Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Сесилия Хелена Пейн-Гапошкина дала расшифровку сложных взаимосвязей между спектром звезд и их химическим составом в работе 1925 г., которую ее коллеги охарактеризовали как «самую блестящую кандидатскую диссертацию, когда-либо написанную по астрономии»{10}. Пейн родилась в 1900 г. в английском Уэндовере в семье с выдающимися академическими традициями. С четырехлетнего возраста ее воспитывала овдовевшая мать, которая поощряла в девочке интерес к науке. Сесилия училась в Кембриджском университете, получая стипендию Ньюнэм-колледжа, и была отличницей по биологии, химии и физике. Так как в то время получить степень в Кембридже могли только мужчины, Пейн не имела возможности продолжать обучение в рамках британской системы и переехала из Англии в Гарвард, где в 1925 г. стала первой женщиной, получившей степень PhD по астрономии.

В основе успеха диссертации Пейн лежало применение положений новой для того времени теории ионизации — зависимых от температуры процессов, в ходе которых атомы в звездах теряют свои электроны. Исследовательница поняла, что, хотя относительное обилие многих важных элементов (например, кислорода, кремния и углерода) можно точно определить по интенсивности основных спектральных линий, количество водорода и гелия сильно недооценивается — для водорода, возможно, в миллион раз. Она пришла к поразительному выводу, что водород и гелий — самые распространенные элементы во Вселенной — во многих случаях составляют более 98% общей массы звезды. Этот результат показался настолько невероятным коллегам Пейн, долгое время полагавшим, что состав Земли точно соответствует составу Солнца, что ее открытия поначалу не приняли. Старшие коллеги призывали Пейн назвать выводы в ее первой публикации «сомнительными», но вскоре, когда и другие исследователи прибегли к новаторским методам, ее правота подтвердилась.

Открытия Пейн указали путь к более глубокому пониманию космического происхождения и распространенности углерода, составляющего четвертую часть всех атомов, которые не являются водородом или гелием. Но как звезды вырабатывают такое огромное количество шестого элемента?

Выгорание гелия

Большинство звезд — это гигантские сферы, насыщенные водородом. Наше Солнце как раз такой случай. Преобразование водорода в гелий — постоянно действующий процесс ядерного синтеза, называемый выгоранием водорода, — обеспечивает жизнь Солнца и его свечение, яркость которого почти не изменилась за прошедшие 4,5 млрд лет. Девяносто процентов звезд в ночном небе вовлечены в тот же процесс: гелий вырабатывается при огромных температурах и давлениях глубоко в их недрах, где протоны (ядра водорода) сталкиваются и соединяются, образуя бо́льшие ядра из меньших фрагментов и частиц. По общему мнению, Солнце за счет выгорания водорода останется стабильной звездой еще несколько миллиардов лет. Только тогда, когда водород в ядре Солнца в основном превратится в гелий, наступит новая, более бурная фаза выгорания гелия — процесса, в ходе которого вырабатывается углерод.

Английский астроном сэр Фред Хойл впервые описал реакции ядерного синтеза, в ходе которых гелий в звездах преобразуется в углерод, в 1954 г., когда преподавал в колледже Святого Иоанна Кембриджского университета{11}. Карьера Хойла была необыкновенно разносторонней. Он изучал математику в Кембридже, затем в 1940 г. в возрасте 25 лет стал работать для военных нужд в области исследования радаров. Научные изыскания Хойла привели его в Соединенные Штаты, где из исследований, связанных с Манхэттенским проектом, он впервые узнал о ядерном синтезе. Десять первых послевоенных лет Хойл опять провел в Кембридже, погрузившись в изучение ядерных процессов в звездах.

К 1950-м гг. основная концепция нуклеосинтеза, заключающаяся в том, что высокие температуры и давления в недрах звезд способствуют ядерному синтезу, в ходе которого образуются новые элементы, была уже хорошо известна. Хойл понял, что распространенность элементов в природе отражает этапы звездных процессов, в результате чего маленькие ядерные кирпичики соединяются в большие ядра. Некоторые элементы (например, железо и кислород) более распространены по сравнению с другими (например, бериллием и бором) потому, что определенные комбинации протонов и нейтронов образуются легче, чем иные. Особо важны состояния резонанса, способствующие одновременному присоединению нейтрона, протона или альфа-частицы (ядра гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами). Но большинство новых ядер формируется посредством поэтапного добавления одного из этих малых ядерных кирпичиков к уже существующим ядрам.