Звезды с большей массой, которая в 15 и более раз превышает массу Солнца, не прекращают уплотняться при ничтожной температуре в 10–15 млн градусов Цельсия. Их гравитационное сжатие остановится только при более высоких температурах, при которых в результате термоядерных реакций могут образоваться более тяжелые элементы. Например, при 100 млн градусов Цельсия в звездах может происходить слияние ядер гелия, в результате чего образуется углерод и затем кислород. В самых больших звездах, красных сверхгигантах, температуры столь высоки, что позволяют образовывать всевозможные элементы вплоть до железа.
Некоторые из важнейших ядерных реакций, при которых образуются тяжелые элементы, происходят путем слияния ядер гелия, так называемых альфа‑частиц (каждое из них, как мы упоминали выше, имеет два нейтрона и два протона). Одна такая реакция называется тройной гелиевой – тройным альфа‑процессом. Она проходит в два этапа, в результате чего из трех альфа‑частиц образуется углерод. Эта реакция довольно сложная и редкая, что ограничивает формирование тяжелых элементов в больших количествах. Но как только появляется углерод, альфа‑цепочка продолжается, последовательно добавляя по одной альфа‑частице за раз вначале к углероду, производя кислород, потом неон, магний и кремний и так далее до железа, хотя по идее вначале появляются неустойчивые изотопы никеля, распадающиеся благодаря радиоактивности на стабильные изотопы железа. Процессы каждого последующего шага требуют все более высокой температуры и давления. Поэтому они происходят во все более глубоких и горячих слоях гигантской звезды, напоминающих слои луковицы. Чем глубже слой, тем более тяжелые элементы там появляются.
Слоистая структура гигантских звезд напоминает луковицу. Каждый более глубокий и горячий слой – это фабрика, перерабатывающая более легкие элементы из наружных слоев в тяжелые: водород – в гелий, гелий – в углерод и так далее, вплоть до железа. Многие реакции включают слияние с ядрами гелия в альфа‑процесс ах, создавая элементы, необходимые для возникновения планет и жизни, – углерод, кислород, магний, кремний и т. д. (C разрешения Барбары Шеберл, Animated Earth LLC.)
Самый верхний слой «звездной луковицы» достаточно горяч, чтобы поддерживать реакцию превращения водорода в гелий и снабжать этими частицами более глубокие слои. Если бы этот слой производил гелий так же медленно, как Солнце, это помешало бы образованию тяжелых элементов во внутренних слоях или, по крайней мере, сильно бы затормозило процесс (при высоких температурах и давлении реакции протекают быстрее и запасы гелия быстро исчерпались бы). Но реакция в звездах‑гигантах идет быстрее из‑за участия углерода, азота и водорода в так называемом углеродном цикле. Водород быстро превращается в гелий, или альфа‑частицы, и перемещается во внутренние слои звезды.
В самом глубоком и горячем слое, у ядра звезды, распадаются неустойчивые изотопы никеля и образуются стабильные изотопы железа. На этом образование элементов путем слияния легких ядер заканчивается. Формирование любого элемента тяжелее железа требует «создать» массу, так как масса этого нового элемента будет больше массы его компонентов. Значит, при его формировании энергия будет поглощаться, а не выделяться. Образование ядер тяжелых элементов ведет к снижению температуры, и термоядерная реакция прекращается.
Некоторые элементы, наиболее распространенные в Солнечной системе (после водорода и гелия, конечно), полностью состоят из альфа‑частиц и являются главными строительными кирпичиками планет и жизни: углерод, кислород, кремний, магний, кальций и железо. Возможно, это объясняет, почему жизнь зиждется на углероде. Углерода во Вселенной много, это один из первых устойчивых элементов в цепи производства альфа‑частиц. Атом углерода входит в состав многих химических соединений, в частности, соединяется с вездесущим водородом, образуя органические вещества, которые являются основой жизни. Другие важные для жизни элементы, такие как азот и фосфор, появляются в результате других термоядерных реакций, особенно в соединениях с водородом. Таким образом, дорогой читатель, все атомы твоего тела, кроме возникшего вместе с Большим взрывом водорода, появились в недрах гигантских звезд. Трудно в это поверить, но должен же ты был откуда‑то произойти.
В знаменитой Периодической системе химических элементов, составленной русским химиком Дмитрием Менделеевым, присутствуют все известные нам элементы. Многие из них значительно тяжелее железа, но по сравнению с другими элементами встречаются они в малых количествах. Дело в процессе, называемом нейтронным захватом. Известны две его разновидности: при происходящем внутри звезд медленном захвате нейтронов ядра атомов железа соединяются с нейтронами, оставшимися после термоядерных реакций. Тяжелые изотопы железа, как правило, нестабильны и обычно испускают электрон, при этом один из нейтронов превращается в протон и создается более тяжелый по сравнению с железом элемент. Эти элементы, в свою очередь, захватывают все больше нейтронов, создавая все более и более тяжелые элементы. Вторая форма, быстрый нейтронный захват, происходит во время коллапса гигантских звезд.
