Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Тайсон

Космическая ядерная химия – наука запутанная. Как была запутанной в 1957 году, так до сих пор и остается. В число основных ее вопросов входит и такие: как ведут себя различные элементы из знаменитой таблицы Менделеева при разных температурах и давлениях? Синтезируются ли элементы? Расщепляются ли? Насколько легко обеспечить для этого условия? Что при этом происходит с энергией – она высвобождается или поглощается?

Разумеется, таблица Менделеева – это отнюдь не просто загадочная сетка из примерно ста ячеек с непонятными буковками. Это последовательность всех известных элементов во Вселенной в порядке увеличения количества протонов в их ядрах. Самые легкие элементы – это водород, у которого один протон, и гелий, у которого их два. И из них – при нужном сочетании температуры, плотности и давления – можно синтезировать все остальные элементы.

Извечная задача ядерной химии состоит в том, чтобы вычислить точные сечения соударения – то есть меру того, насколько близко одна частица должна подойти к другой, чтобы между ними произошло значимое взаимодействие. Если имеешь дело с предметами вроде бетономешалок или домов, которые перемещают по улице на огромных платформах, вычислить сечение соударения довольно просто, но когда речь идет о неуловимых субатомных частицах, все становится сложнее. Если точно знаешь, каковы сечения соударения, то можешь предсказать скорости и пути ядерных реакций. Зачастую мелкие неопределенности в таблицах сечений соударения приводят к чудовищно ошибочным выводам. В целом задача сильно напоминает прокладку маршрута в метро в незнакомом городе на основании схемы метро совсем другого города.

Этими пробелами дело не ограничивается – ученые долго полагали, что если где-то во Вселенной идет какой-то экзотический ядерный процесс, то он вполне может идти где угодно, а не только в недрах звезд. В частности, британский астроном-теоретик сэр Артур Эддингтон в 1920 году опубликовал статью под названием «Внутреннее устройство звезд» (Arthur Eddington, «The Internal Constitution of the Stars»), где утверждал, что лаборатория имени Кавендиша в Англии, в то время самый знаменитый центр физических исследований, не может быть единственным местом во Вселенной, где удается превратить одни элементы в другие:

Однако можно ли предположить, что подобный переход действительно происходит? Это трудно подтвердить, но еще труднее опровергнуть… а все, что возможно в лаборатории имени Кавендиша, не так уж затруднительно в недрах Солнца. Думаю, что в общем и целом все научное сообщество подозревает, что именно звезды – это тигли, где легкие атомы, которых так много в туманностях, составляются в более сложные элементы.

Статья Эддингтона на несколько лет опередила открытия квантовой механики, без которых наши познания о физике атомов и субатомных частиц были бы по меньшей мере скудными. Проявив незаурядную прозорливость, Эддингтон начал формулировать теорию, согласно которой звезды вырабатывают энергию посредством термоядерного синтеза водорода в гелий и далее:

Нам не нужно опираться на образование гелия из водорода как на единственную реакцию, обеспечивающую [звезду] энергией, хотя может показаться, что на дальнейших этапах создания химических элементов энергия высвобождается уже не в таком количестве, а может быть, и поглощается. Эту точку зрения можно вкратце описать следующим образом: атомы всех элементов создаются из связанных друг с другом атомов водорода и предположительно когда-то сформировались из водорода, и недра звезды, как видится, подходят для подобного рода эволюции не хуже любого другого места.

Кроме того, хотелось бы, чтобы модель превращения элементов друг в друга объясняла и то, почему на Земле и во всей остальной Вселенной наблюдается именно такое относительное содержание разных элементов, какое мы измеряем. Но для этого сначала нужно было разобраться в механизме подобных превращений. К 1931 году уже была разработана квантовая физика (хотя нейтрон еще не открыли), и астрофизик Роберт д’Эскур Аткинсон опубликовал подробную статью, в аннотации которой заявил, что выдвигает «теорию синтеза звездной энергии и происхождения элементов… в которой различные химические элементы поэтапно создаются в недрах звезд из более легких посредством последовательного, по одному, включения протонов и электронов» (Atkinson, 1931, p. 250).

