Вы здесь: Главная > Вселенная > Пыль к пыли

Пыль к пыли

.

Выбравшись подальше от городских огней и взглянув на ясное ночное небо, вы сразу заметите облачное формирование бледного света, местами дополненное более темными пятнами, которое тянется от горизонта до горизонта. Уже давно известная всем как небесный «млечный путь» (да, с маленькой буквы), эта молочно-беловатая дымка несет в себе свет огромного количества звезд и газовых туманностей. Те, кому посчастливится глядеть на «млечный путь» сквозь бинокль или собственный домашний телескоп, смогут увидеть, как при приближении более темные и скучные участки… остаются такими же темными и скучными, в то время как яркие участки неба превращаются из диффузного сияния в бесчисленные звезды и туманности.


В свою небольшую книгу «Звездный вестник» (Sidereus Nuncius), опубликованную в 1610 году в Венеции, Галилео Галилей в включил первый отчет о небесах, таких, какими он видел их через телескоп, приложив к отчету описание более светлых участков Млечного Пути. Называя свой научный инструмент зрительной трубой, так как термина «телескоп» в обиходе еще не было (кстати, с греческого это слово переводится как «далеко смотрящий»), Галилей едва мог сдержать волнение.
«…Предметом нашего наблюдения была сущность или материя Млечного Пути. С помощью зрительной трубы ее можно настолько ощутительно наблюдать, что все споры, которые в течение стольких веков мучили философов, уничтожаются наглядным свидетельством, и мы избавимся от многословных диспутов. Действительно, Галаксия является не чем иным, как собранием многочисленных звезд, расположенных группами. В какую бы его область ни направить зрительную трубу, сейчас же взгляду представляется громадное множество звезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошо заметными. Множество же более мелких не поддается исследованию».[39]
Это самое «громадное множество звезд» Галилея, безусловно, похоже на объект основного астрономического интереса, ведь оно являет нам самые густонаселенные звездами регионы нашей галактики Млечный Путь. Так зачем кому бы то ни было интересоваться темными ее участками, в которых нет видимых звезд? Исходя из их внешнего облика такие темные участки, скорее всего, представляют собой космические дыры, открывающие путь к бесконечному и пустому пространству, что кроется за ними.
Пройдет еще целых три столетия, прежде чем кому-то придет в голову, что темные участки Млечного Пути не просто не являются «дырами», но состоят из плотных облаков газа и пыли, которые скрывают от нас более удаленные скопления звезд и, более того, могут размещать в своих недрах целые звездные кухни. Разделяя более ранние предположения американского астронома Джорджа Кэри Комстока, которого интересовало, почему далекие звезды выглядят бледнее, чем должны были бы согласно их предполагаемому расстоянию от нас, голландский астроном Якоб Корнелий Каптейн обнаружил виновника этого в 1909 году. В двух научных статьях с одинаковыми названиями «О поглощении света в космосе»[40]. Каптейн представил наглядные доказательства того, что такие темные облака (его новообретенные «межзвездные среды») не только заслоняют свет, исходящий от звезд, но и делают это неравномерно с точки зрения палитры спектра излучения таких звезд: они поглощают и затем рассеивают, а значит, разбавляют свет в фиолетовом сегменте видимого спектра более эффективно, чем в красном. Такое избирательное поглощение приводит к тому, что фиолетового света нейтрализуется больше, чем красного, из-за чего удаленные звезды кажутся более красными, чем те, что расположены ближе к нам. Количество такого межзвездного покраснения звездного света увеличивается пропорционально суммарному объему материала, который свет встречает на своем пути к нам.
Обычные водород и гелий, принципиальные ингредиенты космических газовых облаков, не придают свету красноту. Однако сложные молекулы из многих атомов на это способны, особенно те, в которых содержатся углерод и кремний. Когда межзвездные частицы вырастают до такого размера, что становится неуместным называть их молекулами, учитывая составляющие их сотни тысяч даже миллионы отдельных атомов в каждой такой «молекуле», мы называем их пылью. Большинству из нас знакома домашняя бытовая пыль, хотя немногие в курсе, что в совершенно закрытом доме такая пыль состоит из мертвых клеток человеческой кожи (а также перхоти домашних животных, если они у вас есть). Насколько нам известно, в состав космической пыли человеческий эпидермис не входит. Однако межзвездная пыль содержит исключительно богатый ассортимент сложных молекул, которые излучают фотоны в основном в инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра. До 1960-х годов у астрофизиков не было хороших микроволновых телескопов, а приличных инфракрасных не появилось вплоть до 1970-х годов. Но как только они разработали и создали эти инструменты наблюдения, они смогли исследовать истинное химическое разнообразие всего того, что лежит между звезд. В течение десятилетий, последовавших за соответствующими прорывами в области технологий, на свет постепенно появлялась удивительная и сложная картина образования звезд.