Через 5 млрд лет наше Солнце сожжет весь имеющийся в его ядре водород и умрет. Термоядерные реакции прекратятся, и Солнце вновь начнет сжиматься, продолжая свой начавшийся 5 млрд лет назад коллапс. Однако оно будет все еще очень горячим, и возобновленный коллапс может нагреть его до 100 млн градусов Цельсия. Это позволит превращать гелий в углерод, а затем в кислород, как это происходит в звездах‑гигантах. В этот момент Солнце расширится до размеров красного гиганта (не путать с красным сверхгигантом) и поглотит ближайшие объекты Солнечной системы, включая Землю. Из‑за ядерного горения гелия, или реакции альфа‑процесса, топливо в солнечном ядре быстро прогорит, последует сжатие, но оно уже не нагреет Солнце до температур, при которых вновь начнутся термоядерные реакции создания тяжелых элементов. Наша звезда будет уже, по сути, мертва. Когда остатки водорода и гелия иссякнут, она станет медленно остывающим, светящимся, очень плотным объектом, состоящим из углерода и кислорода, – белым карликом, который будет меньше Солнца примерно в 100 раз.
Гибель гигантских звезд при всей своей катастрофичности для Вселенной событие продуктивное. Исчерпав топливо для термоядерных реакций, гигантская звезда начинает вновь сжиматься. Она так огромна, что коллапс получается внезапным и очень мощным, и столкновение внешнего слоя звезды с более плотным ядром вызывает мощную ударную волну и вспышку сверхновой. Во время вспышки протекает быстрый процесс захвата нейтронов: они присоединяются к атомам, образуя химические элементы тяжелее железа. Вспышки сверхновых выбрасывают в межзвездное пространство продукты термоядерного синтеза, произведенные во всех слоях этих звезд. Они образуют новое поколение молекулярных облаков с более тяжелой пылью, облака сформируют звездные системы, полные материала для образования планет. Вспышки сверхновых могут запускать коллапс протосолнечных облаков. Судя по всему, именно так образовалась Солнечная система. Об этом говорит, например, то, что частички космической пыли в некоторых метеоритах содержат тяжелые изотопы железа, которые могли образоваться только при вспышке сверхновой.
Бóльшая часть массы гигантской звезды выбрасывается в пространство во время вспышки сверхновой, то, что остается, сжимается в чрезвычайно плотную массу. Если она в два‑три раза больше массы Солнца, электронное облако, сохраняющее объемы атомов, не может противостоять внутреннему давлению массы, электроны сходят с орбит и «вдавливаются» в ядро, превращая протоны в нейтроны. Радиус атома примерно равен 10–10 м (1 ангстрем, 1Å), а радиус его ядра – 10–15 м – отличие, как между стадионом и муравьем. Поскольку радиус и объем каждого атома сожмутся в 10–5 раз, плотность вещества (т. е. масса, поделенная на объем) возрастет в 1015 раз, т. е. в квадриллион раз! Образовавшееся сверхплотное тело ученые называют нейтронной звездой. Ее плотность столь высока, что, если бы мы наполнили таким веществом обычную пипетку, она весила бы больше, чем все население Земли.
Если оставшаяся масса нейтронной звезды превышает массу Солнца более чем в три раза, нейтроны сожмутся в еще более плотную массу, предположительно состоящую из кварков. Такой объект называют кварковой звездой, ее существование пока не подтверждено наблюдениями.
Наконец, если оставшаяся масса превысит пять солнечных масс, тогда даже кварки не могут сопротивляться дальнейшему сжатию и масса уплотнится до крошечного объема, образовав ядро черной дыры. Ее гравитационное притяжение так велико, что даже свет не может покинуть ее центр. Граница в пространстве‑времени, начиная с которой свет не может покинуть объект, называется горизонтом событий. У нас есть доказательства того, что черные дыры действительно существуют, в том числе и сверхмассивные, находящиеся в центрах галактик.
Эта предсмертная агония сверхмассивных звезд играет важную роль в нашей «истории всего», ведь эти звезды производят «строительные блоки» для планет и жизни и распространяют их по галактике благодаря вспышкам сверхновых. Для формирования планет (и лично тебя, дорогой читатель) звезды должны в огромных количествах производить элементы тяжелее водорода и гелия и испускать их, чтобы образовались новые пылевые облака. В одном таком облаке около 5 млрд лет назад сформировалась наша Солнечная система. Необходимо много сверхмассивных звезд, чтобы они создали и распространили в галактике нужные элементы. И это должно происходить часто, чтобы галактику заполнили пылевые облака, из которых впоследствии сформируются планеты.
