массы, тем крепче связь между собранными в конструкцию детальками. Почему? Ну смотрите, если часть массы при образовании сборной конструкции улетела в виде излучения, то для того, чтобы эту конструкцию обратно разобрать, нужно эту улетевшую энергию обратно в собранное ядро добавить, энергично шарахнув по нему. Тогда добавленная при ударе энергия превратится в массу, и ядро разлетится на отдельные частички, которые снова в сумме будут весить больше, чем они весили в собранном состоянии.
То есть ядро гелия просто так не развалишь! Оно крепко сбито. Но самыми прочными, самыми стабильными являются ядра химических элементов, находящихся примерно в серединке таблицы Менделеева – в районе железа. У них максимальный дефект массы. То есть максимальная прочность на разрыв.
Для того чтобы «склеить» из двух протонов гелий, нужно сблизить всего два положительных зарядика, преодолев силу их отталкивания. А вот для того, чтобы сблизить для термоядерного слияния (синтеза) два больших ядра со множеством протонов, нужно затратить намного больше сил, поскольку их взаимное отталкивание очень велико (много положительных зарядиков сопротивляются сближению). Но чем больше ядра, тем больше в них протонов. А мы помним, что очень большие ядра неустойчивы в силу того, что ядерные силы весьма короткодействующие, и при наборе положительных зарядов (протонов) их отталкивание уже начинает преобладать над силами ядерного сцепления. То есть существуют некоторые оптимальные значения числа протонов, при которых ядра получаются наиболее устойчивыми, стабильными. Это ядра с максимальным значением дефекта масс. Их очень трудно разорвать, поскольку нужно вкладывать уже слишком большую энерго-разницу, равную дефекту масс. И при этом их еще не помогает разорвать взаимное отталкивание чересчур огромного числа протонов. Это ядра, лежащие в таблице Менделеева вокруг железа, соседние с ним. Посмотрите таблицу, найдите соседей железа в этом общежитии. Это самые крепкие жители таблицы!
Таким образом, дефект массы – второе имя крепкости связи частиц в ядре. Чем больше для ядра дефект массы, тем оно крепче.
Все, что лежит дальше от железа, имеет меньшую стабильность, меньший дефект масс, то есть расколоть здоровенные ядра легче, чем ядро железа, поскольку возможному расколу будут помогать силы отталкивания протонов в ядре.
Поэтому где-то в районе железа синтез более тяжелых элементов внутри звезд прекращается: чтобы склеивать ядра потяжелее, нужно уже потратить больше энергии на их сближение, чем мы получим в результате реакции синтеза. К слову сказать, для синтеза железа и стоящих рядом с ним в таблице Менделеева элементов нужна уже температура в 4 миллиарда градусов! А чтобы синтезировать более тяжелые ядра, столкнуть их между сбой, нужна еще бо́льшая энергия.
Откуда же она берется, если у звезд уже силенок не хватает на синтез всего, что тяжелее железа и его ближайших соседей? В рабочем режиме никакая звезда не может включить режим синтеза «зажелезистых» ядер, используя железо как топливо.
И вот там, где перестают действовать спокойные рабочие процессы, на помощь приходят процессы катастрофические. Иногда звезды взрываются! При этом выделяется столь колоссальная энергия, что ее хватает на синтез тяжелых и сверхтяжелых ядер. Частицы при взрыве получают такие ускорения, что могут начать сталкиваться, преодолевая мощные силы электроотталкивания, даже очень тяжелые ядра, содержащие многие десятки протонов. Именно во время таких взрывов и происходит во Вселенной наработка всего, что тяжелее железа – золота, платины, урана, свинца, серебра и многих прочих элементов.
Отчего же взрываются звезды? И можно ли этот процесс наблюдать?
Сейчас расскажу…
Эта история случилась примерно 450 лет тому назад прекрасным ноябрьским вечером, когда молодой датчанин по имени Тихо Браге вышел на улицу и по привычке посмотрел на небо. Кто такой был этот Тихо Браге? Астроном он был, астролог и неутомимый дуэлянт! В одной из дуэлей Тихо отрубили клинком нос и, чтобы не шокировать своим обезображенным лицом окружающих, Браге до самой смерти носил на лице серебряный протез в форме носа.
Так вот, выйдя на улицу тем прекрасным ноябрьским вечером 1572 года и задрав свой серебряный нос к небу, Тихо Браге застыл в полном изумлении. Он, хорошо знавший к тому времени рисунок звездного неба – все главные звезды и созвездия – вдруг увидел на небосклоне в созвездии Кассиопеи новую звезду. Которой еще вчера вечером не было.
Разве такое возможно?
Со времен великой древности всем было прекрасно известно: звезды вечны и неизменны. Столетиями и тысячелетиями одни и те же звезды, сгруппированные в одни и те же неизменные созвездия светят людям по ночам. И с начала времен не было такого, чтобы в небе вдруг зажглась новая звезда! Причем не просто звезденка какая-то там еле заметная, которую без подзорной трубы и не разглядишь, а звезда довольно большой яркости, видимая невооруженным глазом – она вдруг засияла на небе, изменив привычный рисунок созвездия.