Звезды формируются не из всех газовых облаков. Довольно часто газовое облако оказывается в ситуации, когда не понимает, что ему дальше делать. Точнее, это астрофизики не понимают, что им делать. Мы знаем, что межзвездное облако «хочет» коллапсировать под воздействием своей собственной гравитации, чтобы образовать из своего материала одну звезду или более. Но его вращение, как и влияние турбулентного движения газа внутри самого облака, мешает ему достигнуть этой цели. Кстати, давление газа, о котором всем вам должны были рассказывать в старших классах школы, тоже препятствует коллапсу. Да и магнитные поля ему совсем не способствуют: они проникают в облако и ограничивают динамику любых свободно передвигающихся внутри него заряженных частиц, препятствуя сжатию, а значит, чиня помехи попыткам самого облака среагировать на свою собственную гравитацию. Самый страшный вывод, который можно сделать из этого последовательного мышления, заключается в следующем: если бы никто заранее не знал, что звезды на самом деле существуют, даже самые передовые исследования предоставили бы нам достаточно убедительных причин того, что звезды никогда не могли бы сформироваться в принципе.
Как и несколько миллиардов звезд в нашей галактике Млечный Путь, получившей свое название в честь той широкой полосы света, что тянется через весь небесный свод и представляет собой наиболее густонаселенные звездами регионы, гигантские газовые облака тоже вращаются вокруг центра нашей галактики. Звезды — это песчинки размером всего лишь в несколько световых секунд в диаметре, парящие в огромном океане почти пустого пространства и изредка проплывающие одна мимо другой, словно корабли в открытом море. Напротив, газовые облака — огромны. Как правило, они достигают в размере нескольких сотен световых лет, а масса каждого из них — массы миллиона Солнц.
Неуклюже передвигаясь по всей галактике, эти гигантские облака нередко сталкиваются, цепляясь своими газовыми и пылевыми внутренностями друг за друга. Иногда в зависимости от их относительных скоростей и углов столкновения облака так и остаются вместе, становясь одним целым и еще более гигантским облаком, в других случаях, нанося друг другу ощутимые повреждения при столкновении, они, наоборот, разрывают друг друга на части.
Если температура облака упадет до достаточно низкого уровня (не более 100 градусов выше абсолютного нуля), составляющие его атомы при столкновении будут прикрепляться друг к другу, в отличие от того, как они отскакивают друг от друга в разные стороны при более высоких температурах. Этот химический переход влечет за собой всеобъемлющие последствия. Растущие в объеме частицы, которые теперь насчитывают десятки атомов каждая, начинают рассеивать видимый свет во все стороны, сильно ослабляя свет звезд, расположенных за таким облаком. К тому времени как эти частицы станут полноценными твердыми частицами космической пыли (этакими «зернышками»), в них будут уже миллиарды атомов. Стареющие звезды производят подобные твердые частицы и ненавязчиво отправляют их в межзвездное пространство в то время, когда сами находятся в стадии красного гиганта своего жизненного цикла. В отличие от меньших частиц такие твердые частицы космической пыли, состоящие из миллиардов атомов, больше не рассеивают фотоны видимого света, источником которых являются звезды, расположенные за облаком. Вместо этого они поглощают эти фотоны и затем снова излучают их энергию «как свою» — в виде инфракрасного излучения, которое легко покидает облако космической пыли. В то время как это происходит, давление фотонов, передаваемое поглощающим их молекулам, толкает облако в направлении, противоположном направлению источника света. И вот наше облако уже практически есть звездный свет!
Звезды рождаются тогда, когда силы, делающие облако все более плотным, в конце концов приводят к его коллапсу под воздействием собственной гравитации: в это время каждый участок облака старается притянуть все остальные его участки как можно ближе к себе. Так как горячий газ противостоит сжатию и коллапсу более эффективно, чем охлажденный, мы оказываемся в неоднозначной ситуации. Нам нужно охладить облако, прежде чем оно сможет обратно разогреться само в процессе формирования звезды. Другими словами, создания звезды, ядро которой разогревается до 10 миллионов градусов (этого как раз хватает для запуска процесса термоядерного синтеза), необходимо сначала охладить облако до минимально достижимой в его внутренних условиях температуры. Только при экстремально низких температурах всего в несколько десятков градусов выше абсолютного нуля наше облако сможет коллапсировать и запустить процесс звездообразования.
Что же такого происходит внутри облака, чтобы от коллапса оно могло вдруг перейти к выковыванию новой звезды? Астрофизики здесь могут только разводить руками. Как бы им ни хотелось отследить динамику событий, происходящих внутри огромного межзвездного облака в этот период, создать компьютерную модель, которая учла бы все известные законы физики, все внешние и внутренние воздействия на такое облако и все актуальные химические реакции, которые могут в это время протекать внутри него, — это пока за пределами наших возможностей. Следующая непростая загадка: почему первоначальное облако, из которого мы пытаемся получить звезду, обладает размером, в миллиарды раз большим, чем ее конечный размер, а плотность такой звезды затем составит в 100 секстиллионов раз больше средней плотности облака-родителя? В таких ситуациях то, что имеет наибольшую важность в контексте одной шкалы размеров, может оказаться не заслуживающим интереса в контексте другой шкалы.
