Третий порог. Новые элементы и рост химической сложности

Через миллиард лет после Большого взрыва Вселенная уже вела себя интересным образом, как маленький ребенок. Но с химической точки зрения она была очень скучной. В ней не было ничего, кроме водорода и гелия. Третий порог усложнения породил новые формы вещества – все остальные элементы периодической таблицы. Вселенная, в которой девяносто разных элементов, способна на гораздо большее, чем та, где есть лишь водород и гелий.

Водород и гелий образовались первыми, потому что они самые простые. В ядре водорода один протон, и мы говорим, что его атомное число равно 1. Ядро гелия содержит два протона, его атомное число равно 2. Когда примерно через 380 000 лет после Большого взрыва возникло реликтовое излучение, добавилось немного лития (атомное число 3) и бериллия (атомное число 4). Вот и все. Других элементов при Большом взрыве не возникло.

Условия Златовласки для образования других элементов с более крупными ядрами были простыми: много протонов и очень высокие температуры, такие, которые наблюдались лишь сразу после Большого взрыва. Эти температуры удалось получить в драматичных, противоречивых условиях умирающих звезд, когда те, износившись, пошатнулись и наконец стали распадаться, больше неспособные уплачивать энтропии налог на сложность.

Чтобы понять, как звезды, агонизируя, производят новые элементы, нужно разобраться в том, как они живут и старятся.

Жизнь звезды длится миллионы или миллиарды лет, так что наблюдать ее старение мы не можем. Поэтому астрономы, которые изучали небо невооруженным глазом, например майя, народ с озера Мунго или жители древних Афин, не могли рассказать современную историю жизни и смерти звезд. Наши сегодняшние представления основаны на результатах исследований, проводимых по всему миру с использованием приборов и данных, которые появились лишь в последние 200 лет. Благодаря массивам этих данных ученые могут обмениваться информацией о миллионах звезд на разных стадиях жизни. Как сказал английский астроном Артур Эддингтон, представители этой науки как будто ходят по лесу, где есть молодые побеги, а есть зрелые, старые и умирающие деревья[36]. Изучая деревья в разные моменты жизненного цикла, можно понять, как они растут, развиваются и умирают.

У астрономов есть одна главная карта, где собрано огромное количество информации о звездах, – это диаграмма Герцшпрунга – Рассела. Для них это то же самое, что глобусы, которые когда-то можно было найти в каждом школьном классе. Диаграмма, как и эти глобусы, помогает осмыслить большое количество информации.

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела была создана около 1910 года, на ней звезды классифицированы по двум основным свойствам. Первое откладывается по вертикальной оси, это собственная яркость, или светимость, звезды – количество энергии, которое она на самом деле испускает в космос, – по сравнению с Солнцем. Второе свойство – это цвет, по которому можно определить температуру поверхности звезды в кельвинах (К). Его обычно отмечают на горизонтальной оси. Поскольку два этих числа на протяжении жизни звезды меняются, с помощью графика можно понять, какая судьба ждет звезды разных типов. Существенные различия в их жизненной истории в первую очередь зависят еще от одной величины – массы того облака материи, из которого образовалась звезда. У массивных звезд иная судьба, чем у звезд с малой массой[37].

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела, упрощенная версия. Здесь примерно показано, как расположены представители различных типов звезд

На диаграмме Герцшпрунга – Рассела звезды с наибольшей светимостью, испускающие больше всего энергии, например Сириус, расположены выше других. Обычно это звезды с наибольшей массой. Звезды с наименьшей светимостью, например наша соседка Проксима Центавра, расположены ниже. Наше Солнце (со светимостью, равной 1) находится в середине. Звезды с очень высокой температурой поверхности находятся левее, а те, у которых температура поверхности низкая, правее.

Интерес представляют три основные области диаграммы. Широкая изогнутая полоса, которая тянется из ее нижнего правого угла в верхний левый, – это главная последовательность. Большинство звезд около 90 % своей жизни проводят в определенной точке главной последовательности. То, где именно они расположены, зависит от их массы, но все звезды этой группы генерируют необходимую им энергию, синтезируя из протонов ядра гелия. Тем же самым прямо сейчас занято наше Солнце. Это звезда среднего возраста, которая все еще находится на главной последовательности. В верхнем правом углу диаграммы вы найдете красных сверхгигантов, таких как Бетельгейзе, звезда в углу созвездия Ориона. Это состарившиеся звезды, которые истратили большинство своих протонов и топят печи, сжигая другие, более крупные ядра. Их поверхность холоднее, поскольку они расширились и превосходят наше Солнце по радиусу, вероятно, в 200 раз. Но в целом они испускают огромное количество света, поскольку очень велики, и поэтому находятся в верхней части диаграммы. Третья важная область – это нижний левый угол. Здесь вы видите белых карликов. Они были красными гигантами, пока не потеряли б?льшую часть внешних слоев, так что у них осталось лишь плотное горячее ядро.

