Роберт Хейзен - Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Большинство звезд – это гигантские сферы, насыщенные водородом. Наше Солнце как раз такой случай. Преобразование водорода в гелий – постоянно действующий процесс ядерного синтеза, называемый выгоранием водорода, – обеспечивает жизнь Солнца и его свечение, яркость которого почти не изменилась за прошедшие 4,5 млрд лет. Девяносто процентов звезд в ночном небе вовлечены в тот же процесс: гелий вырабатывается при огромных температурах и давлениях глубоко в их недрах, где протоны (ядра водорода) сталкиваются и соединяются, образуя бóльшие ядра из меньших фрагментов и частиц. По общему мнению, Солнце за счет выгорания водорода останется стабильной звездой еще несколько миллиардов лет. Только тогда, когда водород в ядре Солнца в основном превратится в гелий, наступит новая, более бурная фаза выгорания гелия – процесса, в ходе которого вырабатывается углерод.

Английский астроном сэр Фред Хойл впервые описал реакции ядерного синтеза, в ходе которых гелий в звездах преобразуется в углерод, в 1954 г., когда преподавал в колледже Святого Иоанна Кембриджского университета [21] Simon Mitton, Fred Hoyle: A Life in Science (New York: Cambridge University Press, 2011). . Карьера Хойла была необыкновенно разносторонней. Он изучал математику в Кембридже, затем в 1940 г. в возрасте 25 лет стал работать для военных нужд в области исследования радаров. Научные изыскания Хойла привели его в Соединенные Штаты, где из исследований, связанных с Манхэттенским проектом, он впервые узнал о ядерном синтезе. Десять первых послевоенных лет Хойл опять провел в Кембридже, погрузившись в изучение ядерных процессов в звездах.

К 1950-м гг. основная концепция нуклеосинтеза, заключающаяся в том, что высокие температуры и давления в недрах звезд способствуют ядерному синтезу, в ходе которого образуются новые элементы, была уже хорошо известна. Хойл понял, что распространенность элементов в природе отражает этапы звездных процессов, в результате чего маленькие ядерные кирпичики соединяются в большие ядра. Некоторые элементы (например, железо и кислород) более распространены по сравнению с другими (например, бериллием и бором) потому, что определенные комбинации протонов и нейтронов образуются легче, чем иные. Особо важны состояния резонанса, способствующие одновременному присоединению нейтрона, протона или альфа-частицы (ядра гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами). Но большинство новых ядер формируется посредством поэтапного добавления одного из этих малых ядерных кирпичиков к уже существующим ядрам.

Углерод же отличался от всех. Расчеты того времени показывали, что нет простого пути, приводящего к его синтезу. Отсюда следовало, что этот элемент должен быть довольно редким. Но измерения его концентраций в звездах, выполненные Сесилией Пейн и ее коллегами, указывали на то, что углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной. Чтобы объяснить это несоответствие, Хойл предложил детально продуманный механизм, названный тройным альфа-процессом [22] Более подробное описание вы можете найти в книге: D. A. Ostlie and B. W. Carroll, An Introduction to Modern Stellar Astrophysics (San Francisco: Addison-Wesley, 2007). . Исследователь знал, что более старые звезды накапливают в своих недрах ядра гелия-4 (т. е. альфа-частицы). При взаимодействии двух альфа-частиц легко образуются ядра бериллия-8 – с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. А затем все, что нужно сделать для преобразования бериллия-8 в углерод-12, – это добавить еще одну альфа-частицу. Но есть загвоздка: бериллий-8 чрезвычайно нестабилен и распадается на части менее чем за одну квадриллионную секунды. Поэтому предположение, что углерод-12 образуется при добавлении третьей альфа-частицы к хрупкому бериллию-8, кажется невероятным.

Прорыв Хойла заключался в том, чтобы найти некое соответствие в природе. При энергии, близкой к 7,68 МэВ, ядро углерода-12 находится в особом, ранее не учтенном состоянии резонанса. Именно такое значение необходимо бериллию-8, чтобы захватить альфа-частицу, прежде чем распасться. Хойл подсчитал, что скорость синтеза углерода-12 в ходе тройного альфа-процесса возрастает приблизительно в миллиард раз. Физики-экспериментаторы восприняли эту идею скептически, поскольку углерод считался хорошо изученным и никаких резонансных состояний не обнаруживалось. Тем не менее Хойл убедил исследователей в Калифорнийском технологическом институте поискать это «состояние Хойла», которое вскоре и было ими подтверждено. Предсказание Хойла разрешило проблему несоответствия распространенности углерода и между делом позволило ученому мгновенно получить международное признание в развивающейся области астрофизики.

Хойл обрел славу и почести, дав объяснение звездному нуклеосинтезу, но его карьера оказалась полна противоречий. Ярый критик доминировавшей в то время космологической точки зрения, он придумал выражение «Большой взрыв» скорее как уничижительный термин, но тот в конечном счете прижился. Он предпочитал концепцию устойчивой Вселенной, независимой от ветхозаветного «момента творения». Хойл также поддерживал панспермию – спорную концепцию, что жизнь на Землю была занесена из космоса. В повсеместно осмеянной версии панспермии Хойла начало жизни дали рожденные в комете вирусы, которые до сих пор иногда вызывают глобальные эпидемии. И он горячо поддерживал идею, что нефть и природный газ образуются в ходе небиологических процессов глубоко в мантии Земли. Эта противоречивая гипотеза сейчас заново рассматривается учеными Обсерватории глубинного углерода. Когда Хойла спрашивали о его склонности занимать такие противоречивые позиции, он отвечал: «Лучше быть интересным и неправым, чем скучным и правым» [23] Цит по: Mitton, Fred Hoyle . .

Давным-давно, более 13 млрд лет назад, по прошествии нескольких миллионов лет после образования Вселенной, в космосе, лишенном каменистых планет и жизни, ярко горели первые звезды [24] Возраст первого поколения звезд остается предметом споров, но наблюдения за дальними галактиками, свет которых начал распространяться менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, указывают на то, что большие звезды образовались в космической истории довольно рано. См.: D. P. Marrone et al., “Galaxy Growth in a Massive Halo in the First Billion Years of Cosmic History,” Nature 553 (2018): 51–54. . Они появились, когда гравитация стала стягивать огромные вращающиеся облака водорода и гелия – атомов, образовавшихся при Большом взрыве, – в еще бóльшие раскаленные сферы.

Звезды – это двигатели химической эволюции. Под действием невообразимых температуры и давления в звездных недрах водород «слипался» в гелий, а три ядра гелия – в углерод. Конечно, это медленный процесс, но у звезд много времени. И таким образом углерод постепенно накапливался, чтобы в конечном итоге стать четвертым по распространенности элементом во Вселенной – на каждую тысячу атомов водорода приходится порядка пяти атомов углерода.