Тем не менее, полагаясь на уже увиденное нами в космосе, мы можем с уверенностью заявить, что в центре межзвездного облака, в его самых голубого, темных и плотных регионах, где температура предположительно падает примерно до уровня 10 градусов выше абсолютного нуля, гравитация способна провоцировать коллапс отдельных объемов газа (так называемых газовых карманов), с легкостью преодолевая сопротивление магнитных полей и другие помехи. Это сжатие, в свою очередь, преобразует гравитационную энергию таких газовых карманов в тепловую. Температура каждого из таких участков облака, которым вскоре предстоит сформировать собой ядро новорожденной звезды, стремительно возрастает во время коллапса, не давая твердым частицам космической пыли в своем непосредственном окружении соединяться при столкновении и раскидывая их в стороны. В какой-то момент температура в центре коллапсирующего газового кармана достигает критической отметки в 10 миллионов градусов по абсолютной шкале.
При этой волшебной температуре некоторые протоны (представляющие собой, по сути, обнаженные атомы водорода, лишенные своего электрона) движутся достаточно быстро, чтобы преодолеть свое взаимное отторжение. Их высокая скорость позволяет им в какой-то момент оказаться достаточно близко друг к другу, чтобы под влиянием сильного ядерного взаимодействия соединиться. Это взаимодействие, работающее только на исключительно малых расстояниях, удерживает протоны и нейтроны вместе во всех атомных ядрах. Термоядерный синтез протонов, где «термо» намекает на необходимую него высокую температуру, а «ядерный синтез» подразумевает, что из отдельных частиц синтезируются целые ядра, приводит к созданию ядер гелия, масса каждого составляет чуть меньше, чем суммарная масса тех частиц, что пошли на его изготовление. Та масса, что пропадает во время синтеза, превращается в энергию согласно знаменитому и уже так хорошо знакомому нам уравнению Эйнштейна. Энергия, выраженная в массе (всегда в количестве, равном массе, умноженной на квадрат скорости света), может трансформироваться в иные формы энергии, например в дополнительную кинетическую энергию (энергию движения) быстро перемещающихся частиц, которые рождаются вследствие реакций ядерного синтеза.
В то время как новая энергия, полученная за счет термоядерного синтеза, расходится во все стороны, газ нагревается и начинает светиться. Затем у поверхности звезды та энергия, что ранее была заключена в отдельные ядра, вырывается в космос в форме фотонов, образованных газом в то время, как освобожденная при термоядерном синтезе энергия нагревала этот газ до температуры в несколько тысяч градусов. И, несмотря на то что этот огромный участок раскаленного газа все еще находится внутри космической утробы огромного межзвездного облака, мы уже можем смело поздравлять счастливого родителя Млечный Путь с рождением новой звезды.
Астрономы знают, что диапазон масс звезд составляет от одной десятой доли массы Солнца до величин, превосходящих ее почти в сотню раз. По не совсем ясным причинам в типичном гигантском газовом облаке может образоваться множество холодных газовых карманов, которые зачастую коллапсируют примерно в одно и то же время, давая жизнь звездам от мала до велика. Однако перевес на стороне звезд поменьше: на каждую крупную звезду приходится около тысячи малых. Тот факт, что в общей сложности лишь несколько процентов всего газа исходного облака принимают участие в формировании звезды, предлагает нам классическую загадку: почему этот «небольшой хвост» виляет этой «большой собакой» из газа и пыли, а не наоборот? Вероятно, ответ лежит в излучении новорожденных звезд, которое не дает новым звездам сформироваться из тех газа и пыли, что не пошли на образование самой новорожденной звезды.
Нам нетрудно объяснить нижний предел массы, которой может обладать новорожденная звезда. Карманам коллапсирующего газа с массой, составляющей менее одной десятой массы Солнца, не хватает гравитационной мощи того, чтобы раскалить свой центр до 10 миллионов градусов, необходимых для термоядерного синтеза водорода. Соответственно, рождение звезды, способной на ядерный синтез, невозможно. Вместо этого нам достанется неудавшаяся «почти звезда» — астрономы называют такие объекты коричневыми карликами. Не имея своего собственного источника энергии, коричневый карлик понемногу потухает, излучая тот скромный свет, что образовался во время изначального коллапса. Газообразные внешние слои коричневого карлика настолько прохладны, что многие крупные молекулы, которые обычно погибают вблизи более горячих звезд, прекрасно чувствуют себя и продолжают существовать около таких карликов. Из-за незначительной светимости их невероятно трудно обнаружить. Чтобы все же найти хотя бы несколько, астрофизикам приходится применять сложные методики наподобие тех, что используются иногда для обнаружения планет: ориентироваться по едва различимому инфракрасному излучению объектов. Лишь в последние несколько лет астрономам удалось разыскать во Вселенной достаточное количество коричневых карликов для того, чтобы даже разделить их как класс на несколько отдельных категорий.
Мы с легкостью можем определить и максимально возможную массу формирующейся звезды. Если масса звезды превысит массу Солнца более чем в сотню раз, ее светимость будет столь яркой, словно огромный шарообразный факел энергии в форме инфракрасного и ультрафиолетового света, что любые газ или пыль, стремящиеся к ней под воздействием ее гравитации, будут отталкиваться обратно под давлением звездного света. Фотоны, излучаемые звездой, отталкивают частицы пыли, которые, в свою очередь, увлекают за собой и газ. Это давление излучения столь эффективно, что буквально несколько крупных звезд с высокой массой в одном темном облаке могут обладать достаточной суммарной светимостью для того, чтобы равномерно разогнать вокруг себя межзвездное вещество, выставляя напоказ перед Вселенной десятки, если не сотни новорожденных звезд — по сути, родственниц друг другу — во всей их красе.
