Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

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.

И процесс продолжается. Кислород и Неон становятся топливом при температуре 1,5 миллиарда кельвинов и образуют Серу, Кремний и Аргон; этот цикл завершается всего за 3 месяца. Затем, в последние несколько дней жизни звезды, Кремний становится топливом (при Т = 3 миллиарда К) и производит Железо (а также немного Хрома и Никеля). Поскольку Железо – это всего лишь 26-й элемент Периодической таблицы, можно предположить, что процесс способен продолжаться, создавая все более и более тяжелые элементы. Однако один изотоп Железа, ⁵⁶Fe, представляет собой наиболее стабильное расположение протонов и нейтронов. До этого момента каждое новое образующееся ядро было более стабильным, чем его предшественник, и поэтому при реакции выделялась энергия, которая испускалась из ядра и удерживала звезду, не позволяя силам гравитации ее разрушить. Но когда мы добираемся до ⁵⁶Fe, энергии больше не остается – добавление нейтрона, протона или ядра Гелия делает новое ядро менее стабильным, поэтому оно поглощает, а не излучает энергию.

Для звезды это становится катастрофой. После миллионов лет, в течение которых последовательность ядерных реакций генерировала вытекающую энергию, противостоящую гравитационному притяжению, наступает момент, и энергия внезапно начинает высасываться из центра звезды, когда та пытается сжечь Железо и превратить его в Кобальт. Менее чем за секунду ядро звезды, содержащее от 1 до 2 солнечных масс вещества, взрывается, превращаясь из тела размером с Землю в сферу размером с Манхэттен. В результате коллапса за эту секунду высвобождается больше энергии, чем Солнце произведет за всю свою 11-миллиардную жизнь. А большое количество энергии, высвободившейся в определенном месте в определенный момент времени, обычно называют взрывом – в данном случае мы называем его сверхновой: внешние слои звезды выбрасываются в космос со скоростью 30 000 км/с (примерно одна десятая скорости света, при которой можно за полсекунды добраться от Нью-Йорка в Сидней).

Именно в ходе этих событий все элементы, от Бериллия до Железа, созданные за короткую жизнь звезды, возвращаются обратно в межзвездное пространство. Некоторые из этих ядер радиоактивны, как и изотоп Алюминия ²⁶Al, который сформировал астероиды в нашей Солнечной системе, о чем мы говорили в главе 15, и Титан-44 (⁴⁴Ti), обнаруженный при помощи спутника NuSTAR на месте недавних звездных взрывов⁵. Непосредственные измерения продуктов распада этих изотопов и выявление в рентгеновском диапазоне электронных переходов от других стабильных элементов, возникавших на протяжении всей жизни звезды, однозначно свидетельствуют о том, что атомы тяжелее Лития образуются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых.

Как мы уже отмечали, для того чтобы сделать шестьдесят восемь элементов тяжелее Железа, требуется затратить энергию. Однако взрыв сверхновой дает много дополнительной энергии, и некоторые из этих элементов, более тяжелых (и гораздо более редких), производятся во время самого взрыва. В результате облака межзвездного газа, из которых формируются новые поколения звезд, обогащаются всем набором химических элементов, из которых состоят планеты и луны, кометы и астероиды, секвойи и студенты. И, как верно заметил Карл Саган в своей бессмертной фразе, все мы – звездная пыль.

Другие места создания элементов

Энергия, выделенная при взрыве ядра массивной звезды, становится одним из инициаторов

звездного взрыва. Однако есть и второй взрывной механизм, способный как порождать множество новых элементов, так и распространять их в межзвездном пространстве. Мы уже говорили о том, что белые карлики имеют предел максимальной массы. Давление всех электронов, занимающих определенное место на их уникальных квантовых уровнях, – давление вырождения электронов – способно удержать звезду с массой менее 1,4 солнечной массы. Однако если добавить гравитационное притяжение чуть большей массы, это вытолкнет звезду за грань стабильности. Белые карлики, как правило, чувствуют себя вполне комфортно – они находятся ниже этого предела, поэтому просто тихо остывают и исчезают. Но если у белого карлика есть близкая звезда-спутник, которая может увеличивать массу до тех пор, пока карлик не достигнет ее предела, то в конце нас ждет грандиозный фейерверк.

