Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

Через всю астрофизику красной нитью проходит история о том, как ядерный синтез превращает простые ядра водорода в более сложные ядра: гелия, бериллия, лития, бора и т. д.

И это еще одна причина, по которой звезды важны для нас.

* * *

«Мы — звездная пыль», — пела Джони Митчелл. Конечно, это клише, но клише зачастую точно отражает истину. Ранее то же самое сказал Артур Эддингтон в New York Times Magazine: «Мы — крохи звездного вещества, которые случайно остыли, частицы неудавшейся звезды». Попробуйте положить это на музыку.

Согласно теории Большого взрыва, единственным элементом (ядром, конечно) в ранней Вселенной был водород. В интервале от 10 секунд до 20 минут после рождения Вселенной процессы ядерного синтеза, запущенные Большим взрывом, посредством вышеописанных реакций создали гелий-4 и по чуть-чуть дейтерия, гелия-3 и лития-7. Короткоживущие радиоактивные тритий и бериллий-7 тоже образовывались, но быстро распадались.

Одного водорода было вполне достаточно для возникновения газовых облаков, которые сжимались с образованием сначала протозвезд, а затем и звезд. В бушевавшем в недрах звезд ядерном урагане рождались новые химические элементы. В 1920 году Эддингтон предположил, что звезды энергетически питаются ядерным синтезом, слиянием ядер водорода в гелий. В 1939 году Ханс Бете исследовал протон-протонную цепочку и другие ядерные реакции в звездах, что придало достоверности теории Эддингтона. В начале 1940-х годов Джордж Гамов доказывал, что почти все химические элементы возникли в ходе Большого взрыва.

В 1946 году Фред Хойл предположил, что источником всех элементов тяжелее водорода был не Большой взрыв как таковой, а последующие ядерные реакции в недрах звезд. Он опубликовал длинный анализ возможных траекторий, по которым ядерные реакции могли привести к возникновению всех элементов вплоть до железа. Чем старше галактика, тем богаче и гуще в ней варево химических элементов. В 1957 году Маргарет и Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Хойл опубликовали работу «Синтез химических элементов в звездах». Эта знаменитая работа, которую при ссылках часто обозначают просто как B²FH (по первым буквам фамилий авторов), положила начало теории звездного ядерного синтеза — в сущности, это просто перефразированное название статьи; в ней был дан разбор многих важнейших ядерных процессов, протекающих внутри звезд. Вскоре у астрофизиков уже была убедительная теория на этот счет, и они научились предсказывать относительное содержание различных элементов в Галактике; эти предсказания (по большей части) соответствуют наблюдательным данным.

История в то время остановилась на железе, потому что это самое массивное ядро, которое может возникнуть в результате сжигания кремния — цепочки реакций, стартовым пунктом для которой служит кремний. Неоднократное слияние с гелием ведет к образованию кальция, а оттуда дальше через серию нестабильных изотопов титана, хрома и железа до никеля. Этот изотоп, никель-56, служит барьером для дальнейшего продвижения, поскольку следующий шаг — очередное слияние с гелием — должен был бы использовать энергию, а не производить ее. Этот изотоп никеля распадается, превращаясь в радиоактивный кобальт-56, а он, в свою очередь, превращается в стабильное железо-56.

Чтобы пройти дальше железа, Вселенной нужно было изобрести какой-то новый прием.

Им стали сверхновые.

Сверхновая — это взрывающаяся звезда. Новая — это менее энергичная форма того же самого, которая может увести нас прочь от заявленной темы. Кеплер наблюдал новую в 1604 году, и это было последнее замеченное нами подобное событие в Галактике, хотя позже были обнаружены остатки еще двух, более близких к нам по времени новых[59]. По существу, сверхновая — это последний вариант ядерной бомбы, и, когда такое происходит, одна звезда может затмить собой целую галактику. Она излучает в пространство столько энергии, сколько излучит Солнце за все время своего существования. Сверхновая может возникнуть в двух случаях. Белый карлик может получить дополнительную порцию вещества, поглотив своего компаньона — вторую звезду в паре; при этом он станет горячее и запустит углеродный синтез; процесс «выходит из-под контроля», и звезда взрывается. Или же ядро очень массивной звезды коллапсирует, и тогда высвободившаяся энергия может послужить запалом к такому взрыву.

Так или иначе, вещество звезды разлетается со скоростью 1/10 скорости света и порождает ударную волну. Волна эта собирает в себя газ и пыль и образует расширяющуюся оболочку — остаток сверхновой. Именно в этом взрыве возникают элементы Периодической таблицы тяжелее железа, и именно так они распространяются на галактические расстояния[60].