Когда вы будете наблюдать туманность Ориона, расположенную прямо под тремя яркими звездами, образующими Пояс Ориона, обратите внимание примерно на середину бледного меча охотника: там вы увидите как раз такие звездные ясли. В этой туманности родились тысячи звезд, в то время как еще тысячи лишь ожидают своего часа. На этом месте со временем образуется огромный кластер, который будет становиться все ярче и заметнее по мере рассеивания «неиспользованных» пыли и газа этой туманности. Наиболее крупные из ее новых звезд, формирующие собой группу под названием Трапеция Ориона, в данный момент очень заняты проделыванием огромной ясной дыры в середине того облака, из которого образовались. Фотографии этого региона, сделанные телескопом Хаббла, говорят о сотнях новых звезд на одном только этом участке космоса. Каждая из новорожденных малышек бережно запеленута в еще только зарождающийся протопланетарный диск из пыли и других молекул, позаимствованных у первоначального облака. Внутри каждого из таких дисков постепенно формируется своя собственная система планет.
Через 10 миллиардов лет после образования Млечного Пути новые звезды продолжают формироваться по всей нашей галактике. Хотя звездообразование в типичных огромных галактиках вроде нашей большей частью уже давно завершилось, нам повезло, что новые звезды все же еще не исчерпаны и будут рождаться еще многие миллиарды лет. Наше везение заключается в том, что мы можем наблюдать за их формированием и изучать самые молодые из них в поисках улик, которые расскажут нам полную историю о том, как из холодного газа и межзвездной пыли получаются сияющие звезды.
Возраст некоторых звезд можно определить с помощью спектрального анализа. Среди многочисленных способов оценки возраста звезд, которые были разработаны астрофизиками, анализ палитры спектра звездного излучения является самым надежным. Каждый цвет — каждое сочетание конкретной длины и частоты световой волны — рассказывает нам о том, как вещество произвело этот свет, или повлияло на тот свет, что покинул свой источник-звезду, или просто оказалось на пути между нами и звездой в направлении нашего взгляда. С помощью близкого сравнения с лабораторным спектром физики смогли найти множество вариантов воздействия разных типов атомов и молекул на ту радугу, что представляет собой видимый свет. Они могут применить эти обширные знания к наблюдениям за звездными спектрами и определить количество атомов и молекул, оказавших воздействие на свет, исходящий от определенной звезды, а также температуру, давление и плотность таких частиц. За годы, проведенные в сравнении спектра в лабораторных условиях и спектра звездного сияния и исследованиях спектральных особенностей разных атомов и молекул, астрофизики научились читать между строк видимого спектра объекта — словно космическую схему, показывающую нам, какими физическими характеристиками обладают внешние слои звезды, излучающие свет во все стороны прямо в космос. Вдобавок к этому астрофизики умеют определять, как могли повлиять на спектр звездного излучения атомы и молекулы, свободно парящие в межзвездном пространстве при гораздо более низких температурах, а значит, определять химический состав, температуру, плотность и давление этого межзвездного вещества.
В таком спектральном анализе каждый отдельный тип атома или молекулы может рассказать что-то свое. Например, присутствие молекул любого конкретного типа, что можно определить по их характерному воздействию на определенные цвета спектра, показывает, что температура внешних слоев звезды составляет меньше 3000 градусов по шкале Цельсия (или 5000 по шкале Фаренгейта). При более высоких температурах молекулы перемещаются так быстро, что при столкновении разбиваются на отдельные атомы. Применяя подобный анализ к самым разным субстанциям, астрофизики могут получить почти полную и в любом случае весьма подробную картину условий, характерных для атмосферы разных звезд. Говорят, некоторые особенно трудолюбивые астрофизики знают о спектрах звезд гораздо больше, чем о своих собственных семьях. Возможно, это оказывает неблагоприятное влияние на человеческие взаимоотношения, но однозначно идет на пользу нашему пониманию взаимоотношений межзвездных.
Из всех встречающихся в природе элементов — тех разных типов атомов, что могут влиять на спектр звезды, — астрофизики используют один конкретный элемент для того, чтобы определять возраст наиболее молодых звезд. Речь идет о литии — третьем по простоте строения и легкости элементе периодической таблицы, знакомом некоторым землянам в качестве активного ингредиента ряда антидепрессантов. В периодической таблице элементов литий занимает место сразу вслед за водородом и гелием, которые гораздо более знамениты, потому что в космосе их несметное количество. В первые минуты своего существования Вселенная синтезировала ядра гелия из водорода в огромных количествах, но выработала лишь относительно крошечные объемы других, более тяжелых ядер. В итоге литий остался довольно редким элементом, и астрофизики отмечают тот факт, что звезды почти не производят дополнительных партий лития, они только потребляют уже имеющиеся его запасы. У лития, так сказать, билет в один конец: каждой звезде гораздо проще уничтожить литий, чем создать его. Поэтому его космические запасы постепенно таяли, тают и будут таять. Если вам хочется заполучить себе немного лития, не медлите и приобретайте его сейчас же.
