ГЛАВА 4
ЗВЕЗДЫ, ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА И ЧИСЛО ε
Я верю, что листик травы не меньше поденщины звезд.
ЗВЕЗДЫ КАК «ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ»
Насколько стара Земля? Сейчас с помощью измерения радиоактивных атомов установлено, что ей примерно 4,55 млрд лет. Тем не менее убедительные аргументы в пользу древнего возраста нашей планеты выдвигались еще в XIX в. В то время геологи, оценивая степень эрозии и оседания грунта, которые повлияли на формирование земной поверхности, предположили, что возраст Земли составляет по меньшей мере 1 млрд лет. Дарвинисты разделяли их мнение, ссылаясь на свои оценки количества поколений эволюционирующих видов, которые должны были жить на планете до нас. Однако великий физик лорд Кельвин вычислил, что вся внутренняя энергия Солнца должна была истечь наружу и оно бы сдулось всего за 1 % этого времени. Он мрачно заявлял: «Обитатели Земли не могут продолжать наслаждаться светом и теплом, так необходимыми для их жизни, больше нескольких миллионов лет, если только в великой кладовке творения для нас не приготовлены другие их источники, сейчас нам неизвестные». Наука ХХ в. обнаружила, что такие источники действительно существуют и спрятаны они в ядре атома. Водородные бомбы – ужасающее доказательство того, какая энергия скрывается в атоме.
Энергия Солнца рождается в результате преобразования водорода (простейший атом, ядро которого состоит из одного протона) в гелий (тоже простой атом, состоящий из двух протонов и двух нейтронов). Попытки поставить на службу человеку термоядерную реакцию как источник энергии (управляемый термоядерный синтез) пока что зашли в тупик из-за того, что трудно получить необходимые температуры во много миллионов градусов. Еще большей проблемой является необходимость сохранять этот чрезвычайно горячий газ где-то в лаборатории – очевидно, что он расплавит любой контейнер, и поэтому его приходится удерживать с помощью магнитных ловушек. Но Солнце имеет такую большую массу, что сила тяготения удерживает располагающиеся дальше от ядра более холодные слои и, таким образом, «прижимает крышку» к ядру с высоким давлением. Структура Солнца способствует тому, чтобы в его ядре генерировалась ядерная энергия, которая распространяется во внешние слои именно до того уровня, который необходим, чтобы уравновесить потери тепла с поверхности звезды – того самого тепла, которое является основой жизни на Земле.
Это топливо заставляет Солнце сиять уже почти 5 млрд лет. Но когда оно начнет иссякать, примерно еще через 5 млрд лет, солнечное ядро начнет сжиматься, а его внешние слои – расширяться. За 100 млн лет – достаточно короткий период по сравнению с общей продолжительностью его жизни – Солнце станет ярче и превратится в звезду, которую называют красным гигантом, поглотив ближайшие планеты и испарив любую жизнь, которая останется на Земле. Часть его внешних слоев будет сброшена, а ядро в конечном итоге превратится в белый карлик, который будет освещать тусклым голубым светом, не ярче теперешней Луны, жалкие останки Солнечной системы.
Астрофизики вычислили, какие процессы должны происходить внутри нашего Солнца, и достигли того, чтобы их расчеты соответствовали наблюдаемым радиусу, температуре, яркости и т. д. Они с полной определенностью могут сказать, каковы условия в самой глубине Солнца. Также они могут высчитать, как оно будет развиваться в следующие несколько миллиардов лет. Очевидно, что напрямую эти расчеты проверить невозможно. Тем не менее мы можем наблюдать другие звезды
Эти выводы основываются на предположении о том, что атомы и их ядра одинаковы повсюду. Величайшим прозрением Ньютона было то, что он связал воедино роль гравитации на Земле с поведением небесных тел. Однако он описывал только движение тел нашей Солнечной системы. Потребовалось куда больше времени, чтобы понять, что гравитация важна и для других звезд и даже – других галактик. В древние времена считалось, что небесная сфера сделана из особого вещества, эфира, более чистого, чем земля, воздух, огонь и вода земного происхождения. До середины XIX в. не было никаких догадок по поводу того, из чего состоят звезды. Использование призмы для расщепления света в радугу позволило установить, что свет Солнца и других звезд содержит детали, которые указывают на хорошо известные на Земле атомы. Состав «звездной начинки» не отличался от атомов «подлунной сферы».
