Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Эткинз Питер

Бурная история жизни звезды начинается с облака газа. Стянется облако под действием гравитации в звезду или нет, зависит от множества факторов, включая плотность, температуру и массу. Минимальная масса облака при заданных температуре и плотности, из которого может образоваться звезда, называется массой Джинса, по имени астрофизика Джеймса Джинса (1877-1946), который исследовал и строил теории возникновения звезд. Разреженные облака с низкой плотностью, обычно устойчивые по отношению к гравитационному коллапсу, не образуют звезд. Плотные облака, однако, будут испытывать коллапс, и для типичного облака, состоящего из водорода и гелия, масса Джинса эквивалентна массе примерно семнадцати солнц. Однако, когда облако коллапсирует в себя, его плотность возрастает, масса Джинса уменьшается, и, вместо образования только одной огромной звезды, более мелкие области облака могут сами испытать гравитационный коллапс, так что фрагменты облака образуют скопление более мелких звезд. Потенциальные звезды, имеющие массу, равную одной десятой массы нашего Солнца, являются недостаточно горячими для того, чтобы начались ядерные реакции, являются мертворожденными: они никогда не светят. Потенциальные звезды, имеющие массу, примерно в девяносто раз большую массы Солнца, неустойчивы: они начинают осциллировать и распадаются. Поэтому все звезды имеют

массы между этими двумя значениями.

Газ, которому предназначено сформировать звезду — главным образом водород и гелий, — свободно падает к общему центру. Когда атомы падают, они сталкиваются друг с другом, и эти столкновения вызывают повышение температуры. Наступает стадия, когда температура в коллапсирующем облаке становится столь высокой, что ядра сталкиваются достаточно сильно для того, чтобы сплавиться вместе и образовать гелий, а ядра гелия, сталкиваясь друг с другом, образуют более тяжелые элементы. Для звезд примерно на 20 процентов более массивных, чем Солнце, температура может подняться даже выше. Выше, чем примерно 20 миллионов градусов, частицы двигаются так быстро, что протоны могут успешно образовывать ядра с более высокими зарядами, такие как углерод, азот и кислород, и освобождать энергию при объединении.

Звезды, более крупные, чем приблизительно восемь солнц, имеют бурное будущее. Температура в этих гигантах может возрасти до такой степени (примерно до 3 миллиардов градусов), что возникает «кремниевое горение», в котором ядра гелия сливаются с ядрами, близкими к кремнию, и постепенно строят более тяжелые элементы, проходя периодическую таблицу и образуя в конце железо и никель. Эти два элемента имеют самые устойчивые ядра из всех, и никакой дальнейший нуклеосинтез не приводит к высвобождению энергии. На этой стадии звезды имеют структуру, подобную структуре луковицы, в которой тяжелые элементы образуют железное ядро, а более легкие элементы входят в последовательность оболочек вокруг него (рис. 8.7). Продолжительность каждого из этих эпизодов критически зависит от массы звезды. Для звезд в двадцать раз массивнее Солнца эпоха водородного горения длится 10 миллионов лет, затем в глубоком ядре возникает гелиевое горение и продолжается миллион лет. Дальше горючее в ядре прогорает намного быстрее. Так, углеродное горение завершается через 300 лет, кислородное проходит за 200 дней, а на фазу кремниевого горения хватает выходных.

Рис. 8.7Внутренняя структура типичной звезды с массой около пяти солнц на подходе к фазе красного гиганта с углеродно-кислородным ядром. Для наглядности радиусы внутренних оболочек увеличены относительно поверхности (белая полоска характеризует изменение масштаба).

Температуре в ядре теперь так высока, около 8 миллиардов градусов, что излучаемые фотоны обладают достаточной энергией и достаточно многочисленны, чтобы разорвать железное ядро на протоны и нейтроны, уничтожая всю работу ядерного синтеза, для достижения которого потребовались миллиарды лет. На этом шаге из ядра уходит энергия, и оно внезапно охлаждается. Теперь мало что поддерживает структуру ядра, и оно срывается в коллапс. Внешние части ядра свободно падают внутрь, и скорость сжатия может достигать 70 тысяч километров в секунду. За секунду объем размером с Землю сжимается до размеров Лондона. Это фантастически быстрое сжатие оказывается слишком быстрым для внешних областей звезды, они не могут поспеть за обвалом, и скоро звезда становится полой оболочкой с внешними областями, высоко подвешенными над маленьким сжавшимся ядром.