Для астрофизиков эта простая особенность лития — невероятно полезный инструмент измерения возраста звезд. Все звезды приходят в мир с соответствующим запасом лития, оставшимся после термоядерного синтеза, что протекал во Вселенной в первые полчаса ее существования, а также непосредственно во время Большого взрыва. Что значит «соответствующий запас»? Это значит — примерно одно ядро лития на сто миллиардов ядер других элементов. После того как новорожденная звезда приходит в наш мир с таким «богатым» запасом лития, дальнейшая судьба этого элемента весьма незавидна: ядерные реакции в недрах звезды начинают понемногу перерабатывать его. Стабильное и иногда эпизодическое смешение вещества в ядре звезды с веществом извне уносит получающийся материал к ее поверхности, поэтому спустя тысячи лет внешние слои звезды могут показать нам, что же раньше происходило в ее центре.
Когда астрофизики ищут в небе самые молодые звезды, они следуют простейшему правилу: искать те звезды, в которых больше всего лития. Соотношение количества ядер лития каждой звезды к, скажем, количеству ядер водорода (что можно определить по спектру ее излучения) помогает подобрать для этой звезды место на графике, отображающем корреляцию возраста звезды и лития во внешних ее слоях. Этот метод позволяет астрофизикам определять с большой точностью самые юные звезды в конкретном кластере и приписывать каждой из них основанный на литиевом анализе возраст. Так как звезды очень продуктивно разрушают литий, в более старых звездах обнаружить его почти невозможно. Соответственно, такой подход хорош только в применении к звездам, чей возраст не превышает несколько сотен миллионов лет: для этих юных особ литиевый метод работает просто замечательно! Недавние исследования двух дюжин молодых звезд в туманности Ориона, масса каждой из которых примерно равна массе Солнца, показали, что их возраст составляет от 1 до 10 миллионов лет. Наступит день, когда астрофизикам удастся найти еще более молодые звезды, ну а пока 1 миллион лет — это лучшее, что они могут нам предложить.
Долгое время после своего рождения группы молодых звезд только распыляют скопления газа, из которого образовались, превращают водород в гелий внутри своих ядер и пожирают запасы лития. Но ничто не вечно. За многие миллионы лет большинство потенциальных звездных кластеров, подверженных постоянному гравитационному воздействию проплывающих мимо огромных облаков, «испаряется», и их участники присоединяются к числу прочих звезд галактики.
Спустя 5 миллиардов лет после формирования Солнца определить в галактике его родственниц и узнать, живы ли они еще, невозможно. Все звезды Млечного Пути и других галактик с низкой массой, из-за чего они очень медленно потребляют свое топливо, живут практически бесконечно. Звезды «в среднем весе», вроде Солнца, рано или поздно превращаются в красных гигантов, увеличивая границы своих внешних газовых слоев в сотни раз и умирая медленной смертью. Эти внешние слои столь условно связаны со звездой, что постепенно отчаливают прочь в открытый космос, обнажая то самое ядро, полное переработанного ядерного топлива, что кормило звезду на протяжении всех 10 миллиардов лет ее жизни. Газ, который возвращается в межзвездное пространство, будет так или иначе подхвачен проходящими мимо облаками и когда-нибудь примет участие в новом этапе звездообразования.
Несмотря на их редкость в природе, звездам с самой высокой массой достались почти все козыри эволюции. Их огромная масса дает им самую мощную светимость — для некоторых она в миллион раз выше светимости Солнца. Так как эти звезды перерабатывают ядерное топливо гораздо быстрее своих малых товарок, они проживают жизнь быстрее других: всего за несколько миллионов лет, а то и меньше. Непрекращающийся термоядерный синтез внутри звезд с высокой массой позволяет им производить десятки элементов, начиная с водорода и заканчивая гелием, углеродом, азотом, кислородом, неоном, магнием, кремнием, кальцием и так далее вплоть до железа. Ближе к концу своей жизни такие звезды, излучая последние вспышки света, все еще вырабатывают новые химические элементы, иногда затмевая своим сиянием всю родную галактику. Астрофизики называют каждую такую вспышку сверхновой звездой: при внешнем сходстве со сверхновыми звездами типа Ia, описанными в главе 5, они совсем другие по природе. Энергия взрыва сверхновой звезды раскидывает химические элементы прошлой и самой свежей выработки по всей галактике, проделывая дыры в распределении газа и обогащая близлежащие облака новым сырьем образования твердых частиц космической пыли. Этот взрыв на сверхзвуковой скорости прорывается сквозь межзвездные облака, сжимая их газовое и пылевое содержимое и, вполне возможно, создавая ряд газовых карманов высокой плотности, из которых потом смогут образоваться новые звезды.