Возможно, она отражалась в серебряном носу датчанина и какое-то время он в полном изумлении переводил глаз с кончика носа на новую звезду, а быть может, автору книги это просто представилось. Но факт остается фактом: с тех самых пор внезапно вспыхнувшие на небе яркие звезды называют новыми или сверхновыми. Вспыхивают они внезапно, неожиданно для всех и светят недолго, после чего тихо гаснут.
Что это за явление такое и чем отличаются новые звезды от сверхновых?
Прежде всего надо понять, что вспышка новой или сверхновой – это не внезапное рождение звезды с ее последующей молниеносной погибелью. Это просто взрыв уже существующей звезды. Просто звезда эта так тускла на ночном небе, что практически незаметна. Но при ее взрыве выделяется столь умопомрачительная энергия, что едва различимая в телескоп точечка сразу переходит в звезды первой величины и возникает полное впечатление, будто на небе зажглась новая звезда. Отсюда и название – новая и сверхновая.
Новая звезда отличается от сверхновой только мощностью взрыва. Это примерно как атомная бомба и водородная. Атомная – это страшно. А водородная – вообще пипец!.. Новая звезда увеличивает при взрыве свою яркость в тысячи раз и сотни тысяч раз. А сверхновая – в миллионы и миллиарды раз!
Представьте себе двойную звездную систему, состоящую из двух кружащихся друг вокруг друга звезд (астрономы говорят в таких случаях, что звезды кружатся вокруг общего центра масс), сцепившись «ручками» взаимного тяготения. Но одна из этих звезд представляет собой плотный белый карлик, а вторая – большая, но «рыхлая», довольно разреженная звезда с низкой плотностью.
Крепенький белый карлик все время подворовывает газовую шубу у своего партнера, постепенно «раздевая его» и утаскивая в себя газ из верхних слоев невнимательного гиганта. В результате на поверхности плотного белого карлика образуется слой водорода, который, постепенно накапливаясь и разогреваясь в мощном поле тяготения белого карлика, взрывается подобно тому, как взрывается водород в термоядерной бомбе. Это не то равномерное горение термоядерной печки, какое мы наблюдаем в центре обычных звезд, а именно взрывной «нештатный» процесс резкого выгорания накопившегося на поверхности белого карлика чужого «соседского» водорода.
Причем эти вспышки, резко увеличивающие светимость двойной системы в десятки или сотни тысяч раз, могут происходить не раз и не два, а периодически – по мере накопления очередной порции топлива на поверхности белого карлика. Вот это и называется «новая звезда», хотя на самом деле дело происходит в системе двойной звезды в результате взаимодействия двух звезд, одна из которых плотный белый карлик, а другая – рыхлый гигант. Такого рода вспышка разгорается несколько дней и длится годами, пока весь уворованный белым карликом водород не выгорит. И – до следующего раза.
Совсем иное дело – вспышка сверхновой! Подобное катастрофическое явление случается с очень массивными звездами, которые во много раз тяжелее нашего Солнца. Эти гиганты постепенно, слой за слоем нарабатывают все более и более тяжелые элементы таблицы Менделеева, как и положено порядочным звездам – во внешних слоях еще горит водород, слоем ниже – гелий, ниже кремний, магний, углерод и так далее вплоть до железа, которое синтезируется в самом центре при гигантских температурах, и само оно быть топливом для дальнейшего синтеза уже не может. Мы теперь знаем почему: железо – самый стабильный элемент с самым высоким дефектом масс, и для того, чтобы развалить железо или, наоборот, добавить к нему какие-то части, нужно приложить внешнюю энергию, в то время как с элементами легче железа ситуация обратная – они сами, сгорая, дают энергию для свечения звезды. Огромная масса звезды в данном случае необходима, чтобы сил ее мощнейшего тяготения хватило для такого сжатия вещества, при котором достигаются температуры, нужные для получения железа.
Итак, в центре большой звезды оседает несгораемый «шлак» в виде железа, и термоядерное горение, которое распирало центр звезды мощнейшим излучением и противодействовало гравитации, прекращается. Силы гравитации, которым больше ничто не сопротивляется, начинают дальнейшее сжатие вещества в центре. Но поскольку звезда гигантская, ее сила тяготения столь велика, что начинает вдавливать электроны в протоны, образуя нейтроны. И вместо ядер железа, между которыми шебуршились электроны, остаются одни нейтроны. Мы уже говорили об этом.
Плотность вещества скачком возрастает, то есть центр звезды как бы резко схлопывается вовнутрь. А за ним обваливаются к центру внешние слои, в которых шло неспешное послойное равномерное горение. Но в результате этой катастрофы, квадриллионы тонн топлива с огромной скоростью устремляются вниз, точнее, к нейтронному центру звезды, разогреваясь и повышая температуру настолько, что постепенное и упорядоченное термоядерное горение превращается в неуправляемый термоядерный взрывище! Который буквально разносит звезду во все стороны, оставляя в центре малюсенькую нейтронную серединку.