Коллапсирующее внутреннее ядро сжимается, затем вздрагивает и посылает ударную волну нейтрино сквозь продолжающую падение внешнюю часть ядра. Нейтринная вспышка разогревает внешнюю часть ядра и теряет энергию, создавая больший разброс в тяжелых ядрах, сквозь которые он проходит. При условии, что внешнее ядро не слишком толстое, за 20 миллисекунд после возникновения вспышка уходит к внешним частям звезды, подвешенным большими дугами над ядром, гоня перед собой звездное вещество, наподобие огромного сферического цунами. Когда она достигает поверхности, звезда вспыхивает с яркостью миллиарда солнц, освещая свою галактику как сверхновая типа II [39] (рис. 8.8), и звездное вещество взрывается в космическое пространство.

39

Со сверхновой типа I мы встретимся позже.

Рис. 8.8.Остатки сверхновой типа II (остатки в Веле). Эта сверхновая появилась 11 тысяч лет назад, и мы можем наблюдать, как именно вещество — элементы, находившиеся внутри звезды — рассеивается по Вселенной. Вела (Паруса) это яркое созвездие в северной части Млечного Пути; когда-то оно считалось частью созвездия Аргонавтов, кораблем Ясона. Разные типы сверхновых различать очень трудно.

Смерть звезды несет во Вселенную жизнь. Взрыв звезды оставляет после себя сжатое ядро в виде нейтронной звезды, маленького, чрезвычайно плотного и гладкого тела, состоящего из нейтронов, или, если начальная масса звезды превышала массу двадцати пяти солнц, даже в виде черной дыры, области с такой свирепой тягой гравитации, что даже свет не может покинуть ее. Однако гораздо более важной, по крайней мере в первое время, является шрапнель, поскольку этим способом элементы, сваренные и выпеченные в звезде из первичных водорода и гелия, рассеиваются по всей галактике. Эти элементы могут оказаться включенными в звезды нового поколения. Некоторая часть, однако, соберется в пылинки, пылинки в камни, камни в глыбы, а глыбы в планеты. Планеты, которые могут образоваться около гостеприимной звезды, как Земля возле Солнца, богаты теперь строительными блоками жизни, жизни, которая, по крайней мере в одном месте и почти наверняка, в мириадах других оказывается способной к открытию своего собственного грандиозного космоса и малозначительной местной истории (глава 1). Мы являемся порождениями звездного света: [40] из космической ярости медленно возникают наука, искусство, веселье.

40

Мне хочется сказать: «человеческая плоть является звездной пылью». Но это говорили так много раз, что я помещаю это чудесное замечание в сноску. Думаю, первым это сказал Найджел Колдер.

Давайте на мгновение вернемся назад. Большой Взрыв, как основание нашей истории, имеет огромный успех. Предсказания, количественно основанные на нем, согласуются с наблюдениями, там где наблюдения возможны, и существует мало сомнений в том, что в общих чертах эта история правильна. Однако у этой теории имеется несколько трудностей, и она не может считаться последним словом о Слове, которое было вначале.

Во-первых, мы видели, что «расширение Вселенной» на самом деле означает, что две точки, движущиеся друг относительно друга, будут удаляться друг от друга с течением времени. То есть все, что говорит теория, это то, что если точки движутся теперь, то они будут двигаться и дальше. Внутри теории нет никакого ответа на вопрос, почему они двигались в первый момент!

Во-вторых, Вселенная необычайно однородна, несмотря на тот факт, что у различных частей Вселенной не было времени связаться друг с другом. Чтобы понять это, представьте себе две точки в 15 миллиардах лет от нас в противоположных сторонах видимой Вселенной. Свет от них как раз имел время, чтобы долететь из этих точек до нас, но у него не было времени пройти расстояние между этими двумя точками, поскольку они разделены 30 миллиардами лет. Если мы выполним подробные вычисления, окажется, что небо можно себе представить разделенным на сто тысяч маленьких лоскутов, со стороной 1° каждый, у которых никогда не было времени для обмена сигналами со скоростью света. Почему тогда небо так однородно и имеет почти в точности одинаковую температуру (2,7 К), куда бы мы ни взглянули? Это называется проблемой горизонта, поскольку каждая часть Вселенной должна иметь возможность какой-то коммуникации с областями, находящимися, в некотором смысле, за горизонтом видимости. В противном случае современная наблюдаемая Вселенная не была бы такой однородной, так же как два куска железа не имели бы одинаковой температуры, если бы когда-то не соприкасались.