Вселенной от таких сверхновых звезд перепадает великий дар — все химические элементы, помимо водорода и гелия: те самые элементы, из которых могут образовываться планеты, простейшие организмы и люди. Мы живем на Земле только потому, что миллиарды лет назад где-то в космосе взорвалось бессчетное количество звезд — в те далекие эпохи истории Млечного Пути, когда Солнца и его планет еще и в помине не было и им лишь предстояло собраться в единые скопления внутри пыльного и темного космического межзвездного облака, которое, в свою очередь, несло в себе химические богатства, унаследованные от предыдущих поколений звезд с высокой массой.
Персональная премия авторов этой книги за самый неоцененный научный вклад XX века присуждается открытию о том, что сверхновые звезды — мощные финальные взрывные аккорды особо крупных умирающих звезд — являются первостепенным источником тяжелых элементов в природе. Это относительно невоспетое озарение впервые было высказано в научной статье, опубликованной в 1957 году в американском журнале Reviews of Modern Physics («Обзоры современной физики») под заголовком «Синтез элементов в звездах» (Э. Маргарет Бербидж, Джеффри Р. Бербиджа, Уильяма Фаулера и Фреда Хойла). В своей статье четверо ученых представили теоретическую и вычислительную схему, которая по-новому трактовала и объединяла домыслы других ученых за последние 40 лет в двух основных областях: речь идет об источниках звездной энергии и о преобразованиях химических элементов.
Космическая ядерная химия и попытки понять, как в процессе термоядерного синтеза появляются и разрушаются разные типы ядер, всегда были непростым делом. В числе самых главных вопросов непременно значились следующие: как ведут себя химические элементы под воздействием разных температур и разного уровня давления? Соединяются ли эти элементы или распадаются? Насколько это трудоемкий процесс? Выделяется ли при этих процессах новая кинетическая энергия или потребляется существующая? Как эти процессы отличаются между собой в случае с каждым отдельным элементом периодической таблицы?
Что для вас значит периодическая таблица химических элементов? Если вы не отличаетесь от большинства школьников, вы наверняка помните огромную таблицу на стене своего класса, украшенную таинственными ячейками. Некие загадочные буквы и символы в ее прямоугольниках ассоциировались с лабораториями, в которые незачем заходить без явной на то причины. Но для тех, кому знакомы ее секреты, эта таблица — книга рассказов о космической жестокости, в результате которой ее компоненты, собственно, и появились на свет. В периодической таблице перечислены все известные человечеству природные элементы Вселенной, выстроенные от малого до великого по мере увеличения количества протонов, приходящихся на ядро каждого из них. Два самых легких элемента — это водород (один протон на ядро) и гелий (два). Как верно подметили четверо авторов той самой статьи 1957 года, при наличии должных условий — температуры, плотности и давления — звезда может использовать свои запасы водорода и гелия того, чтобы собрать из них все остальные элементы периодической таблицы.
Подробности этого созидательного процесса и прочих взаимодействий, которые ведут не к созданию, а к распаду ядер, составляют собой основу науки ядерной химии. Она занимается тем, что устраивает и использует «сечения столкновений», чтобы измерить, как близко одна частица должна оказаться к другой, чтобы они могли вступить в какое-либо существенное взаимодействие. Физики могут запросто рассчитать сечения столкновений для бетономешалок или огромных жилых трейлеров, путешествующих по улице в кузове эвакуатора, а вот проанализировать поведение крошечных ускользающих от внимания субатомных частиц уже в разы труднее. Уверенное понимание концепции сечения столкновения позволяет физикам прогнозировать скорость ядерных реакций и их динамику. Нередко небольшие неясности в сверочных таблицах значений этих сечений приводят ученых к вопиюще ошибочным заключениям. Трудности, которые им приходится преодолевать, можно сравнить с попытками ориентироваться в метро одного города, вооружившись схемой метро другого: при всей корректности вашей базовой теории любой нюанс ситуации может оказаться критическим.
Несмотря на то что ученые ничего не знали о сечениях столкновений, в первой половине XX века они на протяжении долгого времени подозревали, что если и есть во Вселенной место экзотических ядерных процессов, то ядра звезд для них — самый подходящий вариант. В 1926 году британский астрофизик-теоретик сэр Артур Эддингтон опубликовал статью, которая называлась «Внутреннее строение звезд» (The Internal Constitution of the Stars). В ней он доказывал, что лаборатория им. Кавендиша, бывшая ведущим центром по исследованиям в области атомной и ядерной физики, не может быть единственным местом во Вселенной, где умеют переплавлять одни элементы в другие.
«Но возможно ли признать, что такое преобразование происходит? Утверждать это непросто, но отрицать, что это происходит, пожалуй еще сложнее… и если что-то можно совершить в лаборатории Кавендиша, вряд ли так уж сложно повторить это внутри Солнца. Думаю, что предположение о том, что звезды — плавильные котлы, в которых более легкие атомы, взятые из туманности, соединяются в более сложные элементы, в целом должно поддерживаться»[41].
Статья Эддингтона, которая предвосхитила более подробные исследования Бербидж, Бербиджа, Фаулера и Хойла, вышла на несколько лет раньше открытия квантовой механики, без которой наше понимание физических свойств атомов и атомных ядер было бы, мягко говоря, жалким. Словно пророк, Эддингтон сформулировал подобие сценария для создания звездной энергии с помощью термоядерного синтеза водорода и гелия.
