Рискуя чрезмерно упростить суть жизненного цикла звезды с высокой массой, мы все же позволим себе заявить, что каждая звезда живет за счет того, что внутри нее создается и высвобождается энергия, которая позволяет звезде противостоять гравитации. Если бы не это производство энергии с помощью термоядерного синтеза, каждый звездный газовый шар просто коллапсировал бы под тяжестью своего собственного веса. Эта доля ожидает те звезды, которые уже истощили запасы ядер водорода (протонов) в своих звездных ядрах. Как уже было отмечено ранее, превратив водород в гелий, ядро звезды принимается делать из гелия углерод, затем из углерода – кислород, из кислорода – неон и так далее, пока дело не дойдет до железа. Чтобы успешно синтезировать все новые и новые и все более тяжелые элементы в этой последовательности, сопутствующая температура реакций должна постоянно повышаться, чтобы атомные ядра могли преодолевать возникающие между ними силы отталкивания. К счастью, это происходит само собой, потому что в конце каждой промежуточной стадии, когда источник энергии звезды временно перекрывается, ее внутренние регионы сжимаются, температура подскакивает – и запускается новый этап ядерного синтеза. Так как ничто не продолжается вечно, звезда в какой-то момент сталкивается с серьезной проблемой: оказывается, во время синтеза железа энергия не выделяется, но поглощается. Плохие новости для нашей звезды! В ее термоядерной шляпе фокусника нет больше волшебной палочки, одним взмахом которой она могла бы запустить новый процесс, выделяющий энергию для противопоставления своей собственной гравитации. В этот момент звезда резко коллапсирует, из-за чего ее внутренняя температура возрастает столь стремительно, что она взрывается, раскидывая свои звездные внутренности во все стороны.
В процессе самого взрыва наличие нейтронов, протонов и энергии позволяет сверхновой звезде создавать элементы множеством разных способов. В статье 1957 года четверка авторов объединила:
• хорошо проверенные положения квантовой механики;
• физические особенности взрывов;
• свои новейшие сечения столкновений;
• разнообразные процессы преобразования одних элементов в другие;
• основы теории эволюции звезд.
Все это для того, чтобы подвести читателя к одной мысли: взрывы сверхновых звезд – это первоосновной источник всех элементов тяжелее водорода и гелия в нашей Вселенной.
Помимо звезд с большой массой в качестве источников тяжелых элементов и сверхновых звезд в качестве наиболее вероятного источника распространения этих элементов великолепная четверка заодно получила решение еще одной задачи совершенно даром: когда внутри звездного ядра синтезируются элементы тяжелее водорода и гелия, никакого прока от этого нет, если не отправить их на все четыре стороны в межзвездное пространство, чтобы там из них рано или поздно получился мир, в котором могут рождаться такие существа, как вомбаты. Э. Маргарет Бербидж, Джеффри Р. Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл (их еще называют командой Б2ФХ) объединили наше понимание ядерного синтеза в звездах с той вселенской кузницей элементов, следы которой мы находим в космосе повсеместно. Их выводы пережили десятилетия скептического анализа, поэтому опубликованной ими статье можно отвести лишь одну роль – роль переломной работы в истории изучения человеком устройства Вселенной.
В последние годы астрофизики осознали, что для производства новых элементов у звезд есть два дополнительных пути. Когда звезды с большой массой становятся красными гигантами, они, как было описано в главе 8, отбрасывают свои внешние слои, которые образуют то, что ошибочно было названо планетарными туманностями. Эти газы, богатые образовавшимися в результате ядерного синтеза углеродом и азотом, в конечном итоге сливаются с веществом, плавающим в галактике, и могут поглощаться новыми поколениями звезд. Именно таким путем попала в нашу экосистему большая часть углерода и азота, необходимых для жизни на Земле.
Занимая шестую и седьмую позиции в таблице Менделеева, углерод и азот входят в число самых легких элементов. Следующие 30 или около того элементов, от кислорода до рубидия, возникли в горниле взрывов сверхновых, которые Б2ФХ назвали фабрикой элементов. Еще более тяжелые элементы, как теперь считают астрофизики, появились в результате других масштабных космических событий: слияний нейтронных звезд, описанных в главе 9. В 2017 году, который стал поворотным для прогресса в астрономии, три детектора зафиксировали гравитационное излучение от источника, известного как GW170817. А одновременное исследование гамма-излучения, видимого света и других типов электромагнитного излучения, исходящих из одного источника, открыло для мира «астрономию нескольких посыльных», что журнал Science после назвал прорывом года. В отличие от слияний двух черных дыр, которые генерируют большую часть гравитационного излучения, обнаруженного до сих пор, и почти не оставляют вещественных следов, слияния нейтронных звезд производят облака материи, испускающие электромагнитное, гамма- и рентгеновское излучение, а также радиоволны и видимый свет, раскрывающий детали химического состава обломков.