Когда звезды становятся совсем старыми, у них рано или поздно кончаются свободные протоны и их центр начинает наполняться золой ядерного синтеза, то есть ядрами гелия. Для синтеза из ядер гелия нужна гораздо большая температура, чем для протонного синтеза, так что в конце концов очаг в ядре звезды затухает. Когда это происходит, гравитация побеждает и звезда схлопывается под действием собственной массы. Но это еще не конец истории. После коллапса звезда снова разогревается по мере того, как под действием гравитации растет давление. Удаленные от ядра внешние слои звезды расширяются и охлаждаются, удерживая равновесие. Нам эти более холодные внешние слои кажутся красными, поэтому на этой стадии звезды называют красными гигантами. Наше Солнце на этом этапе расширится примерно в 200 раз по сравнению с его нынешним объемом, и внутренние планеты, включая Землю, обратятся в пар.

Если масса красного гиганта достаточно велика, гравитация сжимает его настолько плотно, что ядро разогревается больше чем когда-либо – достаточно сильно, чтобы из ядер гелия синтезировать более тяжелые ядра, такие как углерод (с шестью протонами) и кислород (с восемью). Звезда возрождается, но слияние ядер гелия – более сложный процесс, чем синтез из протонов. Он не дает столько энергии, и средняя продолжительность жизни звезд на этой стадии значительно меньше. Очень крупные звезды проходят несколько стадий все более резкого расширения и сжатия. Из углерода и кислорода синтезируются элементы от магния до кремния и, наконец, железа. При нагревании звезд вступает в действие еще один механизм: некоторые нейтроны превращаются в протоны и образуют новые типы ядер. Ядро звезды постепенно становится огромным железным шаром, который окружают слои других элементов.

И вот это – уже конец пути, потому что при синтезе из ядер железа невозможно генерировать энергию. В конце концов, большинство звезд отбросят внешние слои и превратятся в белых карликов, которые находятся в нижнем левом углу диаграммы Герцшпрунга – Рассела. Белые карлики – это звездные зомби без огня в сердце. Чрезвычайно плотные, они часто имеют размер Земли и массу Солнца. Вы не сможете поднять и чайную ложку вещества, из которого состоит белый карлик, потому что она будет весить не меньше тонны[38]. Еще горячие, их тела будут остывать в течение миллиардов лет, но они сделали свою работу, обогатив окружающее пространство новыми элементами. На долю некоторых белых карликов выпадает более зрелищная смерть в виде гигантской вспышки сверхновой, когда их втягивают в себя близлежащие звезды. Это такой горячий взрыв, что в нем может образоваться множество элементов периодической таблицы. В ярком процессе гибели белого карлика во взрыве образуются так называемые сверхновые звезды типа Iа. Все они взрываются примерно при одной и той же температуре, так что, если вы видите такую звезду, вы знаете ее яркость, а это означает, что вы можете оценить истинное расстояние до нее. Сверхновые типа Ia позволяют астрономам определять расстояния в сотни раз большие, чем с помощью цефеид.

Звезды, масса которых превышает массу Солнца более чем в семь раз, тоже красочно окончат свой путь взрывом другого типа – вспышкой сверхновой с коллапсирующим ядром. Если в ядре сформировался железный шар, превышающий по размерам наше Солнце, очаг в центре погаснет в последний раз. Гравитация за долю секунды с огромной силой сомнет ядро, и при этом возникнут энергия и температуры, каких не было за всю жизнь звезды. Произойдет взрыв сверхновой, при котором она сможет недолго излучать столько же энергии, сколько излучает целая галактика. Всего за несколько минут она образует и выбросит в космос многие из оставшихся элементов периодической таблицы. Пожалуй, самый известный пример сверхновой с коллапсирующим ядром – это сердце Крабовидной туманности. Бетельгейзе в любой момент ближайшего миллиона лет может перейти к взрыву сверхновой.

Большинство сверхгигантов, отбросив внешние слои в процессе вспышки сверхновой, настолько резко сжимаются, что их протоны и электроны, сталкиваясь, образуют нейтроны. Теперь весь этот массивный шар смят в нейтронную звезду – объект, состоящий из нейтронов, которые набиты в него так же тесно, как частицы в атомном ядре. Это крайне плотная и очень необычная форма материи, ведь большинство атомов в основном состоят из пустого пространства. Нейтронная звезда диаметром всего 20 километров может весить в два раза больше нашего Солнца, а чайная ложка ее вещества – миллиард тонн[39]. Некоторые данные говорят о том, что многие тяжелые элементы периодической таблицы получились не при стандартных взрывах сверхновых, а в бурном процессе образования нейтронных звезд.

