Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
Во время взрыва сверхновой доступность нейтронов, протонов и энергии делает возможными самые разные способы создания элементов. Бербидж, Бербидж, Фаулер и Хойл на основании (1) проверенных временем принципов квантовой механики, (2) физики взрывов, (3) последних данных о сечениях соударения, (4) знания разнообразных процессов, которые позволяют элементам превращаться один в другой и (5) основ теории эволюции звезд сделали окончательный вывод, что взрывы сверхновых – это главный источник всех элементов тяжелее водорода и гелия во Вселенной.
Когда сверхновые выстреливают во все стороны, они заодно решают еще одну проблему. Дело в том, что даже если внутри звезд создаются элементы тяжелее водорода и гелия, остальной Вселенной от этого ни жарко ни холодно: ведь надо еще каким-то образом рассеять эти элементы в межзвездном пространстве, чтобы они могли формировать планеты и людей. Да, мы всего лишь горстка звездной пыли.
Я вовсе не намекаю, что главные задачи космохимии уже удалось решить. В наши дни космохимия пытается разгадать одну любопытную загадку, в которой замешан элемент технеций – это был первый химический элемент, синтезированный в лаборатории, и произошло это в 1937 году. (Название «технеций», как и другие слова с корнем «тех», восходит к древнегреческому слову technetos – «искусственный»). Этот элемент в природных условиях на Земле до сих пор так и не обнаружили, зато нашли в атмосфере отдельных красных гигантов. Уже одно это должно было бы насторожить – но мало того: период полураспада у технеция всего-навсего 2 миллиона лет, а это гораздо меньше, чем возраст и ожидаемая продолжительность жизни звезд, в котором его обнаруживают. Иначе говоря, это вещество не могло присутствовать в звезде при рождении, иначе к нашему времени его не осталось бы. Мы не знаем ни одного механизма, благодаря которому технеций создавался бы в недрах звезд и всплывал бы на поверхность, где мы его наблюдаем; в результате возникли всякие экстравагантные теории, которые пока еще не завоевали доверия астрофизического сообщества.
Красные гиганты с особыми химическими свойствами встречаются редко, однако все же не настолько редко, чтобы вокруг них не сплотилась достаточно большая компания астрофизиков, в основном спектроскопистов, которые специализируются на этой теме. В сущности, мои профессиональные исследовательские интересы тоже в значительной мере затрагивают эту тему – я регулярно получаю международную рассылку «Newsletter of Chemically Peculiar Red Giant Stars» («Новости о красных гигантах с особыми химическими свойствами»). В рубрике «Это интересно знать» районной малотиражки такого не напечатают. Обычно там пишут о конференциях и о данных последних исследований. Для заинтересованного ученого подступы к ответу на подобные химические загадки не менее интересны, чем, скажем, вопросы, связанные с черными дырами, квазарами и ранними этапами существования Вселенной. Однако о них вы нигде не прочитаете. Почему? Потому, что СМИ в очередной раз решили, что освещать некоторые области не стоит, даже если речь идет о вселенском происхождении всех элементов, составляющих ваш организм – правда же, скука смертная?
Глава двадцать вторая
Облачные посланницы
Почти все первые 400 000 лет с момента рождения Вселенная представляла собой бурлящее варево из стремительных и голых атомных ядер, у которых не было своих электронов. Самые простые химические реакции были еще несбыточной мечтой, а до первых проблесков жизни на Земле оставалось целых 10 миллиардов лет.
90 % ядер, возникших в результате Большого взрыва, были ядрами водорода, большая часть остальных ядер – ядрами гелия, еще самая чуточка – ядра лития: шло производство простейших элементов. И лишь когда температура расширяющейся Вселенной упала с триллионов примерно до трех тысяч градусов Кельвина, ядра начали захватывать электроны. При этом они превратились в полноправные атомы и сделали возможными химические реакции. Вселенная становилась все больше и все холоднее, и атомы стали собираться во все более крупные структуры – газовые облака, где из самых первых ингредиентов, доступных во Вселенной, создавались первые молекулы – водород (H2) и гидрид лития (LiH). Эти газовые облака породили первые звезды, масса каждой из которых составляла примерно сто масс Солнца. И в недрах каждой звезды разгоралась термоядерная топка, одержимая лишь одной целью – создавать химические элементы гораздо тяжелее трех самых первых и самых простых.