В нашей Галактике совсем неподалеку от нас обнаружено большое число планетных систем; скорее всего, они формируются часто, и во Вселенной для этого достаточно нужного материала. Если бы сверхмассивные звезды жили столько же, сколько и звезды малой массы, некоторые из них все еще выбрасывали бы в пространство тяжелые элементы. Но из‑за высоких температур и давления сверхмассивные звезды – как и самые первые звезды, образовавшиеся через сотни миллионов лет после Большого взрыва, – быстро, по космическим меркам, сгорели. Процесс выгорания водорода, в результате которого образуются элементы тяжелее железа, так скоротечен, что звезды за несколько миллионов лет успевают израсходовать запас горючего и взорваться, образуя новые протопланетные облака. Рождаясь и умирая, сверхмассивные звезды за несколько миллиардов лет производят достаточно пылевых облаков, чтобы формировались планетарные системы – как наша около 5 млрд лет назад. Пик звездообразования, возможно, был достигнут 10 млрд лет назад, так что мы вступили в космическую игру с некоторым опозданием.
3. Солнечная система и планеты
Солнечная система и Земля сформировались около 5 млрд лет назад, когда Вселенной уже исполнилось 9 млрд лет. Вопрос о возрасте Солнечной системы и нашей планеты сопровождался не меньшим количеством открытий и дебатов, чем споры о возрасте Вселенной. Известно, что взгляд ученых на возраст Земли вступает в конфликт с религиозной доктриной, однако одна из самых известных и продолжительных дискуссий произошла не между учеными и богословами, а в научной среде.
В XIX в. уже упоминавшийся в главе 1 британский физик Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, подсчитал, что некогда расплавленная Земля, остывая под воздействием холодной среды (космоса, атмосферы, океана и т. п.), должна была достичь современной температуры примерно за 20 млн лет. Из этого Кельвин сделал вывод, что Земля моложе, чем принято было считать в его время. Заодно он пересчитал возраст Солнца. Кельвин был убежден, что Солнце вырабатывает тепло только благодаря коллапсированию, вызванному гравитационным сжатием (о реакции ядерного горения водорода тогда не знали). Учитывая размер Солнца и его светимость, ученый ограничил возраст нашей звезды теми же 20 млн лет. Это намного больше 6000 лет, что высчитал, основываясь на Библии, Джеймс Ашшер, но геологи и эволюционные биологи не верили Кельвину и продолжали считать, что Земля должна быть еще старше.
Ученые‑геологи, включая и Чарльза Дарвина, вычислили, что для образования осадочных слоев в горах и каньонах потребовались бы как минимум сотни миллионов лет, особенно учитывая низкую скорость отложения осадочных пород реками и наводнениями. Биологи также полагали, что Земле не меньше нескольких сотен миллионов лет: при черепашьей скорости биологических мутаций биологическое разнообразие и богатая палеонтологическая летопись планеты не могли быть созданы за меньшее время. Но лорд Кельвин с высоты своего научного авторитета не счел эти доказательства убедительными. Споры между физиками и геологами, иногда ожесточенные, продолжались десятилетиями. В конце концов выяснилось, что все были не правы.
Точку в спорах о возрасте Земли поставило открытие ядерного распада радиоактивных элементов. Радиоактивность была открыта в конце XIX в. Анри Беккерелем и Мари и Пьером Кюри. Их исследования, удостоенные Нобелевской премии, показали, что атомы некоторых элементов, например урана, нестабильны и могут, испуская частицы из ядра, спонтанно трансформироваться в другие элементы. А поскольку множество радиоактивных элементов обнаруживается в скальных породах, ученые предположили, что внутренний слой Земли должен быть в высокой степени радиоактивен. Тепла, выделяемого излучаемой энергией частиц во время радиоактивного распада, могло быть достаточно, чтобы поддерживать Землю достаточно горячей (до ее сегодняшней температуры), даже если некогда расплавленная планета остыла миллиарды лет назад. Этот аргумент, впервые высказанный британским физиком Эрнестом Резерфордом, однако, не выдерживает критики, потому что Земля, похоже, имеет намного меньшую концентрацию радиоактивных элементов, чем думали раньше. Более того, если принять кельвиновскую модель статичной Земли, радиоактивность можно было вообще не брать в расчет. Британские ученые Джон Перри и Осмонд Фишер предположили, что теплообмен внутри Земли, при котором горячие массы поднимаются вверх, а холодные опускаются (этот процесс называется конвекцией), делает теорию Кельвина несостоятельной. Потеря тепла Землей могла продолжаться миллиарды лет благодаря подъему на поверхность более горячих масс от центра планеты. Открытие в 1920–1930‑х гг. термоядерных реакций привело к осознанию, что Солнце вырабатывает энергию не из‑за постоянного гравитационного сжатия, а из‑за реакции горения водорода (мы затрагивали эту тему в главе 2), и это горение может длиться миллиарды лет.