«Нам не следует привязываться к реакции образования гелия из водорода как к единственно возможному источнику энергии для звезды, хотя что-то подсказывает, что для дальнейших этапов создания химических элементов характерно гораздо меньше выделения и гораздо больше поглощения энергии. Позицию можно сформулировать следующим образом: атомы всех элементов состоят из атомов водорода, прочно связанных друг с другом, и, вероятно, когда-то они были образованы из водорода; нутро звезды — столь же подходящее место для свершения эволюции, как и любое другое»[42].
Любая модель преобразования элементов должна объяснять то их разнообразие, которое мы наблюдаем на Земле и в других регионах Вселенной. Для этого физикам требовалось найти некий фундаментальный процесс, который позволял бы звездам извлекать энергию из процесса переплавки одних элементов в другие. К 1931 году, когда теории квантовой механики уже вполне оформились (хотя еще не были открыты нейтроны), другой британский астрофизик, Роберт д'Эскур Аткинсон, опубликовал подробную статью, которая предлагала читателю «теорию синтеза звездной энергии и происхождения элементов… в которой различные химические элементы постепенно создаются из более легких внутри самих звезд с помощью успешной переработки протонов и электронов одного за другим».
В том же году американский ядерный химик Уильямс Д. Харкинс опубликовал статью, в которой отметил, что «элементы с низким атомным весом (помните? речь о количестве протонов и нейтронов в каждом ядре) имеются в природе в гораздо большем изобилии, нежели тяжелые элементы, а элементы с четными атомными числами (по количеству протонов в атомном ядре) в среднем встречаются примерно в десять раз чаще, чем элементы с нечетными атомными числами, но примерно того же достоинства». Харкинс выражал догадку; что относительное изобилие ряда элементов скорее зависит от ядерного синтеза, чем от такого: химического процесса, как возгорание, и что более химические элементы наверняка получились из более легких.
Подробности механики самого процесса термоядерного синтеза, протекающего в звездах, могли бы в результате объяснить наличие в космосе многих элементов, особенно тех, которые получаются каждый раз, когда вы прибавляете ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами к тому элементу, который получили на предыдущем этапе синтеза. Такие элементы и представляют собой те самые изобилующие с «четными атомными номерами», о которых говорил Харкинс. Однако существование и относительные количества многих других элементов так и оставались необъясненными. Значит, сборка элементов по кирпичикам в космосе происходила по какому-то другому принципу.
Нейтрон, который был открыт в 1932 году британским физиком Джеймсом Чедвиком во время работы в тех же лабораториях им. Кавендиша, играет важнейшую роль в ядерном синтезе — роль, какую Эддингтон себе и вообразить не мог. Собрать что-то из протонов — это большой труд, ведь они естественным образом отталкивают друг друга, как и все одинаково заряженные частицы. Чтобы соединить протоны, нужно приблизить их друг к другу на достаточно малое расстояние (как правило, это делается при воздействии высоких температур, давления и плотности), позволяющее преодолеть их природную взаимную неприязнь, — и тогда сильное ядерное взаимодействие привяжет их друг к другу. Нейтрон, однако, не имея заряда, не отталкивает от себя другие частицы, поэтому он может запросто проследовать в атомное ядро и присоединиться к банкету собравшихся там частиц, удерживаясь на месте благодаря той же силе, что удерживает там и протоны. В итоге новый элемент не образуется, ведь этого в ядре нужно изменить количество протонов. Но, добавляя нейтрон, мы создаем «изотоп» ядра исходного элемента, который лишь немного отличается от своего прототипа, так как даже суммарный электрический заряд у него остается тем же. В некоторых случаях свежепойманный нейтрон, стоит добавить его к ядру, оказывается нестабильном: тогда он спонтанно преобразует сам себя в протон (который уже вполне стабилен и не покидает ядро) и в электрон (который тут же покидает данную систему частиц). Именно таким образом, словно внутри Троянского коня, протоны могут проникать в атомные ядра под видом нейтронов.
Если стабильный поток нейтронов не иссякает, каждое ядро может успеть поглотить немало нейтронов, прежде чем первый из распадется на протон и электрон. Такие «быстро усвоенные» нейтроны помогают образовать группу элементов, происхождение которых отождествляется с «быстрым процессом захвата нейтронов» и которые отличаются от тех элементов, что образуются за счет медленной подачи в их ядро нейтронов (когда каждый последующий нейтрон попадает в ядро только после того, как предыдущий распадется на протон и электрон).
Обе модели захвата нейтронов — быстрая и медленная — в ответе за создание множества элементов, которые не могут сформироваться в процессе традиционного термоядерного синтеза. Все остальные элементы в природе могут быть получены за счет еще ряда процессов, в том числе сталкивания на огромной скорости сильно заряженных фотонов (гамма-излучение) с ядрами тяжелых атомов, которые затем распадаются на несколько меньших по размеру.