Когда исполинские первые звезды исчерпали запасы топлива, они разлетелись вдребезги и рассеяли свои химические внутренности по всему космосу. Благодаря энергии собственного взрыва они смогли создать еще более тяжелые элементы. Теперь в космическом пространстве стали скапливаться обогащенные тяжелыми атомами облака газа, способные воплотить самые смелые химические проекты.
Перемотаем вперед – и вот перед нами уже галактики, главные структуры видимого вещества во Вселенной, а в них – газовые облака, уже обогащенные обломками крушений после прежних взрывов сверхновых. Вскоре эти галактики будут порождать все новые поколения звезд, те тоже будут взрываться и запускать все новые волны обогащения химическими элементами, бесперебойный источник загадочных буковок в ячейках таблицы Менделеева.
Не будь этой эпической драмы, жизнь на Земле – да и в любом месте – не могла бы существовать. Химические механизмы жизни, как и все прочие химические механизмы, предполагают, чтобы элементы складывались в молекулы. Беда в том, что молекулы не создаются и не сохраняются в термоядерных топках звездных взрывов. Им нужна среда поспокойнее и попрохладнее. Так как же Вселенной удалось превратиться в богатейшую сокровищницу молекул, в которой мы теперь обитаем?
* * *Вернемся ненадолго на фабрику элементов в глубоких недрах массивной звезды одного из первых поколений.
Как мы только что убедились, там, в самом ядре, при температурах выше 10 миллионов градусов, проворные ядра водорода – одиночные протоны – случайным образом натыкаются друг на друга. Это порождает череду ядерных реакций, которые в конце концов дают по большей части гелий и много-много энергии. Пока звезда «включена», энергия, высвобождаемая идущими в ней ядерными реакциями, создает давление, направленное изнутри наружу, и его достаточно, чтобы не давать колоссальной массе звезды схлопнуться под собственным весом. Но рано или поздно водородное топливо звезды все-таки кончается. Остается шар из гелия, который сидит сложа руки и ничего не делает. Бедный гелий. Нужно увеличить температуру в десять раз – и лишь тогда он начнет перегорать в более тяжелые элементы.
Лишившись источника энергии, ядро звезды схлопывается – и от этого разогревается. Примерно при 100 миллионах градусов частицы разгоняются так, что ядра гелия набирают достаточную скорость, чтобы, налетая друг на друга, синтезировать более тяжелые элементы. При этом синтезе высвобождается достаточно энергии, чтобы предотвратить дальнейший коллапс, по крайней мере, отложить его. Слипшиеся ядра гелия некоторое время проводят в виде промежуточных продуктов, например бериллия, но в конце концов три ядра гелия превращаются в одно ядро углерода. (Гораздо позднее, когда углерод превратится в цельный атом с полным набором электронов, он займет почетное место самого плодовитого с химической точки зрения элемента в таблице Менделеева).
Между тем в недрах звезды идет процесс термоядерного синтеза. Однако в конце концов в жаркой зоне кончается гелий, и остается шар из углерода, окруженный гелиевой оболочкой, которая, в свою очередь, окружена всем остальным веществом звезды. И тогда ядро снова схлопывается. Когда его температура возрастает примерно до 600 миллионов градусов, углерод тоже начинает налетать на соседей и синтезировать более тяжелые элементы посредством все более и более сложных механизмов термоядерного синтеза, и все это время производится вдоволь энергии, чтобы не допустить дальнейшего коллапса. Фабрика элементов работает на полную мощность и выпускает азот, кислород, натрий, магний, кремний.
И так мы проходим по таблице Менделеева до самого железа. На железе процесс застопоривается – это последний элемент, который синтезируется в ядрах первых звезд. Если попытаться пережечь железо или более тяжелые элементы, в ходе таких реакций энергия будет не вырабатываться, а тратиться. Однако дело звезды – генерировать энергию, так что когда звезда обнаруживает, что в ядре у нее завелся железный шар, это не сулит ей ничего хорошего. У нее больше нет источника энергии, чтобы уравновесить неумолимую силу собственной гравитации, и ее ядро быстро схлопывается.
