Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Вы знаете, кто такой Карл Саган – ученый-планетолог, популяризатор астрономии и ведущий сериала «Космос: персональное путешествие», выходившего на канале PBS в 1980 г.? Если вас тогда еще на свете не было, поищите в Google – этот сериал стоит посмотреть^[32].

Девятая серия начинается с замедленной съемки крупным планом приготовления яблочного пирога в сопровождении классической музыки. Официант во фраке несет пирог на серебряном блюде через столовую Кембриджского университета и подает Сагану, сидящему за красиво накрытым столом. Когда пирог ставят перед ним, Саган смотрит в камеру и говорит: «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, придется прежде всего изобрести Вселенную».

Совершенно справедливо! Не будь Большого взрыва, не было бы галактик, звезд и планет, не говоря уже об яблочных пирогах. Все вокруг нас имеет свою историю. Стулья, кошки или ключи от машины – чтобы действительно изучить их, нужно узнать, откуда они взялись.

Это относится и к нейтронным звездам. Перефразируя замечание Сагана, если вы хотите знать, что такое нейтронная звезда, сначала нужно познакомиться с эволюцией звезд. Ведь нейтронная звезда, в сущности, труп звезды. Мы должны хорошо понимать особенности нейтронных звезд, чтобы продолжить разговор о гравитационных волнах, поэтому я собираюсь прочесть вам вводный курс о жизни звезд. К яблочному пирогу Сагана мы еще вернемся.

Звезды – важные объекты хотя бы потому, что дают энергию живым организмам. Например, жизнь на Земле всецело зависит от энергии Солнца. Без солнечной энергии Земля была бы темным обледенелым каменным шаром. Ничто не смогло бы выжить на ней.

Если мы настолько зависим от Солнца, полезно разобраться, как оно функционирует и из чего состоит. Откуда берется его энергия? Насколько ее хватит? Что произойдет, если Солнце погибнет? Астрономы узнали ответы на эти вопросы менее 100 лет назад, ведь невозможно изучить Солнце в лаборатории или рассмотреть образец солнечной материи под микроскопом.

Неудивительно, что в начале промышленной революции возникла идея, будто Солнце состоит из угля – нового чудесного источника энергии. Если как следует нагреть это черное вещество, оно начнет светиться. Ученые XIX в. придерживались несколько более реалистичных взглядов, полагая, что Солнце, возможно, медленно сжимается или его постоянно бомбардируют метеориты. При обоих процессах выделялась бы энергия.

Они ошибались. Солнце не сжимается. Наоборот, оно увеличивается в размерах, хотя и чрезвычайно медленно. Метеориты и даже кометы то и дело врезаются в Солнце, но скорость соударений слишком мала, чтобы обеспечить столько тепла и света. Что касается угля, если бы Солнце было своего рода угольной электростанцией, то его едва хватило бы на 6000 лет. Несмотря на соответствие представлениям некоторых креационистов о мироустройстве, это значительно меньше 2 млн лет существования земной жизни.

Сесилия Пэйн заинтересовалась астрономией в 19 лет, узнав об экспедиции Артура Эддингтона (которая наблюдала солнечное затмение и подтвердила ОТО Эйнштейна, о чем вы читали в главе 3). Четыре года спустя она уехала из Англии, получив первую степень доктора философии в области астрономии в Рэдклиффском колледже и место стипендиата-исследователя Гарвардской обсерватории. В диссертации, защищенной в 1925 г., она доказала, что Солнце состоит преимущественно из водорода, самого простого элемента в природе. Поскольку то же самое должно относиться и к другим звездам, Пэйн фактически открыла состав Вселенной. Поразительно, что большинству людей не знакомо ее имя.

Теперь мы знаем, что Солнце на 71 % состоит из водорода, на 27 % – из гелия (второго по простоте элемента) и лишь на 2 % – из более тяжелых элементов. Фактически Солнце – огромный шар горячего газа. Возможно, огромный – сказано слишком слабо, здесь уместнее слово чудовищный: 1,4 млн км в поперечнике – сто с лишним диаметров Земли. Если бы Солнце было размером с большой надувной мяч, то Земля, соответственно, ужалась бы до шарика, которым играют в рулетку; будь оно пустым, как надувной мяч, то вместило бы больше 1,3 млн голубых шариков величиной с Землю. Впечатляюще!

Как же чудовищный шар водорода и гелия вырабатывает постоянный поток энергии? Очень просто, в процессе термоядерного синтеза. Ладно, не так уж это и просто, – чтобы выяснить все в деталях, американский физик Ханс Бете трудился до конца 1930-х гг. Но, если отрешиться от подробностей, картина ясна. В ядре Солнца газ сильно сжат весом верхних слоев; плотность там в 13 раз выше плотности свинца. В этих экстремальных условиях атомные ядра начинают сливаться – это и есть ядерный синтез. Если вы видели киносъемку первого испытания американской водородной бомбы, взорванной в начале 1950-х гг., то знаете, что при термоядерном синтезе выделяется энергия. Огромная энергия.

Поставим мысленный эксперимент. Представим, что можем запустить реакции термоядерного синтеза в ядре Солнца всего на одну секунду, а затем остановить их. Что произойдет в эту самую секунду? (Готовьтесь удивиться: последующее трудно вообразить, однако это правда.)

Всего за одну секунду 570 млн тонн газообразного водорода вступает в реакции термоядерного синтеза. Его масса примерно равна массе бетонного куба с длиной стороны более 600 м. Специально для настоящих любителей больших чисел: это порядка 3,4 × 10³⁸ атомов водорода. За одну-единственную секунду! Легкие ядра водорода (по сути, единичные протоны) сливаются в более массивные ядра атомов гелия. Ядро атома гелия примерно в 4 раза тяжелее протона, таким образом, из каждых четырех ядер водорода, поступающих в «черный ящик» термоядерного синтеза, получается одно ядро гелия. (Это тоже очень много, в чем вы убедитесь, разделив 3,4 × 10³⁸ на 4, – результат составит 8,5 × 10³⁷.)

Кстати, я только что воспользовался принятым в науке способом представления больших чисел. Для тех, кто с ним не знаком, поясняю, что он связан со сдвигом запятой, отделяющей десятичную дробь от целой части: запись «3,4 × 10³⁸» означает, что нужно взять число 3,4 и сдвинуть запятую на 38 позиций вправо, всякий раз добавляя нуль. Получится 340000000000000000000000000000000000000. Аналогично 3,4 × 10^–20 означает, что нужно сдвинуть запятую на 20 позиций влево, что в результате даст 0,000000000000000000034. Астрономия – наука больших чисел, и если бы в книгах по астрономии не использовалась сокращенная запись, то на них уходило бы слишком много деревьев.

Итак, каждую секунду огромное количество протонов (ядер водорода) сливаются в ядра гелия. Теперь начинается интересное. Я только что сказал, что масса ядра гелия почти в 4 раза больше массы протона. В действительности разница на ничтожную величину меньше. Входит 570 млн тонн водорода, выходит «почти» 566 млн тонн гелия – на 0,7 % меньше. Куда делись еще 4 млн тонн? Возможно, вы догадались: они преобразовались в энергию. E = mc² – снова Эйнштейн.