Свет от события, наблюдаемого в 2017 году, выявил присутствие стронция (38-го элемента), подтвердив расчеты астрофизиков, предсказавших, что слияния нейтронных звезд производят тяжелые элементы. Как показывают расчеты, их подавляющее, возникая в результате описанного выше процесса быстрого захвата нейтронов, обязано своим существованием скручиванию спиралей и возможному слиянию нейтронных звезд в двойных системах. Поскольку нейтронные звезды – это схлопнувшиеся ядра бывших сверхновых, ученые, изучающие сверхновые, могут справедливо заявить, что здесь мы тоже наблюдаем образование элементов, порождаемых взрывающимися звездами, только в этом случае элементы возникают в одном шаге от взрыва.
Да, Земля и вся жизнь на ней суть звездная пыль. Нет, мы еще не ответили на все интересующие нас химические вопросы космического масштаба. Так, любопытную загадку современности представляет собой технеций – первый химический элемент, полученный (в 1937 году) искусственным путем в земной лаборатории. (Само слово «технеций», как и другие с префиксом «тех», отсылает к греческому «технетос», что означает «искусственный».) Найти технеций в природе на Земле нам еще предстоит, но астрономы уже нашли его в атмосферах небольшого количества красных гигантов, входящих в нашу галактику. Само по себе это не столь удивительно, если бы не тот факт, что технеций преобразуется в другие элементы с периодом полураспада в два миллиона лет, что в разы меньше возраста и средней продолжительности жизни звезд, за которыми мы наблюдаем. Эта головоломка привела к рождению разных экзотических теорий, которые пока не получили единодушного одобрения мирового сообщества астрофизиков.
Заинтересованных ученых подобные бесконечные химические загадки пленят столь же сильно, как и темы черных дыр, квазаров и ранней Вселенной. Но вам прочитать о них редко где удается. Почему так? Потому что средства массовой информации уже давно решили, о чем следует писать, а о чем – нет. Судя по всему, новости о космическом происхождении каждого отдельного химического элемента, из которых в общей сложности состоит ваше тело, в повестку дня не попадают. И все же, как рассуждал директор Гарвардской обсерватории Харлоу Шепли в своей книге «Вид с далекой звезды», вышедшей в 1963 году, «человечество состоит из звездного вещества и подчиняется Вселенским законам».
Глава 11. В эпоху юности миров
В своих попытках разузнать историю Вселенной мы неоднократно убеждались в том, что наиболее плотно укутанные завесой тайны этапы мироздания – это те, что относятся непосредственно к началу начал: к истокам самой Вселенной, ее наиболее крупных структур (галактик и галактических кластеров) и ее звезд, которые являются источником большей части света в космосе. Каждая из этих историй о происхождении играет определенную и жизненно важную роль – и не только в объяснении того, как предположительно бесформенный космос произвел на свет сложные объединения различных типов объектов, но и в определении того, как и почему через 14 миллиардов лет после Большого взрыва мы вообще живем на планете Земля и можем задаться этим вопросом: «Как же все это произошло?»
Не в последнюю очередь подобные загадки рождаются потому, что во время «темных веков» космической истории, когда вещество еще только начинало скапливаться в самодостаточные единицы, такие как звезды или галактики, большая часть всего этого вещества производила очень мало или вообще не производила обнаружимого излучения. То темное время оставило нам лишь минимум возможностей (все еще не до конца исследованных) для того, чтобы каким-то образом узнать, как выглядело вещество на тех ранних стадиях организации. В свою очередь, это означает, что нам следует полагаться – в пугающе высокой степени – на свои собственные теории о том, как должно вести себя вещество, и что у нас не так уж много инстанций, в которых мы могли бы сопоставить свои теории со своими наблюдениями.
Стоит нам обратиться к происхождению планет, как загадки лишь множатся и усугубляются. У нас нет не только результатов наблюдений за ключевыми первоначальными стадиями формирования планет, но и успешных теорий о том, как же именно в свое время планеты сформировались. В качестве позитивной ремарки спешим отметить, что вопрос «Откуда появились планеты?» за последние годы стал рассматриваться гораздо шире. На протяжении большей части XX века в поисках ответа на него ученые акцентировали внимание только на планетах Солнечной системы. За прошедшее же десятилетие рядом с относительно близкими звездами было найдено более сотни экзопланет, которые подарили ученым существенно больше данных для того, чтобы попробовать определить раннюю историю их рождения и существования – в первую очередь как эти астрономически малые, темные и плотные объекты сформировались среди звезд, дающих им свет и жизнь.