Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

Некоторые элементы, наиболее распространенные в Солнечной системе (после водорода и гелия, конечно), полностью состоят из альфа‑частиц и являются главными строительными кирпичиками планет и жизни: углерод, кислород, кремний, магний, кальций и железо. Возможно, это объясняет, почему жизнь зиждется на углероде. Углерода во Вселенной много, это один из первых устойчивых элементов в цепи производства альфа‑частиц. Атом углерода входит в состав многих химических соединений, в частности, соединяется с вездесущим водородом, образуя органические вещества, которые являются основой жизни. Другие важные для жизни элементы, такие как азот и фосфор, появляются в результате других термоядерных реакций, особенно в соединениях с водородом. Таким образом, дорогой читатель, все атомы твоего тела, кроме возникшего вместе с Большим взрывом водорода, появились в недрах гигантских звезд. Трудно в это поверить, но должен же ты был откуда‑то произойти.

В знаменитой Периодической системе химических элементов, составленной русским химиком Дмитрием Менделеевым, присутствуют все известные нам элементы. Многие из них значительно тяжелее железа, но по сравнению с другими элементами встречаются они в малых количествах. Дело в процессе, называемом нейтронным захватом. Известны две его разновидности: при происходящем внутри звезд медленном захвате нейтронов ядра атомов железа соединяются с нейтронами, оставшимися после термоядерных реакций. Тяжелые изотопы железа, как правило, нестабильны и обычно испускают электрон, при этом один из нейтронов превращается в протон и создается более тяжелый по сравнению с железом элемент. Эти элементы, в свою очередь, захватывают все больше нейтронов, создавая все более и более тяжелые элементы. Вторая форма, быстрый нейтронный захват, происходит во время коллапса гигантских звезд.

Через 5 млрд лет наше Солнце сожжет весь имеющийся в его ядре водород и умрет. Термоядерные реакции прекратятся, и Солнце вновь начнет сжиматься, продолжая свой начавшийся 5 млрд лет назад коллапс. Однако оно будет все еще очень горячим, и возобновленный коллапс может нагреть его до 100 млн градусов Цельсия. Это позволит превращать гелий в углерод, а затем в кислород, как это происходит в звездах‑гигантах. В этот момент Солнце расширится до размеров красного гиганта (не путать с красным сверхгигантом) и поглотит ближайшие объекты Солнечной системы, включая Землю. Из‑за ядерного горения гелия, или реакции альфа‑процесса, топливо в солнечном ядре быстро прогорит, последует сжатие, но оно уже не нагреет Солнце до температур, при которых вновь начнутся термоядерные реакции создания тяжелых элементов. Наша звезда будет уже, по сути, мертва. Когда остатки водорода и гелия иссякнут, она станет медленно остывающим, светящимся, очень плотным объектом, состоящим из углерода и кислорода, – белым карликом, который будет меньше Солнца примерно в 100 раз.

Гибель гигантских звезд при всей своей катастрофичности для Вселенной событие продуктивное. Исчерпав топливо для термоядерных реакций, гигантская звезда начинает вновь сжиматься. Она так огромна, что коллапс получается внезапным и очень мощным, и столкновение внешнего слоя звезды с более плотным ядром вызывает мощную ударную волну и вспышку сверхновой. Во время вспышки протекает быстрый процесс захвата нейтронов: они присоединяются к атомам, образуя химические элементы тяжелее железа. Вспышки сверхновых выбрасывают в межзвездное пространство продукты термоядерного синтеза, произведенные во всех слоях этих звезд. Они образуют новое поколение молекулярных облаков с более тяжелой пылью, облака сформируют звездные системы, полные материала для образования планет. Вспышки сверхновых могут запускать коллапс протосолнечных облаков. Судя по всему, именно так образовалась Солнечная система. Об этом говорит, например, то, что частички космической пыли в некоторых метеоритах содержат тяжелые изотопы железа, которые могли образоваться только при вспышке сверхновой.

Бóльшая часть массы гигантской звезды выбрасывается в пространство во время вспышки сверхновой, то, что остается, сжимается в чрезвычайно плотную массу. Если она в два‑три раза больше массы Солнца, электронное облако, сохраняющее объемы атомов, не может противостоять внутреннему давлению массы, электроны сходят с орбит и «вдавливаются» в ядро, превращая протоны в нейтроны. Радиус атома примерно равен 10–10 м (1 ангстрем, 1Å), а радиус его ядра – 10–15 м – отличие, как между стадионом и муравьем. Поскольку радиус и объем каждого атома сожмутся в 10–5 раз, плотность вещества (т. е. масса, поделенная на объем) возрастет в 1015 раз, т. е. в квадриллион раз! Образовавшееся сверхплотное тело ученые называют нейтронной звездой. Ее плотность столь высока, что, если бы мы наполнили таким веществом обычную пипетку, она весила бы больше, чем все население Земли.

Если оставшаяся масса нейтронной звезды превышает массу Солнца более чем в три раза, нейтроны сожмутся в еще более плотную массу, предположительно состоящую из кварков. Такой объект называют кварковой звездой, ее существование пока не подтверждено наблюдениями.

Наконец, если оставшаяся масса превысит пять солнечных масс, тогда даже кварки не могут сопротивляться дальнейшему сжатию и масса уплотнится до крошечного объема, образовав ядро черной дыры. Ее гравитационное притяжение так велико, что даже свет не может покинуть ее центр. Граница в пространстве‑времени, начиная с которой свет не может покинуть объект, называется горизонтом событий. У нас есть доказательства того, что черные дыры действительно существуют, в том числе и сверхмассивные, находящиеся в центрах галактик.

Эта предсмертная агония сверхмассивных звезд играет важную роль в нашей «истории всего», ведь эти звезды производят «строительные блоки» для планет и жизни и распространяют их по галактике благодаря вспышкам сверхновых. Для формирования планет (и лично тебя, дорогой читатель) звезды должны в огромных количествах производить элементы тяжелее водорода и гелия и испускать их, чтобы образовались новые пылевые облака. В одном таком облаке около 5 млрд лет назад сформировалась наша Солнечная система. Необходимо много сверхмассивных звезд, чтобы они создали и распространили в галактике нужные элементы. И это должно происходить часто, чтобы галактику заполнили пылевые облака, из которых впоследствии сформируются планеты.

В нашей Галактике совсем неподалеку от нас обнаружено большое число планетных систем; скорее всего, они формируются часто, и во Вселенной для этого достаточно нужного материала. Если бы сверхмассивные звезды жили столько же, сколько и звезды малой массы, некоторые из них все еще выбрасывали бы в пространство тяжелые элементы. Но из‑за высоких температур и давления сверхмассивные звезды – как и самые первые звезды, образовавшиеся через сотни миллионов лет после Большого взрыва, – быстро, по космическим меркам, сгорели. Процесс выгорания водорода, в результате которого образуются элементы тяжелее железа, так скоротечен, что звезды за несколько миллионов лет успевают израсходовать запас горючего и взорваться, образуя новые протопланетные облака. Рождаясь и умирая, сверхмассивные звезды за несколько миллиардов лет производят достаточно пылевых облаков, чтобы формировались планетарные системы – как наша около 5 млрд лет назад. Пик звездообразования, возможно, был достигнут 10 млрд лет назад, так что мы вступили в космическую игру с некоторым опозданием.