Так же легко, как и этапы эволюции Солнца, астрофизики могут вычислить жизненный цикл звезд, которые, скажем, в два раза или в десять раз тяжелее нашей звезды. Более мелкие звезды сжигают свое топливо медленнее. Напротив, звезды, которые в десять раз тяжелее Солнца, – например, четыре голубые звезды, которые расположены трапецией в созвездии Ориона, – светятся в тысячи раз ярче и расходуют свое топливо быстрее. Их срок жизни гораздо короче, чем у Солнца, и заканчивают свой век они более экстремально, взрываясь, как сверхновые. В течение нескольких недель они сияют, как несколько миллиардов Солнц. Внешние слои таких звезд под воздействием взрывной волны, которая врезается в окружающий их межзвездный газ, разлетаются со скоростью 20 000 км/с.
24 февраля 1987 г. канадский астроном Йан Шелтон вместе со своим чилийским коллегой проводили рутинные наблюдения в обсерватории Лас Кампанас на севере Чили. Они заметили в южной части неба необычный блеск, который был так ярок, что его можно было видеть невооруженным глазом. В предыдущие ночи ничего подобного не было. Оказалось, что это самая близкая сверхновая из всех, наблюдавшихся в наши дни. В течение нескольких недель, на которые пришелся пик ее сияния, и в течение нескольких последующих лет, когда она постепенно тускнела, на звезду были нацелены все самые современные приборы, которыми располагали астрономы. Явление позволило проверить теории о колоссальном взрыве. Это единственная сверхновая, у которой нам известна звезда-предшественница[14]: старые фотографические пластины показывают, что на ее месте находилась голубая звезда примерно в 20 раз тяжелее Солнца.
Сверхновая представляет собой катастрофическое событие в жизни звезды и связана с несколькими экстремальными физическими процессами, поэтому вполне естественно, что сверхновые привлекают астрономов. Но только один человек на 10 000 является астрономом[15]. Какая связь может быть между этими взрывами звезд в тысячах св. лет от нас и всеми остальными людьми, чьи дела связаны с тем, что происходит на Земле или около нее? Ответ на этот вопрос просто удивителен: они являются основополагающими для того мира, в котором мы все живем. Без них нас бы просто не существовало. Сверхновая создала ту смесь атомов, из которых сделана Земля и которые стали строительным материалом для замысловатой химии жизни. Со времен Дарвина нам известно об эволюции и естественном отборе, которые предшествовали нашему появлению, и о нашей связи со всей остальной биосферой. Сейчас астрономы находят признаки того, что наша Земля берет начало от звезд, которые умерли до того, как сформировалась Солнечная система. Эти древние звезды состояли из атомов, из которых состоит наша планета и мы сами.
АЛХИМИЯ В ЗВЕЗДАХ
В природе атомы существуют в 92 разновидностях, что мы видим в периодической таблице Менделеева. Место каждого атома в ней зависит от числа протонов в его ядре. Таблица начинается атомом водорода, который стоит под № 1, и заканчивается ураном под № 92[16]. Ядро атома содержит не только протоны, но и другие частицы, которые называются нейтронами. Нейтрон немного тяжелее протона, но у него нет электрического заряда. Атомы каждого отдельного элемента могут существовать в нескольких вариантах, которые называют изотопами, с разным количеством нейтронов. Например, углерод имеет шестой номер в периодической таблице, т. е. его ядро содержит шесть протонов. Самая распространенная форма углерода (так называемый 12С) также содержит шесть нейтронов, но существуют и изотопы с семью или восемью нейтронами (соответственно – 13С и 14С). Уран – самый тяжелый из встречающихся в природе элементов, хотя более тяжелые ядра, в которых количество заряженных частиц может достигать 114, могут быть получены в лабораториях. Эти сверхтяжелые элементы нестабильны и легко распадаются. Некоторые, такие как плутоний (№ 94 в периодической таблице) имеют время существования в несколько тысяч лет. Элементы с порядковым номером больше 100 могут быть получены в экспериментах, где ядра атомов сталкиваются друг с другом, но такие элементы распадаются в течение очень непродолжительного периода.