Нейтронные звезды быстро вращаются, как сигнальные маяки, и впервые их обнаружили в 1967 году, зафиксировав серию быстрых вспышек энергии. Вращающиеся нейтронные звезды называют пульсарами. Вскоре после того, как открыли первый пульсар, еще один обнаружили в центре Крабовидной туманности, оставшейся от взрыва сверхновой, который китайские астрономы наблюдали в 1054 году. Пульсар Крабовидной туманности по размерам напоминает город и делает 30 оборотов в секунду.

Самые массивные звезды ждет другой, еще более причудливый финал. Их ядра взрываются с такой силой, что сжатию противостоять невозможно, и они превращаются в черные дыры, самые плотные из известных нам объектов. Их существование предсказал Эйнштейн. Они настолько плотны, что ничто не может избежать их гравитационного притяжения, даже свет, поэтому мы так мало знаем об их внутреннем устройстве. Черные дыры – очень странные астрономические монстры, но теперь у нас есть масса свидетельств того, что они существуют. Вероятнее всего, первые звезды в нашей Вселенной были огромны, так что, по-видимому, многие из них сжались в большие черные дыры, а те стали гравитационными ядрами, вокруг которых образовались целые галактики, как жемчужины вокруг песчинок. Сегодня астрономы наблюдают крупные черные дыры в центре большинства галактик, включая нашу. Их гигантские гравитационные поля позволяют им засасывать в свои пасти ближайшие звезды. Когда звезду затягивает через границу черной дыры (ее горизонт событий), она испускает огромное количество энергии, как будто в предсмертном крике. Эти предсмертные вопли ведут к появлению исключительно ярких объектов, которые называются квазарами.

Граница, или горизонт событий черной дыры, – это точка невозврата. Здесь лежит предел наших знаний, потому что из когтей черной дыры может вырваться ничтожно малое количество информации. Мы можем оценить массу объекта, из которого черная дыра образовалась, а также характер ее вращения. Вот примерно и все. Впрочем, Стивен Хокинг показал, что тонкие квантовые эффекты позволяют крошечному количеству энергии просачиваться из черных дыр. Возможно, происходит также утечка информации, но, если это так, мы пока не умеем ее интерпретировать.

Вот такими разными способами звезды, умирая, обогатили и удобрили молодую Вселенную. Выкованные когда-то в умирающих звездах и сверхновых, элементы периодической таблицы собирались в гигантские межзвездные пылевые облака; атомы соединялись в простые молекулы, и в своеобразном брожении вызревали новые формы материи.

Мы знаем все это о звездах, потому что астрономы разработали способы, которыми можно определить, что в них происходит на расстоянии миллионов световых лет от Земли. Мы уже видели, сколько информации можно вытянуть из звездного света. Но видимый свет – это лишь крошечная часть энергии, которую излучают звезды и галактики. С помощью современных телескопов астрономы могут исследовать излучение любой частоты электромагнитного спектра, от самых длинных, ленивых радиоволн до мельчайших гиперактивных гамма-лучей. Компьютеры с высокой точностью обрабатывают колоссальные объемы информации, а космические телескопы, например телескоп «Хаббл», позволяют астрономам наблюдать Вселенную без искажений, которые создает атмосфера Земли. Эти современные научные игрушки могут очень и очень много рассказать о нашем галактическом окружении.

Предшествовавшие им приборы, например оптические телескопы и спектроскопы, тоже сыграли важнейшую роль. Абсорбционные линии, обнаруженные с помощью спектроскопов, говорят о том, какие элементы находятся в звездах и в каком количестве. Хотите узнать, сколько в Солнце золота? Направьте на него спектроскоп, найдите абсорбционные линии, соответствующие этому металлу, и измерьте, насколько они затемнены. Вы выясните, что золото составляет менее триллионной части массы Солнца. Но Солнце настолько велико, что если вы добудете все его золото, то станете несказанно богаты – ведь здесь его гораздо больше, чем на всей Земле.

Астрономы могут определить температуру поверхности звезды по тому, какого цвета (или частоты) свет она излучает, так что мы знаем, что температуры звездных поверхностей могут составлять от всего лишь 2500 K до целых 30 000 K. Кроме того, как мы уже видели, ученые способны вычислить общее количество света, которое испускает звезда (ее светимость), измерив видимую яркость и определив, насколько ярче звезда была бы вблизи. По этим двум показателям – температуре поверхности и светимости – строится диаграмма Герцшпрунга – Рассела. Наконец, если известна светимость звезды, часто можно определить ее массу. Аналогичные методы позволяют установить расстояние, размер, энергию целых галактик и то, как они движутся.

Эти методы за последние пятьдесят лет совершили революцию в наших представлениях о звездах и галактиках. Они помогли нам понять, как те развиваются, распадаются и как благодаря им Вселенная стала химически богатой. А это было критическим условием Златовласки для образования сложных молекул, из которых смогли получиться новые типы астрономических объектов, таких как наша Земля и ее спутник.