное тяготение звезды будет сдавливать сердцевину, раскаляя ее. Температура может запросто подняться до 100 миллионов градусов, а это именно то, что доктор прописал: легкие ядра будут спекаться в более тяжелые, осуществляя таким образом ядерный синтез. В то же время чрезвычайно горячая сердцевина звезды, выделяя чудовищное количество тепла, будет накачивать его во внешнюю оболочку, и та станет раздуваться до гигантских размеров. Но, раздуваясь, звездное вещество начнет остывать — в итоге его сияние потускнеет и обретет красноватую окраску. Таков был рецепт образования красного гиганта. Рецепт получился убедительный, и Хойл решил, что он на правильном пути.
Была, конечно, одна трудность: расчеты Эддингтона показывали, что звездное вещество в любой момент времени тщательно перемешано. Но Хойла это не остановило. Вместе с астрономом Реймондом Литлтоном (1911–1995) он придумал, как обойти эддингтоновский звездный капкан. Вполне можно представить, что при формировании звезды образуется плотное, сверхгорячее ядро, которое трепыхается в самом центре, окруженное жирной, толстой оболочкой. Для этого двум ученым потребовалось допустить существование плотных, холодных облаков газообразного водорода, дрейфующих по Галактике. Никто не знал, существуют ли подобные облака. Но если они существуют, то, как указали Хойл и Литлтон, звезда, обращаясь вокруг центра Галактики, должна непременно пробиваться сквозь эти облака, собирая вокруг себя густую пелену газообразного водорода. В таком случае внутренность этого звездного объекта, представляющая собой смесь гелия и водорода, будет плотнее, чем наружная оболочка. Вот он — рецепт образования красных гигантов со сверхплотным, сверхгорячим ядром.
Идея Хойла была остроумна, однако необходимость в ней уже отпала. Эддингтон был выдающимся астрофизиком своего времени, и он вовремя обнаружил, что в своих расчетах допустил глупейшую числовую ошибку. Да, он был прав в том, что по причине вращения самого Солнца вещество внутри него пребывает в нескончаемом круговом движении. Однако Эддингтон ошибся в оценке скорости этого кругового движения. Циркуляция вещества внутри Солнца происходит много медленнее — чертовски много медленнее! — чем выходило по расчетам ученого. В реальности она настолько медленная, что просто не может перемешивать вещество внутри Солнца. А раз нет перемешивания, то сердцевина звезды все сильнее обогащается гелием по мере выгорания водорода. Центральная область Солнца уплотняется, сжимается — и, конечно, разогревается до высоченных температур. Как выяснилось, перспектива стать красным гигантом — это естественная и неизбежная участь любой звезды, подобной Солнцу [65].
Интуиция не подвела Хойла. Звезды и впрямь могут быть достаточно горячи, чтобы в них формировались элементы. Но оставалась проблема барьеров «масса-5» и «масса-8», которые, как выяснил Гамов, перекрывают путь к выпеканию тяжелых элементов в тигле Большого взрыва. Хойл принялся искать тот редкий ядерный процесс, который мог бы перескочить через барьеры. И нашел. Этот процесс предполагал взаимодействие не двух ядер гелия, а трех. Возможно ли, чтобы глубоко внутри красного гиганта, в самой его сердцевине, богатой гелием, ядра гелия — альфа-частицы — собирались по трое? Если бы они спеклись, то в результате получилось бы ядро углерода-12, — вот вам чистое, без малейшего фола, взятие барьера «масса-8».
На самом деле этот «тройной альфа-процесс» был уже рассмотрен американским физиком Эдвином Солпитером (1924–2008) в 1952 году. Солпитер быстро понял: шансы на то, что три ядра гелия соберутся вместе в одно и то же время, ничтожно малы, практически сведены к нулю. (Вообразите себе трех футболистов с завязанными глазами: они носятся, спотыкаясь, по всему полю и вдруг сталкиваются лбами — все трое! — у углового флажка.) Вместо этого Солпитер сосредоточился на взаимодействии двух сталкивающихся ядер гелия. Такое столкновение может показаться совершенно бесполезным, поскольку из склеивания двух ядер гелия получится ядро с массой 8, а подобные ядра, конечно же, нестабильны. Но вот что осознал Солпитер: хотя это ядро — бериллий-8 — действительно нестабильно, оно… не то чтобы совсем уж нестабильно. Прежде чем распасться, какие-то ничтожные доли секунды бериллий-8 все же существует. И вот что важно: в эти ничтожные доли секунды он становится «неподвижной мишенью» для третьего ядра гелия.