Примерно в то же время специалист по ядерной химии Уильям Д. Харкинс опубликовал статью, где отмечал, что «элементы с низким атомным весом распространены более широко, чем элементы с высоким атомным весом, к тому же среди элементов со сходными весами элементы с четными атомными числами в среднем примерно в 10 раз распространеннее элементов с нечетными атомными числами» (Lang and Gingerich 1979, p. 374). Харкинс предположил, что относительная распространенность элементов зависит скорее от ядерных, чем от обычных химических процессов, а тяжелые элементы должны синтезироваться из легких.

Многоступенчатый механизм ядерного синтеза в звездах давал исчерпывающее объяснение присутствия в космосе многих элементов, особенно тех, которые получаются каждый раз, когда двухпротонное ядро гелия добавляется к уже созданному элементу. Это, собственно, и есть распространенные элементы с «четными атомными числами», о которых пишет Харкинс. Однако существование и количественное соотношение многих других элементов осталось без объяснения. Значит, другие способы создания элементов тоже сыграли свою роль.

Эддингтон и представить себе не мог, какую важную роль играет в термоядерном синтезе нейтрон, открытый лишь в 1932 году, – это сделал британский физик Джеймс Чедвик, который тогда работал в лаборатории имени Кавендиша. Собрать вместе протоны – задача непростая, поскольку они от природы отталкиваются друг от друга. Их надо подвести друг к другу достаточно близко (для этого обычно нужны высокие температуры, давление и плотность), чтобы сильное взаимодействие, которое работает лишь на коротком расстоянии, преодолело отталкивание и связало их. Однако нейтрон, лишенный заряда, никаких частиц не отталкивает, так что спокойно может войти в чужое ядро как к себе домой и присоединиться к прочим собравшимся частицам. На этом этапе новый элемент еще не создается – добавив нейтрон, мы просто сделали изотоп исходного элемента. Однако у некоторых элементов захваченный нейтрон остается нестабильным и спонтанно превращается в протон (который остается в ядре и больше никуда не девается) и электрон (который тут же сбегает). Подобно ахейским воинам, которые сумели пробраться за стены Трои в чреве Троянского коня, протоны, в сущности, украдкой пролезают в ядро атома под личиной нейтрона.

Если поток нейтронов во внешней среде достаточно велик, ядро атома может захватить сразу несколько нейтронов подряд до того, как первый из них распадется. Быстрый захват нейтронов позволяет создать самые разные элементы, которые могут родиться только в таком процессе и существенно отличаются от элементов, которые получаются, когда нейтроны захватываются медленно.

Этот процесс называется «захват нейтронов» и обеспечивает создание целого ряда элементов, которые невозможно получить посредством традиционного термоядерного синтеза. Остальные элементы, которые не могут родиться ни при медленном, ни при быстром захвате нейтронов, получаются в результате некоторых других процессов, в том числе, при бомбардировке ядер тяжелых атомов высокоэнергичным излучением (гамма-лучами), в результате которой тяжелые ядра распадаются на более мелкие и легкие.

Несмотря на риск чрезмерно упростить жизненный цикл массивной звезды, достаточно понять, что звезда занята выработкой и высвобождением энергии, что помогает ей сопротивляться собственной гравитации. Иначе огромный газовый шар схлопнулся бы под собственным весом. Когда ядро звезды переработает весь запас водорода в гелий, оно примется превращать гелий в углерод, потом углерод в кислород, кислород в неон и так далее вплоть до железа. Чтобы успешно выработать эту последовательность все более тяжелых элементов, нужны все более высокие температуры, иначе атомные ядра не смогут преодолеть природное отталкивание. К счастью, это происходит само собой, поскольку в конце каждой промежуточной стадии источник энергии звезды временно отключается, внутренние области схлопываются, температура растет – и запускается следующая термоядерная реакция. Остается лишь одна проблема. Термоядерный синтез железа не генерирует, а поглощает энергию. Для звезды это очень плохо, поскольку она больше не может сопротивляться гравитации. Она тут же сдается и схлопывается, отчего температура возрастает так стремительно, что происходит мощный взрыв, и звезда разлетается в клочки. В момент взрыва яркость звезды возрастает чуть ли не в миллиард раз. Такие взрывы мы называем вспышками сверхновых, хотя мне всегда казалось, что лучше уж не стесняться и называть их «супер-пупер-новые».