У большинства звезд, в отличие от Солнца, есть звезда-спутник или даже несколько, поэтому то, что они обмениваются массой, хорошо известно. Однако на поверхности белых карликов вследствие этого постепенно накапливается слой нового материала, полученного от звезды-донора. Так продолжается до тех пор, пока толщина этого слоя не достигает примерно километра. В этот момент на поверхности запускается термоядерный взрыв, не только порождающий новые элементы, но и сметающий силой взрыва слой вещества, как минимум равный тому количеству, которое изначально украдено у звезды-спутника, а возможно, и превосходящий его, после чего масса белого карлика остается практически неизменной (или немного уменьшается). Впрочем, иногда она возрастает, и что становится тому причиной – то ли масса, пожертвованная нормальной звездой-спутником, то ли слияние двух белых карликов, движущихся по орбите вокруг друг друга, – нам еще предстоит определить. Но превышение предела в 1,4 солнечной массы вызывает волну ядерного горения, которая проносится по всей звезде, создавая новые элементы и разнося звезду на мелкие осколки.

В то время как массивные сверхновые производят много Кислорода и продуктов его горения, таких как Неон, Магний, Сера и Кремний, термоядерные сверхновые, о которых мы говорим сейчас, производят больше элементов, близких в Периодической таблице к Железу, поскольку синтез продолжается до самой стабильной ядерной формы во всей звезде. И хотя и в том и в другом случае образуются небольшие количества элементов тяжелее Железа, мы так и не можем с уверенностью судить о происхождении большинства более тяжелых элементов. Элементы с атомными номерами свыше 26-го распространены в гораздо меньшей степени, чем их собратья с малой массой (например, на каждые 1–10 атомов элементов с номерами от 44 до 94 приходится около 1 миллиона атомов Железа и 10 миллиардов атомов Водорода), поэтому процессы, порождающие их, могут быть достаточно редкими. Недавнее открытие, совершенное благодаря детекторам гравитационных волн⁶, убедительно подтверждает существование как минимум одного нового источника тяжелых элементов.

Описывая выше смерть звезды массой 25 солнечных масс, я не упомянул о драматичной судьбе коллапсирующего ядра. Оно стремительно сжимается, минует порог вырождения электронов, не позволяющий погибнуть белому карлику, и все они сливаются с протонами, образуя нейтроны. Так рождается нейтронная звезда. Если белый карлик подобен гигантскому макроскопическому атому, то нейтронная звезда – это гигантское макроскопическое атомное ядро. Оно имеет ту же плотность, что и обычное атомное ядро, около 1 миллиарда тонн на кубический сантиметр (это все автомобили, грузовики и внедорожники в мире, сжатые до размеров кубика сахара), а радиус ее составляет примерно 10 километров (а не 10^–14 метра). Поскольку нейтроны принадлежат к фермионам (частицы, которые имеют спин = 1/2 и сопротивляются тесному общению; см. гл. 3), подчиняются тому же закону, что и электроны, и занимают одинаковые квантовые состояния очень неохотно, – они делают это только в условиях, когда плотность гораздо выше и «давление вырождения нейтронов» останавливает неизбежный в противном случае гравитационный коллапс.

Нейтронные звезды – поразительные объекты, способные создавать множество явлений самого исключительного характера, обнаруженных нами во Вселенной за последние полвека. Более того, мне удалось сделать карьеру на изучении этих экзотических звезд, и я легко мог бы написать о них пару сотен страниц. К счастью для вас, дорогой читатель, я устою перед искушением. Однако недавний прорыв в создании тяжелых элементов связан именно с нейтронными звездами, поэтому сделать небольшое отступление все же придется.