Когда водород, находящийся в центре большой звезды, превращается в гелий (элемент № 2 в таблице Менделеева), ее ядро сжимается, повышается температура и гелий начинает реагировать. Электрический заряд ядра гелия в два раза выше, чем у водорода, поэтому этим частицам нужно сталкиваться на большей скорости, чтобы преодолеть более сильное электрическое отталкивание, а для этого требуется более высокая температура. Когда запас гелия истощается, звезда сжимается и разогревается еще больше. У таких звезд, как Солнце, ядро никогда не достигает такой температуры, чтобы эти преобразования зашли слишком далеко, но центральные части более тяжелых звезд, где притяжение сильнее, нагреваются до миллиарда градусов. Они освобождают полученную энергию путем образования атомов углерода (шесть протонов) и затем цепочкой преобразований в вещества с постепенно возрастающим атомным весом: кислород, неон, натрий, кремний и т. д. Количество энергии, высвобождающейся при формировании отдельных атомных ядер, зависит от соотношения двух сил: атомной, которая «склеивает» определенные протоны и нейтроны вместе, и разрушительного эффекта электрической силы между протонами. Ядра атомов железа (26 протонов) связаны крепче, чем любые другие атомы; для создания еще более тяжелых ядер требуется еще больше энергии. Таким образом, когда ядро звезды переживает переход в железо, она испытывает энергетический кризис.
Его последствия драматичны. Когда железное ядро достигает порогового размера (примерно 1,4 массы Солнца), тяготение берет верх и ядро сжимается до размеров нейтронной звезды. Этот процесс высвобождает достаточно энергии, чтобы вещество внешних слоев звезды вспыхнуло в колоссальном взрыве, создавая сверхновую. Более того, эти внешние слои к тому моменту имеют весьма неоднородный состав: водород и гелий все еще горят во внешних слоях, но более горячие внутренние слои продвинулись куда дальше по периодической таблице. Вещество, разлетающееся по космосу, содержит смесь этих элементов. Более всего распространен кислород, за ним следуют углерод, азот, кремний и железо. Если принимать в расчет все типы звезд и различные пути их развития, то рассчитанные пропорции веществ согласуются с тем, что можно наблюдать на Земле.
Железо является всего лишь 26-м элементом в таблице Менделеева. На первый взгляд с более тяжелыми атомами могут быть проблемы, поскольку для их синтеза необходимо вложение энергии. Но огромная температура во время коллапса звезды и взрывная волна, которая разносит ее внешние слои, производят небольшие количества остальных элементов периодической таблицы вплоть до урана под № 92[17].
ГАЛАКТИЧЕСКАЯ ЭКОСИСТЕМА
Первые звезды сформировались примерно 10 млрд лет назад из первичной материи, которая содержала только самые простые атомы – никакого углерода, никакого кислорода и никакого железа. Химия в те времена была бы очень скучным предметом. Разумеется, вокруг первых звезд не обращалось никаких планет. До того как появилось наше Солнце, несколько поколений тяжелых звезд могли пройти через свой полный жизненный цикл, преобразовав первоначальный водород в основные строительные материалы жизни и распространив их по космосу с помощью звездного ветра или взрывов. Некоторые из этих атомов вошли в состав межзвездного облака, напоминающего Туманность Ориона, и в нем примерно 4,5 млрд лет назад сформировалась звезда, окруженная диском из газа и пыли, которому предстояло стать нашей Солнечной системой. Почему на Земле так распространены углерод и кислород, а золото и уран встречаются так редко? Ответ связан со звездами, которые взорвались до того, как образовалось Солнце. Наша Земля и мы сами – осколки древних звезд. Наша Галактика – экосистема, снова и снова перерабатывающая одни и те же атомы с помощью поколений звезд.
Атомы углерода, кислорода и железа в Солнечной системе являются остатками пылевого облака, из которого она сформировалась 4,5 млрд лет назад. Атомы появились внутри тяжелых звезд, которые к тому времени уже разбросали свое вещество. Эти «загрязняющие вещества» составляли всего 2 % массы: водород и гелий по-прежнему оставались доминирующими атомами. Тем не менее тяжелых атомов на Земле хватает, потому что водород и гелий – легкоиспаряющиеся газы, которые быстро покинули все внутренние планеты. Напротив, гигантский Юпитер, как и Солнце, по большей части состоит из водорода и гелия. Он был сформирован из более холодной внешней части диска, который окружал только что появившееся Солнце, и собственного тяготения Юпитера было достаточно для того, чтобы удержать эти легкие атомы.