Рискуя чрезмерно упростить суть жизненного цикла звезды с высокой массой, мы все же позволим заявить, что каждая звезда живет за счет того, что внутри нее создается и высвобождается энергия, которая позволяет звезде противостоять гравитации. Если бы не это производство энергии с помощью термоядерного синтеза, каждый звездный газовый шар просто коллапсировал бы под тяжестью своего собственного веса. Эта доля ожидает те звезды, которые уже истощили запасы ядер водорода (протонов) в своих звездных ядрах. Как уже было отмечено ранее, превратив водород в гелий, ядро звезды принимается делать из гелия углерод, затем из углерода — кислород, из кислорода — неон и так далее, пока дело не дойдет до железа. Чтобы успешно синтезировать все новые и новые и все более тяжелые элементы в этой последовательности, сопутствующая температура реакций должна постоянно повышаться, чтобы атомные ядра могли преодолевать возникающие между ними силы отталкивания. К счастью, это происходит само собой, потому что в конце каждой промежуточной стадии, когда источник энергии звезды временно перекрывается, ее внутренние регионы сжимаются, температура подскакивает — и запускается новый этап ядерного синтеза. Так как ничто не продолжается вечно, звезда в какой-то момент сталкивается с серьезной проблемой: оказывается, во время синтеза железа энергия не выделяется, но поглощается. Плохие новости для нашей звезды! В ее термоядерной шляпе фокусника нет больше волшебной палочки, одним взмахом которой она могла бы запустить новый процесс, выделяющий энергию противопоставления своей собственной гравитации. В этот момент звезда резко коллапсирует, из-за чего ее внутренняя температура возрастает столь стремительно, что она взрывается, раскидывая свои звездные внутренности во все стороны.
В процессе самого взрыва наличие нейтронов, протонов и энергии позволяет сверхновой звезде создавать элементы множеством разных способов. В своей статье 1957 года Бербидж, Бербидж, Фаулер и Хойл объединили:
♦ хорошо проверенные положения квантовой механики;
♦ физические особенности взрывов;
♦ свои новейшие сечения столкновений;
♦ разнообразные процессы преобразования ок элементов в другие;
♦ основы теории эволюции звезд.
Все это того, чтобы подвести читателя к одной мысли: взрывы сверхновых звезд — это первоосновной источник всех элементов тяжелее водорода и гелия в нашей Вселенной.
Помимо звезд с высокой массой в качестве источников тяжелых элементов и сверхновых звезд в качестве наиболее вероятного источника распространения этих элементов, великолепная четверка заодно получила решение еще одной задачи совершенно даром: когда внутри звездного ядра синтезируются элементы тяжелее водорода и гелия, никакого прока от этого нет, если не отправить их на все четыре стороны в межзвездное пространство, чтобы там из рано поздно получился мир, в котором могут рождаться вомбаты. Бербидж, Бербидж, Фаулер и Хойл объединили наше понимание ядерного синтеза в звездах с той вселенской кузницей элементов, следы которой мы находим в космосе повсеместно. Их выводы пережили десятилетия скептического анализа, поэтому опубликованной ими статье можно отвести лишь одну роль — роль переломной работы в истории изучения человеком устройства Вселенной.
Да, Земля и вся жизнь на ней суть звездная пыль. Нет, мы еще не ответили на все интересующие нас химические вопросы космического масштаба. Так, любопытную загадку современности представляет собой технеций — первый химический элемент, полученный (в 1937 году) искусственным путем в земной лаборатории. (Само слово «технеций», как и другие с префиксом «тех», отсылает к греческому «технетос», что означает «искусственный».) Найти технеций в природе на Земле нам еще предстоит, но астрономы уже нашли его в атмосферах небольшого количества красных гигантов, входящих в нашу галактику. Само по себе это не столь удивительно, если бы не тот факт, что технеций преобразуется в другие элементы с периодом полураспада 2 миллиона лет, что в разы меньше возраста и средней продолжительности жизни звезд, за которыми мы наблюдаем. Эта головоломка привела к рождению разных экзотических теорий, которые пока не получили единодушного одобрения мирового сообщества астрофизиков.
Красные гиганты с такими особенными химическими свойствами встречаются редко, но они оказались достаточно большой занозой (и не только) группы физиков (как правило, спектроскопистов), которые специализируются в подобных вопросах, чтобы те сели, написали и распространили «Новости о химически пекулярных красных звездных гигантах»[43]. Вы не найдете этого издания в киосках и магазинах с периодикой; в таких тиражах обычно публикуются новости с конференций и заметки о текущих исследованиях. Заинтересованных ученых подобные бесконечные химические загадки пленят столь же сильно, как и темы черных дыр, квазаров и ранней Вселенной. Но вам прочитать о них редко где удается. Почему так? Потому что средства массовой информации уже давно решили, о чем следует писать, а о чем — нет. Судя по всему, новости о космическом происхождении каждого отдельного химического элемента, из которых в общей сложности состоит ваше тело, на повестку дня не попадают.
Не упускайте свой шанс исправить ту несправедливость, которую навязывает вам современное общество! Давайте прогуляемся по периодической таблице, останавливаясь, чтобы обратить отдельное внимание на особенно увлекательные факты о различных химических элементах и восхититься тем, как Вселенная умудрилась сотворить их все из водорода и гелия, появившихся в результате Большого взрыва.

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • Twitter
  • RSS

Комментирование записей временно отключено.