В-третьих, в облике Вселенной есть нечто очень странное. На самом деле, этот облик странен вдвойне. Одна странность заключается в том, что Вселенная содержит такое количество вещества, которого почтихватает для указания на то, что она находится в точностина границе, отделяющей вечное расширение от Большого Хлопка. Иначе этот критерий выражается утверждением, что Вселенная имеет почти критическую плотность. Другой странностью является то, что Вселенная, по-видимому, содержит не вполнедостаточное количество вещества: современные оценки количества вещества во Вселенной дают величину, всего на 1 процент не дотягивающую до критической плотности. Существуют весьма веские теоретические причины верить, что разность между наблюдаемой плотностью и критической плотностью возрастает по мере расширения Вселенной и что сейчас, через 15 миллиардов лет после начала, эта разность увеличилась в огромное число раз. Например, если бы разность была всего одна десятитысячно-триллионная (10 ¹⁶), когда возраст Вселенной составлял 1 секунду, то разность сегодня стала бы огромной, а не выражалась бы просто множителем между десяткой и сотней. Это требование является даже более строгим по мере движения назад во времени. Для плотности, которая все-таки близка к критической величине теперь, после одного тиканья планковских часов разность не могла бы превосходить 10 ⁶⁰! Приведенные примеры настойчиво заставляют предполагать, что плотность при рождении Вселенной была в точности равна своей критической величине и сохранила это значение до сих пор. Это ужасное подозрение называется проблемой плоскостиВселенной и является частью более общей проблемы тонкой настройки. Проблема тонкой настройки продолжает озадачивать космологов, и тех из них, кто настроен более сентиментально, заставляет полагать, что все должны увериться в том, что плотность была изначально в точности критической и что различным другим параметрам в первоначальной спецификации Вселенной следует приписать особые, специфические и предельно (для нас) милосердные значения.

Смежная проблема заключается в том, что уж очень удивительно было бы обнаружить, что мы живем как раз в ту эпоху, когда плотность приблизилась к своей критической величине. Гораздо более правдоподобно, что плотность всегда принимала и теперь продолжает принимать в точности критическое значение. Если это так, то из того факта, что измеренная плотность значимо меньше критической, следует, что мы не обнаруживаем все вещество во Вселенной. Существует и другое свидетельство справедливости такого заключения, вытекающее из скорости вращения галактик, которое предполагает, что они содержат гораздо больше вещества, чем мы можем увидеть, считая звезды, а текущие оценки плотности определяют ее как величину, по крайней мере на 20 процентов меньшую своего критического значения. Где и какова эта темная материя!Простейший ответ в том, что из нее состоят трупы старых, мертвых звезд. Если бы они составляли темную материю, на каждую звезду размером примерно с Солнце приходилось бы тысяча или более тел размером с Юпитер. Наблюдали ли мы до сих пор этот жужжащий улей? По крайней мере, эти тела имеют название, что нередко является первым шагом к существованию: каждый из них есть массивный астрофизический компактный объект гало [41] . Альтернативным объяснением, неизбежно, является существование слабо взаимодействующих массивных частиц [42] . Последние являются частицами, взаимодействующими с веществом столь слабо, что мы можем обнаружить их. только по их гравитационному притяжению или слабому взаимодействию. Одним из кандидатов на их место раньше считались нейтрино, если они имеют массу, но это предположение теперь представляется маловероятным, поскольку нейтрино почти свободно пересекают пространства галактик и являются источником слишком многих структур на много больших масштабах. Более экзотическим кандидатом является одна из «частиц», не открытых, предполагаемых, умозрительных суперсимметричных партнеров известных частиц (глава 6). Каково бы ни было решение, для ученых является отрезвляющей мыслью то, что они еще не идентифицировали наиболее распространенную форму вещества во Вселенной.

41

По-английски здесь игра слов: МАСНО (мачо) — massive astrophysical compact halo object. — Прим. пер.

42

Еще одна, парная, игра слов: WIMP (слабая и неудачливая персона) — weakly interacting massive particle. — Прим. пер.