Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Такая звезда называется белым карликом. Ее плотность составляет примерно 1 тонну на чайную ложку – представьте себе внедорожник, сжатый до размеров кубика сахара. Единственный источник энергии, оставшийся у такой звезды, – это тепло, которое она сохранила в своей предсмертной агонии из беспорядочных ядерных реакций. Она становится подобна угольку в камине, медленно излучающему тепловую энергию в пространство – сперва, когда она впервые раскрывается, отбросив внешние слои, это происходит при температуре 100 000 К или еще более высокой, но постепенно, по мере излучения тепла, температура становится все меньше и меньше. В сущности, ее масса уже исключена из цикла рождения и смерти звезд в Галактике. И несмотря на вероятность того, что во время последних пульсаций звезды часть произведенного ею Углерода будет извлечена и выброшена в космос вместе с ее изначальными внешними слоями, вряд ли можно сказать, что это хоть в какой-то мере обогатит Вселенную новыми атомами.

Большинство звезд Млечного Пути изначально уступают Солнцу по массе, и все они следуют очень похожему жизненному циклу. Это кажется нелогичным, но чем меньше масса звезды, тем больше времени требуется для ее эволюции⁴. Даже первое поколение звезд во Вселенной, начавших свою жизнь с массой менее 80 % массы Солнца, все еще находятся в фазе горения Водорода. Если бы все звезды следовали этому сценарию, мы бы просто не смогли его обсуждать, потому что первичный Водород, Гелий и Литий изменились бы только за счет добавления крошечной доли Углерода, а Галактика была бы усеяна трупами белых карликов. К счастью для нас, более массивные звезды живут более драматичной жизнью.

Звездные кузницы: вклад массивных звезд

Для звезд, масса которых уже в начале их жизни в несколько раз превышает массу Солнца, производство Углерода – это не конец пути. Излишек массы повышает плотность и температуру настолько, что часть Углерода на внешнем крае ядра может реагировать с Водородом в оболочке H -> He и производить Азот посредством трех первых этапов CNO-цикла (см. рамку 16.1). Кроме того, если температура становится достаточно высокой, ядра Гелия могут сливаться с Углеродом и образовывать Кислород, Неон и Магний (четные элементы 8, 10 и 12, к которым на каждом этапе добавляются два протона и два нейтрона: ¹²C + n x ⁴He -> ¹⁶O, ²⁰Ne и ²⁴Mg, где n = 1, 2 или 3). Эти реакции чрезвычайно чувствительны к температуре: она соизмеряется как Т в сороковой степени (Т⁴⁰), так что ее повышение на 5 % приводит к увеличению скорости сгорания на 700 % и, следовательно, к такому же возрастанию в производстве энергии. Однако для звезд, исходная масса которых примерно в восемь раз больше массы Солнца, конечный результат один и тот же: пульсационная нестабильность, выброс внешних слоев и смерть, оставляющая лишь труп белого карлика. Опять же, часть недавно синтезированного вещества может попасть в космос во время предсмертной агонии звезд (поскольку белый карлик должен иметь массу менее 1,4 солнечной массы, большая часть исходной массы звезды теряется в процессе), но существенная доля этих элементов попадает «под замок» и никогда больше не принимает участия в циклах рождения и смерти звезд.

Однако у звезд, чья исходная масса вещества превышает восемь солнечных масс, жизнь гораздо более интересна. Как мы уже отмечали в этой главе, несмотря на то, что у них гораздо больше ядерного топлива, чем у звезд с меньшей массой, они используют его расточительно, генерируя энергию в тысячи и сотни тысяч раз быстрее, чем звезды «солнечного» типа. Поэтому их жизнь соразмерно короче – звезда с массой 25 солнечных масс живет менее 7 миллионов лет.

Как и для всех звезд, даже для такого гиганта, первый шаг – это синтез Водорода в Гелий. Он начинается, когда температура ядра достигает примерно 14 миллионов К, и длится примерно 6 миллионов лет. Потом, как и у Солнца, Гелий производит Углерод, что начинается при температуре в 100 миллионов кельвинов и длится всего 700 000 лет. Затем звездный Углерод превращается в Кислород, Неон и Магний, как в звездах с массой от 3 до 8 солнечных, начиная с температур 500 миллионов кельвинов, но на этом дело не заканчивается. Под воздействием жара, при температуре 1,2 миллиарда кельвинов, Неон также может превратиться в Магний. Но к этому времени образующиеся фотоны имеют настолько высокую энергию, что могут отделить ядро Гелия от ядер Неона и произвести больше Кислорода.

²⁰Ne + ? -> ¹⁶O + ⁴He

Именно поэтому Кислород стал третьим по распространенности элементом во Вселенной.