Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Когда эти соображения переводят в количественный вид, начало чему положил еще Альфер в своей диссертации, а продолжили многие другие исследователи, то выясняется, что непосредственным следствием Большого взрыва мог стать синтез лишь нескольких видов атомов. Математика позволяет нам подсчитать их относительную распространенность после этого: около 75 % водорода (один протон), 25 % гелия (два протона, два нейтрона) и следовые количества дейтерия (тяжелая форма водорода с одним протоном и одним нейтроном), гелия-3 (легкая форма гелия с двумя протонами и одним нейтроном) и лития (три протона, четыре нейтрона)12. Тщательные астрономические наблюдения дают в точности такую же оценку распространенности атомов, что можно считать триумфом математики и физики в подробном прояснении процессов, происходивших в первые минуты после Большого взрыва.

А что же с более сложными атомами вроде тех, что необходимы для жизни? Предположения об их происхождении начал высказывать еще в 1920-е гг. британский астроном сэр Артур Эддингтон (он прославился тем, что на вопрос, каково быть одним из всего трех человек, понимающих общую теорию относительности Эйнштейна, ответил: «Я пытаюсь понять, кто же здесь третий») наткнулся на верную идею: раскаленное нутро звезд могло, в принципе, стать космической «медленноваркой» для неспешного приготовления атомов более сложных видов. Это предположение прошло через руки многих блестящих физиков, включая нобелевского лауреата Ханса Бете (мой первый кабинет на кафедре располагался по соседству с его кабинетом, и я мог проверять часы по его совершенно неизменному роскошному чиху в четыре часа пополудни) и косвенным образом Фреда Хойла (в 1949 г. в радиопрограмме Би-би-си он пренебрежительно упомянул об образовании Вселенной за «один большой взрыв», пустив, сам того не желая, в обращение один из самых емких научных терминов13), в результате чего предположение превратилось в зрелый и предсказательный физический механизм.

В сравнении с безумной скоростью изменений сразу после Большого взрыва звезды обеспечивают стабильную среду, способную оставаться неизменной миллионы, если не миллиарды лет. Нестабильность некоторых конкретных промежуточных комочков замедляет конвейер синтеза и в звездах тоже, но, когда вы никуда не спешите и времени достаточно, работа все же может быть сделана. Так что, в отличие от ситуации с Большим взрывом, процесс ядерного синтеза в звездах далеко не заканчивается на слиянии водорода с образованием гелия. Звезды, которые достаточно массивны, продолжают сжимать ядра, вынуждая их сливаться с образованием более сложных атомов Периодической системы и выделением в ходе этого процесса значительных количеств теплоты и света. К примеру, звезда, в 20 раз превосходящая Солнце по массе, первые 8 млн лет своего существования будет заниматься синтезом гелия из водорода, а следующий миллион лет посвятит синтезу углерода и кислорода из гелия. После этого — а температура в ядре звезды поднимается еще выше — конвейер непрерывно ускоряется: звезде требуется около тысячи лет, чтобы сжечь свой запас углерода, синтезируя из него натрий и неон; следующие полгода дальнейший синтез производит магний; еще месяц идет синтез серы и кремния; а затем всего за десять дней реакции синтеза сжигают оставшиеся атомы, давая на выходе железо14.

Мы сделали остановку на железе не просто так. Из всех видов атомов именно в железе протоны и нейтроны связаны между собой наиболее прочно. Это важно. Если вы попытаетесь строить еще более тяжелые атомы, заталкивая в ядра железа дополнительные протоны и нейтроны, то обнаружите, что ядра железа не проявляют готовности к объединению. В крепких ядерных объятиях ядра железа удерживается 26 протонов и 30 нейтронов, уже сжатых до предела и высвободивших по пути столько энергии, сколько было физически возможно. Чтобы добавить к ним еще несколько протонов и нейтронов, потребуется приток — а вовсе не отвод — энергии. В результате, когда мы добираемся до железа, звездный синтез и упорядоченное производство все более тяжелых и сложных атомов с попутным выделением теплоты и света останавливается. Как пепел, оставшийся в топке вашего камина, железо уже не может гореть.

А как же тогда все остальные виды атомов с еще более крупными и тяжелыми ядрами, включая и такие полезные в хозяйстве элементы, как медь, ртуть и никель, и такие нежно любимые серебро, золото и платину, и такие экзотически тяжеловесные, как радий, уран и плутоний?

Ученые обнаружили два источника этих элементов. Когда ядро звезды в основном уже превратилось в железо, реакции синтеза перестают излучать направленную вовне энергию — и обеспечивать давление, необходимое для противодействия силе тяжести. Начинается коллапс звезды. Если звезда достаточно массивна, коллапс ускоряется и превращается в имплозию — направленный внутрь взрыв, настолько мощный, что температура ядра стремительно подскакивает; схлопывающееся вещество отскакивает от ядра и порождает мощнейшую ударную волну, которая уносится наружу. А пока эта ударная волна несется от ядра звезды к ее поверхности, она так яростно сжимает ядра, встретившиеся на ее пути, что формируется целая уйма более крупных ядерных образований. В неистовом круговороте хаотического движения частиц могут синтезироваться все тяжелые элементы таблицы Менделеева, а когда ударная волна достигает наконец поверхности звезды, то эта густая атомная мешанина выплескивается в пространство.

Вторым источником тяжелых элементов являются яростные столкновения нейтронных звезд — небесных тел, которые образуются в предсмертных конвульсиях звезд, масса которых приблизительно в 1030 раз больше массы Солнца. То, что нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов — частиц-хамелеонов, способных превращаться в протоны, — благоприятствует строительству атомных ядер, поскольку нужный строительный материал всегда оказывается под рукой в изобилии. Однако существует и препятствие: чтобы образовать атомные ядра, эти нейтроны должны освободиться от мощной гравитационной хватки звезды. Именно здесь пригождается столкновение нейтронных звезд. При ударе в пространство могут быть выброшены целые фонтаны нейтронов, которые, не имея электрического заряда, не испытывают электромагнитного отталкивания и потому легче объединяются в группы. А после того как некоторые из этих нейтронов, изменив, как хамелеоны, зарядный окрас, станут протонами (высвободив при этом электроны и антинейтрино), мы получаем запас сложных атомных ядер. В 2017 г. столкновения нейтронных звезд перестали быть игрушкой теоретиков и перешли в разряд наблюдаемых фактов: исследователи зарегистрировали гравитационные волны, генерируемые таким столкновением (их обнаружили вскоре после самой первой регистрации гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр). Шквал аналитических работ установил, что столкновения нейтронных звезд производят тяжелые элементы более эффективно и обильно, чем взрывы сверхновых, так что вполне возможно, что большая часть тяжелых элементов во Вселенной появилась на свет в результате именно этих астрофизических катастроф.